基于DSP28335的風光互補發電系統的優化設計

胡國文 ， 王銀杰 ， 王 林

（1.鹽城工學院 電氣學院，江蘇 鹽城 224000；2.江蘇大學 電氣信息工程學院，江蘇 鎮江 212013）

隨著化石能源的日益消耗與環境問題的日益突出。發展新能源技術和保護環境已日益引起世界各國的關注與重視。作為清潔能源的太陽能和風能是目前技術利用最成熟、最具規模化和產業化的新興能源[1]。但是太陽能和風能都存在穩定性差、常受天氣影響和對周圍環境依賴性高等缺陷。同時太陽能和風能在時間和地域上的互補性使風光互補發電系統可以最大限度地利用風能與太陽能，提高能源的利用率。隨著新能源領域技術的不斷成熟與發展，風光互補發電系統作為一種靈活、穩定的電能供給系統將在今后的新能源領域得到廣泛的發展與應用[2]。本文提出了基于DSP28335的風光互補發電系統，能夠將風能和太陽能進行轉化、控制和儲存并實現最大功率的輸出。

1 風光互補發電系統總體結構

風光互補發電系統主要由基于太陽能與風機組成的電能產生單元、基于DC/DC電路組成的電能變換單元﹑基于鉛蓄電池組成的存儲單元﹑基于逆變器組成的逆變單元和基于DSP28335組成的系統控制單元構成。電能變換單元主要通過前級DC/DC變換電路將風機與太陽能產生的電能變成能被蓄電池存儲和逆變器有效轉換的穩定電能。系統控制單元主要通過對太陽能輸出電壓電流，風機整流后的輸出電壓電流，DC/DC變換電路輸出電壓電流和蓄電池端電壓的檢測來實現對風光互補發電系統最大功率的跟蹤和蓄電池充電的合理優化[3]。風光互補發電系統總體結構如圖1所示。

1.1 前級DC/DC變換電路

文中采用了基于傳統升降壓電路的一種新型直流斬波電路。改進后的DC/DC變換電路可以保證當風機與太陽能電能輸入較少時系統依然可以保持正常的工作模式。DC/D變換電路的工作原理如圖2所示，通過MOS管m1和m2控制風機與太陽能電能的輸入來實現主電路的升降壓，MOS管m1和m2均采用相同周期的PWM控制，MOS管的導通時序如圖3所示；t1時間段MOS管m1導通m2關閉，風機獨自為電路提供電能此時電感L吸收的電能為UL=UW-Ur；t2時間段MOS管m1、m2同時導通風機與太陽能同時為電路提供電能電感L吸收的電能為 UL=UW+UP；t3時間段 MOS管 m2導通 m1關閉太陽能獨自為電路提供電能，電感L吸收的電能為UL=UP；t4時間段MOS管m1、m2同時處于關閉狀態，此時無電能輸入電感L釋放存儲的能量則有UL=-Ur[4]。

圖2 前級DC/DC電路圖Fig.2 Former DC/DC circuit diagram

圖3 MOS管導通時序Fig.3 MOS tube conduction timing diagram

對DC/DC變換電路進行分析可得，在一個周期T內當電路工作在t1、t3、t4時間段時，電路處于交替工作狀態，根據伏秒平衡原則:在穩態工作的開關電源中電感兩端的正伏秒值等于負伏秒值。可得

由式（1）可得：

根據公式（2）可得該直流斬波電路不僅包含基本DC/DC電路所具有升降壓功能，同時電路的雙輸入模式可以保證當風機與太陽能在輸入電能較低時仍能保證系統的正常工作，能夠充分的利用風能與太陽能可以有效的提高電能的轉換效率，同時也可以通過控制MOS管來實現對風機和太陽能輸入的控制，具有很好的實用性與可操作性。

1.2 基于DSP28335的控制系統

本文控制系統以TMS320F28335型DSP為核心，TMS320F28335型數字信號處理器是TI公司推出的一款TMS320C28X系列浮點DSP控制器。與定點DSP相比，28335型DSP在降低成本減小功耗的同時提高了系統的總體性能，增加了外設的集成度以及數據域程序的存儲量使A/D轉換更加精確與快速。TMS320F28335采用高性能的靜態CMOS技術主頻可達150 MHz，同時有多達18路的PWM輸出，12位16通道ADC，可實時快速完成雙向AC/DC變換器的采樣、控制和計算等要求。32位浮點處理單元和哈佛流水線總線結構，能夠快速執行中斷響應，較高的數據處理精度可以使用戶快速編寫控制算法從而縮短了開發周期，降低軟件開發的復雜程度[5]。

基于 TMS320F28335DSP的控制系統框圖如圖4所示。控制系統包括DSP芯片、輔助電路、檢測電路、PWM控制電路和通信接口電路。控制器通過實時檢測太陽能電池輸出端電壓電流、風機整流后輸出電壓電流、蓄電池端電壓與溫度的變化來實現對整個風光互補發電系統的監控，并通過PWM控制電路適時調節前級DC/DC電路中MOS管的導通時序使太陽能電池和風機發出的不穩定能源變為可供控制管理的能源形式，并實現風機與太陽能最大功率的輸出。基于DSP28335的風光互補發電控制系統如圖4所示。

圖4 風光互補發電控制系統Fig.4 Wind-sola hybrid power control system

2 系統最大功率跟蹤

由于風機和太陽能電池的功率輸出曲線都具有非線性的特征，而且容易受外界環境和用電負荷的影響。因此，要提高風光互補發電系統的電能利用率，就需要控制系統不斷的調整風機與太陽能板的功率輸出點，使系統功率輸出始終保持在最大功率點近。功率跟蹤實質是對系統功率不斷檢測與調整的過程，通過對特定參數的檢測與調節，使風機和太陽能電池實現最大功率的輸出。文中采用了改進擾動法的最大功率跟蹤策略，其既保留了傳統擾動法硬件電路結構簡單且容易實現的優點同時可以有效的提高跟蹤精度減少系統振蕩。改進擾動法最大功率跟蹤具體的算法思想是將固定步長的跟蹤變為可變步長的跟蹤，通過對太陽能與風機整流后輸出電壓和電流的采集，計算得到此時的輸出功率P（t），然后對輸出電壓施加一個正向的擾動，計算得出施加擾動后的輸出功率 P（t+1），然后對輸出功率 P（t）、P（t+1）做比較，若 P（t+1）＞P（t），則說明施加的擾動方向是正確，可以按此擾動方向繼續追蹤最大功率點；若 P（t）＞P（t+1），則說明施加的擾動方向是錯誤，需要改變擾動的方向[6－7]。改進擾動法最大功率跟蹤的流程圖如圖5所示。

控制流程圖中d為輸出PWM波形的占空比，Δd為占空比擾動量，§為允許的誤差范圍值。通過對施加擾動前后電壓的采集與功率的計算判斷最大功率跟蹤的方向是否正確，然后進行下一次的采集、計算和判斷，如此循環直到找到最大功率點。系統最大功率的跟蹤，就是通過不斷地采集、計算和判斷進行自尋優的一個過程。在開始時采用較大的步長跟蹤，隨著工作點不斷的接近系統最大功率點，則逐漸地減小擾動步長直到跟蹤到系統的最大功率點。采用變步長的擾動跟蹤，可以使系統在較短的時間內追蹤到最大功率點；同時在功率變化較小時采用小步長擾動跟蹤，可以降低系統的穩態誤差保證最大功率跟蹤的跟蹤速度與跟蹤精度[8]。

圖5 改進擾動法最大功率跟蹤流程圖Fig.5 Improved perturbation method of maximum power tracking char

3 仿真分析

本文應用PSCAD電力系統仿真軟件建立了永磁同步風力發電機和光伏電池的仿真模型并構建了基于改進擾動觀察法的小型風光互補發電系統最大功率跟蹤的仿真模型，如圖 6～8所示。

圖6 光伏電池P－V曲線Fig.6 Photovoltaic cell P－V curve

圖7 永磁同步風力發電機輸出曲線Fig.7 Permanent magnet synchronous wind turbine output curv

從圖8中可以看出，改進的擾動觀察法能很快地跟蹤到系統最大功率點，太陽能的輸出曲線基本保持平穩，風力發電機的輸出曲線雖然出現了小幅度的波動但是由于風力發電系統容易受風速與風向的影響，其輸出本身存在不穩定性所以出現小幅度波動是允許的。

圖8 系統最大功率跟蹤曲線Fig.8 Curve of maximum power tracking system

4 實驗結果

通過對DSP28335控制系統PWM輸出信號的采集和DC/DC電路輸出電壓的檢測可以看出在系統運用改進擾動觀察法追蹤最大功率的過程中，輸出PWM的占空比是不斷變化的，同時輸出電壓也隨著占空比的變化而不斷變化如圖9和圖10所示，可見基于改進擾動觀察法的最大功率跟蹤可以快速有效的追蹤到系統的最大功率點。

圖9 電壓波形Fig.9 Voltage waveform

圖10 PWM波形Fig.10 PWM waveform

5 結 論

在傳統的DC/DC電路的基礎上采用了一種基于DSP28335的新型直流斬波電路，該直流斬波電路具有升降壓功能且可以同時進行能量的雙輸入。同時在輸入能量較低時仍能保證系統的正常工作，可以有效的提高電能的轉換效率。同時采用以DSP28335為核心的控制系統可以使基于改進擾動法最大功率跟蹤策略能準確迅速的跟蹤到系統最大功率點，并通過仿真與實驗驗證了設計的正確性。

[1]周志敏，紀愛華.離網風光互補發電技術及工程應用設計與應用[M].北京:人民郵電出版社，2011.

[2]王志新，劉立群，張華強.風光互補技術及應用新進展[J].電網與清潔能源，2008，24（5）:40-44.WANG Zhi-xin，LIU Li-qun，ZHANG Hua-qiang.New developmentofwind and PV hybrid technology and application[J].Power System and Clean Energy，2008，24（5）:40-44.

[3]朱芳，王培紅.風能與太陽能光伏互補發電應用及其優化[J].上海電力，2009（1）:23-26.ZHU Fang，WANG Pei-hong.Wind and Solar Hybrid power application and optimization[J].Shanghai Electric Power，2009（1）:23-26.

[4]張興進，沈錦飛，曹沛.風光互補雙輸入DC/DC變換器研究[J].電力電子技術，2011，45（8）：73-75.ZHANG Xing-jin，SHEN Jin-fei，CAO Pei.DoubleInput DC/DC converter of wind/PV hybrid[J].Power Electronics，2011，45（8）：73-75.

[5]劉陵順，高艷麗，張樹團，等.TMS320F28335DSP原理及開發編程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2011:80-120.

[6]王群京，王濤，李國麗.小型風光互補MPPT控制的研究[J].電氣傳動，2009，39（5）：41-44.WANG Qun-jing，WANG Tao，LI Guo-li.Research on MPPT for smallscale hybrid photovoltaicwind system[J].Electric Drive，2009，39（5）:41-44.

[7]何薇薇，熊宇，楊金明，等.基于改進MPPT算法的光伏發電最大功率跟蹤系統[J].電氣傳動，2009，39（6）:39-41.HE Wei-wei，XIONG Yu，YANG Jin-ming，et al.Photovoltaic maximum power point tracking system based on an improved MPPT algorithm[J].Electric Drive，2009，39（6）:39-41.

[8]朱銘煉，李臣松，龔春英，等.一種應用于光伏系統MPPT的變步長擾動觀察法[J].電力電子技術，2010，44（1）:20-22.ZHU Ming-lian，LI Chen-son，GONG Chun-ying，et al.A variable step size P&O MPPT method for PV systems[J].Power Electronics，2010，44（1）:20-22.

[9]劉觀起，游曉科，楊玉新.光伏發電系統最大功率點跟蹤方法研究綜述[J].陜西電力，2012（2）:18-22.LIU Guan-qi，YOU Xiao-ke，YANG Yu-xin.Study on maximum power point tracking techniques for photovoltaic power generation system[J].Shaanxi Electric Power，2012（2）:18-22.