DSC在太陽能及風力發(fā)電系統(tǒng)中的應用研究

1、數(shù)字信號控制器（DSC）是數(shù)字控制系統(tǒng)的核心
數(shù)字信號控制器（DSC）平臺是能將微控制器（MCU）的控制外設和—流的DSP（數(shù)字信號處理）技術(shù)的處理能力與經(jīng)濟性相結(jié)合，其特點是簡便易用。如今TI、Microchip等公司提供了DSP的高性能及微控制器集成與易用性，優(yōu)異的處理能力、中斷處理功能、控制特定外設集成能力與經(jīng)濟性的獨特組合為控制系統(tǒng)提供了實質(zhì)性的益處。通過這些優(yōu)勢，諸如改善的系統(tǒng)效率及增加的創(chuàng)新性能，能夠采用更少的外部組件，更低的成本，為空間受限的應用推出極小化封裝產(chǎn)品。
如今把握當前國內(nèi)外受關(guān)注的綠色環(huán)保概念，開發(fā)與生產(chǎn)太陽能光伏組件及太陽能光伏系統(tǒng)，并不斷開發(fā)適合國際、國內(nèi)市場需求的系列應用產(chǎn)品，是符合“讓太陽發(fā)電，地球更清潔，造福人類”的宗旨。而作為數(shù)字信號控制器（DSC）在其開發(fā)應用上可謂是恰到好處并且是多方面的，如綠色能源、數(shù)字電源、照明、家用電器、工業(yè)控制、車載產(chǎn)品、醫(yī)療及計量等?；跀?shù)字控制器的技術(shù)在工業(yè)應用中的優(yōu)勢，本文將對DSC技術(shù)在太陽能逆變器中的應用作分析說明。既然是在太陽能逆變器中應用，為此應對與太陽能有關(guān)的理念先作介紹。
2、與太陽能有關(guān)理念
太陽能光伏組件及太陽能光伏系統(tǒng)，其產(chǎn)品生產(chǎn)從單晶硅棒、硅片、電池片到組件，并在系統(tǒng)工程的設計與集成獲得了迅速發(fā)展并在新能源發(fā)電、電力、通信、消防、航空和車船等領(lǐng)域獲得廣泛應用。
2.1太陽能光伏技術(shù)
太陽能是各種可再生能源中最重要的基本能源，通過轉(zhuǎn)換裝置把太陽輻射能轉(zhuǎn)換成電能利用的屬于太陽能光發(fā)電技術(shù)，光電轉(zhuǎn)換裝置通常是利用半導體器件的光伏效應原理進行光電轉(zhuǎn)換的，因此又稱太陽能光伏技術(shù)。光伏電池的基本特征為：當光線照射太陽電池表面時，一部分光子被硅材料吸收，光子的能量傳遞給硅原子，使電子發(fā)生躍遷成為自由電子，在P-N結(jié)兩側(cè)集聚形成了電位差，當外部接通電路時，在該電壓的作用下，將會有電流流過外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率。這個過程的實質(zhì)是：光子能量轉(zhuǎn)換成電能的過程。圖1（a）為光伏電池框圖。
DSC在太陽能及風力發(fā)電系統(tǒng)中的應用研究
DSC在太陽能及風力發(fā)電系統(tǒng)中的應用研究
圖1（a）光伏電池框圖；（b）并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)組成框圖；（c）獨立發(fā)電系統(tǒng)組成框圖
2.2光伏發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成與類型
一套基本的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是由太陽能電池板、控制器、逆變器和蓄電池構(gòu)成。光伏發(fā)電系統(tǒng)有兩大類：并網(wǎng)發(fā)電和獨立發(fā)電。并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)為太陽能電池方陣發(fā)出的電能經(jīng)過并網(wǎng)逆變器將電能直接輸送到交流電網(wǎng)上，或?qū)⑻柲芩l(fā)出的電經(jīng)過并網(wǎng)逆變器直接為交流負載供電，圖1（b）為并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)組成框圖；獨立發(fā)電系統(tǒng)為太陽能電池方陣發(fā)出的電能經(jīng)蓄電池充電并經(jīng)過逆變器將直流轉(zhuǎn)換成交流電，圖1（c）為獨立發(fā)電系統(tǒng)組成框圖。
應該說太陽能光伏系統(tǒng)可在太陽能風力發(fā)電控制器、逆變電源、并網(wǎng)逆變電源等多種綠色能源得到廣泛應用。值此重點對DSC技術(shù)在太陽能逆變器中應用作分析。
3、太陽能逆變器系統(tǒng)應用方案
3.1問題的提出
全球范圍內(nèi)能量的未來獲取方式是一個新興的焦點問題。礦物燃料的多個替代解決方案已經(jīng)展開研究，并將在全球各地區(qū)進入了工業(yè)化的生產(chǎn)過程。光伏并網(wǎng)發(fā)電是將太陽能電池陣列所發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟婐佀碗娋W(wǎng)，是太陽能發(fā)電走向可持續(xù)發(fā)展的必由之路。
太陽能是最廣泛的替代能源之一，其重點放在光伏（PV）系統(tǒng)的交付上，這包括用于電力公用事業(yè)、商用建筑以及個人住宅的高性能太陽能逆變器。逆變器是整個太陽能系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，可將PV電池的可變DC電壓輸出轉(zhuǎn)換成清潔的50Hz或60Hz正弦電流，適用于商用電網(wǎng)或本地電網(wǎng)供電。
作為光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)（如組合型），整個系統(tǒng)由控制系統(tǒng)和功率主電路兩部分組成。功率主電路使用大功率智能功率模塊IPM，控制系統(tǒng)以DSP為核心，檢測直流側(cè)及網(wǎng)側(cè)的電量信號，通過最大功率尋優(yōu)，電壓、電流調(diào)節(jié)，以及空間矢量PWM波形發(fā)生控制，向功率驅(qū)動回路發(fā)出控制指令，將太陽能直流轉(zhuǎn)換單元輸出的直流電變換成交流電，并回饋至電網(wǎng)。
太陽能并網(wǎng)逆變器是并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心部分，其主要功能是將太陽能電池板發(fā)出的直流電逆變成單相交流電，并送人電網(wǎng)。為此有必要對逆變電源技術(shù)特征作說明。
3.2何謂逆變電源
逆變電源是將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姷难b置，是太陽能、風力發(fā)電系統(tǒng)的核心部件。根據(jù)產(chǎn)品設計情況分為：太陽能、風力發(fā)電專用正弦波逆變電源；經(jīng)濟型太陽能、風力發(fā)電控制逆變一體機；太陽能并網(wǎng)逆變電源與風力發(fā)電并網(wǎng)逆變電源等四類。而其太陽能、風力發(fā)電專用正弦波逆變電源是太陽能、風力發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，該電源針對新能源發(fā)電系統(tǒng)的特點來設計制造，主要應用于太陽能電站，風力發(fā)電站，風、光、油、蓄互補發(fā)電系統(tǒng)和戶用太陽能供電系統(tǒng)。其工作原理可由框圖2表示。

圖2逆變電源基本工作框圖
其性能特點為：DSP芯片控制，智能功率模塊組裝，純正弦波輸出，輸出穩(wěn)壓、穩(wěn)頻，具有過壓、欠壓、過載、短路、輸入極性接反等各種保護功能，而逆變效率≥85%，具有交流旁路功能，輸入輸出優(yōu)異的EMI/EMC指標，可配備RS232/485接口，具有高可靠性、高效率。
3.3太陽能并網(wǎng)逆變電源
太陽能并網(wǎng)逆變電源基本設計方案可用框圖3（a）表示。

圖3（a）太陽能并網(wǎng)逆變電源基本設計方案框圖;（b）以TMS320C2000DSP為控制系統(tǒng)的太陽能并網(wǎng)逆變電源設計方案示意框圖
該設計方案的性能特點為：DSC芯片控制，智能功率模塊組裝；MPPT（住宅用運行在最大功率點附近，即MPPT工作方式）控制，適時追蹤太陽能電池板的最大輸出功率；純正弦波輸出，自動同步并網(wǎng)，電流諧波含量小，對電網(wǎng)無污染、無沖擊；具有擾動檢出技術(shù)，實現(xiàn)運行控制；采用LCD、LED顯示功能，其保護和報警功能齊全；RS232/485通訊，實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視；具有并網(wǎng)/獨立運行功能。
技術(shù)指標：功率（例如1kW-50kW）：輸入直流電壓（200V-400V），輸出諧波失真率≤5%，過載能力150%、10秒，逆變效率》92%，使用環(huán)境溫度-25℃“+55℃。
3.2DSC為控制系統(tǒng)的太陽能并網(wǎng)逆變電源設計方案
由于DSP芯片是DSC核心部件，所以太陽能并網(wǎng)逆變電源設計方案是基于DSP技術(shù)的設計方案。值此以TMS320C2000TMDSP為典型應用作分析。因為以TMS320C2000TMDSP的平臺能夠最佳地響應太陽能逆變器多條實施線路的實時挑戰(zhàn)。故以TMS320C2000TMDSP為典型應用作分析。該TMS320028xTM，內(nèi)核32位CPU以150MHz的最高頻率運行，能夠高效地執(zhí)行在最大功率點下操作面板所需的高精度算法，可確保最高的電源轉(zhuǎn)換效率，甚至在最苛刻與不斷變化的條件下也是如此。DC/AC轉(zhuǎn)換器主橋的驅(qū)動由TMS320C2000器件高度靈活的PWM模塊執(zhí)行并與片上高速12位ADC配合使用，調(diào)節(jié)所需的電流與電壓，從而獲得最常見的正弦波形。圖3（b）為用TMS320C2000DSP為控制系統(tǒng)的太陽能并網(wǎng)逆變電源設計方案示意框圖。太陽能并網(wǎng)逆變電源設計方案由控制系統(tǒng)和功率主電路兩部分組成。
對于控制系統(tǒng)，當控制電路上電后，首先檢測電網(wǎng)參數(shù)和光伏電池的電壓，當網(wǎng)壓正常時，全橋逆變器工作在PWM整流器狀態(tài)，中間電壓為400V左右。逆變器工作過程中，由控制芯片DSP檢測中間電壓、并網(wǎng)電流，如果中間電壓過高或者并網(wǎng)電流超過最大電流時，由控制芯片封鎖全橋逆變器和Boost升壓斬波器的開關(guān)管控制脈沖，同時斷開繼電器。延時一段后再嘗試重新啟動，若故障仍然存在，則斷開逆變器，DSP能快速響應命令。
太陽能電池輸出的最大功率隨著光照強度和溫度的變化而變化，系統(tǒng)的最大功率跟蹤由前級Boost升壓斬波器控制。為實現(xiàn)與電網(wǎng)電壓同頻同相的并網(wǎng)電流，其由后級全橋逆變器控制。他們的控制都是由DSP芯片TMS320C2000協(xié)調(diào)完成逆變器的設計。
除上述DSC為控制系統(tǒng)的太陽能并網(wǎng)逆變電源以外，本文還將對太陽能風力發(fā)電系統(tǒng)應用、太陽能及風力發(fā)電的控制器及風機并網(wǎng)逆變電源等技術(shù)與應用作簡介。
4、太陽能風力發(fā)電系統(tǒng)應用
太陽能風力發(fā)電系統(tǒng)利用自然能源，取之不盡，用之不竭。它的利用不僅解決我國目前8000萬無電居民的用電問題，而且可改善目前全球日趨嚴重的環(huán)境污染問題。除此之外，它的利用給用戶帶來巨大的經(jīng)濟效益。據(jù)統(tǒng)計，架設5公里電線及以后的電費投資，遠遠大于太陽能風力發(fā)電系統(tǒng)的一次性投資。
風光互補發(fā)電系統(tǒng)見圖4所示。由于太陽能與風能的互補性強，風光互補發(fā)電系統(tǒng)在資源上彌補了風電和光電獨立系統(tǒng)在資源上的缺陷。同時，風電和光電系統(tǒng)在蓄電池組和逆變環(huán)節(jié)是可以通用的，所以風光互補發(fā)電系統(tǒng)的造價可以降低，系統(tǒng)成本趨于合理。

圖4風光互補發(fā)電系統(tǒng)組成示意圖
5、太陽能及風力發(fā)電的控制器
控制器是有效控制太陽能或風機發(fā)出的電力向蓄電池充電，蓄電池向負載放電，使蓄電池在安全工作電壓、電流范圍內(nèi)工作的裝置。它的控制性能直接影響蓄電池使用壽命和系統(tǒng)效率。
5.1全數(shù)字太陽能智能控制器
全數(shù)字太陽能智能控制器全部采用微電腦和無觸點控制技術(shù)，并具備各種保護功能，廣泛應用于郵電通信、微波、光纜傳輸、鐵路通信及信號，也可為邊遠地區(qū)、海島*以及移動場所提供電力。由于太陽能電池的壽命一般均在20年以上，因此系統(tǒng)壽命可靠性較高，并可取代柴油機，實現(xiàn)無人值守。
性能特點：控制電路與主電路完全隔離，可正接地也可負接地；LED、LCD顯示功能，可顯示當前蓄電池電壓、太陽能電池陣列輸出電流、負載電流及蓄電池充電電流、日發(fā)電量、累計發(fā)電量；多路（6路/12路/18路等）太陽能可以同時接入；階梯式控制方式，可使太陽能電池發(fā)出的電能最大限度向蓄電池充電，效率大大提高；各路充電電壓檢測具有“回差”控制功能，可防止靜態(tài)開關(guān)進入振蕩狀態(tài)；過充、過放、過載、短路、接反、過熱等一系列報警和保護功能；霍爾電流互感器檢測電流；溫度補償調(diào)節(jié)電壓；最近30天的電量數(shù)據(jù)采集，缺電時電量可以存儲；太陽能每天累計發(fā)電量，太陽能歷史累計發(fā)電量，掉電數(shù)據(jù)不丟失；具有RTC功能，可以查尋當前時間，在任何時候出現(xiàn)異常（過充、過放、過載、短路等），會把不同故障發(fā)生的時間分別記錄下來，送上位機顯示；提供標準RS232/RS485接口；根據(jù)客戶不同需要，可安裝不同等級防雷器；根據(jù)系統(tǒng)需要，可提供光控、油機、備用電源等功能。
5.2全數(shù)字風力發(fā)電智能控制器
全數(shù)字風力發(fā)電智能控制器是控制風力發(fā)電機將風能轉(zhuǎn)化為電能并貯存到蓄電池的裝置，控制器全部采用微電腦和無觸點控制技術(shù)，并具備各種保護功能，廣泛應用于郵電通信、微波、光纜傳輸、鐵路通信及信號，也可為邊遠地區(qū)、海島*以及移動場所提供電力。
其性能特點與全數(shù)字太陽能智能控制器類同，不同之處如下：多路風機可以同時接入；階梯式控制方式，可使風機發(fā)出的電能最大限度面向蓄電池充電，充電效率大大提高；控制器內(nèi)置大功率風機卸載電阻，無級調(diào)節(jié)，逐級投入，使蓄電池不會經(jīng)受突變大電流充電，大大提高蓄電池使用壽命；風機平穩(wěn)降速，有效防上風機飛車；最近30天的電量數(shù)據(jù)采集，沒電時電量可以存儲。
5.3無尾翼風機控制器原理與特征
5.3.1無尾翼風機控制器原理可用圖5描述。

圖5無尾翼風機控制器原理圖
5.3.2無尾翼風機控制器特點
采用Microchip公司專用微處理芯片；專用的風速儀與高性能風向傳感器；實時顯示風速、風向、功率、電壓、電流、手/自動剎車、偏航、變槳等信息；EMI/EMC指標優(yōu)異，配備RS232/RS485及上位機監(jiān)管軟件；具有欠/過壓自動切換，可實現(xiàn)三級電動剎車，自動關(guān)槳；防雷擊、過載、短線等各種故障自動保護功能及故障報警；可設置最佳切入風速和切出風速，運行中能進行智能控制，自動根據(jù)風速、風向的變化，改變槳距、偏航方向，實現(xiàn)最大功率輸出；工作溫度-20℃～+70℃，可配置微型打印機。其應用范圍適用于各種無尾翼風力發(fā)電機的控制。
5.4風光互補智能控制器
風光互補智能控制器是控制太陽能電池、風力發(fā)電機將太陽能、風能轉(zhuǎn)化為電能并貯存到蓄電池的裝置，由于風力資源和陽光資源在不同的地域、季節(jié)、天氣條件分布不同，具有一定的互補性。同時充分利用風力資源發(fā)電一次性投資較低，而新能源發(fā)電系統(tǒng)維護量低，采用風光互補系統(tǒng)，性價比高。兼有太陽能控制器、風力發(fā)電控制器的特點。
5.5路燈控制器
太陽能路燈是一種獨立的照明系統(tǒng)，路燈控制器是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能并貯存到蓄電池為道路提供照明的裝置，采用微電腦芯片和無觸點控制技術(shù)，并具備各種保護功能。
性能特點為：照明開/關(guān)燈自動控制（光控、定時可設定）；時控有1小時、3小時、4小時、5小時、6小時、8小時自由選擇；蓄電池充/放電、欠壓/過壓/反接保護及溫度補償自動控制；負載開/短路自動保護，保護自復位。
6風機并網(wǎng)逆變電源
風機并網(wǎng)發(fā)電是將風力發(fā)電機所發(fā)出的交流電經(jīng)過整流逆變成交流電并饋送電網(wǎng)。與太陽能發(fā)電一樣，風力發(fā)電是新能源發(fā)電走向可持續(xù)發(fā)展的必由之路。
工作原理可用框圖6表示，其性能特點與太陽能并網(wǎng)逆變電源類同。

圖6風機并網(wǎng)逆變電源框圖
7光伏風力發(fā)電系統(tǒng)專用上位機軟件
該軟件為用戶提供一個遠程監(jiān)管供電、用電設備的在線系統(tǒng)，配合多功能離網(wǎng)、并網(wǎng)逆變電源，對系統(tǒng)進行實時數(shù)據(jù)顯示與處理、系統(tǒng)功能分析、系統(tǒng)事故追憶、各種文檔備份、用戶級別選擇、實現(xiàn)遠程特定功能控制、新用戶電源使用學習、在線幫助等功能。
具體功能如下：
①實時數(shù)據(jù)顯示與處理：對于系統(tǒng)電量、事故記錄等非實時數(shù)據(jù)，根據(jù)電源系統(tǒng)采集周期，做定時采集，打包。在系統(tǒng)相應采集周期設定時間段內(nèi)進行處理并備份。
②事故追憶：具備詳細的事故記錄（精確到秒，以時間段顯示，同時記錄系統(tǒng)所有運行參數(shù)備查）；多種查詢方式（按站點、時間、日期及起組合方式）；報表生成和打??；數(shù)據(jù)軟件和數(shù)據(jù)硬件備份。
③告警功能：具備報警參數(shù)設定，告警參數(shù)顯示與保持。提供聲音（內(nèi)容可以自行選擇，滿足個性需求，同時提供pc機內(nèi)部蜂鳴器報警，為用戶節(jié)約電能）、光、短信、郵件、電話等報警方式。
④安全模式：對用戶提供權(quán)限管理、密碼登錄、無誤操作設計，***升級電源知識數(shù)據(jù)庫，新電源用戶學習影像資料；對電源設備實時控制，參數(shù)全面具體，防誤操作處理。
⑤附加功能與人性化設計：數(shù)據(jù)顯示多樣化；避免重復運行的設計；還可實現(xiàn)無線監(jiān)控。
8結(jié)束語
應該說國內(nèi)外許多廠商有很多系列的太陽能及風力發(fā)電系統(tǒng)與產(chǎn)品，上述介紹的應用特征僅從共性的角度出發(fā)，因此在選用時應根據(jù)實際需要，確定參數(shù)與指標，以獲得較高的性價比。