沈　卓，廉小親，李康飛，張曉力，段振剛(北京工商大學(xué)計算機與信息工程學(xué)院，北京100048)

基于嵌入式μC/OS-II的光伏控制器的設(shè)計

沈卓，廉小親，李康飛，張曉力，段振剛
(北京工商大學(xué)計算機與信息工程學(xué)院，北京100048)

針對光伏發(fā)電系統(tǒng)中光伏電池板串并聯(lián)帶來的多峰值問題，基于自適應(yīng)全局最大功率點追蹤算法設(shè)計了最大功率追蹤控制器。該設(shè)計以TMS320F28335 DSP芯片為基礎(chǔ)，采用嵌入式μC/OS-II實時操作系統(tǒng)并加入了鍵盤、OLED顯示器等人機交互界面。測試結(jié)果表明本控制器可以快速準確地實現(xiàn)全局最大功率追蹤功能。

光伏發(fā)電；最大功率；DSP；操作系統(tǒng)

可再生能源的應(yīng)用可從一定程度上緩解全球能源危機并極大地減少空氣污染。近年來，太陽能憑借其無污染、無地域限制等卓越的優(yōu)勢從眾多可再生能源中脫穎而出，光伏發(fā)電已成為繼光熱之后利用太陽能的新方向。然而當串并聯(lián)使用的光伏電池板處于一個相對復(fù)雜的環(huán)境時，現(xiàn)有設(shè)備就很難保證后續(xù)電路的功能很好地實現(xiàn)。其主要原因就在于外界環(huán)境的改變會導(dǎo)致總的內(nèi)部阻抗與后級負載阻抗不再匹配，進而造成光伏電池板最大功率點的改變，無法保證系統(tǒng)在全局最大功率點輸出，也就更不可能實現(xiàn)最大限度利用太陽能的目標。

為了在現(xiàn)有條件下提高光伏電池板轉(zhuǎn)換率，本文提出了基于TMS320F28335 DSP芯片(TI公司C2000系列)設(shè)計的光伏控制器，并使用自適應(yīng)粒子群優(yōu)化算法以實現(xiàn)全局最大功率追蹤(GMPPT)[1]。另外，考慮到控制器工作時執(zhí)行任務(wù)的復(fù)雜性，將嵌入μC/OS-II實時操作系統(tǒng)(RTOS)植入到控制器核心中，RTOS是一個可靠性很高的實時內(nèi)核，能將CPU時間、中斷、I/O和定時器等資源全部封裝起來[2]，在本設(shè)計中更加合理地完成CPU對于GMPPT算法執(zhí)行、OLED顯示、鍵盤輸入等任務(wù)的時間分配。

1 光伏控制器工作原理

光伏陣列由多塊光伏電池板串并聯(lián)組成，由于單塊電池板的參數(shù)存在差異以及光照不均勻等原因，光伏陣列的PV特性曲線會呈現(xiàn)為多個峰值點[3]，如圖1所示。根據(jù)光伏發(fā)電原理可知，當光伏發(fā)電系統(tǒng)的內(nèi)部阻抗和外部負載阻抗匹配時，系統(tǒng)輸出最大功率，因此光伏控制器的關(guān)鍵就在于通過控制一級直流轉(zhuǎn)換電路來控制光伏陣列的輸出電壓和電流，使得輸出電壓和輸出電流的比值即內(nèi)部阻抗與負載阻抗保持一致。

圖1　光伏陣列多峰值PV曲線

本系統(tǒng)光伏控制器采用TI C2000 DSP作為控制核心，其嵌入μC/OS-II實時操作系統(tǒng)結(jié)合了自適應(yīng)粒子群算法，硬件部分涉及電壓電流采集電路、EMI抑制電路、過流保護電路、DC-DC轉(zhuǎn)換電路及IGBT驅(qū)動電路等。光伏發(fā)電系統(tǒng)的光伏電池板在多塊串、并聯(lián)情況下的發(fā)電模型如圖2所示。

圖2　　光伏發(fā)電系統(tǒng)模型

2 控制器硬件設(shè)計

2.1DSP系統(tǒng)電路設(shè)計

DSP控制核心采用TMS320F28335，該芯片為一個高效率32位CPU，其時鐘頻率最高可達60 MHz，并集成了DSP運算指令，同時支持浮點型運算，此外片上還包含ADC、ePWM、定時器、外部中斷等外設(shè)模塊。其外圍電路包括復(fù)位電路、晶振電路、電源部分以及鍵盤和OLED顯示電路。主控DSP可通過SPI方式控制OLED的顯示輸出。

2.2功率采集電路設(shè)計

功率采集電路主要由霍爾電壓傳感器、霍爾電流傳感器及信號處理電路三大部分組成?；魻杺鞲衅鞑杉降碾妷?、電流信號經(jīng)過信號處理電路的濾波、放大和一級電壓跟隨后進入到DSP的AD采集口，繼而在DSP內(nèi)部計算當前光伏陣列的輸出功率，為后續(xù)算法的執(zhí)行和DC-DC電壓的控制做好準備。

2.3功率控制電路設(shè)計

功率控制環(huán)節(jié)包括EMI抑制電路、過流保護電路、IGBT驅(qū)動電路和BOOST-BUCK電壓轉(zhuǎn)換電路，是整個控制器的重要組成部分，其基本功能即為完成光伏陣列內(nèi)阻與負載阻抗的匹配。

2.3.1DC-DC轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

為了實現(xiàn)阻抗匹配，控制器需要加入直流電壓變換環(huán)節(jié)，考慮到阻抗匹配過程有時需升高光伏陣列輸出電壓，有時又需降低光伏陣列輸出電壓以實現(xiàn)匹配，因此設(shè)計了升降壓(BOOST-BUCK)直流變換電路。最終通過DSP的PWM輸出控制該部分電路中IGBT的通斷，即可以實現(xiàn)調(diào)壓的目的。BOOST-BUCK電路如圖3所示。

圖3　BOOST-BUCK電路

在IGBT導(dǎo)通、二極管VD截止期間，輸入電壓U0向電感輸入能量，負載端電壓靠電容C放電維持輸出電壓，保證其值基本不變；在IGBT管截止且二極管導(dǎo)通期間，電感L會把前一階段儲存的能量釋放出來，這部分能量被加在負載R上的同時還會對電容C進行充電。理想情況下，BOOST-BUCK電路的輸出電壓公式為：

電機中主要熱源有鐵耗，銅耗[5]。由于軸承摩擦損耗分析過程分析涉及到耦合場仿真問題，較為復(fù)雜，可暫不考慮，主要考慮鐵耗，銅耗。工況均假定周圍環(huán)境溫度為70℃，考慮最嚴酷的散熱工況，電機通過機殼表面與空氣對流換熱和輻射散熱[6]。對電機穩(wěn)態(tài)溫度進行仿真。該電機為長時工作制，一次工作20000 s，用穩(wěn)態(tài)溫度場計算電機穩(wěn)定后的工作溫度，得到各部件最高溫度，見表1。

式中：α為控制BOOST-BUCK電路中開關(guān)管PWM的占空比；E為光伏陣列的輸出電壓；U0為負載端電壓即直流電壓變換電路的輸出電壓，值得注意的是，U0的極性發(fā)生了由正到負的轉(zhuǎn)變。

在不考慮分立元件的能量損耗，根據(jù)能量守恒定律，可推得：

由式(2)可看出只需通過調(diào)節(jié)PWM的占空比α即可實現(xiàn)光伏陣列內(nèi)部阻抗的變換。當DSP調(diào)節(jié)占空比輸出至光伏陣列等效阻抗與負載阻抗相等時，即實現(xiàn)了光伏最大功率點追蹤。

2.3.2EMI抑制電路設(shè)計

前一節(jié)提及的直流變換電路中引入了由高頻PWM控制的開關(guān)電路，其開關(guān)特性的工作方式將導(dǎo)致系統(tǒng)中電磁噪聲的出現(xiàn)，因此設(shè)計了如圖4所示的抑制EMI電路。其中共模電感的作用在于濾除線路中的共模電磁干擾，并且抑制系統(tǒng)本身不向外發(fā)出電磁干擾；輸入級電容的設(shè)置是為濾除高頻干擾信號，輸出級電容是為濾除低頻干擾信號。

圖4　EMI抑制電路

2.3.3過流保護電路設(shè)計

計算當前功率所需的電壓電流會通過AD采集電路實時進入到DSP控制器內(nèi)部，在其內(nèi)部與設(shè)定好的閾值做對比，若超過設(shè)定閾值，DSP即刻通過I/O口控制繼電保護裝置斷開通路，切斷能量的輸入從而防止對系統(tǒng)造成不可逆的損壞。過流保護電路如圖5所示。

圖5　　過流過壓保護電路

2.3.4IGBT驅(qū)動電路設(shè)計

IGBT的門極驅(qū)動電壓為+15 V，遠超過DSP的可輸出范圍，同時考慮到需防止強電部分可能對DSP系統(tǒng)工作帶來的不良影響，因此加入了光耦隔離驅(qū)動電路，綜合考慮IGBT的驅(qū)動電壓和工作頻率，這里選用型號為TLP350的光耦，IGBT驅(qū)動電路如圖6所示。

3 控制器軟件設(shè)計

控制器的軟件部分包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。其中使用到的系統(tǒng)軟件即為μC/OS-II，除與處理器硬件相關(guān)部分外，μC/OS-II代碼均由C語言編制完成，而與處理器硬件相關(guān)部分的代碼則因考慮到系統(tǒng)的可移植性使用匯編語言完成編寫[加入引用]；應(yīng)用軟件則主要由AD采集程序、鍵盤掃描程序以及OLED顯示程序組成。

圖6　IGBT驅(qū)動電路

3.1系統(tǒng)軟件設(shè)計

完成μC/OS-II在TMS320F28335上的移植需要修改3個與該芯片相關(guān)的文件，如表1所示。

? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 　? ? ? 　?? ? ? 1 　O S _ C P U . H 　? ? ? ? ? ? ? ? ??????? ? ? ? ? ? ? ? ? ! " # $ ? O S Ta s k S tk I n i t() ％＆amp;’()* + , ?-.$?O STime Ti c k Ho ok () 2 　O S _ C P U _ C . C 3 　O S _ C P U _ A . S ? ? / ? ? 0 1 2 3 ? ??45?*+67,? ? 8901＆amp;’()

除表1中所示3個文件之外，如果需額外裁剪或者修改μC/OS-II的系統(tǒng)服務(wù)以減少資源損耗，則可直接對文件OS_CFG.H進行修改和調(diào)整。

系統(tǒng)的時鐘節(jié)拍通過DSP定時器1來產(chǎn)生，設(shè)置每10 ms產(chǎn)生一次定時器中斷，即時鐘節(jié)拍為100 Hz，當程序執(zhí)行到內(nèi)核的OSStart()函數(shù)時，即表示多任務(wù)系統(tǒng)開始啟動，該過程執(zhí)行的第一步就是實現(xiàn)定時器中斷。

完成以上文件的修改即進行了μC/OS-II系統(tǒng)的移植。接下來只需要檢驗系統(tǒng)是否正常工作即可。

3.2應(yīng)用軟件設(shè)計

根據(jù)控制器需實現(xiàn)的GMPPT功能和人機交互功能，其應(yīng)用軟件應(yīng)至少包括電壓采集、電流采集、功率計算、算法執(zhí)行、PWM輸出、OLED顯示和鍵盤掃描七大部分，為增強軟件系統(tǒng)的可讀性，每個軟件部分被單獨定義成一個任務(wù)事件，任務(wù)如表2所示。

系統(tǒng)啟動后首先執(zhí)行TaskInit()，該任務(wù)主要完成DSP系統(tǒng)的初始化，并創(chuàng)建各個任務(wù)。其中TaskInit()只執(zhí)行一遍，其余的各個任務(wù)程序?qū)⒃谝粋€無限循環(huán)中反復(fù)執(zhí)行。

????????? ?? 　??? 　???? 1 　T a s k S t a r t( ) 　? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2 　T a s k A D ( ) 　? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ! 3 　T a sk C l a c ( ) 　? " # ! $ ％ ＆amp; $ ? ? ? ? ? ? ? ?? ’4 　T a s k A lg o r it h m ( ) 　( ) * + ％ , -. / $ ％ ? 0 1 5 　T a s k P W M ( ) 　2 3 B O O S T -B U C K ? 4 5 I G B T ? 6 7 8 6 　T a s k D i s p la y ( ) 　2 3 O L E D 9 : ; ＆lt; = ? ?? ’＆gt; ? @ A 7 　T a s k K e y b o a r d ( ) 　B C D E !

3.3算法軟件設(shè)計

系統(tǒng)控制器采用自適應(yīng)粒子群優(yōu)化算法 (adaptive particle swarm optimization,APSO)，算法開始時，粒子群會被隨機初始化，之后不斷進行迭代，直到粒子群追蹤到合適的全局最優(yōu)解。迭代時，粒子會通過追蹤到的粒子個體最優(yōu)解和群體最優(yōu)解來更新自己。當所有粒子全部收斂到群體最優(yōu)解上時迭代結(jié)束。APSO算法軟件流程如圖7所示。

圖7　　算法軟件流程

APSO算法的目標函數(shù)為光伏陣列的功率函數(shù)，光伏陣列輸出的功率值會隨著BOOST-BUCK電路中開關(guān)管PWM波的占空比的變化而變化。在控制器設(shè)計上，粒子的位置對應(yīng)著控制器輸出PWM波的占空比，當所有粒子的位置與某個固定位置誤差在5％之內(nèi)時，表明粒子群已收斂，即找到了全局最優(yōu)解[4]。

4 測試結(jié)果

圖8　光伏陣列P-V多峰曲線

為了測試控制器的追蹤性能，通過預(yù)先設(shè)定的一組多峰曲線來模擬光伏陣列的P-V特性，多峰曲線如圖8所示。隨后，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入安捷倫E4360模塊化的太陽電池陣列仿真器，并通過仿真器自帶的數(shù)據(jù)采集卡采集系統(tǒng)當前的輸出電壓和功率，如圖9所示。由圖9可知，控制器在1.50 s時開始工作，在2.78 s開始微調(diào)控制器的輸出，最后將光伏陣列的輸出維持在114.60 W。另外從圖8中可以看出，光伏陣列全局最大功率點為116.97 W，由此可算得目前控制器的追蹤精度已達到97.97％，且由圖9可看出控制器算法執(zhí)行時間僅為1.28 s，可基本滿足系統(tǒng)對于實時性的要求。

圖9　功率響應(yīng)

5 結(jié)束語

控制器采用嵌入式μC/OS-II實時操作系統(tǒng)，極大提升了DSP控制芯片的資源利用率及系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性；同時自適應(yīng)粒子群優(yōu)化算法的采用使得控制器可以快速、準確地實現(xiàn)在典型光伏陣列輸出多峰值P-V特性下追蹤全局最大功率點的目標，使得系統(tǒng)的實際應(yīng)用價值得到進一步提升。

[1]廉小親，張曉力，王嵩，等.光伏系統(tǒng)在部分遮擋條件下的GMPPT算法研究[J].電源技術(shù),2012,36(10):1470-1473.

[2]劉幼林,姬勞.基于TMS320F2812+μC/OS-Ⅱ的斷路器智能控制單元設(shè)計[J].電氣應(yīng)用,2006,25(1):29-32,37.

[3]劉邦銀，段善旭，康勇，等.局部陰影條件下光伏模組特性的建模與分析[J].太陽能學(xué)報,2008,29(2):188-192.

[4]朱艷偉，石新春，但揚清，等.粒子群優(yōu)化算法在光伏陣列多峰最大功率點跟蹤中的應(yīng)用[J].中國電機工程學(xué)報,2012,32(4):42-48.

Design of PV controller based on embedded μC/OS-II

SHEN Zhuo,LIAN Xiao-qin,LI Kang-fei,ZHANG Xiao-li,DUAN Zhen-gang
(College of Computer＆amp;Information Engineering,Beijing Technology and Business University,Beijing 100048,China)

For PV panels were series or parallel connected,the P-V characteristic curve of the system had multiple peak points.Adaptive global maximum power point tracking algorithm based on TMS320F28335 DSP was designed to solve this problem.It could be used to track the maximum power point effectively.Besides keyboard,OLED display and other interactive interface,embedded μC/OS-II real-time operating system were added aiming at improving the resource utilization of DSP and the stability of the whole system.Test results show that the system can work accurately and quickly when tracing the global maximum power point.

PV system;MPPT;DSP;OS

TM 914

A

1002-087 X(2016)01-0135-03

2015-06-14

北京市自然基金重點項目B類(KZ201410011014)；北京市教委科技發(fā)展計劃面上項目(KM201110011005)

沈卓(1990—)，女，北京市人，碩士，主要研究方向為計算機測控技術(shù)。

廉小親