光伏發電系統設計步驟精選(九篇)
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第1篇：光伏發電系統設計步驟范文
中圖分類號：TU426 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）17-0394-02
一、光伏發電的概念和原理
光伏發電就是能夠利用半導體將太陽光轉換為電能的法術，原理是根據光生伏特的效應。光伏的發電系統主要包括逆變器、太陽能的電池板、控制器等結構部分。在這些組成部分中，太陽能的電池板主要將太陽能轉換為電能，同時它還能夠對電能進行儲存；而控制器則能夠對整個系統進行有效的控制，決定太陽能的電池板以及一些其他的部分能夠有序地進行控制；而逆變器則主要是將在運行過程中產生的直流電轉換成為交流電；而保護裝置則能夠確保系統的安全性[1]。
在白天，太陽能板正常地進行發電的工作，而控制器進行相應地操作和控制來將電能儲存到蓄電池中，在這個過程中，控制器會對逆變器進行相應的操作，以此來給家用電器進行供電的工作；而到了晚上，由于沒有了太陽，太陽能電板就會停止發電，主控制器就要將電能轉換成為交流電，這樣能夠保證給家用電器的供電工作不會受到影響。如果蓄電池中的電量不足或者發電的系統中出現了一定的故障，控制器就會自動切換到電網供電的線路中，這就是光伏發電的整個過程和其中的原理。
二、光伏發電系統的設計方案
通過對供電的環境與設備系統進行升級和改造，光伏發電的系統在結構上具有很多的控制方案來進行選擇。如遠程控制、智能控制等等，根據實際生產的需要來進行方案的選擇，這是設計人員要重點進行解決的問題。在進行光伏發電系統的設計時，要根據不同類型的發電規模，從各個方面來對系統進行操控，從而使得各方面能夠得到優化，提升項目的運行效率[2]。
1.對并網發電系統的設計計算
①發電量以及組件的總功率的計算
光伏發電系統中，其發電量與組件總功率的計算有相應的公式，具體如下：
g――每天的發電量；hI――每個小時的發電量；Pm――光伏組合的總功率；y――單臺機組的發電量；其年平均的量為G=g×365（kWh）。
②并網逆變器的選用
對于并網逆變器的選用，其判斷的標準和要求主要是一下幾個方面：第一，逆變器的額定功率為0.85-1.2Pm；第二，逆變器的最大輸入電流電壓一定要大于光伏方陣空載的電壓；第三，逆變器的輸入直流電壓范圍要大于光伏方陣中的最小電壓；第四，逆變器的最大輸入直流電流大于光伏方陣的短路電流；第五，逆變器的額定輸入直流電壓與光伏方陣的最大功率電壓要保持相等；第六就是額定的輸出電壓與電網的額定電壓也要相同[3]。除此之外，其額定的頻率與電網的頻率、相數與電網的相數也要相同，短路、過壓以及弱壓等保護功能也是并網逆變器應該具備的。
2.光伏組件的方陣設計
對于光伏組件的水平頻角來說，對其能夠產生影響的要素包括發電系統所處的地理位置以及一年中各個季節對電量分配的要求。
①如果該系統所處區域的各個季節電量的要求基本均衡的話，那么可以利用下表來進行組件頻角的選擇工作（表1）。
②具體到我國來說，很多地區的地理位置不同，但是其地質環境比較相似，所以可以選擇緯度加7°的組建水平的傾角。而對于一些條件比較特殊的地區，則要根據不同季節的情況來選擇適合的水平角。
3.光伏方陣的傾角設計
光伏方陣的傾角是影響發電效率的一個重要因素，對于發電量的影響比較大，是區域中發電效率的決定性因素。一般情況下，光伏方陣的朝向應該為北半球，這樣能夠提高光伏發電作業的效率[4]。對發電生產的調度也能夠起到一定的輔助作用，這樣便于實現光伏發電生產的一體化。
三、光伏發電系統的具體應用
光伏發電的項目發展具有很重要的現實意義，國家也比較重視，在這個項目中不斷地進行投資，也出臺了相關的政策起到扶持。這在很大程度上推動了新發電模式的應用，為電力轉型起到了引導的作用。設計的過程就是對光伏發電系統進行總體性的規劃，對于發電的生產模式起到一個調整的作用，從而實現發電系統的可持續性。光伏發電系統在進行設計時，要根據實際的生產平臺來確定應用的形式。
1.交、直流供電系統
由于電流的形式不一樣，光伏發電的系統要考慮到電流之間的轉換，在進行設計時，要更加注重電力調控系統的靈活性，這樣能夠提升發電的效率。交、直流的供電系統具有轉換的作用，能夠在兩種電流之間實時地轉接，這就形成了相對穩定的電力傳輸模式
2.并網系統
在M行并網的布局階段，太陽電池組會對電流的形式造成一些影響，在逆變器進行工作時，城市的電網會形成交流的形式。而并網的系統運行能夠使網絡供電系統形成有效的連接，提升電流轉換的效率。在這個過程中，是將電網的信號直接反饋給調度中心的，直接將電能輸入到電網當中去，這就省去了配置蓄電池的步驟，節省了工作和負擔，同時也能夠降低能量的損耗。
3.混合供電的系統
太陽能光伏系統，除了使用太陽能的電池組件陣列以外，還可以將燃油發電機作為備用的能源來進行使用。而這樣就使得供電系統是混合性的，好處就是能夠綜合兩種能源的優勢，彌補各自的短板和不足[5]。使得可再生能源能夠得到更好地利用。可再生能源具有不穩定性，會不斷地進行變化，所以在進行系統設計時一定要以最少的能量時期來進行。
4.并網混合供電系統
要想發揮光伏系統的最大功能，可以對不同種類型的電網進行綜合性的改造，這是一個比較漫長的組網過程。使用并網混合供電系統，能夠構建出不同的網絡處理方式。并網混合供電的主要特點是組合性，能夠將控制器以及逆變器進行組合，這樣就提升了可調度，使得電能的資源能夠與數字控制協調的運行。
四、某項目中在實際中選用的光伏發電形式
在確定了外部的條件適合采用太陽能光伏發電后，就要對光伏發電系統的細化進行設計，其主要有獨立和并網兩種系統形式。
①獨立運行的光伏發電的系統主要有電池板、控制器、太陽電池方針、逆變器等幾個部分構成的，由于蓄電池是整個系統中不可或缺的一部分，配備蓄電池的成本又比較高，整個系統的成本就比較高，而由于蓄電池是有一定的期限的，廢棄的蓄電池會對環境造成二次的污染。
②而并網型的太陽能光伏電站與獨立性構成部分大部分相同，只是其需要計量電表和連接器。其工作原理就是將太陽能轉換成直流電能，通過逆變器形成交流電，最后將多余的電進行儲存。就當前的大環境來看，該項目采用的是并網型的太陽能光伏發現系統方案。
五、光伏電的發展前景
在當前社會不斷發展惡化變化的過程中，對能源進行戰略性的開發是必不可少的，對于新型發電項目的開發也是必不可缺少的。在對光伏發電項目進行扶持建設的過程中，要對新項目的投入以及產出的效益進行綜合的考慮和分析。在對光伏發電項目進行設計時，要考慮到結構模塊的布局，電池板、控制器、逆變器這些當然是核心的部分，優化軟硬件方面的操控系統，從而使得光伏發電系統更加科學、合理、安全。在當前的時代背景下，許多種光伏電池技術為了取得市場建立優勢，都在爭相地進步和發展[6]。第一代的晶硅電池比較高校，價格也比較低廉，使用相對比較廣泛；而第二代的薄膜電池成本和耗能進一步提升，其發展的前景更加廣闊；第三極短就是新型的太陽能電池，雖然效果要比前兩代好，但是其昂貴的價格使得其市場相對較小，還處于進一步的探索中。光伏電網的發電技術的進一步發展要實現的目標就是在保證穩定性的同時，降低成本，利用光伏發電作為最主要的電源方式，這樣能夠與其他的裝置相互配合，在用戶周圍實現負荷供電。具有標志性的就是微電網能夠脫離主網，也可以與主網進行連接，這樣就減少了太陽光間歇性帶來的不利影響。這種主要適用于成本相對較高的偏遠地區以及對供電要去比較高的用戶來使用。
六、光伏產業的發展建議
1.政府要充分發揮領頭作用，對光伏產業的發展設立專項經費，同時配備相應的優惠政策進行扶持；
2.要在政府的主導下進行多元化的投資，降低光伏產業的投資風險，多方參與，共同制定出完整的產業鏈；
3.在技術上要堅持自主研發，同時不能夠閉門造車，引進先進的技術，建立并完善技術體系；
4.對光伏產業的發展要有合理和現實的規劃，提升相關的標準和要求，從而增強競爭力。
結束語
總而言之，當前的社會形勢，使得能源進行戰略性開發是必要的，進行新型發電項目的研究也是不可或缺的。太陽能光伏發電的綠色和環保，同時太陽能的資源是可以再生的，擁有廣闊的發展前景。政府在進行光伏發電站項目的建設過程中，要對投入以及產出的效益進行綜合性的考慮和分析，對模塊的布局要細致，明確核心，優化軟硬件的配置操控，從而保證太陽能光伏發電系統的安全和穩定。
參考文獻
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第2篇：光伏發電系統設計步驟范文
關鍵詞： 分布式電源； 并網逆變器； FIR數字濾波； 數字PID控制； 控制策略
中圖分類號： TN915.853?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）03?0142?03
分布式電源憑借其就地發電服務用戶、清潔環保等諸多優點，擁有越來越大的市場份額。微電子技術的發展為逆變技術的實用化創造了平臺，微處理器的誕生滿足了逆變技術的發展要求，使先進的控制技術如矢量控制技術、多電平變換技術、重復控制、模糊邏輯控制等先進的控制算法在逆變領域得到了較好的應用[1]。進入21世紀，逆變技術正向著頻率更高、功率更大、效率更高、體積更小的方向發展[2]。本設計方案采用DC?DC?AC結構能有效提高效率，采用高頻直流升壓技術使逆變并網器體積更小，安全性能大大提高。針對動態系統的試驗問題提出了利用Simulink的參數估計功能，使理論模型根據實驗數據進行數值參數估計，從而達到理論模型充分接近實際實驗環境。
1 分布式電源并網逆變器系統設計
1.1 DC?DC變換器
DC?DC變換器是通過半導體閥器件的開關動作將直流電壓先變為交流電壓，經整流后又變為極性和電壓值不同的直流電壓的電路，這里要闡述的是中間經過變壓器耦合的直流間接變換電路。DC?DC變換器在將直流電壓變換為交流電壓時頻率是任意可選的，因此使用高頻變壓器能使變壓器和電感等磁性元件和平波用電容器小型輕量化。如今，隨著半導體閥器件的進步，輸出功率為100 W以上的電源實際上采用的開關頻率都在20～500 kHz范圍內，MHz級高頻變換器也在開發研究之中。而且，通過變換頻率的高頻化，可以使平波用電容的容量減小，從而能夠使用陶瓷電容等高可靠性的元件。而且，本文在舉例闡述動作原理是采用雙極功率晶體管、IGBT、MOSFET等開通關斷可控的器件作為直流電壓變換為交流電壓的半導體閥器件，使用最多的還是MOSFET。
1.2 直流母線電壓PID控制器設計
作為直流母線400 V電壓必須具有一定的穩定性，不應該隨著負載的變化或電池電壓的改變而產生波動。因此必然需要用到反饋的概念。反饋理論的要素包括三個部分：測量、比較和執行。測量關心的變量，與期望值相比較，用這個誤差糾正調節控制系統的響應。由于PID控制器可以實現無差調節，其優異的動態穩態特性，以及方便靈活的參數整定方法，因此在逆變并網器中直流母線的電壓控制選擇PID控制算法。
在閉環控制系統里，將調節器置于純比例作用下，從小到大逐漸改變調節器的比例系數，得到等幅振蕩的過渡過程。此時的比例系數稱為臨界比例系數Ku，相鄰兩個波峰間的時間間隔，稱為臨界振蕩周期Tu。
臨界比例度法步驟：
（1）將調節器的積分時間置于最大（TI=∞），微分時間置零（TD=0），比例系數KP適當，平衡操作一段時間，把系統投入自動運行。
（2）將比例系數KP逐漸增大，得到等幅振蕩過程，記下臨界比例系數Ku和臨界振蕩周期Tu值。
（3）根據Ku和Tu值，采用經驗公式，計算出調節器各個參數，即KP，TI和TD的值。
1.3 逆變并網鎖相環設計
鎖相環分為模擬鎖相環和數字環鎖相。模擬鎖相環在電路可靠性、穩定性和集成度方面有著不可克服的缺陷：數字鎖相環又分為由數字邏輯器件構成的全數字邏輯鎖相環和基于DSP的軟件鎖相環。全數字邏輯鎖相環路由邏輯器件構成。
為了實現對電網電壓（SIGNAL）周期和相位的采樣，這里利用了一個遲滯比較器把信號源的模擬采樣信號（SIGNAL）整形為矩形波（TO_DSP），然后通過TMS320F28X的捕獲單元得到電網電壓的頻率和相位信息。在設計中應當注意的是，由于軟件是通過電網電壓的上升沿來獲得周期和相位信息的，因此在硬件的設計上應當保證電網電壓的過零點和正弦波整形得到的矩形波的上升沿保持一致（即不能有延時），這就要求計算遲滯比較器的上限觸發電平[U+]為0 V。
遲滯比較器的上、下限觸發電平為：
1.4 改進MPPT算法
傳統MPPT算法，即爬山法，是一種比較實用的MPPT控制算法，這種方式雖在一定程度上減輕了CPU的負擔，但由于周期性尋優，會對系統的輸出電壓造成周期性的波動。
改進MPPT算法基本思想是：
（1）利用過山車法，即先將光伏電池陣列兩端電壓U1鉗制在蓄電池電壓U2處，再逐漸增加U1，使光伏電池陣列的輸出功率點由小到大，經過MPP后，繼續增大U2，使輸出功率比最大輸出功率小于一個閾值ΔP1。輸出功率由小變大，再變小，一定會經過一個最大點。在輸出功率變化過程中，記錄下光伏電池陣列輸出最大功率時的輸出電壓Umax；
（2）根據光伏電池陣列輸出最大功率時記錄下的Umax，利用穩壓程序（可利用PID控制）將U1鉗制在記錄下的Umax上，實現光伏電池陣列以最大功率穩定地輸出能量；
（3）當光照強度發生變化（由于在短時間內，環境溫度的變化對系統輸出功率的變化影響不大，可以忽略），即輸出電壓Umax時的輸出功率P1與之前的Pmax之間差值超過一定閾值ΔP時，若P1>Pmax，說明光照強度增加了，MPP處的輸出電壓也相應增大了，所以此時應啟動按增加光伏電池陣列輸出電壓的方向用過山車法尋找MPP程序；如果P1
2 分布式電源并網逆變器仿真
2.1 DC?DC直流升壓PID控制仿真
作為直流母線400 V電壓必須具有一定的穩定性，不應該隨著負載的變化或電池電壓的改變而產生波動。因此必然需要用到反饋的概念。反饋理論的要素包括三個部分：測量、比較和執行。測量關心的變量，與期望值相比較，用這個誤差糾正調節控制系統的響應。
針對DC?DC直流母線硬件結構以及控制方式對被控模型進行數學建模，由于PWM裝置的數學模型與晶閘管裝置一樣，在控制系統中的作用也一樣。因此，當開關頻率為10 kHz時，T=0.1 ms，在一般電力自動控制系統中，時間常數這么小的滯后環節可以近似一個一階慣性環節，故其傳遞函數為：
由于采用的是數字系統故其傳感器傳函等效為單位延時單元，即[z-1]，構成直流母線電壓的PID控制。下一步是整定PID，如前所述常用PID整定方法有臨界比例法、階躍響應法。本設計通過利用Simulink提供的信號約束模塊，通過它的參數整定功能最終整定出符合設計者要求的PID參數。
如圖1（a）為進一步進行PID參數整定后的PID輸出電壓響應曲線，可以看出即使在外界認為施加干擾的情況下PID調節器輸出電壓還保持在許可范圍內。圖1（b）所示為進一步進行PID參數整定后直流母線電壓響應曲線。可以看到即便在外界認為施加干擾的情況下直流母線電壓仍可自動穩定在400 V的要求電壓。這能為后續的SPWM逆變并網提供穩定的直流母線電壓；而由于硬件電路限制，由于PID控制一推挽電路，而該推挽電路僅可提供0～12 V的調節，考慮這一點所設計出來的PID調節器輸出在0～12 V范圍之內。
2.2 逆變并網器并網仿真
逆變并網是將逆變器所產生的正弦電壓，在同頻同相同幅的情況下進行并網。并通過鎖相環調節并網電壓以及電流，使它們達到同相，改善電能質量，從而提高傳統電網穩定性。針對這一點，本設計建立元件級Simulink仿真。能有效減少失誤率，提高并網可靠性，因此建立該仿真模型是很有必要的[5?7]。模型中設計了相應的PID調節器，并對MPPT算法進行編寫相應S函數。
太陽能電池的伏安特性如圖2（a）所示，它表明在某一確定的日照強度和溫度下，太陽能電池的輸出電壓和輸出電流之間的關系，簡稱V?I特性。從V?I特性可以看出，太陽能電池的輸出電流在大部分工作電壓范圍內近似恒定，在接近開路電壓時，電流下降率很大。
由圖2（a）可知，該伏安特性曲線具有強烈的非線性。太陽能電池的額定功率是在以下條件下定義的：當日射S=1 000 W/，太陽能電池溫度T=25 ℃時，太陽能電池輸出的最大功率便定義為他的額定功率。太陽能電池額定功率的單位是“峰瓦”，記以“Wp”。相應日射強度下太陽能電池輸出最大功率的位置，稱為“最大功率點”。根據Matlab提供的太陽能電池板模型的輸出特性曲線可知當前條件下，最大功率點為241.8 V時輸出2 083 W。經過MPPT算法后，太陽能輸出電壓自動跟蹤輸出時最大功率點時的對應電壓，而其亦以最大功率穩定輸出。即輸出為238.7 V時，功率為2 084 W。對比之前實際太陽能電池板最大功率點數據，最大功率點為241.8 V時輸出2 083 W。可以看出該算法基本能跟蹤太陽能電池板的最大功率點。
3 結 論
本文針對分布式電源并網過程中的直流升壓、同步鎖相、逆變并網動態過程，研究了基于電網特點的FIR數字濾波、交流采樣和穩定直流母線電壓的數字PID控制器等技術，提出了相應的控制策略并進行Simulink動態仿真，研究工作對分布式電源并網逆變系統設計理論上具有一定指導作用。
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第3篇：光伏發電系統設計步驟范文
關鍵詞：計算機仿真軟件；電力電子技術應用；方法
電力電子技術在電力領域占據著舉足輕重的位置，在變換、控制電能方面發揮著不可替代的作用。當前，電力電子技術發生了變革：半控轉變為全控。電路日趨繁雜的形勢，給生產實踐帶來了嚴峻的挑戰。近年來，計算機仿真軟件在電力電子領域獲得了廣泛的應用，并取得了一定的成績。實踐證明，計算機仿真軟件的導入，為電力電子電路的解析、控制系統設計、電機驅動研究等提供強有力的仿真環境。文章從常用計算機仿真軟件；常用計算機仿真軟件的特點；計算機仿真軟件在電力電子技術領域的應用方法三個方面進行了詳細探討。
1常用計算機仿真軟件
計算機仿真技術是在現代信息技術的基礎上發展起來的一類綜合性技術，包括信息技術、網絡技術、圖形及圖像處理技術、多媒體技術、軟件技術、數據分析處理技術、自動化技術以及系統工程技術等，其目的是對系統的設計方案和運行進行了解。目前常用的計算機仿真軟件有MATLAB、pspice、PSCAD等。其中，MATLAB計算機仿真軟件的應用環境主要有科學計算、可視化等，其功能全面,能夠滿足各個行業建模仿真的需求。對于MATLAB而言，Simulink是其核心組成部分，其可以構建出集綜合分析、仿真等于一體的工作環境。pspice用于模擬電路、數字電路和集成電路的仿真。具有電路圖繪制功能、電路模擬仿真功能、圖形后處理功能和元器件符號制作功能，以圖形方式輸入，自動進行電路檢查，生成圖表，模擬和計算電路。PSCAD計算機仿真軟件除了可以簡易模擬直流輸電系統及其他相關控制系統等復雜電力系統之外，還可以對研究電力系統電磁暫態模擬產生積極的作用。此外，其與實時數字模擬器RTDS硬件的聯合使用可用于研發模擬器，例如：大型互聯電力系統。
2常用計算機仿真軟件的特點
2.1圖形界面友好，操作簡單易用
在使用過程中，計算機仿真軟件大都表現出圖形界面友好、操作簡單易用的特點。具體操作時，點擊、拖曳相應的功能模塊，并依據電氣聯結關系進行連接。實踐證明，其不僅操作簡便，而且與電力電子技術知識存在著很強的聯系。對于學習者而言，只要具備基本的計算機軟件、電力電子技術知識，就能夠迅速掌握應用技巧。
2.2建立仿真工程的步驟相似
在實際操作中，這些計算機仿真軟件的工作步驟存在著共性，換句話說，其工作步驟相似。通常，其計算機仿真軟件工作步驟主要由建立仿真工程文件、電氣連接元件、運行仿真操作、分析仿真數據等構成。
2.3節省物力
所謂的節省物力指的是事件及儀器設備。一般來說，計算機仿真軟件應用于正式設計實際電路之前，通過隨意設置電路參數、更換電路元件等實驗，以對設計進行分析，從而提高設計的科學性、合理性。與此同時，計算機仿真軟件還在簡化實際電路操作步驟方面具有一定的作用，對提高設計人員工作成效頗有益處。
2.4軟件升級迅速及時
通常，計算機仿真軟件在升級方面呈現出迅速、及時的特點，換句話說，伴隨著科學發展而發生變化。經調查發現，新能源的迅猛發展帶動了計算機軟件的發展，主要表現為模型（風機、光伏發電等）的增加。此外，計算機仿真軟件為滿足用戶日益增長的需求，其版本亦不斷優化、升級。
3計算機仿真軟件在電力電子技術領域的應用方法
3.1計算機仿真軟件在電力電子技術模擬方面的應用方法
在晶體管三極管電路實驗中，其參數的一致性較差，極易導致實驗數據產生誤差。而將計算機仿真圖形的引入，對檢驗誤差大小、觀察瞬時電路參數等有所幫助。此外，計算機仿真軟件在實現改變元件參數值環節中毋須替換電子元件，并可以在相同時間內觀察到更多特性曲線的變化在實際操作中，可通過改變局部電路參數，帶動其輸出特性發生變化，進而更好地觀察電路變化、學習、掌握電力電子技術應用技巧。
3.2計算機仿真軟件在電力電子技術原理圖設計方面的應用方法
實踐證明，計算機仿真軟件在電力電子技術原理圖設計方面發揮著巨大的作用。筆者以“晶閘管三相橋式可控整流電路設計與仿真”為案例進行分析。在設計過程中，計算機仿真軟件的導入除了降低了人的勞動強度，還提升了分析、設計能力，從而確保原理圖存有較小誤差。此外，其還能“降本增效（控制設計成本，加速設計進程）”。就計算機仿真軟件（MATLAB、PSIM、PSCAD等）具體操作而言，其包括根據設計電路搭建仿真模型、設置參數進行仿真、變換觸發角分析波形等環節。其中，搭建仿真模型分為建立仿真文件，提取電路、器件模塊，構建系統模型三個部分。仿真參數設置主要體現于電源參數、三相晶閘管整流器、6脈沖發生器設置變步長算法等方面。變換觸發角分析波形，通過改變不同的控制角，觀察記錄輸出電壓指的變化：阻性負載、阻感性負載等。由此可見，計算機仿真軟件的引入，省略了以往較為繁瑣的繪圖、計算過程，可直觀、迅速作出相應的分析等，大大降低了電路設計的周期，同時亦提高了設計質量。
4結束語
總而言之，計算機仿真軟件在電力電子技術領域中發揮著極其重要的作用。當前，計算機信息技術迅猛發展、電路日趨繁雜，為滿足用戶不斷增長的需求，電力電子技術方面的編程語言取得了長足的發展——計算機仿真軟件蓬勃興起。計算機軟件具有圖形界面友好，操作簡單易用；節省時間及儀器設備；軟件升級迅速及時等優點。計算機仿真軟件的存在，對降低電力電子技術設計、運作成本，縮短設計周期等具有積極的意義。希冀相關人員能夠加強自身學習，以掌握應用計算機仿真軟件的技巧，進而提升我國電路系統質量。
參考文獻
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第4篇：光伏發電系統設計步驟范文
中圖分類號:TN402-34文獻標識碼:A
文章編號:1004-373X(2010)18-0200-05
Design of Processor Based on LED Lighting-control System by Using Solar Battery
HU Jie, Wu Xin-yi, ZHANG Zhi-chao, DONG Li-min, WU Wu-chen
(VLSI and System Laboratory, Beijing University of Technology, Beijing 100124,China)
Abstract: Solar photovoltaic power generation combined with the white LED illumination lighting system is composed of an optimal environmental energy-efficient lighting system,which is an important development direction in future. The processor which is the core component of its controller around the solar energy and electricity complementary LED lighting control system. According to the structure and actual needs of the system, the design requirement of the processor and a simple instruction set are proposed, and the processor with 5-stage pipeline is designed with some function modules. Finally, the design features are achieved through FPGA. This design is the foundation of integrated, systemic and miniature controller.Keywords: processor design; RISC; FPGA; solar photovoltaic power
0 引 言
太陽能是一種清潔的綠色能源,半導體發光二極管(LED)也是一種環保、節能、高效的固態電光源。將LED技術和太陽能技術相結合在一起,開發太陽能半導體照明,是最佳的節能、環保組合,是新一代能源和新一代光源的完美結合。研究開發利用太陽能LED照明技術將是世界各國政府可持續發展的戰略決策,意義重大[1]。
本文的研究對象是太陽能LED照明控制系統控制器中的處理器。系統通過控制器實現系統工作狀態的管理、蓄電池剩余容量的管理、蓄電池充電、放電控制、太陽能電池電源及市電電源的切換控制以及LED負載半功率控制等主要功能。而控制器是主要依靠處理器的運轉來實現上述功能的。
1 系統構成[2]
太陽能LED照明控制系統主要由太陽能電池、蓄電池、系統控制器、LED照明負載和市電電源5部分組成,系統組成原理圖如圖1所示。系統正常工作時,由蓄電池向LED負載供電,在蓄電池電壓不足時,由市電(備用電源)直接向LED負載供電,避免了蓄電池電壓不足時LED負載不亮的情況。有了市電作為備用電源,在設計時可以適當降低蓄電池的容量,降低成本。同時避免了由于利用太陽能而導致的市電資源的浪費,達到可靠性和經濟性要求[3]。
圖1 太陽能LED照明系統組成原理圖
系統工作時通過太陽能電池將太陽輻射能轉化為電能,但是由于太陽能電池的輸出受溫度和太陽輻射強度影響很大,輸出功率不穩定,因而在太陽輻射強度足夠大的時(白天)需要利用蓄電池將轉化的電能儲存起來,以便在需要照明時(晚上)向半導體照明負載供電。在太陽能半導體照明系統中,控制器是其核心部分,系統工作時通過控制器實現對系統工作狀態的控制和對蓄電池充放電過程的管理,以使系統在不同的工作狀態下均能穩定可靠地工作。
系統各個組成部分的主要功能如下:
(1) 太陽能電池。
由許多太陽能電池組件串、并聯而成,其合成的容量可以是數百峰瓦(Wp),也可達數個兆峰瓦(Wp)甚至更大,組件可由單晶硅、多晶硅、非晶硅或其他類型的太陽能電池組成。一般來說,光伏陣列由于多為半導體器件構成,其伏安特性具有強烈的非線性。
(2) 蓄電池組。
蓄電池也稱電瓶,是太陽能LED照明系統的關鍵部分。一般是由一定數量的鉛酸蓄電池經由串、并聯組合而成,其容量的選擇應與太陽能電池陣列的容量相匹配。它的主要作用是在白天儲存太陽能陣列所產生的電能,晚上把儲存的能量釋放出來,供負載照明使用。它的最佳充電電流和放電電流,一般按10 h充、放電率計算。
由于蓄電池對電壓的波動具有“緩沖”作用,還可使得負載系統的運行更加平穩可靠。雖然鉛酸蓄電池具有容量大、價格低等優點,但若使用不當,很容易加速蓄電池的老化,使蓄電池的壽命急劇縮短,造成系統運行成本的增加,充、放電電流過大都會對電瓶的壽命有一定的影響。因此對蓄電池的充放電進行合理規劃和控制是光伏充電系統中必不可少的環節。
(3) 控制器[4]。
控制器的作用是對太陽能電池、蓄電池電壓、市電電源和LED負載進行總體監控。為蓄電池提供最佳的充電電流和電壓,同時保護蓄電池,避免過充電和過放電現象的發生。需要時完成太陽能電池和市電2個電源之間的轉換,保證LED負載穩定可靠的工作。
以處理器為核心的控制器結構可以給系統帶來極大的可配置型,增強系統的應用范圍。
(4) LED照明光源。
半導體LED照明光源是系統的重要組成部分。LED應保證亮度高,亮度輻射范圍大且均勻,所使用的白光LED數量少。控制器中的負載控制策略和LED驅動電路的設計直接決定了系統的照明效果。因此,需要根據LED響應速度快和低壓直流驅動等特性,選擇合適的驅動方案及控制策略,實現與蓄電池電壓的匹配,以充分發揮LED照明的優點。
(5) 市電電源。
在出現陰雨天時,蓄電池不能及時充電,出現蓄電池電壓不足,不能正常向負載供電時,由開關電源將 220 V交流市電變換成低壓直流電,供LED負載使用。控制器系統設計中為市電電源提供了一個低壓直流電輸入接口。
2 處理器需求分析
控制器是系統的核心部分,系統工作過程通過它進行管理和控制。系統通過控制器實現系統工作狀態的管理、蓄電池剩余容量的管理、蓄電池充電、放電控制、太陽能電池電源及市電電源的切換控制以及LED負載半功率控制等主要功能。而處理器又是控制器的核心。其負責根據程序指揮控制器中元器件實現控制器的上述功能。
在此設計的太陽能LED照明控制系統供街道和住宅小區照明使用,設計控制器中的處理器具有如下功能:
(1) 支持5 V直流系統工作電壓;
(2) 可提供輸出接口,控制狀態指示燈或顯示屏指示工作狀態;
(3) 可提供輸入接口,接受外部按鍵輸入;
(4) 可控制大功率MOS管支持最大至9 A的充放電電流;
(5) 可提供直流、脈沖兩種充電方式的控制;
(6) 可精確計時以提供深夜使半導體照明燈具亮度減半的功能;
(7) 可接收一路A/D轉換器指示,能檢測蓄電池的電壓,對蓄電池的充、放電過程進行控制,并當蓄電池電量不足時,自動切換到市電電源供電;
(8) 可接收另一路A/D轉換器指示,能檢測太陽能電池的電壓,自動轉換工作模式;
(9) 可提供運算指令以計算各輸入信號關系判斷系統運行轉態;
(10) 可提供跳轉指令以使控制器在各狀態間切換;
(11) 可暫存狀態標志,以供處理器智能判斷狀態;
(12) 低功耗設計以提高控制器在系統中的工作效率;
根據以上需求給出處理器的設計目標:采用精簡指令集設計;采用流水線設計以實現低功耗;具有寄存器堆;具有IO接口;具有PWM功能模塊;具有定時器模塊。
3 指令集設計
在本系統中,處理器要對AD以及按鍵的輸入量進行處理。這些輸入數據位寬小且處理過程為常規運算,不需要進行使用高級數學算法進行繁雜的數據運算。所以本設計采用精簡指令集(RISC)的設計方法。
精簡指令集具如下特點為:指令系統的規模較小且復雜程度小;操作數預存在寄存器中;指令格式統一;避免不必要的存儲器訪問。
采用RISC指令集設計可直接減小芯片面積,節省成本,減少開發人員的開發與維護開銷。是嵌入式設備處理器的主流設計方法。
本處理器具有load/store結構,也就是說與主存儲器通信只能通過LOAD和STORE指令進行。運算操作數只與寄存器組有關,而并不在主存儲器上。TOP2的指令分為4類:運算指令、寄存器指令、跳轉指令、存儲器指令,如表1所示。
表1 指令集
類別指令說明
運算AND與
NOT非
SHL左移1位
SHR右移1位
ADD帶進位加
SUB帶進位減
寄存器NOP空操作
MOVR傳輸(寄存器到寄存器)
MOVD傳輸(立即數到寄存器)
存儲器LOAD裝載(從主存儲器裝載到寄存器)
STORE存儲(從寄存器存儲到主存儲器)
跳轉JUMPI條件跳轉
針對太陽能LED照明控制系統的處理器指令集設計考慮到功耗及面積成本,只包含6條運算指令,沒有連續移位指令和硬件乘法器。經測試本指令集可滿足上一節所述對處理器的功能需求。
作為RISC體系的特點之一就是指令格式簡單規則,筆者遵循這一原則,指令集中的11條指令均為4位操作碼和12位操作目標位[5]。
4 處理器結構
處理器主體結構如圖2所示,下面具體介紹處理器各部分。
4.1 存儲結構
本處理器的存儲結構采用哈佛(Harvard)結構。這是嵌入式處理器中被廣泛采用的結構,如ARM、MIPS等。特別適用于采用RISC指令集的處理器。哈佛結構的主要特點是:程序指令存儲通路與數據指令存儲通路物理上是分離的。使得兩個存儲器可以獨立編址、獨立訪問,從而避免了程序訪問與數據訪問之間產生的相關性沖突。這中并行設計架構相當于提高了1倍的吞吐量,從而提高了處理器性能。
4.2 流水線結構
基于哈佛存儲結構,處理器核心的設計采用5級流水線(pipe-line)結構[2]分別是:取指令級(IF)、譯碼級(ID)、寄存器訪問級(LO)、運算級(EX)、回寫級(WB)[6]。流水線的設計方法在高性能大規模系統中得到廣泛應用,其實際上就是把規模較大、層次較多的組合邏輯分為幾個級,在每一級插入寄存器并暫存中間數據。這樣做大大地增加了時鐘周期的利用率,最大限度地發揮電路潛能。在不提高時鐘頻率的前提下提高了處理器效率,可以實現在同等效率下相對于非流水線設計功率可降低25倍[7],實現低功耗設計。
圖2 處理器結構
4.3 片內其他模塊
整個芯片是圍繞著流水線核心實現。根據系統需求,處理器要實現精確計時以及脈沖充電方式。為了實現這兩種功能,在流水線核心的基礎上添加了兩個可獨立流水線運行的模塊:TIMER(定時器)和PWM(脈寬調制)。
TIMER模塊是16位定時器,時鐘源采用32 768 Hz晶振。其可以準確分辨1 s時間單位,誤差低,可為本系統長年室外穩定工作提供支持。定時器可以供中斷和查詢2種操作方式,以供系統后期的靈活配置。
PWM是脈沖調制模塊。其功能是產生占空比可變的方波,以驅動大功率MOS管進行脈沖充電。其占空比變化范圍為0~100%,步長1%。本模塊減輕了處理器流水線部分的負擔,使脈沖驅動可與其他控制信號并行執行,增強了系統的穩定性。
處理器片內還包含通用I/O控制單元。此單元完成對管腳數據方向的控制,并為輸出數據提供保持功能,對輸入數據進行同步。此單元對外部異步信號域與內部同步信號域進行隔離。避免產生信號毛刺,簡化時序分析。
5 仿真與實現
本設計通過FPGA實現了所需求功能。設計流程如圖3所示。
圖3 FPGA設計流程圖
5.1 仿真
在太陽能LED照明控制系統中,控制器所需要面對的指令流主要有三種:運算指令流(順序執行)、分支跳轉指令流、循環指令流。
5.1.1 運算操作指令流(加法)
完成加法指令需要的步驟包括:
(1) 準備2個操作數。
這2個操作數如果已經存在于寄存器組中則可以忽略此步驟,如果其中一個或┝礁霆是立即數或者在存儲器中,則需要MOV指令或LOAD指令完成準備過程。
(2) 進行運算。
一條ALU加操作。
(3) 寫回存儲器。
根據不同的需求會編譯出不同的指令組合,這里以兩立即數相加結果存放在寄存器中為例進行加法操作。這需要首先執行兩條MOVD指令準備操作數,之后進行加法操作。需要注意的是,在流水線中由于數據相關性問題,在MOVD指令之后ADD指令不能馬上進入流水線執行。
當ADD指令進入LO級進行取數操作時,其之前的兩條MOVD指令分別在EX級與WB級運行著,此時從寄存器組中取數是不正確的。所以要把ADD指令推后,等到MOVD指令退出流水線后,方可進行取數。如果是第二條MOVD指令推出流水線時ADD進入LO級的話,中間需要間隔3個流水線周期。但實際上只需間隔兩個流水線周期就夠了。這是由本處理器ALU操作體系決定的。ALU的第一操作數是從寄存器中直接取出,無需通過LO級。等價于第一操作數比第二操作數要快一個流水線周期。所以,這里設計讓第一條MOVD指令存儲第二操作數,當此指令完成后,ADD進入LO級將第二操作數取出。經過一個流水線周期ADD指令進入EX級時,第二條MOVD也把第一操作數存儲到了寄存器。
之后再經過兩個周期,運算結果存入寄存器組。
整個過程如圖4所示。
圖4 加法指令在流水線中的處理過程
從第一條指令輸入到結果寫入寄存器組共用了10個流水線周期(20個時鐘周期)。考慮到指令串的流水化運行,在大段程序中費時是指令輸入的5個流水線按周期。實際上,在這5個流水線周期中的2個間隔周期并不必須為空,只要與本條指令沒有數據相關就可以,例如進行兩個存儲器操作。這樣最好情況下一個加法操作只需3個流水線周期。
5.1.2 分支跳轉指令流
分支跳轉指令是高級語言中經常用到的關鍵語句。現在用跳轉指令(JUMPI)來構建條件跳轉操作。
分支跳轉語句首先是要判斷條件是否成立,如果條件成立則順序執行,如果不成立則跳到下一程序塊執行。編譯成處理器的操作碼后變為:送條件;進行比較,置標志位;根據標志位跳轉。
在這種情況下,實現一個無內容條件結構需要7條語句(7個流水線周期)。其中兩個周期可以插入無關操作,還有兩個周期可以提前執行JUMPI后續指令。所以最好情況下需要三個流水線周期完成[8]。
5.1.3 循環語句
循環語句在高級語言中也是常用語句之一。它的實現與分支跳轉類似,同樣是跳轉指令的應用。
循環語句中要定義一個條件變量,通過循環體的運行改變條件變量的值,完成后進行判斷,符合條件跳出循環體,否則重新開始循環體。
此種循環情況下,循環結構共需7條指令,如條件允許優化NOP指令,最好情況下只需3個流水線周期。
在時序驗證完成后,筆者結合XILINX公司的Virtex2 FPGA,利用Synplify 7.5對設計進行了綜合,綜合報表顯示時鐘頻率最高可到153 MHz[9]。
5.2 FPGA實現
將設計下載至FPGA后,筆者采用名為Chipscope Pro Analyzer的波形觀察工具。Chipscope Pro是采用JTAG方式觀察FPGA內部的信號,再反映到終端上,與板級驗證方法原理一致,而節省了板級布線時間[9]。
將Chipscope Pro設置為arm(伺機捕獲)狀態,當觸發條件滿足時捕獲數據,并且在緩沖區填滿后停止捕獲,并將數據上傳,由波形窗口顯示出來。
觸發條件(復位后)滿足時捕獲到的波形圖如圖5所示。
圖5 Chipscope捕獲的FPGA輸出波形
所觀察的數據共有16位,其中port[0]-port[7]為存儲器地址輸出,port[8]-port[15]為存儲器數據輸出。程序數我們前面所介紹過的加法操作,并且在得到結果后利用STORE指令輸出到總線上。程序為:
MOVD R2 1B
MOVD R1 10B
NOP
NOP
ADD R3 R2
NOP
NOP
STORE 11110000B R3
程序的操作是1加2,結果為3,將其送到11110000B地址,其后仿真波形如圖6所示。
圖6 FPGA仿真波形
與FPGA中結果完全相同。設計正確。
6 結 語
本文針對太陽能LED照明控制系統設計了一款低功耗面積小的精簡指令集處理器,指令集共包含12條指令。處理器綜合頻率達150 MHz,實際在板最高工作頻率為100 MHz。系統外設包括計時器和脈寬調制模塊。能夠實現系統所需功能,完成控制器功能。待下一步進行系統統調后進行芯片后端設計。
參考文獻
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