风光互补发电系统实训系统使用说明

KNT-WP01 风光互补发电系统实训风光互补发电系统实训系统系统 使用说明使用说明 南京康尼科技实业有限公司 2 目录目录 第一章第一章 充电控制器的组成及工作原理充电控制器的组成及工作原理 . 3 1.1 控制器对蓄电池的充放电控制 3 1.2 充电控制单元结构 7 1.3 实验波形 . 11 第二章第二章 逆变器逆变器 14 2.1、概述 14 2.2、逆变器的定义及分类 14 2.3、现代逆变技术的发展趋势 14 2.4、逆变基本原理 16 2.5、WPV02 型风光互补实训系统逆变器 17 第三章第三章 数字信号处理器（数字信号处理器（DSPDSP）的基本原理）的基本原理 . 36 3.1 DSP 概念 36 3.2 DSP 的特点 36 3.3 TMS320F2812 的主要性能及资源 . 36 3.4 TMS320F2812 的引脚分布及引脚功能 . 39 3.5 TMS320F2812 的硬件设计 . 48 第四章第四章 DSP 开发环境开发环境 CCS3.3 52 4.1 CCS3.3 的安装 . 52 4.1 安装仿真器 . 56 4.3 配置 CCS3.3 Setup . 60 4.4 CCS3.3 编程介绍 62 4.5 控制器部分源代码 69 第五章第五章 监控系统监控系统 82 5.1 概述 . 82 5.2 接线定义 . 82 5.3 接线方式 . 82 5.4 通讯设置 . 83 附录附录 A 新能源新能源系统控制板卡系统控制板卡 ModbusModbus 通讯协议通讯协议 84 附录附录 B 端子排定义以及板卡接线图端子排定义以及板卡接线图 . 88 附录附录 C 力控与西门子力控与西门子 420420 变频器通讯设置变频器通讯设置 . 96 附录附录 D 更改过图表更改过图表 . 100 3 第第一一章章 充电控制器的组成及工作原理充电控制器的组成及工作原理 1.1 控制器控制器对蓄电池的充放电控制对蓄电池的充放电控制 1.1.1 太阳能光伏电池最大功率点跟踪太阳能光伏电池最大功率点跟踪 光伏阵列输出特性具有非线性特征，并且其输出受太阳辐照度、环境温度负载情况影 响。 只有在某一输出电压值时， 光伏阵列的输出功率才能达到最大值这时光伏阵列的工作点 就达到了输出功率电压曲线的最高点， 称之为最大功率点。 由于目前光伏电池的光电转换效 率比较低， 为了有效利用光伏电池， 对光伏发电进行最大功率跟踪 （the Maximum Power Point Tracking，MPPT）显得非常重要。目前，国内外文献提出的多种跟踪方法其实质上是一个 寻优过程， 即通过太阳能电池端电压来控制最大功率的输出。 太阳能电池阵列的输出功率特 性曲线如图 1-1 所示。 图1-1光伏电池输出功率特性 由图可知，当太阳能电池工作于最大功率点 Vmax 左侧时，其输出功率随电池端电压 的上升而增加；当太阳能电池工作与最大功率点电压 Vmax 右侧时，其输出功率随电池端电 压的上升而减少。此外，MPPT 控制也可以先根据采集到的太阳能电压电流值以及功率值来 判断其运行在那个工作区，然后根据不通的工作区采取不同的工作指令进行跟踪控制。 由于光伏阵列的最大功率点是一个时变量，因此可以采用搜索算法进行最大功率点跟 踪。其搜索算法可分为非自寻优和自寻优两别。所谓非自寻优算法是根据外界环境因素(如 光照和温度)的变化，利用数学型或表方法确定最大功率点。该方法在实际中很少采用，本 文不进行详述。 自寻优算是不直接检测外界环境因素的变化， 而是通过直接测量得到的电信 号，判断最大率点的位置，从而进行追踪。目前文献己提出的自寻优算法主要包括扰动观察 法增量电导法、恒定电压法、短路电流法以及基于爬山法或扰动观测法的改进自适应算法。 恒压跟踪法（Constant Voltage Tracking，CVT） ：分析图 1-1 可以看出，在日照强度 较高时， 诸条曲线的最大功率点几乎分布于一条垂直线的两侧， 这说明阵列的最大功率输出 点大致对应于某个恒定电压， 这就大大简化了系统 MPPT 的控制设计， 即人们仅需从生产厂 商处获得 Vm 数据并使阵列的输出电压钳位于 Vm 值即可，实际上是把 MPPT 控制简化为稳压 控制，这就构成了 CVT 式的 MPPT 控制。采用 CVT 较之不带 CVT 的工作方式要有利得多， 对于一般光伏系统可望获得多至 20%的电能。CVT 控制的优点是： 4 1. 控制简单，易实现，可靠性高； 2. 系统不会出现振荡，有很好的稳定性； 3. 可以方便地通过硬件实现。 但是这种跟踪方式忽略了温度对阵列开路电压的影响， 在早晚和四季温差变化剧烈的情况下 功率损失会很大，且必须有人工干预才能良好运行，实际上 CVT 只是一种近似的最大功率 点跟踪方法。采用 CVT 以实现 MPPT 控制，由于其良好的可靠性和稳定性，目前在独立光 伏系统中仍被较多使用。 随着光伏系统控制技术的计算机及微处理器化， 该方法逐渐被新方法所替代。 短路电流法： 短路电流法是根据同一辐照度下最大功率点对应的输出电流 Iopt 与短路 电流 Ishort 的比值近似等于 0.91 而设计的算法。 该算法的实施需要不断将光伏阵列短接， 以测量阵列的短路电流。因此，短路电流法与恒定电压法的原理实质是一致的。 滞环比较法： 滞环比较法：在外界环境并不时常快速变化的系统中，常用滞环比较法实现太阳能电 池的 MPPT，它能避免一旦外界环境快速变化时引起控制器的“误判”现象。滞环比较法控 制原理在于使系统的工作点不随外界环境快速改变而变化， 而是等其变化缓慢后再跟踪太阳 能电池的最大功率。滞环比较法原理详述如下： 从太阳能电池的输出功率 P 与 DC/DC 变换器占空比 D 的特性曲线 P-D 中(图 1-3 所示) 可知，如果在曲线最大功率点处任意选取三个不同的位置 A，B，C(对应占空比依次增大)， 则曲线段可分为五种形式， 如图 1-2 所示。 在分析如何改变 DC/DC 变换器占空比变化的方向 以实现太阳能电池的 MPPT 之前，程序设定了一个符号运算变量 F，其初始值为 0。F 赋值原 则为：当 A 点输出功率小于 B 点的时，F=F+1，否则 F=F1；同时当 C 点输出功率小于 B 点 的时，F=F1，否则 F=F+1。比较完毕后，如果 F=2，则判断 DC/DC 变换器的占空比 D 需增 加一个增量 ； F=2 则认为 D 需减小一个 a；F=0，则认为系统当前工作在最大工作点而 保持当前 D 不变。在 A，B，C 三点功率检测上，控制器先默认当前工作点为 B 点并读取其输 出功率， 然后控制 D 增加一倍 以读取 C 点的功率， 最后再减小两倍 以读取 A 点的功率。 连续检测三点功率后再比较计算出变量 F 的值来判断占空比改变的方向。 图 1-2 最大功率点附近 P-D 曲线的五种形式 滞环比较法控制流程如图 1-3 所示。图中，D、 为系统中 DC/DC 变换器的占空比和占 空比增量；F 为符号运算变量，其值在 0、2、2 间选择；VA、IA、PA、DA； 5 图 1-3 滞环比较法控制流程图 VB、IB、PB、DB；Vc、Ic、Pc、Dc 分别代表 A、B、C 三点的电压、电流、功率和 DC/DC 变换器的占空比。 滞环比较法消除了由于太阳光辐射度的不确定性、太阳能电池工作温度的变化、负载 的变化以及太阳能电池输出特性强烈的非线性特征而在成的影响， 当通过 DSP 执行时， 能够 获得比较理想的效果。因此本系统采用滞环比较法来实现 MPPT 充电过程。 2.1.22.1.2 DSPDSP 控制系统充电控制系统充电原理原理 光伏充电系统原理图本文设计的光伏充电系统的主电路采用 BUCK 电路拓扑，主要由 光伏电池、功率器件、滤波电感、电容、续流二极管、蓄电池组成，控制电路核心采用的是 TI 公司 DSP 芯片 TMS320F2812，主电路拓扑如图 1-4 所示。 VTLCBATTERIESD 光伏电池图 1-4 光伏充电系统主电路结构 控制电路设计：如图 1-5 所示，光伏电池由“WS+” 、 “WS-”接入，通过改变 PWM 信 号的占空比调节 MOSFEET IRF2807 的导通/关断时间，输出电压经过电感、电容滤波后给 蓄电池充电。控制电路采用电流、电压的双闭环控制，通过 DSP 输出 PWM 波形实现系统 MMPT 充电，对负载波动具有很好的抗扰作用。 6 10RR3GND1 1mHL4D6 IN582447uF/35VC10104C111R 1WR4WS+WS-BATIN+BATIN-1R 1WR647uF/35VC12Q1IRF280747uF/35VC9D4IN5824D5IN5824PWM104C131AF2图 1-5 光伏电池充电控制电路原理图 驱动电路设计：如图 1-6 所示，驱动电路采用 IR2110S,兼有光耦隔离（体积小）和电磁 隔离（速度快）的优点，其最大开关频率为 500K，隔离电压可达 500V。 PWMHLO1COM2VCC3VS6VB7HO8VDD11HIN12SD13LIN14VSS15U3IR2110S GNDGND1VDD15PWMVDD5104C50GNDGND+15V图 1-6 驱动电路 过充保护电路设计：为了防止蓄电池过充电，损坏蓄电池的性能，影响蓄电池的使用寿 命，在蓄电池充满后控制电路进入过冲保护，当蓄电池检测电压达到设定值（13.5V）之后， 充电电路停止工作。 蓄电池过流保护：为了防止充电池发生过流、短路等严重故障，在电路中加入了过流保 护，防止过流对蓄电池造成损坏，发生过流保护之后 DSP 输出脉冲被锁定，系统停止工作。 蓄电池过放保护：为了防止充电池深度放电，影响蓄电池寿命，在电路中加入了过放保 护，当蓄电池检测电压小于设定值（11V）之后之后 DSP 输出信号将继电器 K1 由常闭状态 改为断开状态，蓄电池停止放电，如图 1-7 所示。 7 0.01R 1WR50.01R 1WR7K1VDD5QYOUTBATOUT+BATOUT-LOAD+LOAD-图1-7 过放保护电路设计 1.2 充电控制单元结构充电控制单元结构 控制单元由核心板、接口底板和信号处理板组成，用于采集光伏组件输出信息、蓄电池工作状态信息，实现对蓄电池组的充、放电过程。 1. 接口底板 接口底板接线端示意图和 PCB 板图如图如图 1-8 所示，DSP 控制单元接线端口如表 1-9 所示。 （a） 8 124213214035211212121212121212121212123256187432561874325618742121212121211212121212121221212121212121212121121212121212121212121212121221212121212121212112122121321310121189762135421321354453126798111210141312121212121212121212312013141516171819202122232412111098765432111121314151617181920109876543211234567891011122423222120191817161514131112131415161718192010987654321342147816523132132124321212121212121212121211321321321321321321322176737271225601878772829238730161424327413591113151719212731333537394143454749