利用TMS320F28x數字信號控制器提高太陽能逆變器轉變效率

由于燃燒化石燃料引起的全球變暖環(huán)境問題、不斷上漲的原油和天然氣價格、對原油依賴導致的政治困境，這些問題促使人們不斷努力提高能源效率。

對于那些能源無法自給的國家，太陽能和其他替代能源擁有無可爭議的優(yōu)勢，可幫助他們達到減少化石燃料消耗和實現能源獨立的目的。用替代能源系統取代化石燃料能源，將對全球經濟和人類生活產生重大影響。但問題是，用替代能源發(fā)電的成本要與化石燃料發(fā)電的成本相近或更少，這樣才能真正減少原油的消耗。

在開發(fā)太陽能技術的過程中，人們把大部分注意力都放在了如何提高光電池的效率上。但另一個不能忽略的重要問題是，如何設計將電池產生的直流電轉換成交流電的電路。為了在成本上與燃燒媒、石油等化石燃料的發(fā)電方式相競爭，設計師為提高逆變器每一個百分點的效率的努力都是非常重要的。

一些太陽能轉換系統制造商把逆變器的轉換效率從92%提高到了96%，這樣他們在市場上成功的機會就會大增。有一種辦法是設計沒有變壓器的DC/DC轉換器。在轉換系統中，由變壓器導致的能量損失大約是2%～3%。因此就要使用更高電壓的晶體管，這種晶體管已經可以在市場上買到了。

逆變器的設計

在基于光電流的系統中，電源逆變器控制著太陽能板和電池，以及負載之間的電流，將太陽能板輸出的變化幅度很大的直流電壓轉換成干凈的50Hz或60Hz的正弦電流，輸出給負載或回饋到電網中去。圖1顯示了逆變器在太陽能發(fā)電中的重要作用。

圖1 逆變器在提高太陽能轉換效率的過程中發(fā)揮著重要作用

由于太陽能板的輸出電壓是變化的，要保持發(fā)電時盡可能的高效率是非常復雜的。完成這項任務的關鍵是檢測最大功率點（maximum power point，MPP）。圖2顯示了最大功率點是如何隨天氣和電壓而變的。

圖2 太陽能電池的輸出電壓隨電壓和天氣而變

MPP跟蹤技術可用來探測MPP，并調整DC/DC的輸出電壓轉換，以使輸出最大化。MPP跟蹤可以使太陽能電池系統在冬天的整體效率提高1/3或更多，而這時也正是電力需求最高的時候。

控制器確定MPP的最常用算法是干擾電池板的工作電壓，并檢測輸出。算法要在MPP點周圍留出一個足夠大的振蕩范圍，避免當天空掠過云彩時控制器對本地電源發(fā)出錯誤的擾動。

電池的算法

擾動和檢測算法的效率并不高，這是由于在每個周期內輸出點都會偏離MPP?？梢圆捎迷隽扛袘惴ㄗ鰹樘娲?，這種方法可以很好地解決由于振蕩導致的低效率，但又會設定一個本地峰值而不是真實的MPP，從而引發(fā)其他問題。將這兩種算法結合起來，可以保持增量感應算法的高效率，同時又可以以一定間隔在很大范圍內掃描，避免選擇本地的峰值。

顯然，這會給控制逆變器的控制器帶來很大的計算負荷，控制器必須滿足一些實時處理的挑戰(zhàn)。

現在的數字信號控制器可以提供實時控制算法所需的高速運算能力。A/D轉換器、PWM等集成外設使控制器可以直接檢測輸入信號，控制功率MOSFET，片上的flash閃存可用于編程和數據存儲，通信端口簡化了電能表和其他逆變器的組網過程。

在太陽能逆變器中的DSP控制器的高效率已經得到證實，可以把轉換過程中的能量損失減少最多50%。National Renewable Energy Laboratory對分布式電源技術LLC的研究表明，基于DSP的逆變器可以將1個10kW逆變器的制造和人工成本減少56%，同時還減少了逆變器的尺寸和重量。如果想了解更多信息，可從這個鏈接http://www.nrel.gov/ncpvprn/pdfs/33586076.pdf下載文件。

德州儀器公司的TMS320F28x數字信號控制器就是一個非常好的例子，它的性能高達150MIPS，可以用1個DSP控制逆變器中的多個轉換級，而且還有富裕的處理能力，可用來執(zhí)行MPP跟蹤算法、電池充電監(jiān)控、浪涌保護、記錄數據和通信等額外的功能。圖3顯示了TMS320F28x控制多個轉換級的框圖。

圖3 TMS320F28x可控制多個轉換級

控制器具有非常快速的12位16通道的A/D轉換器，可以高精度地檢測電壓和電流來實現正弦波。為進行安全監(jiān)控，A/D轉換器還提供了電流檢測功能。

此外，芯片上12個獨立控制的增強型PWM通道具有可變的占空比，為轉換器橋和電池充電電路提供了高速開關。

每個增強型PWM都有自己的定時器和相位寄存器，可對相延遲進行編程設定?？梢詫λ械脑鰪娦蚉WM進行同步，來驅動同樣頻率上的多個級。多個定時器提供了所需的時鐘和快速的中斷管理，支持額外的控制任務。包括CAN總線在內的多個標準通信端口為其他組件和系統提供了簡便易用的接口。

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