張杰，王宏華

（河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇南京 210098）

0 引言

太陽能是一種用之不竭、儲(chǔ)量巨大的清潔可再生能源，每天到達(dá)地球表面的輻射能量相當(dāng)于數(shù)億萬桶石油燃燒的能量，太陽能開發(fā)與利用正逐步成為各國政府重點(diǎn)發(fā)展的戰(zhàn)略?！肮夥l(fā)電”是利用光伏電池的光伏效應(yīng)將太陽光的光能直接轉(zhuǎn)換為電能的一種可再生、無污染的發(fā)電方式，正在全球范圍內(nèi)迅猛發(fā)展，其不僅要替代部分化石能源，而且未來將成為世界能源供應(yīng)的主體，是世界各國可再生能源發(fā)展的重點(diǎn)［1］。典型的光伏發(fā)電系統(tǒng)是由光伏陣列、電纜、電力電子變換器、儲(chǔ)能元件、負(fù)載等構(gòu)成。光伏陣列根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際電壓和電流的需要，由若干光伏電池組件經(jīng)串、并聯(lián)組成。光伏發(fā)電系統(tǒng)分為離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)［2］。

光伏電池輸出特性具有非線性特征，并且其輸出受日照強(qiáng)度、環(huán)境溫度和負(fù)載情況影響。在一定的日照強(qiáng)度和環(huán)境溫度下，光伏陣列所接負(fù)載阻抗不同，輸出功率不同。只有當(dāng)所接負(fù)載阻抗與光伏陣列此時(shí)的最佳匹配阻抗相等時(shí)，光伏陣列的輸出功率才能達(dá)到最大值。因此，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，要提高系統(tǒng)的整體效率，一個(gè)重要的途徑就是實(shí)時(shí)調(diào)整光伏陣列的輸入阻抗，使之始終等于光伏陣列的最佳匹配阻抗，這一過程就稱之為最大功率點(diǎn)跟蹤。目前所采用的方法是在太陽能電池陣列和負(fù)載中間加入一個(gè)DC/DC變換器，通過改變DC/DC變換器中功率開關(guān)管的導(dǎo)通率，來調(diào)節(jié)光伏陣列輸入阻抗的大小，從而實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤控制。

本文對獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種基于MSP430單片機(jī)的最大功率點(diǎn)跟蹤數(shù)字控制器。

1 最大功率點(diǎn)跟蹤控制器硬件設(shè)計(jì)

1.1 直流變換器主電路

a）元器件選型

直流變換器主電路采用Buck電路，原理圖如圖1所示，D1為防反充二極管，當(dāng)接蓄電池負(fù)載時(shí)，可防止蓄電池在低照度時(shí)和夜晚反向?qū)夥嚵谐潆?。D1選取的型號(hào)為6A10，最大通流能力為6 A。設(shè)置C1是為了保證光伏陣列輸出電流連續(xù)，以免發(fā)電功率損失，實(shí)驗(yàn)時(shí)選取C1為2 200 uF。

圖1 太陽能發(fā)電系統(tǒng)Buck電路原理圖

目前中小功率DC/DC變換器主功率開關(guān)管一般選擇MOSFET管;對于大功率變換，由于MOSFET管功率及電壓等級的限制，一般利用IGBT模塊作為開關(guān)器件。正確選擇MOSFET管的電壓、電流額定值是保證器件安全可靠工作的先決條件。通常，MOSFET管的額定值和實(shí)際值之間應(yīng)留有一定的余量，使器件的工作軌跡限制在安全工作范圍內(nèi)。由于光伏陣列在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下開路電壓約為24 V，以25 V估算MOSFET的額定電壓應(yīng)該在2×25=50 V以上。實(shí)驗(yàn)中選用IRF540:額定電壓100 V，額定電流28 A。

若僅僅用電阻負(fù)載來做最大功率點(diǎn)跟蹤實(shí)驗(yàn)，則可以不需要接濾波電感、濾波電容和續(xù)流二極管。然而對于獨(dú)立型太陽能發(fā)電系統(tǒng)，蓄電池是其不可缺少的儲(chǔ)能部件。要實(shí)現(xiàn)對蓄電池的充電，充電電壓和充電電流要連續(xù)、穩(wěn)定。所以對于蓄電池負(fù)載，濾波電感、濾波電容和續(xù)流二極管是必不可少的。

Buck電路中，電感元件的選取十分重要，電感取值過大，平波效果較好，輸出電流紋波較小，但系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢，同時(shí)增大電感體積，增加成本;電感取值過小，雖然系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)較快，但是流過電感的電流不連續(xù)，輸出電流的紋波很大。開關(guān)管頻率選取10 kHz。若接12 V蓄電池負(fù)載，則:

臨界電感Lc根據(jù)公式:

用式（2）來計(jì)算，可得臨界電感值為Lc=312.5 μH，一般L取2倍的Lc，可選取L=625 μH。

負(fù)載選用8個(gè)10 W10 Ω的水泥電阻，并可通過外接線進(jìn)行串并聯(lián)組合，構(gòu)成各種阻值電阻。

b）驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)［3］

IRF540驅(qū)動(dòng)電路選用集成芯片IR2117，IR2117是美國IR公司專為驅(qū)動(dòng)單個(gè)MOSFET或IGBT而設(shè)計(jì)的柵極驅(qū)動(dòng)器，它采用高壓集成電路技術(shù)和無閂鎖CMOS技術(shù)，并采用雙列直插式封裝，可用于工作母線電壓高達(dá)600 V的系統(tǒng)中。其輸入與標(biāo)準(zhǔn)的CMOS電平兼容，輸出驅(qū)動(dòng)特性可滿足交叉導(dǎo)通時(shí)間最短的大電流驅(qū)動(dòng)輸出級的設(shè)計(jì)要求。其懸浮通道與自舉技術(shù)的應(yīng)用使其可直接用來驅(qū)動(dòng)一個(gè)工作于母線電壓高達(dá)600 V的、在高邊或低端工作的N溝道MOSFET或IGBT。IR2117的典型接法如圖2所示:

圖2 IR2117的典型接法

1.2 檢測與控制電路

a）電流檢測與電壓檢測

電流檢測采用霍爾電流傳感器，電流傳感器選用江蘇茶花電氣有限公司生產(chǎn)的霍爾電流傳感器，型號(hào)為CS010GT，如圖3所示。額定輸入電流為IPN=10 A，電流測量范圍為-20 A～+20 A，輸出零點(diǎn)為2.5 V，額定輸出電壓為1 V，精度≤1%。該款霍爾電流傳感器采用 +5 V供電，可簡化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。當(dāng)待測電流從傳感器穿芯孔穿入，即可從輸出端測得與被測電流一一對應(yīng)的電壓值。圖4為該電流傳感器的輸入輸出特性曲線。

VB由VCC采用自舉技術(shù)得到，則接于引腳VCC與VB之間的二極管應(yīng)為超快恢復(fù)二極管選取型號(hào)為MUR120。在使用自舉技術(shù)產(chǎn)生VB時(shí)，接于VB與VS之間的電容應(yīng)為高穩(wěn)定、低串聯(lián)電感、高頻率特性的優(yōu)質(zhì)電容，可選滿足該要求的瓷片電容或鉭電容，電容容量為0.1～1 μF均可，該電容量將隨IR2117工作頻率的提高而下降。

霍爾電流傳感器輸出濾波后接一級電壓跟隨器，再接MSP430F149單片機(jī)P6.4，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，電路圖如圖5所示。

圖5 電流檢測電路

電壓檢測采用電阻分壓，濾波、放大，可選用數(shù)值較大的電阻，以減小功率損耗，放大電路選用通用運(yùn)放LM324，如圖6所示。

圖6 電壓檢測電路

b）MSP430F149單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)［4］

MSP430F149芯片是美國TI公司推出的超低功耗微處理器，有60KB+256字節(jié)FLASH，2KBRAM，包括基本時(shí)鐘模塊、看門狗定時(shí)器、帶3個(gè)捕獲/比較寄存器和PWM輸出的16位定時(shí)器、帶7個(gè)捕獲/比較寄存器和PWM輸出的16位定時(shí)器、2個(gè)具有中斷功能的8位并行端口、4個(gè)8位并行端口、模擬比較器、12位A/D轉(zhuǎn)換器、2個(gè)串行通信接口等模塊。MSP430F149芯片具有如下特點(diǎn):

1）功耗低:電壓2.2 V、時(shí)鐘頻率1 MHz時(shí)，活動(dòng)模式為200 μA;關(guān)閉模式時(shí)僅為0.1 A，且具有5種節(jié)能工作方式。

2）高效16位RISC-CPU，27條指令，8 MHz時(shí)鐘頻率時(shí)，指令周期時(shí)間為125 ns，絕大多數(shù)指令在一個(gè)時(shí)鐘周期完成;32 kHz時(shí)鐘頻率時(shí)，16位MSP430單片機(jī)的執(zhí)行速度高于典型的8位單片機(jī)20 MHz時(shí)鐘頻率時(shí)的執(zhí)行速度。

3）低電壓供電、寬工作電壓范圍:1.8～3.6 V;

4）靈活的時(shí)鐘系統(tǒng):兩個(gè)外部時(shí)鐘和一個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘;

5）低時(shí)鐘頻率可實(shí)現(xiàn)高速通信;

6）具有串行在線編程能力;

7）強(qiáng)大的中斷功能;

8）喚醒時(shí)間短，從低功耗模式下喚醒僅需6 μs;

9）ESD保護(hù)，抗干擾力強(qiáng);

10）運(yùn)行環(huán)境溫度范圍為-40℃ ～+85℃，適合于工業(yè)環(huán)境。

MSP430系列單片機(jī)的所有外圍模塊的控制都是通過特殊寄存器來實(shí)現(xiàn)的，故其程序的編寫相對簡單。編程開發(fā)時(shí)通過專用的編程器，可以選擇匯編或C語言編程，IAR公司為MSP430系列的單片機(jī)開發(fā)了專用的C430語言，可以通過WORKBENCH和C-SPY直接編譯調(diào)試，使用靈活簡單。

單片機(jī)最小系統(tǒng)，或稱為最小應(yīng)用系統(tǒng)，是指用最少的元件組成的單片機(jī)可以工作的系統(tǒng)。對于MSP430系列單片機(jī)來說，最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括:電源電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路組成，如圖7所示。

1）電源電路

圖7 MSP430F149單片機(jī)最小系統(tǒng)

本系統(tǒng)需要使用+5 V和+3.3 V的直流穩(wěn)壓電源，其中MSP430Fl49及部分外圍器件需要+3.3 V電源，另外部分需要+5 V電源。電源電路設(shè)計(jì)見1.3節(jié)。

2）晶振電路

MSP430系列單片機(jī)時(shí)鐘模塊包括數(shù)控振蕩器（DCO）、高速晶體振蕩器和低速晶體振蕩器等3個(gè)時(shí)鐘源。數(shù)字控制振蕩器DCO已經(jīng)集成在MSP430內(nèi)部，在系統(tǒng)中只需設(shè)計(jì)高速晶體振蕩器和低速晶體振蕩器兩部分電路。

低速晶體振蕩器（LFXTl）滿足了低功耗及使用32.768 kHz晶振的要求。LFXTl振蕩器默認(rèn)工作在低頻模式，即32.768 kHz，也可以通過外接450 kHz～8 MHz的高速晶體振蕩器或陶瓷諧振器工作在高頻模式，在本電路中使用低頻模式，晶振外接2個(gè)22 pF的電容經(jīng)過XIN和XOUT連接到MCU。

高速晶振也稱為第二振蕩器XT2，它為MSP430F149工作在高頻模式時(shí)提供時(shí)鐘，XT2最高可達(dá)8 MHz。在系統(tǒng)中XT2采用8 MHz的晶體，XT2外接2個(gè)22 pF的電容經(jīng)過XT2IN和XT2OUT連接到MCU。

3）復(fù)位電路

復(fù)位操作有通電自動(dòng)復(fù)位和按鍵手動(dòng)復(fù)位兩種方式，通電自動(dòng)復(fù)位是在加電瞬間電容通過充電來實(shí)現(xiàn)的，手動(dòng)復(fù)位是指通過接通一按鈕開關(guān)，使單片機(jī)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。

1.3 電源電路

本文設(shè)計(jì)的光伏發(fā)電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所需輔助電源有MOSFET驅(qū)動(dòng)用+12 V電源，CS010GT霍爾電流傳感器用+5 V電源，430單片機(jī)用3.3 V電源。+12 V、+5 V電源分別采用LM7812和LM7805三端穩(wěn)壓集成塊，+3.3 V電源采用LM1117。如圖8所示。

圖8 電源模塊

2 最大功率點(diǎn)跟蹤控制器軟件設(shè)計(jì)

2.1 控制周期的選擇與PWM波產(chǎn)生

a）控制周期的選擇

對于數(shù)字控制系統(tǒng)，控制周期越小，控制效果越接近連續(xù)控制。然而控制周期并不是越小越好，一方面，從處理器的工作量來看，在控制周期內(nèi)，必須使得控制算法有足夠的時(shí)間完成。另一方面，控制周期要大于系統(tǒng)中的最大時(shí)間常數(shù)。綜上，本系統(tǒng)選擇控制周期為50 ms。利用Timer_B定時(shí)器產(chǎn)生50 ms定時(shí)中斷，程序如下:

b）PWM波產(chǎn)生

利用Timer_A可以實(shí)現(xiàn)PWM，如果Timer_A定時(shí)器工作在増計(jì)數(shù)方式，輸出采用模式7（復(fù)位、置位模式）則可以利用寄存器CCR0控制PWM波形的周期，用某個(gè)寄存器CCRx控制占空比。這樣Timer_A就可以不需要利用中斷而產(chǎn)生出任意占空比的PWM波形。

例如 MCLK=SMCLK=DCOCLK=1.0485 76 MHz，以下程序可產(chǎn)生頻率約為10 kHz，占空比為50%的PWM波，只需改變CCR1的值即可改變占空比。

2.2 AD轉(zhuǎn)換與數(shù)字濾波

a）AD 轉(zhuǎn)換［4］

MSP430F149單片機(jī)集成了12位ADC模塊，分辨率達(dá)到滿刻度電壓的1/409 6，如果滿刻度電壓輸入電壓為3.3 V，則12位ADC模塊能夠分辨輸入電壓變化的最小值約0.8 mV，在采用增量電導(dǎo)法實(shí)現(xiàn)MPPT時(shí)，對電壓測量和電流測量精度要求較高，MSP430F149單片機(jī)內(nèi)部集成的12位ADC模塊可以滿足這一要求。

MSP430中ADC12內(nèi)置參考電源，而且參考電壓由6種可編程選擇，分別為VR+與VR-的組合。其中，VR+有AVCC（模擬電源正端）、VREF+（A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部參考電源的輸出正端）及VeREF+（外部參考電源的正輸入端），VR-包括AVSS（模擬電源負(fù)端）和VREF-/VeREF-（A/D轉(zhuǎn)換器參考電源負(fù)端——內(nèi)部或外部）。實(shí)驗(yàn)時(shí)選擇VR+為AVCC，VR-為AVSS，分別為3.3 V和0 V。

ADC12的采樣周期可軟件設(shè)置，最高可達(dá)200 ks/s。

ADC12提供4種轉(zhuǎn)換模式:單通道單次轉(zhuǎn)換;序列通道單次轉(zhuǎn)換;單通道多次轉(zhuǎn)換;序列通道多次轉(zhuǎn)換。本實(shí)驗(yàn)時(shí)采用第四種模式:序列通道多次轉(zhuǎn)換，這樣可方便進(jìn)行數(shù)字濾波。電流采樣信號(hào)接A3（P6.3），電壓采樣信號(hào)接A4（P6.4），一個(gè)控制周期內(nèi)連續(xù)采樣AD轉(zhuǎn)換次數(shù)為32。

b）數(shù)字濾波

太陽能發(fā)電系統(tǒng)由于受環(huán)境因素影響較大，測量信號(hào)可能帶有噪聲，尤其是光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度突變時(shí)，另外在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)也有可能帶來尖峰干擾。除傳感器本身需考慮抗干擾處理外，還可以采用軟件進(jìn)行數(shù)字濾波處理。常用的數(shù)字濾波有算術(shù)平均值濾波、程序判斷濾波、中位值法濾波、一階慣性濾波，為簡化程序設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)采用算術(shù)平均值濾波的方法，即:

將轉(zhuǎn)換次數(shù)設(shè)為32，程序上只需執(zhí)行右移5位的操作指令（sum_I＞＞=5;sum_U＞＞=5;）即可實(shí)現(xiàn)算術(shù)平均值濾波算法。

2.3 軟件總體流程圖

光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤控制器的軟件設(shè)計(jì)總體流程圖如圖9所示。MPPT算法采用擾動(dòng)觀察法［2］，程序流程圖如圖10所示。

圖9 總體流程圖

實(shí)驗(yàn)用標(biāo)況50 W光伏陣列，實(shí)驗(yàn)時(shí)天氣晴朗，溫度30℃，測得光伏陣列開路電壓19.98 V，短路電流2.05 A，理論上的最大功率點(diǎn)約為30 W。每隔5 s測量一次輸出電壓和輸出電流值，并計(jì)算輸出功率，記錄一組數(shù)據(jù)于表1中。實(shí)驗(yàn)獲得的最大功率在24 W～28 W之間，與理論值較為接近。

表1:

表1 一組數(shù)據(jù)表

圖10 擾動(dòng)觀察法流程圖

3 小結(jié)

光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤數(shù)字控制器的硬件設(shè)計(jì)包括直流變換器主電路設(shè)計(jì)、檢測與控制電路設(shè)計(jì)、電源電路設(shè)計(jì)。本文首先給出了直流變換器主電路的元器件選型，驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)采用集成驅(qū)動(dòng)芯片IR2117;其次說明了電流檢測和電壓檢測的方案以及單片機(jī)最小系統(tǒng)的組成;最后給出了電源電路的設(shè)計(jì)方法。

本文給出了較為詳細(xì)的光伏發(fā)電系統(tǒng)數(shù)字控制器的軟件設(shè)計(jì)方案?？刂浦芷诟鶕?jù)實(shí)際情況選擇50 ms，用定時(shí)器B產(chǎn)生50 ms中斷實(shí)現(xiàn)。利用MSP430單片機(jī)的定時(shí)器A不需要中斷就可產(chǎn)生任意占空比的PWM波形。MSP430F149單片機(jī)內(nèi)部集成12位ADC，使得AD轉(zhuǎn)換的精度高，并有四種轉(zhuǎn)換模式選擇，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇序列通道多次轉(zhuǎn)換模式可方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波。最后給出了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的總體流程圖。

［1］王宏華.光伏發(fā)電原理與發(fā)展現(xiàn)狀［J］.機(jī)械制造與自動(dòng)化，2010，4.

［2］趙爭鳴.太陽能光伏發(fā)電及其應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，2005.

［3］李宏，張培平.單通道MOSFET或IGBT柵極驅(qū)動(dòng)器集成電路IR2117［J］.國外電子元器件，2001（5）:40-42.

［4］沈建華，楊艷琴.MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)原理與實(shí)踐［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社2008.