基于dsPIC30F2010數字信號控制器(DSC)光伏水泵變頻器的研究

設計了一種基于數字信號控制器(DSC)結構的光伏水泵系統。系統以Mimochip公司最新推出的dsPIC30F2010芯片為核心，采用一種實用的最大功率點跟蹤(MPPT)控制方式,實現了太陽電池的真正的最大功率跟蹤(TMPPT)功能；系統主電路DC／DC部分采用結構新穎的推挽正激電路,DC／AC部分采用具有完善保護功能的一體化智能功率模塊(ASIPM)。實踐證明該系統具有體積小,重量輕，運行可靠穩定等特點。
關鍵詞：變頻器；太陽能光伏陣列；推挽正激；恒定電壓跟蹤；最大功率點跟蹤：光伏水泵

0 引言
??? 我國西部偏遠地區仍有上百萬農牧民無電力供應，而且該地區氣候干旱，土地荒漠化，草原退化情況越來越嚴重，采用光伏水泵系統合理地開發地下水資源，對于解決該地區的飲水和農業用水問題，改善生態環境，具有重要意義。而光伏水泵技術的核心是專用變頻器的設計，如何設計和太陽電池陣列相匹配，具備太陽電池最大功率點跟蹤及光伏水泵系統特有的各種保護功能的變頻器，是本文重點。

1 系統組成及工作原理
1．1 光伏水泵系統的結構圖
??? 由圖1可知，系統利用太陽電池陣列將太陽能直接轉變成電能。經過DC／DC升壓，和具有TMPPT功能的變頻器后輸出三相交流電壓驅動交流異步電機和水泵負載，完成向水塔儲水功能。其中主要包括4部分：太陽電池陣列；具有TMPPT功能的變頻器；水泵負載；儲水裝置。

1．2 變頻器主電路及硬件構成
??? 本系統所采用的主電路及硬件控制框圖如圖2所示。主電路DC／DC部分采用性能優越的推挽正激式電路進行升壓；DC／AC部分采用三相橋式逆變電路。主功率器件采用ASIPM(一體化智能功率模塊)PS12036，系統控制核心由16位數字信號控制器dsPIC30F2010構成。外圍控制電路包括陣列母線電壓檢測和水位打干檢測電路。系統首先通過初始設置的工作方式和PI參數工作，然后由MPPT子程序實時搜索出的電壓值作為內環CVT的給定，通過PI調節得到工作頻率值，計算出PWM信號的占空比，實現光伏陣列的真正最大功率跟蹤(TMPPT)，并保持異步電機的V／f比為恒值。系統將MPPT和逆變器相結合，利用ASIPM模塊自帶的故障檢測功能進行檢測和保護，結構簡單，控制方便。

1．2．1 DC／DC升壓電路簡述
1．2．1．1主電路選擇
??? 對于中小功率的光伏水泵來說，光伏陣列電壓大都是低壓(24v、36v、48V)，對于升壓主電路的選擇，人們一般選擇推挽電路，因為推挽電路變壓器原邊工作電壓就是直流側輸入電壓，同時驅動不需隔離，因此比較適合輸入電壓較低的場合。但是偏磁問題是制約其應用的一大不利因素，功率管的參數差異和變壓器的繞制工藝都有可能使推挽電路工作在一種不穩定狀態。基于諸多因素的考慮，本系統采用了結構新穎的推挽正激電路，此電路拓撲不僅克服了偏磁問題，而且閉環控制也比較容易(二階系統)。

1．2.l.2推挽正激電路簡單分析
??? 推挽正激電路如圖2所示，由功率管S1及S2，電容C8和變壓器T組成，變壓器T原邊繞組N1及N2具有相同的匝數，同名端如圖2所示。當S1及S2同時關斷的時候，電容C8兩端電壓下正上負，且等于陣列電壓，當S1開通，S1、N2和光伏陣列構成回路，N2上正下負，同時C8、N1和S1構成回路，C8放電，N1下正上負，此時的工作相當于兩個正激變換器的并聯。同理，當S2開通S1關斷時，也相當于兩個正激變換器的并聯。經過理論分析，推挽正激電路是一個二階系統，因此閉環控制簡單，同時輸出濾波電感和電容大大減小。

1.2.2 dsPIC30F2010簡單介紹
??? Microchip公司通過在16位單片機內巧妙地添加DSP功能，使Microchip的dsPIC30F數字信號控制器(DSC)同時具有單片機(MCU)的控制功能以及數字信號處理器(DSP)的計算能力和數據吞吐能力。因為它具有的DSP功能，同時具有單片機的體積和價格，所以本系統采用此芯片作為控制器。此芯片主要適用于電機控制，如直流無刷電機、單相和三相感應電機及開關磁阻電機；同時也適用于不間斷電源(UPS)、逆變器、開關電源和功率因數校正等。dsPIC30F2010管腳示意如圖3所示。

1．2.2．1 主要結構
??? 12KB程序存儲器；
??? 512字節SRAM：
??? 1024字節EEPROM；
??? 3個16位定時器；
??? 4個輸入捕捉通道；
??? 2個輸出比較／標準PWM通道；
??? 6個電機控制PWM通道；
??? 6個10位500kspsSA／D轉換器通道。

l 2．2．2 主要特點
??? A／D采樣速度快且多通道可以同時采樣；
??? 6個獨立／互補／中心對齊／邊沿對齊的PWM：
??? 2個可編程的死區；
??? 在噪聲環境下5V電源可正常工作；
??? 最低工作電壓3V；
??? A／D采樣和PWM同期同步。

2 光伏水泵最大功率點跟蹤(MPPT)設計
2．1 常規恒定電壓跟蹤(CVT)方式的特點與不足
??? CVT方式可以近似獲得太陽電池的最大功率輸出，軟件上處理比較簡單。但實際上日照強度和溫度是時刻變化的，尤其是在西部地區，同一天中的不同時段，溫度和日照強度變化都相當大，這些都會引起太陽電池陣列最大功率點電壓的偏移，其中尤以溫度的變化影響最大。在這種情況下，采用CVT方式就不能很好地跟蹤最大點。

2．2 TMPPT的原理與實現
??? 為克服CVT方式弊端，提出了TMPPT(TrueMaximum Power Point Tracking)概念，其意思是“真正的最大功率跟蹤”控制，即保證系統不論在何種日照及溫度條件下，始終使太陽電池工作在最大功率點處。由于逆變器采用恒V／f控制，故水泵電機的轉速與其輸入電壓成正比，因此，調節逆變器的輸出電壓，就等于調節了負載電機的輸出功率。故本系統采用TMPPT方式使太陽電池盡可能工作在最大功率點處，為負載提供最大的能量。

??? 由太陽電池陣列的特性曲線(見圖4)可知，

??? 在最大功率點處，dP／dv=O，在最大功率點的左側，當dP／dV>O時，P呈增加趨勢，dP／dVO時，P呈減少趨勢，dP／d v?
??? 圖5為TMPPT型最大功率點跟蹤控制框圖。系統的輸入指令值為0，反饋值為dP／dV，假定Z3狀態為+1，則Usp*指令電壓增加，經CVT環節調整，系統的輸出電壓V跟蹤Usp*增加，采樣輸出電流I，經功率運算環節和功率微分環節，獲得dP／dV值，如dP／dV>0，則Z1為+1，Z2為+1，Z3為+l，Usp*指令電壓繼續增加。如dP／dV

3 系統的保護功能設計

??? 1)過流和短路保護功能 由于ASIPM的下臂IGBT母線上串有采樣電阻，所以通過檢測母線電流可以實現保護功能。當檢測電流值超過給定值時，被認為過流或短路，此時下橋臂IGBT門電路被關斷，同時輸出故障信號，dsPIC檢測到此信號時封鎖PWM脈沖進一步保護后級電路。

??? 2)欠壓保護功能 ASIPM檢測下橋臂的控制電源電壓，如果電源電壓連續低于給定電壓1OMs，則下橋臂各相IGBT均被關斷，同時輸出故障信號，在故障期間，下橋臂三相IGBT的門極均不接受外來信號。

??? 3)過熱保護功能 ASIPM內置檢測基板溫度的熱敏電阻，熱敏電阻的阻值被直接輸出，dsPIC通過檢測其阻值可以完成過熱保護功能。

??? 以上保護是利用了ASIPM自身帶有的功能，無須外加電路，進一步簡化了硬件電路設計。系統除了具有上述保護功能外，還具有光伏水泵系統特有的低頻、日照低、打干(自動和手動打干)等保護功能。對于泵類負載，當轉速低于下限值時，光伏陣列所提供的能量絕大部分都轉化為損耗，長期低速運行，會引起發熱并影響水泵使用壽命，因此，本系統設計了低頻保護，對水泵來說，當液面低于水泵進水口時，水泵處于空載狀態，若不采取措施，長時間運行則會損壞潤滑軸承，而本系統為戶外無人值守工作方式，故系統為了增加檢測可靠性，采用了自動打干和手動打干兩種識別方式，其中，自動打干是根據系統輸出功率和電機工作頻率來進行判別；手動打干則是通過水位傳感器識別當前水位高低來實現的。由于低頻、日照低、打干等功能都是由軟件來完成，不須增加硬件電路，故系統結構簡單。

4 結語
??? 本系統DC／DC環節采用的推挽正激式電路，在性能、經濟等方面優于傳統的拓撲結構，非常適用于光伏水泵系統。DC／AC環節采用最新的ASIPM模塊大大簡化了電路，提高了系統的可靠性。控制策略上采用TMPPT最大功率點跟蹤控制方法，提高了系統效率、簡化了系統結構，同時本系統還采用了數字信號控制器(DSC)dsPIC30F2010對于提高系統運行速度，改善系統性能起著重要作用。總之，基于上述結構的光伏水泵控制器，無論在結構、功能、成本和可靠性等方面都具有明顯的優越性和市場競爭力。