光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟精選(九篇)
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第1篇：光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟范文
[關(guān)鍵詞]光伏發(fā)電 太陽能 設(shè)計(jì)應(yīng)用
中圖分類號(hào)：TU426 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2017）17-0394-02
一、光伏發(fā)電的概念和原理
光伏發(fā)電就是能夠利用半導(dǎo)體將太陽光轉(zhuǎn)換為電能的法術(shù)，原理是根據(jù)光生伏特的效應(yīng)。光伏的發(fā)電系統(tǒng)主要包括逆變器、太陽能的電池板、控制器等結(jié)構(gòu)部分。在這些組成部分中，太陽能的電池板主要將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，同時(shí)它還能夠?qū)﹄娔苓M(jìn)行儲(chǔ)存；而控制器則能夠?qū)φ麄€(gè)系統(tǒng)進(jìn)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(jìn)行控制；而逆變器則主要是將在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換成為交流電；而保護(hù)裝置則能夠確保系統(tǒng)的安全性[1]。
在白天，太陽能板正常地進(jìn)行發(fā)電的工作，而控制器進(jìn)行相應(yīng)地操作和控制來將電能儲(chǔ)存到蓄電池中，在這個(gè)過程中，控制器會(huì)對(duì)逆變器進(jìn)行相應(yīng)的操作，以此來給家用電器進(jìn)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(huì)停止發(fā)電，主控制器就要將電能轉(zhuǎn)換成為交流電，這樣能夠保證給家用電器的供電工作不會(huì)受到影響。如果蓄電池中的電量不足或者發(fā)電的系統(tǒng)中出現(xiàn)了一定的故障，控制器就會(huì)自動(dòng)切換到電網(wǎng)供電的線路中，這就是光伏發(fā)電的整個(gè)過程和其中的原理。
二、光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案
通過對(duì)供電的環(huán)境與設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)和改造，光伏發(fā)電的系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上具有很多的控制方案來進(jìn)行選擇。如遠(yuǎn)程控制、智能控制等等，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)的需要來進(jìn)行方案的選擇，這是設(shè)計(jì)人員要重點(diǎn)進(jìn)行解決的問題。在進(jìn)行光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)不同類型的發(fā)電規(guī)模，從各個(gè)方面來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操控，從而使得各方面能夠得到優(yōu)化，提升項(xiàng)目的運(yùn)行效率[2]。
1.對(duì)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算
①發(fā)電量以及組件的總功率的計(jì)算
光伏發(fā)電系統(tǒng)中，其發(fā)電量與組件總功率的計(jì)算有相應(yīng)的公式，具體如下：
g――每天的發(fā)電量；hI――每個(gè)小時(shí)的發(fā)電量；Pm――光伏組合的總功率；y――單臺(tái)機(jī)組的發(fā)電量；其年平均的量為G=g×365（kWh）。
②并網(wǎng)逆變器的選用
對(duì)于并網(wǎng)逆變器的選用，其判斷的標(biāo)準(zhǔn)和要求主要是一下幾個(gè)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(wǎng)的額定電壓也要相同[3]。除此之外，其額定的頻率與電網(wǎng)的頻率、相數(shù)與電網(wǎng)的相數(shù)也要相同，短路、過壓以及弱壓等保護(hù)功能也是并網(wǎng)逆變器應(yīng)該具備的。
2.光伏組件的方陣設(shè)計(jì)
對(duì)于光伏組件的水平頻角來說，對(duì)其能夠產(chǎn)生影響的要素包括發(fā)電系統(tǒng)所處的地理位置以及一年中各個(gè)季節(jié)對(duì)電量分配的要求。
①如果該系統(tǒng)所處區(qū)域的各個(gè)季節(jié)電量的要求基本均衡的話，那么可以利用下表來進(jìn)行組件頻角的選擇工作（表1）。
②具體到我國來說，很多地區(qū)的地理位置不同，但是其地質(zhì)環(huán)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(duì)于一些條件比較特殊的地區(qū)，則要根據(jù)不同季節(jié)的情況來選擇適合的水平角。
3.光伏方陣的傾角設(shè)計(jì)
光伏方陣的傾角是影響發(fā)電效率的一個(gè)重要因素，對(duì)于發(fā)電量的影響比較大，是區(qū)域中發(fā)電效率的決定性因素。一般情況下，光伏方陣的朝向應(yīng)該為北半球，這樣能夠提高光伏發(fā)電作業(yè)的效率[4]。對(duì)發(fā)電生產(chǎn)的調(diào)度也能夠起到一定的輔助作用，這樣便于實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電生產(chǎn)的一體化。
三、光伏發(fā)電系統(tǒng)的具體應(yīng)用
光伏發(fā)電的項(xiàng)目發(fā)展具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義，國家也比較重視，在這個(gè)項(xiàng)目中不斷地進(jìn)行投資，也出臺(tái)了相關(guān)的政策起到扶持。這在很大程度上推動(dòng)了新發(fā)電模式的應(yīng)用，為電力轉(zhuǎn)型起到了引導(dǎo)的作用。設(shè)計(jì)的過程就是對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行總體性的規(guī)劃，對(duì)于發(fā)電的生產(chǎn)模式起到一個(gè)調(diào)整的作用，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)的可持續(xù)性。光伏發(fā)電系統(tǒng)在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)平臺(tái)來確定應(yīng)用的形式。
1.交、直流供電系統(tǒng)
由于電流的形式不一樣，光伏發(fā)電的系統(tǒng)要考慮到電流之間的轉(zhuǎn)換，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要更加注重電力調(diào)控系統(tǒng)的靈活性，這樣能夠提升發(fā)電的效率。交、直流的供電系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)換的作用，能夠在兩種電流之間實(shí)時(shí)地轉(zhuǎn)接，這就形成了相對(duì)穩(wěn)定的電力傳輸模式
2.并網(wǎng)系統(tǒng)
在M行并網(wǎng)的布局階段，太陽電池組會(huì)對(duì)電流的形式造成一些影響，在逆變器進(jìn)行工作時(shí)，城市的電網(wǎng)會(huì)形成交流的形式。而并網(wǎng)的系統(tǒng)運(yùn)行能夠使網(wǎng)絡(luò)供電系統(tǒng)形成有效的連接，提升電流轉(zhuǎn)換的效率。在這個(gè)過程中，是將電網(wǎng)的信號(hào)直接反饋給調(diào)度中心的，直接將電能輸入到電網(wǎng)當(dāng)中去，這就省去了配置蓄電池的步驟，節(jié)省了工作和負(fù)擔(dān)，同時(shí)也能夠降低能量的損耗。
3.混合供電的系統(tǒng)
太陽能光伏系統(tǒng)，除了使用太陽能的電池組件陣列以外，還可以將燃油發(fā)電機(jī)作為備用的能源來進(jìn)行使用。而這樣就使得供電系統(tǒng)是混合性的，好處就是能夠綜合兩種能源的優(yōu)勢，彌補(bǔ)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?？稍偕茉淳哂胁环€(wěn)定性，會(huì)不斷地進(jìn)行變化，所以在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)一定要以最少的能量時(shí)期來進(jìn)行。
4.并網(wǎng)混合供電系統(tǒng)
要想發(fā)揮光伏系統(tǒng)的最大功能，可以對(duì)不同種類型的電網(wǎng)進(jìn)行綜合性的改造，這是一個(gè)比較漫長的組網(wǎng)過程。使用并網(wǎng)混合供電系統(tǒng)，能夠構(gòu)建出不同的網(wǎng)絡(luò)處理方式。并網(wǎng)混合供電的主要特點(diǎn)是組合性，能夠?qū)⒖刂破饕约澳孀兤鬟M(jìn)行組合，這樣就提升了可調(diào)度，使得電能的資源能夠與數(shù)字控制協(xié)調(diào)的運(yùn)行。
四、某項(xiàng)目中在實(shí)際中選用的光伏發(fā)電形式
在確定了外部的條件適合采用太陽能光伏發(fā)電后，就要對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的細(xì)化進(jìn)行設(shè)計(jì)，其主要有獨(dú)立和并網(wǎng)兩種系統(tǒng)形式。
①獨(dú)立運(yùn)行的光伏發(fā)電的系統(tǒng)主要有電池板、控制器、太陽電池方針、逆變器等幾個(gè)部分構(gòu)成的，由于蓄電池是整個(gè)系統(tǒng)中不可或缺的一部分，配備蓄電池的成本又比較高，整個(gè)系統(tǒng)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(huì)對(duì)環(huán)境造成二次的污染。
②而并網(wǎng)型的太陽能光伏電站與獨(dú)立性構(gòu)成部分大部分相同，只是其需要計(jì)量電表和連接器。其工作原理就是將太陽能轉(zhuǎn)換成直流電能，通過逆變器形成交流電，最后將多余的電進(jìn)行儲(chǔ)存。就當(dāng)前的大環(huán)境來看，該項(xiàng)目采用的是并網(wǎng)型的太陽能光伏發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)方案。
五、光伏電的發(fā)展前景
在當(dāng)前社會(huì)不斷發(fā)展惡化變化的過程中，對(duì)能源進(jìn)行戰(zhàn)略性的開發(fā)是必不可少的，對(duì)于新型發(fā)電項(xiàng)目的開發(fā)也是必不可缺少的。在對(duì)光伏發(fā)電項(xiàng)目進(jìn)行扶持建設(shè)的過程中，要對(duì)新項(xiàng)目的投入以及產(chǎn)出的效益進(jìn)行綜合的考慮和分析。在對(duì)光伏發(fā)電項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮到結(jié)構(gòu)模塊的布局，電池板、控制器、逆變器這些當(dāng)然是核心的部分，優(yōu)化軟硬件方面的操控系統(tǒng)，從而使得光伏發(fā)電系統(tǒng)更加科學(xué)、合理、安全。在當(dāng)前的時(shí)代背景下，許多種光伏電池技術(shù)為了取得市場建立優(yōu)勢，都在爭相地進(jìn)步和發(fā)展[6]。第一代的晶硅電池比較高校，價(jià)格也比較低廉，使用相對(duì)比較廣泛；而第二代的薄膜電池成本和耗能進(jìn)一步提升，其發(fā)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(jià)格使得其市場相對(duì)較小，還處于進(jìn)一步的探索中。光伏電網(wǎng)的發(fā)電技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)就是在保證穩(wěn)定性的同時(shí)，降低成本，利用光伏發(fā)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(shí)現(xiàn)負(fù)荷供電。具有標(biāo)志性的就是微電網(wǎng)能夠脫離主網(wǎng)，也可以與主網(wǎng)進(jìn)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(duì)較高的偏遠(yuǎn)地區(qū)以及對(duì)供電要去比較高的用戶來使用。
六、光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展建議
1.政府要充分發(fā)揮領(lǐng)頭作用，對(duì)光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展設(shè)立專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)，同時(shí)配備相應(yīng)的優(yōu)惠政策進(jìn)行扶持；
2.要在政府的主導(dǎo)下進(jìn)行多元化的投資，降低光伏產(chǎn)業(yè)的投資風(fēng)險(xiǎn)，多方參與，共同制定出完整的產(chǎn)業(yè)鏈；
3.在技術(shù)上要堅(jiān)持自主研發(fā)，同時(shí)不能夠閉門造車，引進(jìn)先進(jìn)的技術(shù)，建立并完善技術(shù)體系；
4.對(duì)光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展要有合理和現(xiàn)實(shí)的規(guī)劃，提升相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和要求，從而增強(qiáng)競爭力。
結(jié)束語
總而言之，當(dāng)前的社會(huì)形勢，使得能源進(jìn)行戰(zhàn)略性開發(fā)是必要的，進(jìn)行新型發(fā)電項(xiàng)目的研究也是不可或缺的。太陽能光伏發(fā)電的綠色和環(huán)保，同時(shí)太陽能的資源是可以再生的，擁有廣闊的發(fā)展前景。政府在進(jìn)行光伏發(fā)電站項(xiàng)目的建設(shè)過程中，要對(duì)投入以及產(chǎn)出的效益進(jìn)行綜合性的考慮和分析，對(duì)模塊的布局要細(xì)致，明確核心，優(yōu)化軟硬件的配置操控，從而保證太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定。
參考文獻(xiàn)
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第2篇：光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟范文
關(guān)鍵詞： 分布式電源； 并網(wǎng)逆變器； FIR數(shù)字濾波； 數(shù)字PID控制； 控制策略
中圖分類號(hào)： TN915.853?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2013）03?0142?03
分布式電源憑借其就地發(fā)電服務(wù)用戶、清潔環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)，擁有越來越大的市場份額。微電子技術(shù)的發(fā)展為逆變技術(shù)的實(shí)用化創(chuàng)造了平臺(tái)，微處理器的誕生滿足了逆變技術(shù)的發(fā)展要求，使先進(jìn)的控制技術(shù)如矢量控制技術(shù)、多電平變換技術(shù)、重復(fù)控制、模糊邏輯控制等先進(jìn)的控制算法在逆變領(lǐng)域得到了較好的應(yīng)用[1]。進(jìn)入21世紀(jì)，逆變技術(shù)正向著頻率更高、功率更大、效率更高、體積更小的方向發(fā)展[2]。本設(shè)計(jì)方案采用DC?DC?AC結(jié)構(gòu)能有效提高效率，采用高頻直流升壓技術(shù)使逆變并網(wǎng)器體積更小，安全性能大大提高。針對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的試驗(yàn)問題提出了利用Simulink的參數(shù)估計(jì)功能，使理論模型根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值參數(shù)估計(jì)，從而達(dá)到理論模型充分接近實(shí)際實(shí)驗(yàn)環(huán)境。
1 分布式電源并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1.1 DC?DC變換器
DC?DC變換器是通過半導(dǎo)體閥器件的開關(guān)動(dòng)作將直流電壓先變?yōu)榻涣麟妷海?jīng)整流后又變?yōu)闃O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(jīng)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(shí)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(dǎo)體閥器件的進(jìn)步，輸出功率為100 W以上的電源實(shí)際上采用的開關(guān)頻率都在20～500 kHz范圍內(nèi)，MHz級(jí)高頻變換器也在開發(fā)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(dòng)作原理是采用雙極功率晶體管、IGBT、MOSFET等開通關(guān)斷可控的器件作為直流電壓變換為交流電壓的半導(dǎo)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(shè)計(jì)
作為直流母線400 V電壓必須具有一定的穩(wěn)定性，不應(yīng)該隨著負(fù)載的變化或電池電壓的改變而產(chǎn)生波動(dòng)。因此必然需要用到反饋的概念。反饋理論的要素包括三個(gè)部分：測量、比較和執(zhí)行。測量關(guān)心的變量，與期望值相比較，用這個(gè)誤差糾正調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng)。由于PID控制器可以實(shí)現(xiàn)無差調(diào)節(jié)，其優(yōu)異的動(dòng)態(tài)穩(wěn)態(tài)特性，以及方便靈活的參數(shù)整定方法，因此在逆變并網(wǎng)器中直流母線的電壓控制選擇PID控制算法。
在閉環(huán)控制系統(tǒng)里，將調(diào)節(jié)器置于純比例作用下，從小到大逐漸改變調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)，得到等幅振蕩的過渡過程。此時(shí)的比例系數(shù)稱為臨界比例系數(shù)Ku，相鄰兩個(gè)波峰間的時(shí)間間隔，稱為臨界振蕩周期Tu。
臨界比例度法步驟：
（1）將調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間置于最大（TI=∞），微分時(shí)間置零（TD=0），比例系數(shù)KP適當(dāng)，平衡操作一段時(shí)間，把系統(tǒng)投入自動(dòng)運(yùn)行。
（2）將比例系數(shù)KP逐漸增大，得到等幅振蕩過程，記下臨界比例系數(shù)Ku和臨界振蕩周期Tu值。
（3）根據(jù)Ku和Tu值，采用經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算出調(diào)節(jié)器各個(gè)參數(shù)，即KP，TI和TD的值。
1.3 逆變并網(wǎng)鎖相環(huán)設(shè)計(jì)
鎖相環(huán)分為模擬鎖相環(huán)和數(shù)字環(huán)鎖相。模擬鎖相環(huán)在電路可靠性、穩(wěn)定性和集成度方面有著不可克服的缺陷：數(shù)字鎖相環(huán)又分為由數(shù)字邏輯器件構(gòu)成的全數(shù)字邏輯鎖相環(huán)和基于DSP的軟件鎖相環(huán)。全數(shù)字邏輯鎖相環(huán)路由邏輯器件構(gòu)成。
為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)電壓（SIGNAL）周期和相位的采樣，這里利用了一個(gè)遲滯比較器把信號(hào)源的模擬采樣信號(hào)（SIGNAL）整形為矩形波（TO_DSP），然后通過TMS320F28X的捕獲單元得到電網(wǎng)電壓的頻率和相位信息。在設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)注意的是，由于軟件是通過電網(wǎng)電壓的上升沿來獲得周期和相位信息的，因此在硬件的設(shè)計(jì)上應(yīng)當(dāng)保證電網(wǎng)電壓的過零點(diǎn)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(shí)），這就要求計(jì)算遲滯比較器的上限觸發(fā)電平[U+]為0 V。
遲滯比較器的上、下限觸發(fā)電平為：
1.4 改進(jìn)MPPT算法
傳統(tǒng)MPPT算法，即爬山法，是一種比較實(shí)用的MPPT控制算法，這種方式雖在一定程度上減輕了CPU的負(fù)擔(dān)，但由于周期性尋優(yōu)，會(huì)對(duì)系統(tǒng)的輸出電壓造成周期性的波動(dòng)。
改進(jìn)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(diǎn)由小到大，經(jīng)過MPP后，繼續(xù)增大U2，使輸出功率比最大輸出功率小于一個(gè)閾值ΔP1。輸出功率由小變大，再變小，一定會(huì)經(jīng)過一個(gè)最大點(diǎn)。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(shí)的輸出電壓Umax；
（2）根據(jù)光伏電池陣列輸出最大功率時(shí)記錄下的Umax，利用穩(wěn)壓程序（可利用PID控制）將U1鉗制在記錄下的Umax上，實(shí)現(xiàn)光伏電池陣列以最大功率穩(wěn)定地輸出能量；
（3）當(dāng)光照強(qiáng)度發(fā)生變化（由于在短時(shí)間內(nèi)，環(huán)境溫度的變化對(duì)系統(tǒng)輸出功率的變化影響不大，可以忽略），即輸出電壓Umax時(shí)的輸出功率P1與之前的Pmax之間差值超過一定閾值ΔP時(shí)，若P1>Pmax，說明光照強(qiáng)度增加了，MPP處的輸出電壓也相應(yīng)增大了，所以此時(shí)應(yīng)啟動(dòng)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(wǎng)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(wěn)定性，不應(yīng)該隨著負(fù)載的變化或電池電壓的改變而產(chǎn)生波動(dòng)。因此必然需要用到反饋的概念。反饋理論的要素包括三個(gè)部分：測量、比較和執(zhí)行。測量關(guān)心的變量，與期望值相比較，用這個(gè)誤差糾正調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng)。
針對(duì)DC?DC直流母線硬件結(jié)構(gòu)以及控制方式對(duì)被控模型進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，由于PWM裝置的數(shù)學(xué)模型與晶閘管裝置一樣，在控制系統(tǒng)中的作用也一樣。因此，當(dāng)開關(guān)頻率為10 kHz時(shí)，T=0.1 ms，在一般電力自動(dòng)控制系統(tǒng)中，時(shí)間常數(shù)這么小的滯后環(huán)節(jié)可以近似一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)，故其傳遞函數(shù)為：
由于采用的是數(shù)字系統(tǒng)故其傳感器傳函等效為單位延時(shí)單元，即[z-1]，構(gòu)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(yīng)法。本設(shè)計(jì)通過利用Simulink提供的信號(hào)約束模塊，通過它的參數(shù)整定功能最終整定出符合設(shè)計(jì)者要求的PID參數(shù)。
如圖1（a）為進(jìn)一步進(jìn)行PID參數(shù)整定后的PID輸出電壓響應(yīng)曲線，可以看出即使在外界認(rèn)為施加干擾的情況下PID調(diào)節(jié)器輸出電壓還保持在許可范圍內(nèi)。圖1（b）所示為進(jìn)一步進(jìn)行PID參數(shù)整定后直流母線電壓響應(yīng)曲線。可以看到即便在外界認(rèn)為施加干擾的情況下直流母線電壓仍可自動(dòng)穩(wěn)定在400 V的要求電壓。這能為后續(xù)的SPWM逆變并網(wǎng)提供穩(wěn)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(diào)節(jié)，考慮這一點(diǎn)所設(shè)計(jì)出來的PID調(diào)節(jié)器輸出在0～12 V范圍之內(nèi)。
2.2 逆變并網(wǎng)器并網(wǎng)仿真
逆變并網(wǎng)是將逆變器所產(chǎn)生的正弦電壓，在同頻同相同幅的情況下進(jìn)行并網(wǎng)。并通過鎖相環(huán)調(diào)節(jié)并網(wǎng)電壓以及電流，使它們達(dá)到同相，改善電能質(zhì)量，從而提高傳統(tǒng)電網(wǎng)穩(wěn)定性。針對(duì)這一點(diǎn)，本設(shè)計(jì)建立元件級(jí)Simulink仿真。能有效減少失誤率，提高并網(wǎng)可靠性，因此建立該仿真模型是很有必要的[5?7]。模型中設(shè)計(jì)了相應(yīng)的PID調(diào)節(jié)器，并對(duì)MPPT算法進(jìn)行編寫相應(yīng)S函數(shù)。
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(qiáng)度和溫度下，太陽能電池的輸出電壓和輸出電流之間的關(guān)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(nèi)近似恒定，在接近開路電壓時(shí)，電流下降率很大。
由圖2（a）可知，該伏安特性曲線具有強(qiáng)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(dāng)日射S=1 000 W/，太陽能電池溫度T=25 ℃時(shí)，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(yīng)日射強(qiáng)度下太陽能電池輸出最大功率的位置，稱為“最大功率點(diǎn)”。根據(jù)Matlab提供的太陽能電池板模型的輸出特性曲線可知當(dāng)前條件下，最大功率點(diǎn)為241.8 V時(shí)輸出2 083 W。經(jīng)過MPPT算法后，太陽能輸出電壓自動(dòng)跟蹤輸出時(shí)最大功率點(diǎn)時(shí)的對(duì)應(yīng)電壓，而其亦以最大功率穩(wěn)定輸出。即輸出為238.7 V時(shí)，功率為2 084 W。對(duì)比之前實(shí)際太陽能電池板最大功率點(diǎn)數(shù)據(jù)，最大功率點(diǎn)為241.8 V時(shí)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(diǎn)。
3 結(jié) 論
本文針對(duì)分布式電源并網(wǎng)過程中的直流升壓、同步鎖相、逆變并網(wǎng)動(dòng)態(tài)過程，研究了基于電網(wǎng)特點(diǎn)的FIR數(shù)字濾波、交流采樣和穩(wěn)定直流母線電壓的數(shù)字PID控制器等技術(shù)，提出了相應(yīng)的控制策略并進(jìn)行Simulink動(dòng)態(tài)仿真，研究工作對(duì)分布式電源并網(wǎng)逆變系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論上具有一定指導(dǎo)作用。
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第3篇：光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟范文
關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)仿真軟件；電力電子技術(shù)應(yīng)用；方法
電力電子技術(shù)在電力領(lǐng)域占據(jù)著舉足輕重的位置，在變換、控制電能方面發(fā)揮著不可替代的作用。當(dāng)前，電力電子技術(shù)發(fā)生了變革：半控轉(zhuǎn)變?yōu)槿?。電路日趨繁雜的形勢，給生產(chǎn)實(shí)踐帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。近年來，計(jì)算機(jī)仿真軟件在電力電子領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，并取得了一定的成績。實(shí)踐證明，計(jì)算機(jī)仿真軟件的導(dǎo)入，為電力電子電路的解析、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)研究等提供強(qiáng)有力的仿真環(huán)境。文章從常用計(jì)算機(jī)仿真軟件；常用計(jì)算機(jī)仿真軟件的特點(diǎn)；計(jì)算機(jī)仿真軟件在電力電子技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用方法三個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)探討。
1常用計(jì)算機(jī)仿真軟件
計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)是在現(xiàn)代信息技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一類綜合性技術(shù)，包括信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、圖形及圖像處理技術(shù)、多媒體技術(shù)、軟件技術(shù)、數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)以及系統(tǒng)工程技術(shù)等，其目的是對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和運(yùn)行進(jìn)行了解。目前常用的計(jì)算機(jī)仿真軟件有MATLAB、pspice、PSCAD等。其中，MATLAB計(jì)算機(jī)仿真軟件的應(yīng)用環(huán)境主要有科學(xué)計(jì)算、可視化等，其功能全面,能夠滿足各個(gè)行業(yè)建模仿真的需求。對(duì)于MATLAB而言，Simulink是其核心組成部分，其可以構(gòu)建出集綜合分析、仿真等于一體的工作環(huán)境。pspice用于模擬電路、數(shù)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(hào)制作功能，以圖形方式輸入，自動(dòng)進(jìn)行電路檢查，生成圖表，模擬和計(jì)算電路。PSCAD計(jì)算機(jī)仿真軟件除了可以簡易模擬直流輸電系統(tǒng)及其他相關(guān)控制系統(tǒng)等復(fù)雜電力系統(tǒng)之外，還可以對(duì)研究電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)模擬產(chǎn)生積極的作用。此外，其與實(shí)時(shí)數(shù)字模擬器RTDS硬件的聯(lián)合使用可用于研發(fā)模擬器，例如：大型互聯(lián)電力系統(tǒng)。
2常用計(jì)算機(jī)仿真軟件的特點(diǎn)
2.1圖形界面友好，操作簡單易用
在使用過程中，計(jì)算機(jī)仿真軟件大都表現(xiàn)出圖形界面友好、操作簡單易用的特點(diǎn)。具體操作時(shí)，點(diǎn)擊、拖曳相應(yīng)的功能模塊，并依據(jù)電氣聯(lián)結(jié)關(guān)系進(jìn)行連接。實(shí)踐證明，其不僅操作簡便，而且與電力電子技術(shù)知識(shí)存在著很強(qiáng)的聯(lián)系。對(duì)于學(xué)習(xí)者而言，只要具備基本的計(jì)算機(jī)軟件、電力電子技術(shù)知識(shí)，就能夠迅速掌握應(yīng)用技巧。
2.2建立仿真工程的步驟相似
在實(shí)際操作中，這些計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(yùn)行仿真操作、分析仿真數(shù)據(jù)等構(gòu)成。
2.3節(jié)省物力
所謂的節(jié)省物力指的是事件及儀器設(shè)備。一般來說，計(jì)算機(jī)仿真軟件應(yīng)用于正式設(shè)計(jì)實(shí)際電路之前，通過隨意設(shè)置電路參數(shù)、更換電路元件等實(shí)驗(yàn)，以對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，從而提高設(shè)計(jì)的科學(xué)性、合理性。與此同時(shí)，計(jì)算機(jī)仿真軟件還在簡化實(shí)際電路操作步驟方面具有一定的作用，對(duì)提高設(shè)計(jì)人員工作成效頗有益處。
2.4軟件升級(jí)迅速及時(shí)
通常，計(jì)算機(jī)仿真軟件在升級(jí)方面呈現(xiàn)出迅速、及時(shí)的特點(diǎn)，換句話說，伴隨著科學(xué)發(fā)展而發(fā)生變化。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，新能源的迅猛發(fā)展帶動(dòng)了計(jì)算機(jī)軟件的發(fā)展，主要表現(xiàn)為模型（風(fēng)機(jī)、光伏發(fā)電等）的增加。此外，計(jì)算機(jī)仿真軟件為滿足用戶日益增長的需求，其版本亦不斷優(yōu)化、升級(jí)。
3計(jì)算機(jī)仿真軟件在電力電子技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用方法
3.1計(jì)算機(jī)仿真軟件在電力電子技術(shù)模擬方面的應(yīng)用方法
在晶體管三極管電路實(shí)驗(yàn)中，其參數(shù)的一致性較差，極易導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤差。而將計(jì)算機(jī)仿真圖形的引入，對(duì)檢驗(yàn)誤差大小、觀察瞬時(shí)電路參數(shù)等有所幫助。此外，計(jì)算機(jī)仿真軟件在實(shí)現(xiàn)改變?cè)?shù)值環(huán)節(jié)中毋須替換電子元件，并可以在相同時(shí)間內(nèi)觀察到更多特性曲線的變化在實(shí)際操作中，可通過改變局部電路參數(shù)，帶動(dòng)其輸出特性發(fā)生變化，進(jìn)而更好地觀察電路變化、學(xué)習(xí)、掌握電力電子技術(shù)應(yīng)用技巧。
3.2計(jì)算機(jī)仿真軟件在電力電子技術(shù)原理圖設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用方法
實(shí)踐證明，計(jì)算機(jī)仿真軟件在電力電子技術(shù)原理圖設(shè)計(jì)方面發(fā)揮著巨大的作用。筆者以“晶閘管三相橋式可控整流電路設(shè)計(jì)與仿真”為案例進(jìn)行分析。在設(shè)計(jì)過程中，計(jì)算機(jī)仿真軟件的導(dǎo)入除了降低了人的勞動(dòng)強(qiáng)度，還提升了分析、設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)成本，加速設(shè)計(jì)進(jìn)程）”。就計(jì)算機(jī)仿真軟件（MATLAB、PSIM、PSCAD等）具體操作而言，其包括根據(jù)設(shè)計(jì)電路搭建仿真模型、設(shè)置參數(shù)進(jìn)行仿真、變換觸發(fā)角分析波形等環(huán)節(jié)。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(gòu)建系統(tǒng)模型三個(gè)部分。仿真參數(shù)設(shè)置主要體現(xiàn)于電源參數(shù)、三相晶閘管整流器、6脈沖發(fā)生器設(shè)置變步長算法等方面。變換觸發(fā)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(fù)載、阻感性負(fù)載等。由此可見，計(jì)算機(jī)仿真軟件的引入，省略了以往較為繁瑣的繪圖、計(jì)算過程，可直觀、迅速作出相應(yīng)的分析等，大大降低了電路設(shè)計(jì)的周期，同時(shí)亦提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量。
4結(jié)束語
總而言之，計(jì)算機(jī)仿真軟件在電力電子技術(shù)領(lǐng)域中發(fā)揮著極其重要的作用。當(dāng)前，計(jì)算機(jī)信息技術(shù)迅猛發(fā)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(shù)方面的編程語言取得了長足的發(fā)展——計(jì)算機(jī)仿真軟件蓬勃興起。計(jì)算機(jī)軟件具有圖形界面友好，操作簡單易用；節(jié)省時(shí)間及儀器設(shè)備；軟件升級(jí)迅速及時(shí)等優(yōu)點(diǎn)。計(jì)算機(jī)仿真軟件的存在，對(duì)降低電力電子技術(shù)設(shè)計(jì)、運(yùn)作成本，縮短設(shè)計(jì)周期等具有積極的意義。希冀相關(guān)人員能夠加強(qiáng)自身學(xué)習(xí)，以掌握應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真軟件的技巧，進(jìn)而提升我國電路系統(tǒng)質(zhì)量。
參考文獻(xiàn)
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第4篇：光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟范文
中圖分類號(hào):TN402-34文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
文章編號(hào):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(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)也是一種環(huán)保、節(jié)能、高效的固態(tài)電光源。將LED技術(shù)和太陽能技術(shù)相結(jié)合在一起,開發(fā)太陽能半導(dǎo)體照明,是最佳的節(jié)能、環(huán)保組合,是新一代能源和新一代光源的完美結(jié)合。研究開發(fā)利用太陽能LED照明技術(shù)將是世界各國政府可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略決策,意義重大[1]。
本文的研究對(duì)象是太陽能LED照明控制系統(tǒng)控制器中的處理器。系統(tǒng)通過控制器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工作狀態(tài)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(fù)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(yùn)轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)上述功能的。
1 系統(tǒng)構(gòu)成[2]
太陽能LED照明控制系統(tǒng)主要由太陽能電池、蓄電池、系統(tǒng)控制器、LED照明負(fù)載和市電電源5部分組成,系統(tǒng)組成原理圖如圖1所示。系統(tǒng)正常工作時(shí),由蓄電池向LED負(fù)載供電,在蓄電池電壓不足時(shí),由市電(備用電源)直接向LED負(fù)載供電,避免了蓄電池電壓不足時(shí)LED負(fù)載不亮的情況。有了市電作為備用電源,在設(shè)計(jì)時(shí)可以適當(dāng)降低蓄電池的容量,降低成本。同時(shí)避免了由于利用太陽能而導(dǎo)致的市電資源的浪費(fèi),達(dá)到可靠性和經(jīng)濟(jì)性要求[3]。
圖1 太陽能LED照明系統(tǒng)組成原理圖
系統(tǒng)工作時(shí)通過太陽能電池將太陽輻射能轉(zhuǎn)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(qiáng)度影響很大,輸出功率不穩(wěn)定,因而在太陽輻射強(qiáng)度足夠大的時(shí)(白天)需要利用蓄電池將轉(zhuǎn)化的電能儲(chǔ)存起來,以便在需要照明時(shí)(晚上)向半導(dǎo)體照明負(fù)載供電。在太陽能半導(dǎo)體照明系統(tǒng)中,控制器是其核心部分,系統(tǒng)工作時(shí)通過控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)工作狀態(tài)的控制和對(duì)蓄電池充放電過程的管理,以使系統(tǒng)在不同的工作狀態(tài)下均能穩(wěn)定可靠地工作。
系統(tǒng)各個(gè)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(lián)而成,其合成的容量可以是數(shù)百峰瓦(Wp),也可達(dá)數(shù)個(gè)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(dǎo)體器件構(gòu)成,其伏安特性具有強(qiáng)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(tǒng)的關(guān)鍵部分。一般是由一定數(shù)量的鉛酸蓄電池經(jīng)由串、并聯(lián)組合而成,其容量的選擇應(yīng)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(chǔ)存太陽能陣列所產(chǎn)生的電能,晚上把儲(chǔ)存的能量釋放出來,供負(fù)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(jì)算。
由于蓄電池對(duì)電壓的波動(dòng)具有“緩沖”作用,還可使得負(fù)載系統(tǒng)的運(yùn)行更加平穩(wěn)可靠。雖然鉛酸蓄電池具有容量大、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn),但若使用不當(dāng),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(tǒng)運(yùn)行成本的增加,充、放電電流過大都會(huì)對(duì)電瓶的壽命有一定的影響。因此對(duì)蓄電池的充放電進(jìn)行合理規(guī)劃和控制是光伏充電系統(tǒng)中必不可少的環(huán)節(jié)。
(3) 控制器[4]。
控制器的作用是對(duì)太陽能電池、蓄電池電壓、市電電源和LED負(fù)載進(jìn)行總體監(jiān)控。為蓄電池提供最佳的充電電流和電壓,同時(shí)保護(hù)蓄電池,避免過充電和過放電現(xiàn)象的發(fā)生。需要時(shí)完成太陽能電池和市電2個(gè)電源之間的轉(zhuǎn)換,保證LED負(fù)載穩(wěn)定可靠的工作。
以處理器為核心的控制器結(jié)構(gòu)可以給系統(tǒng)帶來極大的可配置型,增強(qiáng)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。
(4) LED照明光源。
半導(dǎo)體LED照明光源是系統(tǒng)的重要組成部分。LED應(yīng)保證亮度高,亮度輻射范圍大且均勻,所使用的白光LED數(shù)量少。控制器中的負(fù)載控制策略和LED驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)直接決定了系統(tǒng)的照明效果。因此,需要根據(jù)LED響應(yīng)速度快和低壓直流驅(qū)動(dòng)等特性,選擇合適的驅(qū)動(dòng)方案及控制策略,實(shí)現(xiàn)與蓄電池電壓的匹配,以充分發(fā)揮LED照明的優(yōu)點(diǎn)。
(5) 市電電源。
在出現(xiàn)陰雨天時(shí),蓄電池不能及時(shí)充電,出現(xiàn)蓄電池電壓不足,不能正常向負(fù)載供電時(shí),由開關(guān)電源將 220 V交流市電變換成低壓直流電,供LED負(fù)載使用。控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)中為市電電源提供了一個(gè)低壓直流電輸入接口。
2 處理器需求分析
控制器是系統(tǒng)的核心部分,系統(tǒng)工作過程通過它進(jìn)行管理和控制。系統(tǒng)通過控制器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工作狀態(tài)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(fù)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(fù)責(zé)根據(jù)程序指揮控制器中元器件實(shí)現(xiàn)控制器的上述功能。
在此設(shè)計(jì)的太陽能LED照明控制系統(tǒng)供街道和住宅小區(qū)照明使用,設(shè)計(jì)控制器中的處理器具有如下功能:
(1) 支持5 V直流系統(tǒng)工作電壓;
(2) 可提供輸出接口,控制狀態(tài)指示燈或顯示屏指示工作狀態(tài);
(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(jì)時(shí)以提供深夜使半導(dǎo)體照明燈具亮度減半的功能;
(7) 可接收一路A/D轉(zhuǎn)換器指示,能檢測蓄電池的電壓,對(duì)蓄電池的充、放電過程進(jìn)行控制,并當(dāng)蓄電池電量不足時(shí),自動(dòng)切換到市電電源供電;
(8) 可接收另一路A/D轉(zhuǎn)換器指示,能檢測太陽能電池的電壓,自動(dòng)轉(zhuǎn)換工作模式;
(9) 可提供運(yùn)算指令以計(jì)算各輸入信號(hào)關(guān)系判斷系統(tǒng)運(yùn)行轉(zhuǎn)態(tài);
(10) 可提供跳轉(zhuǎn)指令以使控制器在各狀態(tài)間切換;
(11) 可暫存狀態(tài)標(biāo)志,以供處理器智能判斷狀態(tài);
(12) 低功耗設(shè)計(jì)以提高控制器在系統(tǒng)中的工作效率;
根據(jù)以上需求給出處理器的設(shè)計(jì)目標(biāo):采用精簡指令集設(shè)計(jì);采用流水線設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)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(shí)器模塊。
3 指令集設(shè)計(jì)
在本系統(tǒng)中,處理器要對(duì)AD以及按鍵的輸入量進(jìn)行處理。這些輸入數(shù)據(jù)位寬小且處理過程為常規(guī)運(yùn)算,不需要進(jìn)行使用高級(jí)數(shù)學(xué)算法進(jìn)行繁雜的數(shù)據(jù)運(yùn)算。所以本設(shè)計(jì)采用精簡指令集(RISC)的設(shè)計(jì)方法。
精簡指令集具如下特點(diǎn)為:指令系統(tǒng)的規(guī)模較小且復(fù)雜程度小;操作數(shù)預(yù)存在寄存器中;指令格式統(tǒng)一;避免不必要的存儲(chǔ)器訪問。
采用RISC指令集設(shè)計(jì)可直接減小芯片面積,節(jié)省成本,減少開發(fā)人員的開發(fā)與維護(hù)開銷。是嵌入式設(shè)備處理器的主流設(shè)計(jì)方法。
本處理器具有l(wèi)oad/store結(jié)構(gòu),也就是說與主存儲(chǔ)器通信只能通過LOAD和STORE指令進(jìn)行。運(yùn)算操作數(shù)只與寄存器組有關(guān),而并不在主存儲(chǔ)器上。TOP2的指令分為4類:運(yùn)算指令、寄存器指令、跳轉(zhuǎn)指令、存儲(chǔ)器指令,如表1所示。
表1 指令集
類別指令說明
運(yùn)算AND與
NOT非
SHL左移1位
SHR右移1位
ADD帶進(jìn)位加
SUB帶進(jìn)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(shù)到寄存器)
存儲(chǔ)器LOAD裝載(從主存儲(chǔ)器裝載到寄存器)
STORE存儲(chǔ)(從寄存器存儲(chǔ)到主存儲(chǔ)器)
跳轉(zhuǎn)JUMPI條件跳轉(zhuǎn)
針對(duì)太陽能LED照明控制系統(tǒng)的處理器指令集設(shè)計(jì)考慮到功耗及面積成本,只包含6條運(yùn)算指令,沒有連續(xù)移位指令和硬件乘法器。經(jīng)測試本指令集可滿足上一節(jié)所述對(duì)處理器的功能需求。
作為RISC體系的特點(diǎn)之一就是指令格式簡單規(guī)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(biāo)位[5]。
4 處理器結(jié)構(gòu)
處理器主體結(jié)構(gòu)如圖2所示,下面具體介紹處理器各部分。
4.1 存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)
本處理器的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)采用哈佛(Harvard)結(jié)構(gòu)。這是嵌入式處理器中被廣泛采用的結(jié)構(gòu),如ARM、MIPS等。特別適用于采用RISC指令集的處理器。哈佛結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是:程序指令存儲(chǔ)通路與數(shù)據(jù)指令存儲(chǔ)通路物理上是分離的。使得兩個(gè)存儲(chǔ)器可以獨(dú)立編址、獨(dú)立訪問,從而避免了程序訪問與數(shù)據(jù)訪問之間產(chǎn)生的相關(guān)性沖突。這中并行設(shè)計(jì)架構(gòu)相當(dāng)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(jié)構(gòu)
基于哈佛存儲(chǔ)結(jié)構(gòu),處理器核心的設(shè)計(jì)采用5級(jí)流水線(pipe-line)結(jié)構(gòu)[2]分別是:取指令級(jí)(IF)、譯碼級(jí)(ID)、寄存器訪問級(jí)(LO)、運(yùn)算級(jí)(EX)、回寫級(jí)(WB)[6]。流水線的設(shè)計(jì)方法在高性能大規(guī)模系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用,其實(shí)際上就是把規(guī)模較大、層次較多的組合邏輯分為幾個(gè)級(jí),在每一級(jí)插入寄存器并暫存中間數(shù)據(jù)。這樣做大大地增加了時(shí)鐘周期的利用率,最大限度地發(fā)揮電路潛能。在不提高時(shí)鐘頻率的前提下提高了處理器效率,可以實(shí)現(xiàn)在同等效率下相對(duì)于非流水線設(shè)計(jì)功率可降低25倍[7],實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)。
圖2 處理器結(jié)構(gòu)
4.3 片內(nèi)其他模塊
整個(gè)芯片是圍繞著流水線核心實(shí)現(xiàn)。根據(jù)系統(tǒng)需求,處理器要實(shí)現(xiàn)精確計(jì)時(shí)以及脈沖充電方式。為了實(shí)現(xiàn)這兩種功能,在流水線核心的基礎(chǔ)上添加了兩個(gè)可獨(dú)立流水線運(yùn)行的模塊:TIMER(定時(shí)器)和PWM(脈寬調(diào)制)。
TIMER模塊是16位定時(shí)器,時(shí)鐘源采用32 768 Hz晶振。其可以準(zhǔn)確分辨1 s時(shí)間單位,誤差低,可為本系統(tǒng)長年室外穩(wěn)定工作提供支持。定時(shí)器可以供中斷和查詢2種操作方式,以供系統(tǒng)后期的靈活配置。
PWM是脈沖調(diào)制模塊。其功能是產(chǎn)生占空比可變的方波,以驅(qū)動(dòng)大功率MOS管進(jìn)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(fù)擔(dān),使脈沖驅(qū)動(dòng)可與其他控制信號(hào)并行執(zhí)行,增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
處理器片內(nèi)還包含通用I/O控制單元。此單元完成對(duì)管腳數(shù)據(jù)方向的控制,并為輸出數(shù)據(jù)提供保持功能,對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行同步。此單元對(duì)外部異步信號(hào)域與內(nèi)部同步信號(hào)域進(jìn)行隔離。避免產(chǎn)生信號(hào)毛刺,簡化時(shí)序分析。
5 仿真與實(shí)現(xiàn)
本設(shè)計(jì)通過FPGA實(shí)現(xiàn)了所需求功能。設(shè)計(jì)流程如圖3所示。
圖3 FPGA設(shè)計(jì)流程圖
5.1 仿真
在太陽能LED照明控制系統(tǒng)中,控制器所需要面對(duì)的指令流主要有三種:運(yùn)算指令流(順序執(zhí)行)、分支跳轉(zhuǎn)指令流、循環(huán)指令流。
5.1.1 運(yùn)算操作指令流(加法)
完成加法指令需要的步驟包括:
(1) 準(zhǔn)備2個(gè)操作數(shù)。
這2個(gè)操作數(shù)如果已經(jīng)存在于寄存器組中則可以忽略此步驟,如果其中一個(gè)或┝礁霆是立即數(shù)或者在存儲(chǔ)器中,則需要MOV指令或LOAD指令完成準(zhǔn)備過程。
(2) 進(jìn)行運(yùn)算。
一條ALU加操作。
(3) 寫回存儲(chǔ)器。
根據(jù)不同的需求會(huì)編譯出不同的指令組合,這里以兩立即數(shù)相加結(jié)果存放在寄存器中為例進(jìn)行加法操作。這需要首先執(zhí)行兩條MOVD指令準(zhǔn)備操作數(shù),之后進(jìn)行加法操作。需要注意的是,在流水線中由于數(shù)據(jù)相關(guān)性問題,在MOVD指令之后ADD指令不能馬上進(jìn)入流水線執(zhí)行。
當(dāng)ADD指令進(jìn)入LO級(jí)進(jìn)行取數(shù)操作時(shí),其之前的兩條MOVD指令分別在EX級(jí)與WB級(jí)運(yùn)行著,此時(shí)從寄存器組中取數(shù)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(jìn)行取數(shù)。如果是第二條MOVD指令推出流水線時(shí)ADD進(jìn)入LO級(jí)的話,中間需要間隔3個(gè)流水線周期。但實(shí)際上只需間隔兩個(gè)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(shù)是從寄存器中直接取出,無需通過LO級(jí)。等價(jià)于第一操作數(shù)比第二操作數(shù)要快一個(gè)流水線周期。所以,這里設(shè)計(jì)讓第一條MOVD指令存儲(chǔ)第二操作數(shù),當(dāng)此指令完成后,ADD進(jìn)入LO級(jí)將第二操作數(shù)取出。經(jīng)過一個(gè)流水線周期ADD指令進(jìn)入EX級(jí)時(shí),第二條MOVD也把第一操作數(shù)存儲(chǔ)到了寄存器。
之后再經(jīng)過兩個(gè)周期,運(yùn)算結(jié)果存入寄存器組。
整個(gè)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(jié)果寫入寄存器組共用了10個(gè)流水線周期(20個(gè)時(shí)鐘周期)?？紤]到指令串的流水化運(yùn)行,在大段程序中費(fèi)時(shí)是指令輸入的5個(gè)流水線按周期。實(shí)際上,在這5個(gè)流水線周期中的2個(gè)間隔周期并不必須為空,只要與本條指令沒有數(shù)據(jù)相關(guān)就可以,例如進(jìn)行兩個(gè)存儲(chǔ)器操作。這樣最好情況下一個(gè)加法操作只需3個(gè)流水線周期。
5.1.2 分支跳轉(zhuǎn)指令流
分支跳轉(zhuǎn)指令是高級(jí)語言中經(jīng)常用到的關(guān)鍵語句。現(xiàn)在用跳轉(zhuǎn)指令(JUMPI)來構(gòu)建條件跳轉(zhuǎn)操作。
分支跳轉(zhuǎn)語句首先是要判斷條件是否成立,如果條件成立則順序執(zhí)行,如果不成立則跳到下一程序塊執(zhí)行。編譯成處理器的操作碼后變?yōu)?送條件;進(jìn)行比較,置標(biāo)志位;根據(jù)標(biāo)志位跳轉(zhuǎn)。
在這種情況下,實(shí)現(xiàn)一個(gè)無內(nèi)容條件結(jié)構(gòu)需要7條語句(7個(gè)流水線周期)。其中兩個(gè)周期可以插入無關(guān)操作,還有兩個(gè)周期可以提前執(zhí)行JUMPI后續(xù)指令。所以最好情況下需要三個(gè)流水線周期完成[8]。
5.1.3 循環(huán)語句
循環(huán)語句在高級(jí)語言中也是常用語句之一。它的實(shí)現(xiàn)與分支跳轉(zhuǎn)類似,同樣是跳轉(zhuǎn)指令的應(yīng)用。
循環(huán)語句中要定義一個(gè)條件變量,通過循環(huán)體的運(yùn)行改變條件變量的值,完成后進(jìn)行判斷,符合條件跳出循環(huán)體,否則重新開始循環(huán)體。
此種循環(huán)情況下,循環(huán)結(jié)構(gòu)共需7條指令,如條件允許優(yōu)化NOP指令,最好情況下只需3個(gè)流水線周期。
在時(shí)序驗(yàn)證完成后,筆者結(jié)合XILINX公司的Virtex2 FPGA,利用Synplify 7.5對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了綜合,綜合報(bào)表顯示時(shí)鐘頻率最高可到153 MHz[9]。
5.2 FPGA實(shí)現(xiàn)
將設(shè)計(jì)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(nèi)部的信號(hào),再反映到終端上,與板級(jí)驗(yàn)證方法原理一致,而節(jié)省了板級(jí)布線時(shí)間[9]。
將Chipscope Pro設(shè)置為arm(伺機(jī)捕獲)狀態(tài),當(dāng)觸發(fā)條件滿足時(shí)捕獲數(shù)據(jù),并且在緩沖區(qū)填滿后停止捕獲,并將數(shù)據(jù)上傳,由波形窗口顯示出來。
觸發(fā)條件(復(fù)位后)滿足時(shí)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(shù)據(jù)共有16位,其中port[0]-port[7]為存儲(chǔ)器地址輸出,port[8]-port[15]為存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)輸出。程序數(shù)我們前面所介紹過的加法操作,并且在得到結(jié)果后利用STORE指令輸出到總線上。程序?yàn)?
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(jié)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(jié)果完全相同。設(shè)計(jì)正確。
6 結(jié) 語
本文針對(duì)太陽能LED照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dá)150 MHz,實(shí)際在板最高工作頻率為100 MHz。系統(tǒng)外設(shè)包括計(jì)時(shí)器和脈寬調(diào)制模塊。能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)所需功能,完成控制器功能。待下一步進(jìn)行系統(tǒng)統(tǒng)調(diào)后進(jìn)行芯片后端設(shè)計(jì)。
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