太陽能發(fā)電控制逆變器設計

引言

　　太陽能光伏發(fā)電是利用光伏效應將太陽的光能轉變?yōu)殡娔艿囊环N發(fā)電方式。雖然光伏效應的發(fā)現已經有近200年的歷史，但我國較大規(guī)模的利用是從上個世紀八十年代才開始。近年來，由于節(jié)能和環(huán)保意識的加強，太陽能光伏發(fā)電日益受到重視。

　　尤其是從2008年開始，國家出臺了新的能源政策，更使得太陽能光伏發(fā)電產業(yè)如火如荼地發(fā)展。對光伏發(fā)電設備的研究也進入了一個高潮，相關論文的數量驟增。

　　隨著近年來無電地區(qū)居民對光伏發(fā)電系統(tǒng)的需求也不斷提高，逆變器已經成為光伏發(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。因此對控制一逆變器的要求是功能簡單，堅固耐用。相對于高頻逆變器而言，工頻逆變器能夠耐受比較復雜的負載條件，故障率較低。本文介紹的就是一種用單片機控制的控制一工頻逆變器。

　　1  整機結構及主要部件

　　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。它一般由太陽能電池組件、蓄電池、控制一逆變器這三個主要部分組成（圖1）。

　　控制一逆變器又可分為控制器和逆變器兩部分?？刂破鞯墓δ苁菍π铍姵氐某浞烹娺M行管理，并對直流負載供電。逆變器的功能是將直流電轉變?yōu)榻涣麟?，供給交流負載使用。

圖1太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成

　　1.1 設計依據

　　戶用太陽能光伏控制一逆變器，應當具有以下基本功能：

　?。?）對蓄電池的充放電進行管理，即根據蓄電池的電壓確定充電方式（直充或PWM即脈寬調制式充電）；達到充滿閾值時完全停止充電；根據蓄電池的環(huán)境溫度來調整充滿閾值；在蓄電池降低到欠壓閾值時停止放電。

　?。?）提供直流／交流輸出的過載保護，根據過載程度的不同，確定啟動保護的時刻。

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

　?。?）提供必要的方式來指示機器的工作狀態(tài)。

　　依靠硬件電路也可以實現上述功能，但存在著控制精度不高，調節(jié)比較麻煩等缺點。而用單片機進行控制，不但可以克服這些缺點，而且能夠提供更多的功能，如定時和分路輸、智能化的保護功能、根據蓄電池的電量（一般是根據電壓）進行充放電管理、根據需要重新設定各種閾值等。因此，研發(fā)者通常在設計中大都采用單片機。

　　1.2 電路結構

　　圖2是樣機的電路框圖。從圖中可以看出，MCU處于樣機的中心位置。蓄電池電壓、開關信號及輸出電流和電壓被采樣入MCU。MCU按照預先寫入的程序，經過運算后輸出蓄電池管理、電路保護等控制信號和LED指示信號。這些功能的實現，還需要有A／D轉換、溫度采集、PWM信號產生、時間控制等電路的支持。PWM控制芯片給功放管提供一個脈寬可以調制的驅動信號（這個信號與充電的PWM信號不同，后者是由MCU產生的），以保持輸出電壓的穩(wěn)定。另外，PWM控制芯片還與MCU一道實現過載和短路保護的功能。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構

　　1.3 MCU

　　樣機選用的C8051F330是一款完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU，內置高速流水線結構的CIP一51內核、768字節(jié)片內RAM和8KB可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲器、17個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內部振蕩器、4個通用的16位定時器、可編程計數器／定時器陣列（PCA）及其他數字資源。因此，這款芯片可完全滿足控制一逆變器的要求。

　　C8051F330除了具有豐富的數字資源外，還有兩個非常有用的特點。一個是SiliconLabs二線（C2）開發(fā)接口，它允許使用安裝在最終應用系統(tǒng)上的產品MCU進行非侵入式（不占用片內資源）、全速、在系統(tǒng)調試。另一個是優(yōu)先權交叉開關譯碼器，它按照預先設定的優(yōu)先權，靈活地給片內各數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行開發(fā)和應用。[!--empirenews.page--]PWM控制芯片 #e#

　　1.4 PWM控制芯片

　　樣機采用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的單片集成控制芯片。它能夠輸出兩路PWM信號，信號的頻率可調、死區(qū)時間可以單獨設置。芯片內部還含有欠壓鎖定電路、軟啟動電路、鎖存器，并具有PWM脈沖信號封鎖功能和振蕩器外部同步功能。它的輸出方式為推挽式，不但開關速度更快，而且驅動能力更強。因此，這款芯片被廣泛用于開關電源中。

　　圖3SG3525的原理圖圖3示出了SG3525的內部結構。在應用中，SG3525的腳6和腳5分別接振蕩電容和電阻，腳7接一個放電電阻，它決定了死區(qū)時問的長短。輸出反饋信號加在誤差放大器（EA）的反相端腳1，與腳2的參考電壓比較后產生誤差信號以調制輸出信號的脈寬。腳11和腳14輸出PWM信號，用以驅動功放MOSFET。當輸入電壓或負載發(fā)生變化時，PWM信號的脈寬會隨之而變，以穩(wěn)定輸出電壓。腳8接一個電解電容以實現軟啟動。腳4和腳l0接有從MCU送來的控制信號，當過流或短路時會停止SG3525的振蕩輸出。腳9與一個比較器的輸出端相連。當短路發(fā)生時，比較器翻轉，將腳9的電平拉低，立即關斷輸出。

圖3 SG3525的原理圖

　1.5 功放

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

　　2  MCU軟件設計

　　2.1 主要功能的實現方案

　　（1）蓄電池充電控制充電MOSFET的柵極由MCU的一個I／O口控制。當蓄電池電壓低于直充閾值時，MCU跳過PCA，直接輸出一個高電平信號打開充電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。達到充電上限后，再次跳過PCA，輸出一個低電平，完全關斷充電。

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

　?。?）直流和交流過載保護相關標準對戶用太陽能逆變器規(guī)定：逆變器過載20％時應輸出不少于一分鐘，過載50％時輸出不少于10S。程序巾定義了一個名為“過載量”的參數，它等于過載電流采樣值對持續(xù)時間的累積。一旦過載發(fā)生，程序便開始計算過載量。當過載量達到設定值時立即關斷輸出。

　?。?）直流和交流短路保護當檢測到短路發(fā)生時，立即啟動優(yōu)先級最高的外中斷程序，向SG3525的腳4和腳10送出短路保護信號，關斷其輸出。同時，切斷為逆變器供電的繼電器，使逆變器電源中斷。

　?。?）LED指示當檢測到太陽板的電壓時，“發(fā)電”LED點亮。當蓄電池電壓降到欠壓閾值后，“欠壓”LED點亮，只有電壓升到恢復閾值，“欠壓”LED才會熄滅。無論交流或直流的短路、過載故障發(fā)生，“過載”LED都會點亮。必須關機才能使其熄滅。在逆變器正常輸出時，“輸出”LED點亮。

　　2.2 主程序流程圖

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

　　在每個循環(huán)中依次完成下列任務：

　?。?）根據蓄電池電壓設置蓄電池的標志位，以決定直流輸出管的開關狀態(tài)。

　?。?）根據直流開關和交流開關的狀態(tài)（開或關）設置標志，以決定樣機是否開啟相應功能。

　?。?）查詢有無過載發(fā)生。如果有，則進入過載子程序，計算過載量并進行相應的處理。

　　（4）根據各種電氣參數和工作狀態(tài)，確定LED指示燈的亮、滅。

　　在主函數之外，還有6個中斷函數。其中定時器0、定時器1和定時器2中斷分別為PCA、直流過載保護和交流過載保護提供時基。直流短路中斷和交流短路中斷都是外中斷，一旦進入，會馬上切斷振蕩信號和功率管的電源，以保護樣機。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 過載保護流程圖

　　直流過載和交流過載的保護程序基本上是相同的。以直流過載保護為例，它是由圖6所示的直流過載保護程序和圖7所示的定時器l中斷程序配合實現的。每當檢測出過載，程序立即啟動定時器1，同時根據過載的程度，為一個“過載常數”賦值。定時器1每次溢出即進入中斷，對過載常數進行累加以得到過載量。一旦過載量達到設定的閾值，MCU就會關斷輸出。

　　如果在連續(xù)的45S鐘內未檢測到過載，程序便自動將過載量清零。這樣，就防止了偶然干擾所造成的過載會累計至過載閾值，使樣機進入過載保護。

圖6直流過載保護流程圖

圖7定時器1中斷流程圖

　　3  實驗結果

　　對樣機進行檢測的結果如下：

　?。?）設定Vo=13.5V，VH=14.4V。當蓄電池電壓低于13.5V時，充電管完全打開；高于14.4V時，充電管完全關斷。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。

　?。?）設定=11.0V，VR=13.3V。電池電壓處在11.0V和14.4V之間時，樣機有穩(wěn)定的直流或／和交流輸出。當電壓降低到11.0V以下時，MCU自動切斷輸出，同時“欠壓”LED點亮。直到蓄電池電壓恢復到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，負載在0～100％之間變化時，逆變器的輸出電壓變動不大于額定輸出電壓的5％。

　　（4）過載在12O一150％范圍內時，樣機在60S后關機。在150～160％范圍內時，樣機在10s后關機。超過60％時，樣機立即關機。

　?。?）短路發(fā)生后，樣機會立即天機。

　　4  結語

　　用8051系列單片機和SG3525配合做成的太陽能光伏發(fā)電控制——逆變器，可以實現對蓄電池的充電、放電智能化管理，并具有多種保護功能，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，調節(jié)準確，保護可靠，且可以進一步開發(fā)新的功能。實驗情況表明，本樣機完全適合無電地區(qū)利用太陽能發(fā)電的需要。