太陽能發(fā)電控制逆變器設(shè)計(jì)

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 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)保意識的加強(qiáng)，太陽能光伏發(fā)電日益受到重視。 尤其是從20*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(chǎn)業(yè)如火如荼地發(fā)展。對光伏發(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。因此對控制一逆變器的要求是

2、功能簡單，牢固耐用。相對于高頻逆變器而言，工頻逆變器能夠耐受比較復(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)構(gòu)造及主要部件 戶用型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要用于無電地區(qū)居民家庭的電力供給。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。控制器的功能是對蓄電池的充放電開展管理，并對直流負(fù)載供電。逆變器的功能是將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，供?yīng)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： （1）對蓄電池的充放電開展管理，即根據(jù)蓄電

3、池的電壓確定充電方式（直充或PWM即脈寬調(diào)制式充電）；到達(dá)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。 （2）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。 （3）提供直流交流輸出的短路保護(hù)，一旦短路發(fā)生，立即切斷振蕩信號和電源。 （4）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)開展控制，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）開展充放電管理、根據(jù)需要重新設(shè)定各種閾值等。

4、因此，研發(fā)者通常在設(shè)計(jì)中大都采用單片機(jī)。 1.2 電路構(gòu)造 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)等控制信號和LED指示信號。這些功能的實(shí)現(xiàn)，還需要有AD轉(zhuǎn)換、溫度采集、PWM信號產(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（這個(gè)信號與充電的PWM信號不同，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

5、。 圖2控制一逆變器的整體構(gòu)造 1.3 MCU 樣機(jī)選用的C8051F330是一款完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU，內(nèi)置高速流水線構(gòu)造的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存儲器、17個(gè)IO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，它允許使用安裝在終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品

6、MCU開展非侵入式（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，因此可以很方便地開展開發(fā)和應(yīng)用。 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，信號的頻率可調(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

7、。 圖3SG3525的原理圖圖3示出了SG3525的內(nèi)部構(gòu)造。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。輸出反應(yīng)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(chǎn)生誤差信號以調(diào)制輸出信號的脈寬。腳11和腳14輸出PWM信號，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信號的脈寬會隨之而變，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，當(dāng)過流或短路時(shí)會停止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。

8、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，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)IO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，M

9、CU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。到達(dá)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。 （2）直流輸出控制直流輸出MOSFET也由MCU的一個(gè)IO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，停止放電。高于恢復(fù)閾值時(shí)，輸出開啟信號。 （3）直流和交流過載保護(hù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對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)過載量到達(dá)設(shè)定值時(shí)立即關(guān)斷輸出。 （4）直流和交流短路保護(hù)當(dāng)檢測到短

10、路發(fā)生時(shí)，立即啟動(dòng)優(yōu)先級的外中斷程序，向SG3525的腳4和腳10送出短路保護(hù)信號，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(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)中依次完成以下任務(wù)： （1）根據(jù)蓄電池電壓設(shè)置蓄電池

11、的標(biāo)志位，以決定直流輸出管的開關(guān)狀態(tài)。 （2）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。 （3）查詢有無過載發(fā)生。如果有，則進(jìn)入過載子程序，計(jì)算過載量并開展相應(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，會馬上切斷振蕩信號和功率管的電源，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 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

12、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，對過載常數(shù)開展累加以得到過載量。一旦過載量到達(dá)設(shè)定的閾值，MCU就會關(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 對樣機(jī)開展檢測的結(jié)果如下： （1）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。 （2）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11.0V14.4V之間變化，負(fù)載在0100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15