可实现并网和储电功能的高效太阳能逆变器方案

本文整理自Freescale Senior FAE Frank Fu在2012工业应用开发者论坛上 的演讲，点击下载演讲PDF

大家好，我是飞思卡尔的工程师，我叫付志强。今天很高兴能在这里给大家介绍我们公司的产品。那么接下来我要介绍的是我们公司的数字信号控制器以及用我们的数字信号控制器在太阳能发电上面的逆变器的一个应用。

首先，我就简单给大家介绍一下关于电源管理和电源转换方面的一些解决方案。那么电源管理主要包含了比如说通信电源，服务器的电源。比如说我们电脑上或者服务器上面用的UPS，还有各种各样的逆变器，还有太阳能发电，风力发电，所有这些应用场合都需要用到电源管理和电源转换的这些设备。那么针对这些应用，我们公司提供了各种各样相应的处理器，那么针对简单的模拟的交流到直流的开关电源，那么我们公司提供了一系列的8位的单片机。那么针对一些要求比较高的数字化的交流到直流的开关电源，那么我们提供了相应的数字信号处理器。那么针对UPS，不管是在线的还是离线式的，那么我们也有相应的8位单片机和数字信号控制器。
那么接下来我就给大家简单的介绍一下我们公司的数字信号控制器的产品的一个概况。那么所谓的数字信号控制器是把以前的单片机和DSP两种不同的产品给它融合到一起，那么对于传统的单片机来说，它的好处是它的编程非常简单，它的代码的效果非常高，而且它可以做很实时的一些控制和处理。而对于传统的DSP，它的优点是它的计算能力特别强，那么我们现在的数字信号控制器就把这两种产品的优点全部融合到了一起。
那么这就是我们数字信号控制器的内核的一个架构。那么熟悉DSP的人一看这个架构都知道，这里面是一个多种线的哈佛结构，使用多种线的哈佛结构的优点就是我可以在一个时钟周期里面完成一个非常复杂的计算，比如说我们这上面显示的一个乘加运算，这个乘加运算需要把两个乘数先乘出来，然后把结果和原来的一个结果进行累加，那么累加以后它还需要把一个数据的指针指向下一个乘数，因为乘数有两个，所以实际上是有两个指针，要对两个指针都进行操作。那么一系列的操作用我们多种线的哈佛结构，就可以在一个时钟周期内完成。 这个是我们的数字信号控制器的一个Roadmap，那么我们从最低端的可以提供一个MCF800X这个系列，那么这个系列它的性能可以达到32MHz，也就是说它的运转的速度可以达到32。那么往高端走的话我们目前已经量产的有MC56F84XX这个系列，那么这个系列是一个32位的DSP的核。那么它的速度可以跑到100 MHz，而且里面集成了大量的各种各样的外设，包括DMA，高速的AD材料转换器，高分辨率的PWM控制器。那么接下去在今年的第三季度，我们还会推出更新的产品，那么包括像MC56F，823X和827X这个系列的产品。  

请大家看这个框图，这个是我们目前已经量产的56F84XX这个系列 它的内部集成的各种各样的外设，那么大家可以看到，我们里面不仅有一个高速的DSP的内核，而且我们还有256K的FLASH存储器，有32K的RAM存储器，而且我们还有32K的数据的FLASH，这个数据的FLASH还可以当做EEPROM来使用。另外我们还集成了大量的ADC，还有作为通信上面用的CRC校验的控制器。而且我们内部自带了时钟元，而且还有索循环和索相环，用这个索相环我们可以达到100兆的时钟，我们不需要外装时钟源，只需要给芯片供上电，那么芯片就可以运行到100兆的速度。而且我们片上还集成了像调压器，像软件开门狗，像复位电路和低电压检测电路。那么集成了调压器的好处是我外面只需要单一的供电电源，只需要一个3.3伏的供电电源，不需要说我针对内核我外面不需要分别供不同的电压。而集成了这些开门狗，上片复位和低电压检测的芯片，那么我们外面也就不需要再加专用的复位芯片。另外大家可以看到，我们的ADC上面还带有可编程的放大器。那么这样的话，就是说如果你外面的信号比较微弱，那么经过我们芯片就可以直接进行放大，然后进行AD转换。这样又可以节省一个运放。那么我们的片上还有高分辨率的PWM控制器，那么这个PWM控制器大家都知道，不管你是做电机的控制还是做电源的逆变都离不开这个PWM的控制器。那么我们总共可以有8个通道的高分辨率的PWM的输出。另外我们上面还有一个正交的解码器，这个主要是用在电机控制上面。另外我们还有12位的DMC，还有两个PDB，一个可编程的延时模块，这个可编程的延时模块的作用是我可以让我的ADC的采样时间点和我的PWM控制器完全同步起来，这样在做电机控制的时候我可以精确的去采样每一个PWM周期，那么我们输出的电压和电流。而且这个采样点可以避开开关器件打开和关闭的时候容易产生大干扰的时间点，我们可以找到一个电流和电压最平稳的时间点进行采样。另外我们芯片上还接上了各种各样的通信接口，包括了通用的串口SPI，还有CAN的通信接口。那么在这个图大家就可以看到，我们这个芯片是一个集成度非常高的一个控制器。那么它用我们这个芯片，你不仅可以节省大量的外围器件，而且可以达到一个非常高的处理的性能。

好。那么刚才我简单的给大家介绍了一下我们公司的数字信号控制器的产品。那么接下来我再给大家介绍的是应用我们的数字信号控制器在太阳能发电的逆变器上面的一个解决方案。那么据科学家计算，目前地球上已经探明的化石燃料的储量，所谓的化石燃料也就是包括煤、石油和天然气，这些燃料的储备只够我们人类使用不到100年的时间。现在大家都在寻找新的能源，那么在目前已经知道的新能源里面最理想的就是太阳能，因为太阳能对于人类来说是一个永远也用不完的一个能源。

那么用太阳能发电我们肯定要用到太阳能电池板，那么太阳能电池板它的作用就是说把太阳光的光能转换成电能。那么一个太阳能的电池板在电器原理上面可以等效于这么一个电路， 也就是一个电流源，然后这边有一个并联的电阻，还有一个串联的电阻。那么这里还有一个二极管，那么这个二级管的作用也就是说它限制了我们电流源输出的时候的电压，那么它的电压不会超过我们这个二级管的导通电压，然后这个串联的电阻和这个并联的电阻，那么它们的显示出来的效果，我们可以看下一张幻灯片。 就是说当我外面负载的电流在变化的时候，我们可以看到，因为我们的串联组和并联电阻存在的结果，它的输出的电压是这三个波形。那么从这个波形上面大家可以看到，对于太阳能电池板来说，它的伏安特性对太阳能的光照是非常敏感的，那么根据不同的光照强度，我们可以看到它输出的电流是不一样的，那么基本上它输出的最大电流和光照的长度，基本上是成正比。然后我们看这边的三条曲线，这三条是我们太阳能电池板能够输出的功率的曲线，那么大家可以看到，这个功率的曲线，当我们的负载电流比较小的时候，它这个输出的功率就比较小。而当我们的负载电流超过一定值以后，那么它输出的功率同样也会减小。那么这个原因就是因为说当我的负载电流超过一定值以后，那么太阳能电池板输出的电压会快速的下降，因此导致了太阳能电池板输出的功率也会快速的减小。那么这样的话，在使用太阳能电池板的时候就有一个问题，我们需要找到一个让它能够输出最大功率的这个点。这样才能够最大限度的利用我们可以得到的太阳能的能源。

因此在我们的解决方案里面，我们就做了一个叫做最大功率的跟踪的这么一个算法。那么所谓的最大功率的跟踪，我们使用的是一个叫做摄动和观察的这样一个算法。所谓的摄动就是一个很微小的，而且是很缓慢的一个移动。那么这个移动是什么意思呢？也就是说我通过我的控制器控制我这个太阳能电池板输出的电流，那么在它运行的时候，我让这个输出的电流有一个很缓慢的，而且很微小的一个移动。比如说我往右边稍微移动一点点，然后我进行观察。这个观察也就是通过ADC采样我输出的电压和电流，然后计算出我现在输出的功率的大小。那么把现在输出的功率和我移动之前的功率进行比较，那么如果功率增大了，我就继续朝这个方向移动，如果功率减小了，那我就让它朝反方向移动。那么这就是我们的摄动和观察的一个算法，用这个算法我们可以很好的找到我们的太阳能电池板的一个最大功率点。

那么我们这个方案我们所使用的太阳能电池板是一个72节太阳能电池串联起来的，那么它的输出的电压可以达到在最大功率点的时候是36伏。那么这个36伏的电压正好又等于一个3个12伏的铅酸电池串联起来的电压。那么我们这个方案可以看到我们的输出的功率最大的可以到180瓦，而我们的电压的话，那么在开路的时候这个太阳能电池的电压是44.4伏，最大功率点是36伏，我们的电流在最大功率点的时候是5安。
这个就是我们的太阳能逆变器的方案的框图。 那么在这里面大家可以看到，从我们的太阳能电池搬过来这里是先做一个最大功率点跟踪的控制。那么今天的最大功率点控制以后，我们会对直流电压进行一个升压，把36伏升到400伏，然后经过升压以后，我们再进入一个逆变器，进入逆变控制，也就是说把直流电变成交流电，最后我们会通过一个输出的把逆变产生的交流电输出，那么我们在外面既可以直接接负载，也可以把我们的输出接到电网上面，那么对电网进行馈电。那么这种应用目前在西方国家是非常普及的，在很多西方国家的私人住宅上面都会安装一个太阳能电池板，然后这个太阳能电池板在他自己的房子没有人在家的时候，那么它太阳能电池板所发出来的电是可以直接送入到他们的电网里面，他们的电网会对这个太阳能电池板发出来的电进行计量，然后当你家里面要用电的时候，那么它会把你发出来的电和你所使用的电进行扣除，这样的话你可以节省很大一笔的电费。那么用我们这个解决方案我们是可以实现这种逆变器并网的这种功能。另外大家可以看到，这里还有两个可选的框，那么这个可选的框是一个充电器和一个铅酸蓄电池，我们的太阳能电池板输出的电经过最大功率网跟踪以后可以直接送到充电器上面然后给铅酸电池充电，这样的话也就是说当我整个太阳能发电的系统没有并入到电网的时候，那么我可以利用一个蓄电池把我太阳能电池板发出来的电先储存下来，那么比如说到晚上的时候我要用电了，那么可以从电池里面放电，然后逆变成交流电进行使用。
那么这里列出来的是我们这个方案的一些主要的技术参数。 首先它的输入的电压是36V，也就是刚才说的72节太阳能电池串联以后形成的36 V的输出。然后它输出的电压是一个单向的230 V的交流电。那么它的频率可以是50Hz，也可以是60 Hz，这个输出电压也是可以选择是230V或者是115 V。那么这个输出的电压的范围是在我们标上电压的正的5%到负的10%的这么一个范围之间。然后我们输出的功率最大是可以到400 VA。那么对于输出电源的质量，它的滤波器不会超过3%。另外我们的方案里面还做了很完善的故障保护，就包括了过流保护，过压保护，等率保护，还有输入的嵌压的保护。另外我们还有一个IS485的通信口的输出，那么用IS485你可以把它联到一个主控制系统上面。 

这个是我们太阳能逆变器的方案的原理框图，那么大家可以看到这里是一个太阳能电池板，那么它输出36伏的电压，到这边是一个直流到直流的一个转换器，那么这个直流到直流的转换器它同时完成两个功能，一个是把36伏的电压升压到400伏，另外一个也就是我们刚才说的最大功率点跟踪的控制，也在这个直流到直流的转换器里面完成。 然后把400伏的直流电通过一个逆变器变成230伏的一个交流电的输出。那么最后这个交流电需要一个输出的滤波器。那么所有的整个系统的控制，我们只用了我们的一颗数字信号控制器。

那在我们的直流到直流的升压转换器这一部分我们使用的是一个推满式的一个变换器。 那么所谓的推满式大家可以看到，我们用两路的PWM控制两个功率开关，那么这两个功率开关，它所控制的电流的方向正好是相反的。也就是一个是推过来，一个是拉电流反过来流。那么这边有一个隔离的变压器，那么也就是说把我电池这一侧的直流和我交流这一侧的高电压这部分完全隔离开来。那么在控制方面对于我们推满式的直流到直流的变换器，那么我们这两路PWM它的输出，它的相位正好是相差了半个PWM的周期，也就是相差了180度。
 
那么它的输出的占空比是完全相同的，那么这个占空比它主要就是用来控制我们的太阳能电池板输出的电流的大小，也就是刚才我们说的，最大功率点跟踪的算法。它就是要去控制PWM的占空比。
然后我们在直流到交流的逆变的环节，我们用了一个全桥的逆变器，那么这个全桥的逆变器用到了四个功率开关，然后这四个功率开关用两路PWM进行控制，那么这两路PWM大家可以看到，它经过了一个驱动器，那么同时处理控制着一个桥壁上的两个开关，这两个开关大家知道肯定是互补的，上面的开关开的时候下面的开关肯定是关闭的，反过来当上面的开关关闭的时候，下面的开关就打开。 那么同时我们可以看到这两路PWM它的输出，它的波形也是完全互补的。那么我们通过控制PWM的占空比，我们就可以控制输出的瞬间的电压。 那么我让这个占空比按照一个正弦函数的规律进行变化，那么我输出的电压就是一个正弦波。那么通常理论上这个占空比是可以从0-100%进行变化的。在实际使用的时候我们通常是让它从5%到95%这个范围内进行变化，这样的话可以保证在每一个周期里面我的功率开关都会有一次打开和一次关断。那么当我的占空比小于50%的时候，那么我们输出的电压，双十的电压是一个负载电压，也就是对应着我们正弦波的负的一部分。然后当我们的占空比大于50%的时候，输出的就是我们正弦波的正的一半的部分。

在功率开关输出以后，我们知道它是一个高频的一个慢冲信号，那么这个高频的慢冲信号我们必须使用一个输出滤波器对它进行滤波，才能够得到一个真正的一个正弦波，一个50赫兹或者60赫兹的正弦波。在这里使用了一个很常见的一个标准的EMI的一个滤波器。 那么另外我们这个方案里面还有一个辅助的一个电源，那么所谓的辅助电源也就是刚才我们说的一个36伏用三节12伏的铅酸电池串联起来的这么一个电源。那么我这个太阳能电池板输出的电压可以直接对这个电池进行充电。那么当我的太阳能电池板没有工作的时候，比如说晚上的时候，那么我们这个电池可以对我们整个系统进行供电，把电池上面储藏的电能转换成我们220伏的交流电进行输出。    
最后我们看一下我们的控制回路。我们的控制回路，前面我们讲了我们有直流到直流的转换器，有最大功率的跟踪，还有直流到交流的逆变器。那么所有的这些控制我们都是用一颗MC56F8023这一颗数字信号控制器来完成的。 那么这里面我们可以看到它的输入信号总共是有5个。那么这5个信号分别是太阳能电池板的电压，和太阳能电池板输出的电流，然后是我们直流这一端输出的400伏的直流电压的电压。然后还有我们交流输出，就是最终输出的交流的电压和电流。那么根据这5个输入的信号，我们这里面的DSC就进行运算，然后控制相应的PWM的输出，对整个系统进行控制。
这个是我们的解决方案的一个图片，那么在这里如果有对太阳能逆变器感兴趣的朋友，那么下来以后可以联系我或者联系我们的代理商Mouser，那么可以向我们索要解决方案的一个Demo板，你可以拿下去做一个评估。