太陽能發(fā)電控制逆變器設(shè)計(jì)

引言

　　太陽能光伏發(fā)電是利用光伏效應(yīng)將太陽的光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N發(fā)電方式。雖然光伏效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)有近200年的歷史，但我國較大規(guī)模的利用是從上個(gè)世紀(jì)八十年代才開始。近年來，由于節(jié)能和環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)，太陽能光伏發(fā)電日益受到重視。

　　尤其是從2008年開始，國家出臺(tái)了新的能源政策，更使得太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)如火如荼地發(fā)展。對(duì)光伏發(fā)電設(shè)備的研究也進(jìn)入了一個(gè)高潮，相關(guān)論文的數(shù)量驟增。

　　隨著近年來無電地區(qū)居民對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的需求也不斷提高，逆變器已經(jīng)成為光伏發(fā)電系統(tǒng)的必備部件。這些地區(qū)居住分散、交通不便，一旦出了故障，極難維修。因此對(duì)控制一逆變器的要求是功能簡單，堅(jiān)固耐用。相對(duì)于高頻逆變器而言，工頻逆變器能夠耐受比較復(fù)雜的負(fù)載條件，故障率較低。本文介紹的就是一種用單片機(jī)控制的控制一工頻逆變器。

　　1  整機(jī)結(jié)構(gòu)及主要部件

　　戶用型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要用于無電地區(qū)居民家庭的電力供應(yīng)。它一般由太陽能電池組件、蓄電池、控制一逆變器這三個(gè)主要部分組成（圖1）。

　　控制一逆變器又可分為控制器和逆變器兩部分。控制器的功能是對(duì)蓄電池的充放電進(jìn)行管理，并對(duì)直流負(fù)載供電。逆變器的功能是將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，供給交流負(fù)載使用。

圖1太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成

　　1.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

　　戶用太陽能光伏控制一逆變器，應(yīng)當(dāng)具有以下基本功能：

　?。?）對(duì)蓄電池的充放電進(jìn)行管理，即根據(jù)蓄電池的電壓確定充電方式（直充或PWM即脈寬調(diào)制式充電）；達(dá)到充滿閾值時(shí)完全停止充電；根據(jù)蓄電池的環(huán)境溫度來調(diào)整充滿閾值；在蓄電池降低到欠壓閾值時(shí)停止放電。

　?。?）提供直流／交流輸出的過載保護(hù)，根據(jù)過載程度的不同，確定啟動(dòng)保護(hù)的時(shí)刻。

　?。?）提供直流／交流輸出的短路保護(hù)，一旦短路發(fā)生，立即切斷振蕩信號(hào)和電源。

　?。?）提供必要的方式來指示機(jī)器的工作狀態(tài)。

　　依靠硬件電路也可以實(shí)現(xiàn)上述功能，但存在著控制精度不高，調(diào)節(jié)比較麻煩等缺點(diǎn)。而用單片機(jī)進(jìn)行控制，不但可以克服這些缺點(diǎn)，而且能夠提供更多的功能，如定時(shí)和分路輸、智能化的保護(hù)功能、根據(jù)蓄電池的電量（一般是根據(jù)電壓）進(jìn)行充放電管理、根據(jù)需要重新設(shè)定各種閾值等。因此，研發(fā)者通常在設(shè)計(jì)中大都采用單片機(jī)。

　　1.2 電路結(jié)構(gòu)

　　圖2是樣機(jī)的電路框圖。從圖中可以看出，MCU處于樣機(jī)的中心位置。蓄電池電壓、開關(guān)信號(hào)及輸出電流和電壓被采樣入MCU。MCU按照預(yù)先寫入的程序，經(jīng)過運(yùn)算后輸出蓄電池管理、電路保護(hù)等控制信號(hào)和LED指示信號(hào)。這些功能的實(shí)現(xiàn)，還需要有A／D轉(zhuǎn)換、溫度采集、PWM信號(hào)產(chǎn)生、時(shí)間控制等電路的支持。PWM控制芯片給功放管提供一個(gè)脈寬可以調(diào)制的驅(qū)動(dòng)信號(hào)（這個(gè)信號(hào)與充電的PWM信號(hào)不同，后者是由MCU產(chǎn)生的），以保持輸出電壓的穩(wěn)定。另外，PWM控制芯片還與MCU一道實(shí)現(xiàn)過載和短路保護(hù)的功能。功放采用4只MOS.

　　FET組成全橋電路，保證系統(tǒng)有足夠的輸出。

圖2控制一逆變器的整體結(jié)構(gòu)

　　1.3 MCU

　　樣機(jī)選用的C8051F330是一款完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型MCU，內(nèi)置高速流水線結(jié)構(gòu)的CIP一51內(nèi)核、768字節(jié)片內(nèi)RAM和8KB可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲(chǔ)器、17個(gè)I／O端口、帶模擬多路器的16通道單端或差分輸人10位ADC、溫度傳感器、高精度可編程的25MHz內(nèi)部振蕩器、4個(gè)通用的16位定時(shí)器、可編程計(jì)數(shù)器／定時(shí)器陣列（PCA）及其他數(shù)字資源。因此，這款芯片可完全滿足控制一逆變器的要求。

　　C8051F330除了具有豐富的數(shù)字資源外，還有兩個(gè)非常有用的特點(diǎn)。一個(gè)是SiliconLabs二線（C2）開發(fā)接口，它允許使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品MCU進(jìn)行非侵入式（不占用片內(nèi)資源）、全速、在系統(tǒng)調(diào)試。另一個(gè)是優(yōu)先權(quán)交叉開關(guān)譯碼器，它按照預(yù)先設(shè)定的優(yōu)先權(quán)，靈活地給片內(nèi)各數(shù)字資源分配端口引腳。此外，C8051系列的芯片與8051完全兼容，因此可以很方便地進(jìn)行開發(fā)和應(yīng)用。[!--empirenews.page--]PWM控制芯片 #e#

　　1.4 PWM控制芯片

　　樣機(jī)采用SG3525作為PWM控制芯片。這是一種性能優(yōu)良、功能齊全和通用性強(qiáng)的單片集成控制芯片。它能夠輸出兩路PWM信號(hào)，信號(hào)的頻率可調(diào)、死區(qū)時(shí)間可以單獨(dú)設(shè)置。芯片內(nèi)部還含有欠壓鎖定電路、軟啟動(dòng)電路、鎖存器，并具有PWM脈沖信號(hào)封鎖功能和振蕩器外部同步功能。它的輸出方式為推挽式，不但開關(guān)速度更快，而且驅(qū)動(dòng)能力更強(qiáng)。因此，這款芯片被廣泛用于開關(guān)電源中。

　　圖3SG3525的原理圖圖3示出了SG3525的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在應(yīng)用中，SG3525的腳6和腳5分別接振蕩電容和電阻，腳7接一個(gè)放電電阻，它決定了死區(qū)時(shí)問的長短。輸出反饋信號(hào)加在誤差放大器（EA）的反相端腳1，與腳2的參考電壓比較后產(chǎn)生誤差信號(hào)以調(diào)制輸出信號(hào)的脈寬。腳11和腳14輸出PWM信號(hào)，用以驅(qū)動(dòng)功放MOSFET。當(dāng)輸入電壓或負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，PWM信號(hào)的脈寬會(huì)隨之而變，以穩(wěn)定輸出電壓。腳8接一個(gè)電解電容以實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)。腳4和腳l0接有從MCU送來的控制信號(hào)，當(dāng)過流或短路時(shí)會(huì)停止SG3525的振蕩輸出。腳9與一個(gè)比較器的輸出端相連。當(dāng)短路發(fā)生時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)，將腳9的電平拉低，立即關(guān)斷輸出。

圖3 SG3525的原理圖

　1.5 功放

　　樣機(jī)的功放采用全橋電路。由SG3525的腳l1和腳14送來的信號(hào)，又各自分成兩路。一路直接驅(qū)動(dòng)全橋的下管，另一路經(jīng)過自舉電路倒相后驅(qū)動(dòng)上管。由于SG3525提供的兩個(gè)信號(hào)問存在一個(gè)死區(qū)，所以防止了同一側(cè)橋臂的上下兩管直通。在兩個(gè)下管的源極與地之間接有一個(gè)采樣電阻，采到的電流信號(hào)用于過載和短路的判斷。

　　2  MCU軟件設(shè)計(jì)

　　2.1 主要功能的實(shí)現(xiàn)方案

　　（1）蓄電池充電控制充電MOSFET的柵極由MCU的一個(gè)I／O口控制。當(dāng)蓄電池電壓低于直充閾值時(shí)，MCU跳過PCA，直接輸出一個(gè)高電平信號(hào)打開充電MOSFET，使太陽板不間斷地向蓄電池充電。蓄電池電壓超過后，MCU接人PCA，改為PWM方式充電。充電的脈寬隨著蓄電池電壓的升高而逐漸變窄。達(dá)到充電上限后，再次跳過PCA，輸出一個(gè)低電平，完全關(guān)斷充電。

　?。?）直流輸出控制直流輸出MOSFET也由MCU的一個(gè)I／O口控制。蓄電池的電壓低于欠壓閾值時(shí)，MCU輸出關(guān)斷信號(hào)，停止放電。高于恢復(fù)閾值時(shí)，輸出開啟信號(hào)。

　?。?）直流和交流過載保護(hù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)戶用太陽能逆變器規(guī)定：逆變器過載20％時(shí)應(yīng)輸出不少于一分鐘，過載50％時(shí)輸出不少于10S。程序巾定義了一個(gè)名為“過載量”的參數(shù)，它等于過載電流采樣值對(duì)持續(xù)時(shí)間的累積。一旦過載發(fā)生，程序便開始計(jì)算過載量。當(dāng)過載量達(dá)到設(shè)定值時(shí)立即關(guān)斷輸出。

　?。?）直流和交流短路保護(hù)當(dāng)檢測到短路發(fā)生時(shí)，立即啟動(dòng)優(yōu)先級(jí)最高的外中斷程序，向SG3525的腳4和腳10送出短路保護(hù)信號(hào)，關(guān)斷其輸出。同時(shí)，切斷為逆變器供電的繼電器，使逆變器電源中斷。

　　（5）LED指示當(dāng)檢測到太陽板的電壓時(shí)，“發(fā)電”LED點(diǎn)亮。當(dāng)蓄電池電壓降到欠壓閾值后，“欠壓”LED點(diǎn)亮，只有電壓升到恢復(fù)閾值，“欠壓”LED才會(huì)熄滅。無論交流或直流的短路、過載故障發(fā)生，“過載”LED都會(huì)點(diǎn)亮。必須關(guān)機(jī)才能使其熄滅。在逆變器正常輸出時(shí)，“輸出”LED點(diǎn)亮。

　　2.2 主程序流程圖

　　圖4是主函數(shù)的流程圖。單片機(jī)上電后先初始化系統(tǒng)，允許中斷，開啟PCA。隨后進(jìn)入無限循環(huán)。

　　在每個(gè)循環(huán)中依次完成下列任務(wù)：

　?。?）根據(jù)蓄電池電壓設(shè)置蓄電池的標(biāo)志位，以決定直流輸出管的開關(guān)狀態(tài)。

　?。?）根據(jù)直流開關(guān)和交流開關(guān)的狀態(tài)（開或關(guān)）設(shè)置標(biāo)志，以決定樣機(jī)是否開啟相應(yīng)功能。

　?。?）查詢有無過載發(fā)生。如果有，則進(jìn)入過載子程序，計(jì)算過載量并進(jìn)行相應(yīng)的處理。

　　（4）根據(jù)各種電氣參數(shù)和工作狀態(tài)，確定LED指示燈的亮、滅。

　　在主函數(shù)之外，還有6個(gè)中斷函數(shù)。其中定時(shí)器0、定時(shí)器1和定時(shí)器2中斷分別為PCA、直流過載保護(hù)和交流過載保護(hù)提供時(shí)基。直流短路中斷和交流短路中斷都是外中斷，一旦進(jìn)入，會(huì)馬上切斷振蕩信號(hào)和功率管的電源，以保護(hù)樣機(jī)。PCA中斷在下面另作介紹。

圖4主程序流程圖

圖5PCA中斷流程圖[!--empirenews.page--]2.3 過載保護(hù)流程圖

　　直流過載和交流過載的保護(hù)程序基本上是相同的。以直流過載保護(hù)為例，它是由圖6所示的直流過載保護(hù)程序和圖7所示的定時(shí)器l中斷程序配合實(shí)現(xiàn)的。每當(dāng)檢測出過載，程序立即啟動(dòng)定時(shí)器1，同時(shí)根據(jù)過載的程度，為一個(gè)“過載常數(shù)”賦值。定時(shí)器1每次溢出即進(jìn)入中斷，對(duì)過載常數(shù)進(jìn)行累加以得到過載量。一旦過載量達(dá)到設(shè)定的閾值，MCU就會(huì)關(guān)斷輸出。

　　如果在連續(xù)的45S鐘內(nèi)未檢測到過載，程序便自動(dòng)將過載量清零。這樣，就防止了偶然干擾所造成的過載會(huì)累計(jì)至過載閾值，使樣機(jī)進(jìn)入過載保護(hù)。

圖6直流過載保護(hù)流程圖

圖7定時(shí)器1中斷流程圖

　　3  實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　對(duì)樣機(jī)進(jìn)行檢測的結(jié)果如下：

　?。?）設(shè)定Vo=13.5V，VH=14.4V。當(dāng)蓄電池電壓低于13.5V時(shí)，充電管完全打開；高于14.4V時(shí)，充電管完全關(guān)斷。在13.5V和14.4V之間為PWM充電方式，輸出脈沖的寬度隨蓄電池電壓的升高而減小。

　?。?）設(shè)定=11.0V，VR=13.3V。電池電壓處在11.0V和14.4V之間時(shí)，樣機(jī)有穩(wěn)定的直流或／和交流輸出。當(dāng)電壓降低到11.0V以下時(shí)，MCU自動(dòng)切斷輸出，同時(shí)“欠壓”LED點(diǎn)亮。直到蓄電池電壓恢復(fù)到l3.3V后，才可繼續(xù)供電。

　　（3）蓄電池電壓在11.0V～14.4V之間變化，負(fù)載在0～100％之間變化時(shí)，逆變器的輸出電壓變動(dòng)不大于額定輸出電壓的5％。

　　（4）過載在12O一150％范圍內(nèi)時(shí)，樣機(jī)在60S后關(guān)機(jī)。在150～160％范圍內(nèi)時(shí)，樣機(jī)在10s后關(guān)機(jī)。超過60％時(shí)，樣機(jī)立即關(guān)機(jī)。

　?。?）短路發(fā)生后，樣機(jī)會(huì)立即天機(jī)。

　　4  結(jié)語

　　用8051系列單片機(jī)和SG3525配合做成的太陽能光伏發(fā)電控制——逆變器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的充電、放電智能化管理，并具有多種保護(hù)功能，使用簡單安全。與只用硬件做成的同類裝置相比，其智能化的程度高，調(diào)節(jié)準(zhǔn)確，保護(hù)可靠，且可以進(jìn)一步開發(fā)新的功能。實(shí)驗(yàn)情況表明，本樣機(jī)完全適合無電地區(qū)利用太陽能發(fā)電的需要。