文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2017.06.038
中文引用格式： 謝檬，趙錄懷，王娟. 分布式發電微網控制系統的設計[J].電子技術應用，2017，43(6)：151-154，158.
英文引用格式： Xie Meng，Zhao Luhuai，Wang Juan. Design of distributed generation micro-grid control system[J].Application of Electronic Technique，2017，43(6)：151-154，158.
0 引言
隨著人類社會的發展，能源的需求量也隨之急劇提高，為了節約能源和保護環境，人們已經努力發展和使用可持續能源[1-5]。光伏發電、風力發電和燃料電池發電將成為今后主要的分布式發電方式[6-8]。由于光伏發電隨著太陽的光照強度的變化，輸出功率也隨之變化，所以其提供的能源不能被負載直接使用，需要經過直流并網系統控制，維持直流母線電壓的穩定，才能供負載正常使用[9-11]。本文所設計的分布式發電微網控制系統，將分布式電源發出的最大功率通過微控制器、H橋電路、驅動電路、采樣電路雙閉環控制、儲能裝置，在負載或分布式電源輸出功率變化時，利用雙閉環系統以穩定直流母線電壓，該系統使得最大功率跟蹤模塊能量可以向電網輸送，實現能量的雙向流動。即當分布式電源提供的功率大于負載所需功率時，通過直流并網系統將多余的能量儲存在蓄電池中，當分布式電源提供的功率不足時輸出能量維持直流母線電壓的穩定。通過此控制系統能量雙向流動，在維持直流母線電壓穩定的同時，分布式電源發出的電能也得到了最大利用[12-16]。
1 控制系統的硬件結構
1.1 控制系統的結構框圖
分布式發電微網控制系統的硬件結構框圖如圖1所示，是由分布式電源、最大功率跟蹤模塊、直流母線、負載、網絡控制器、儲能裝置六個主要模塊構成。此系統使得最大功率跟蹤模塊可以自動適應跟蹤，且系統可以實現能量的雙向流動，為負載和儲能裝置提供電能。負載或分布式電源變化時，通過電壓電流雙閉環控制，在分布式電源功率弱的情況下，最大功率跟蹤模塊的功率就會低于負載功率，儲能裝置中的功率反向輸送到直流母線上，以穩定直流母線電壓并提供給負載；在分布式電源功率強的條件下，最大功率跟蹤模塊的功率就會高于負載功率，能量不僅供給負載使用而且通過母線給儲能裝置充電，并來穩定直流母線的電壓。
1.2 升降壓電路
控制系統的主電路由MOSFET管、電解電容、二極管等器件組成的H橋電路，完成可控的升降壓功能，如圖2所示。主電路輸入側并聯一個大電容使得輸入側電壓脈動很小，同時，當電網回送功率時，大電容具有儲能作用，既保護輸入端電路又可以使電壓很穩定。兩個332小電容可以消除輸出波形的毛刺，使得輸出波形穩定。
H型全橋式驅動電路的4只開關管都工作在斬波狀態。為了避免直通短路且保證各個開關管動作的協同性和同步性，兩組控制信號理論上要求互為倒相，而實際必須相差一個1 μs左右，因此，運用單片機產生兩組具有死區時間的互補PWM波來改變占空比，從而控制四個MOS管的通斷。
1.3 電流和電壓采樣
負載電流理論值范圍大約在-2.5 A～+2.5 A。放大器INA114用來放大0.165 Ω電阻的電壓，為了將0.165 Ω電阻的電壓值和A/D采樣電壓相匹配，采用基準電壓Vref使采樣電壓正向偏移。當用+3.3 V單電源供電時，輸給單片機的電壓就被鉗位在0 V～3.3 V中間，精確可靠地保護了單片機正常的工作。
1.4 驅動電路
在大功率驅動系統中，將驅動回路與控制回路電氣隔離，減少驅動控制電路對外部控制電路的干擾。隔離后的控制信號經驅動邏輯電路產生邏輯控制信號，分別控制H橋的上下臂。在驅動電路中，內部輸出信號與外部電路隔離，能夠把兩電路間的地環回路完全隔斷，更有效地抑制了地線干擾，提高開關電源的抗干擾能力。單片機PWM波通過雙通道高速的MOS管驅動芯片TPS2811，使MOS管快速開始工作。
1.5 電源模塊
分布式發電微網控制系統的供電部分分為主電路供電與控制電路供電。主電路供電屬于功率流強電范疇，控制電路供電屬于信息流弱電范疇。一般情況下主電路是磁干擾源，控制電路是被干擾對象。為了使電力電子設備可靠地運行，除了解決主電路與控制電路之間的電氣隔離外，還要解決控制部分的抗電磁干擾等問題。本系統采用IA0512芯片，它通過將+5 V轉化為與其相隔離的+12 V和-12 V，不僅將四路驅動信號相隔離使其相互不受影響，而且還使得控制部分與主電路部分相隔離。
2 控制系統的軟件設計
2.1 PI算法程序
當直流母線電壓因為分布式發電輸出功率的變化出現波動時，以50 kpbs的速率采樣直流母線的實時電壓反饋給單片機MSP430，單片機將采樣電壓與母線給定電壓進行比較產生了偏差電壓eu。通過判斷eu的極性來控制電流內環給定電流增減的方向，當給定電流發生改變時，電流內環產生電流偏差ek。系統為了維持電壓穩定，電流內環采用PI控制，增強了系統的調節能力，如圖3所示為PI算法程序的流程圖。
2.2 占空比可調互斥的PWM波的實現
PWM波的特點為開關周期T=300 μs；兩路PWM，并且同步互斥；帶有死區，死區時間1 μs左右，如圖4所示為兩路占空比可調互斥的PWM波形的中斷服務子程序流程圖。MSP430 Timer_A的工作模式在具有3個捕捉/比較模塊的16 bit定時/計數器，不僅能完成定時的基本功能，還能完成對計數值的捕捉功能，同時可以輸出多路PWM波形。
3 系統的測試及結果分析
3.1 測試儀器及步驟
3.1.1 測試儀器
示波器：TDS 1001B；電源：SS3323可跟蹤直流穩定電源；萬用表：FLUKE 15B；信號發生器：TFG2015G DDS函數信號發生器；定制工頻電抗器：10 mH；功率負載：25 W/5 Ω~50 Ω。
3.1.2 測試步驟
(1)觀測控制器輸出的SPWM信號，符合要求后接入到60 V DC和負載中，用萬用表測Ud、Id、U01、I01；
(2)觀察負載段的輸出波形，查看其頻率、幅值、失真等參數，并記錄相關波形；
(3)設置欠壓過流故障，測試欠壓、過流保護；
(4)排除欠壓、過流故障，測試裝置自動恢復功能。
3.2 測試條件及結果
3.2.1 維持直流母線電壓穩定功能的測試
在模擬兩端電壓不變時，只改變負載，測試結果見表1，可以看出，此時直流母線上的電壓基本保持不變。
在負載不變，改變給定直流母線電壓，測試結果見表2，通過計算，得到直流母線上的電壓精準度，p=0.013 8。
經過測試，得到電壓穩定度s為：
s=(15.356 8-15)/15=0.023
綜上所述：該應用于分布式發電微網控制系統在穩壓范圍內，可以穩定母線電壓并使得在電壓穩定度的范圍內很小，且達到很高的穩壓精準度。
3.2.2 最大功率跟蹤部分的測試
試驗波形及數據如圖5所示，為兩路互斥的PWM波形，其中，開關周期為300 μs，頻率3.3 kHz。
死區時間為1 μs，如圖6所示。
測定功率的傳送過程測試數據見表3，可以得到測量值和理論值的比較測定功率的傳送過程。
當光伏電池輸出最大功率時，光伏電池兩端的電壓U和電流I的比值，即等效電阻R=U/I與電阻的內阻r相等時，光伏電池此時輸出最大功率為MPP=U×I是最大值。當MPP時，U=V/2。因此，控制系統可以完成光伏電池的最大功率的輸出控制，MPPT太陽能充放電控制器，勢必會最終取代傳統太陽能控制器。
4 結束語
本文所設計的分布式發電微網控制系統，在MSP430單片機控制下，以H橋式電路為核心的MPPT設計思想。該系統通過單片機發出的兩路占空比可變，互補的PWM波，控制H橋式電路四個MOS管的通斷時間，來改變光伏電池的輸出電流，同時對當前電流和電壓采樣，待PI調節器將電流恒定，計算當前的電流和電壓。利用MPPT的電流擾動觀察法，計算并判斷出最大功率點MPP，從而實現光伏電池系統的輸出功率最大。經過測試，控制系統可以完成光伏電池的最大功率的輸出控制，并使得在電壓穩定度的范圍內很小，且達到很高的穩壓精準度。
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作者信息:
謝 檬，趙錄懷，王 娟
（西安交通大學 城市學院，陜西 西安710018）