PIC16F877A的光伏并網(wǎng)發(fā)電裝置設計

摘要：并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)以PIC16F877A單片機為核心，由DC-AC逆變電路、LC濾波電路、工頻變壓隔離器及調(diào)理電路構(gòu)成。系統(tǒng)具有最大功率點(MPPT)、頻率相位跟蹤功能；具有過流、欠壓、過壓等保護功能，當系統(tǒng)故障排除后還可自動恢復正常工作；具有LCD液晶顯示，具備良好的人機交互能力。
關鍵詞：DC-AC逆變；SPWM；頻率相位跟蹤；最大功率點跟蹤

引言
    新能源是21世紀世界經(jīng)濟發(fā)展中最具決定力的五大技術領域之一。太陽能是一種清潔、高效和永不衰竭的可再生能源，是滿足未來全球電力需求的法寶。能源短缺、環(huán)境污染等問題的日益突出使太陽能電池備受青睞。當前太陽能光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，利用現(xiàn)代電能變換技術實行光伏逆變控制，具有很好的潛力。本文將單片機技術與SPWM技術相結(jié)合，設計了一種用軟件產(chǎn)生SPWM波的方法。結(jié)合功率器件具有高速、大電流的特點，研制出光伏并網(wǎng)的逆變電源，通過改變調(diào)制深度(即采用不同的脈寬組)實現(xiàn)了良好的穩(wěn)壓控制。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)頻率相位跟蹤，具有過流、過壓、短路保護(報警并停止輸出SPWM波)等功能，自動穩(wěn)壓性能好，輸出波形失真小，可為工業(yè)上實現(xiàn)光伏并網(wǎng)提供參考。
研究電能逆變技術不僅對提高能源利用率、減少污染具有巨大的作用，而且還能滿足各種用電設備對不同電壓、頻率的需求。

1 系統(tǒng)設計任務
    設計并制作一個光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。用直流穩(wěn)壓電源Us和電阻Rs模擬光伏電池，Rs=30～36 Ω；UREF為模擬電網(wǎng)電壓的正弦參考信號，頻率fREF為45～55 Hz；T為工頻隔離變壓器，變比n2：n1=2：1，n3：n1=1：10，將UF作為輸出電流的反饋信號；負載電阻RL=30～36Ω。

2 系統(tǒng)設計思路
2．1 系統(tǒng)框圖及工作原理
    圖2為系統(tǒng)框圖。系統(tǒng)以PIC16F877A單片機為核心，由I／O口產(chǎn)生的SPWM信號控制DC-AC逆變電路，通過LC濾波器獲得正弦波；經(jīng)過工頻變壓器耦合分兩路輸出，一路作為輸出電壓供用戶使用，另一路作為反饋信號，與外接基準信號比對，經(jīng)調(diào)理電路，利用單片機的捕捉模塊和外部中斷實現(xiàn)相位和頻率的跟蹤；當改變外部基準電壓頻率時，輸出的正弦波也隨之改變；系統(tǒng)中還設有過流、欠壓、過壓等各種保護功能，保證系統(tǒng)安全可靠地工作。利用A／D模塊采樣電源電壓和輸入電壓，通過調(diào)節(jié)調(diào)制度m，使Ud=Us／2，實現(xiàn)最大功率點跟蹤；此外系統(tǒng)由LCD液晶實時顯示電流、電壓及頻率。

2．2 電壓SPWM波的產(chǎn)生
    正弦脈寬調(diào)制原理是建立在脈沖調(diào)制波的等面積設計的基礎上，使每段矩形波的面積等于對應段正弦電壓波的面積。采用對稱規(guī)則采樣法去逼近正弦波，從而可求得SPWM的導通時間：
   
    其中m<1，為淵制率，N為SPWM載波周期數(shù)，載波周期為T0，則逆變輸出調(diào)制電壓的周期T=N·T0。由(1)式可知，改變調(diào)制比m，可改變SPWM的導通時間，即改變輸出電壓的幅度。
    根據(jù)(1)式，利用PIC6F877A內(nèi)含的16位定時器，可用軟件算法結(jié)合I／O口實現(xiàn)相位相反的2路SPWM信號。[!--empirenews.page--]
2．3 驅(qū)動電路及逆變主電路
    IR2110驅(qū)動電路如圖3所示。IR2110具有3路輸入信號和2路可用于直接驅(qū)動中小容量功率場效應管(MOSFET)、場效應控制晶閘管(MCT)等的輸出信號。IR2110沒有死區(qū)時間的控制，但可通過軟件設置死區(qū)時間控制，這樣可以靈活地調(diào)整死區(qū)時間的設置。

    圖4為DC-AC逆變主電路，其中G1～G4為MOSFET管IRF840控制端，單片機通過I／O口產(chǎn)生的SPWM控制信號間接控制G1～G4，來控制MOSFET管IRF480的開關，經(jīng)過LC濾波，再經(jīng)變壓器隔離后輸出正弦波。

    在LC低通濾波器中，對于基波電壓而言，串聯(lián)電感阻抗小，落在電感上的基波電壓小，并聯(lián)電容等效阻抗大，流過電容的基波電流小，負載等效電壓、電流大。SPWM調(diào)制下輸出濾波電感的值一般是由電感電流的最大紋波所決定，一般可取該值為滿功率輸出時正弦電流峰值的15％。
2．4 最大功率點跟蹤
    當RS=RL時，即Ud=Us／2，功率達到最大。由圖4的AN0、AN1分別對Us及Ud采樣，當控制系統(tǒng)檢測到Ud>Us／2時，適當調(diào)大調(diào)制率m，使裝置中的等效電流Id增大，根據(jù)歐姆定律Rd=Uo／Id可知，系統(tǒng)的等效輸出電阻Rd減小，最終光伏電池的端電壓Ud下降。反之，當控制系統(tǒng)檢測到Ud<Us／2時，可適當調(diào)小調(diào)制率m，從而使Ud=Us／2實現(xiàn)最大功率點跟蹤。
2．5 頻率相位跟蹤電路
    如圖4所示，由TL084、CD4030及外圍電路實現(xiàn)頻率相位跟蹤。UF為反饋信號輸入端，UREF為基準信號輸入端。反饋信號和基準信號經(jīng)過濾波、跟隨、比較后，在各自的比較器輸出方波。將比較器的輸出作為異或門輸入信號，若兩反饋信號與基準信號同相，則輸出為邏輯0，否則輸出邏輯1。相位信號被接到單片機的外部中斷，經(jīng)單片機處理可實現(xiàn)相位跟蹤。基準信號調(diào)理電路的比較器的輸出信號接到RC2，通過PIC單片機的捕捉模塊CCP1進行頻率捕捉，實現(xiàn)頻率跟蹤。為了達到較好的跟蹤效果，反饋信號和基準信號的調(diào)理電路應完全相同。
2．6 保護功能
    在設計中采用交流互感器作為電流檢測。如圖4所示，CT102為電流互感器，取樣電阻200 Ω，電流互感器檢測法具有較寬的寬帶，可以輸出良好的波形。單片機可根據(jù)電流大小實現(xiàn)過流保護。
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3 程序流程
    圖5為主程序流程。SPWM由TMR2中斷實現(xiàn)，CCP1用于測頻，外部中斷RB0及RC7用于測相位。

4 測試結(jié)果
    圖6中(a)(b)(c)分別是在頻率為50 Hz，輸入電源Us為31．4 V下純阻性、感性和容性負載下的波形。從圖中可看出，在不同負載下相位都能達到相位跟蹤的效果，但反饋信號中波形出現(xiàn)毛刺。(d)的輸出波形很光滑，可見出現(xiàn)毛刺可能是因為反饋變壓器的問題。系統(tǒng)測試結(jié)
果如表1～表3所列。

結(jié)語
    系統(tǒng)主要實現(xiàn)以PIC16F877A單片機為核心，輸入電源Us為25～50 V可調(diào)的并網(wǎng)發(fā)電裝置，實現(xiàn)了最大功率點跟蹤、相位和頻率的跟蹤。在頻率45～78 Hz范圍內(nèi)，不管是容性、感性、純阻性的負載，相位和頻率誤差滿足預期設計要求(<5％)；系統(tǒng)中還設有過流、欠壓、過壓
等各種保護功能，其中過流保護的電流值可設定，并且實際的保護動作與設置的保護基本同步，保證系統(tǒng)安全可靠地工作。