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引言 光伏發(fā)電是利用半導體界面的光生伏特效應而將光能直接轉變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)。雖然光生伏特效應的發(fā)現已經(jīng)有近200年的歷史，但我國較大規模的利用是從上個(gè)世紀八十年代才開(kāi)始。近年來(lái)，人們節能和環(huán)保意識的加強，太陽(yáng)能光伏發(fā)電日益受到重視。 尤其是從2008年開(kāi)始，國家出臺了新的能源政策，更使得太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)如火如荼地發(fā)展。對光伏發(fā)電設備的研究也進(jìn)入了一個(gè)高潮，相關(guān)論文的數量驟增。 隨著(zhù)近年來(lái)無(wú)電地區居民對光伏發(fā)電系統的需求也不斷提高，逆變器已經(jīng)成為光伏發(fā)電系統的必備部件。這些地區居住分散、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(jiǎn)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(hù)用型太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統主要用于無(wú)電地區居民家庭的電力供應。它一般由太陽(yáng)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�？刂破鞯墓δ苁菍π铍姵氐某浞烹娺M(jìn)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(yáng)能光伏發(fā)電系統的組成 1.1 設計依據 戶(hù)用太陽(yáng)能光伏控制一逆變器，應當具有以下基本功能： �。�1）對蓄電池的充放電進(jìn)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(mǎn)閾值時(shí)完全停止充電；根據蓄電池的環(huán)境溫度來(lái)調整充滿(mǎn)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(guò)載保護，根據過(guò)載程度的不同，確定啟動(dòng)保護的時(shí)刻。 �。�3）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。 �。�4）提供必要的方式來(lái)指示機器的工作狀態(tài)。 依靠硬件電路也可以實(shí)現上述功能，但存在著(zhù)控制精度不高，調節比較麻煩等缺點(diǎn)。而用單片機進(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、智能化的保護功能、根據蓄電池的電量（一般是根據電壓）進(jìn)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(kāi)關(guān)信號及輸出電流和電壓被采樣入MCU。MCU按照預先寫(xiě)入的程序，經(jīng)過(guò)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(shí)現，還需要有A／D轉換、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)脈寬可以調制的驅動(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定。另外，PWM控制芯片還與MCU一道實(shí)現過(guò)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型MCU，內置高速流水線(xiàn)結構的CIP一51內核、768字節片內RAM和8KB可在系統編程的FLASH存儲器、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內部振蕩器、4個(gè)通用的16位定時(shí)器、可編程計數器／定時(shí)器陣列（PCA）及其他數字資源。因此，這款芯片可完全滿(mǎn)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(gè)非常有用的特點(diǎn)。一個(gè)是SiliconLabs二線(xiàn)（C2）開(kāi)發(fā)接口，它允許使用安裝在最終應用系統上的產(chǎn)品MCU進(jìn)行非侵入式（不占用片內資源）、全速、在系統調試。另一個(gè)是優(yōu)先權交叉開(kāi)關(guān)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(jìn)行開(kāi)發(fā)和應用。 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、死區時(shí)間可以單獨設置。芯片內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(kāi)關(guān)速度更快，而且驅動(dòng)能力更強。因此，這款芯片被廣泛用于開(kāi)關(guān)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(gè)放電電阻，它決定了死區時(shí)問(wèn)的長(cháng)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(chǎn)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(dòng)功放MOSFET。當輸入電壓或負載發(fā)生變化時(shí)，PWM信號的脈寬會(huì )隨之而變，以穩定輸出電壓。腳8接一個(gè)電解電容以實(shí)現軟啟動(dòng)。腳4和腳l0接有從MCU送來(lái)的控制信號，當過(guò)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。當短路發(fā)生時(shí)，比較器翻轉，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 樣機的功放采用全橋電路。由SG3525的腳l1和腳14送來(lái)的信號，又各自分成兩路。一路直接驅動(dòng)全橋的下管，另一路經(jīng)過(guò)自舉電路倒相后驅動(dòng)上管。由于SG3525提供的兩個(gè)信號問(wèn)存在一個(gè)死區，所以防止了同一側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(guò)載和短路的判斷。 2 MCU軟件設計 2.1 主要功能的實(shí)現方案 �。�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。當蓄電池電壓低于直充閾值時(shí)，MCU跳過(guò)PCA，直接輸出一個(gè)高電平信號打開(kāi)充電MOSFET，使太陽(yáng)板不間斷地向蓄電池充電。蓄電池電壓超過(guò)后，MCU接人PCA，改為PWM方式充電。充電的脈寬隨著(zhù)蓄電池電壓的升高而逐漸變窄。達到充電上限后，再次跳過(guò)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)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，停止放電。高于恢復閾值時(shí)，輸出開(kāi)啟信號。 �。�3）直流和交流過(guò)載保護相關(guān)標準對戶(hù)用太陽(yáng)能逆變器規定：逆變器過(guò)載20％時(shí)應輸出不少于一分鐘，過(guò)載50％時(shí)輸出不少于10S。程序巾定義了一個(gè)名為“過(guò)載量”的參數，它等于過(guò)載電流采樣值對持續時(shí)間的累積。一旦過(guò)載發(fā)生，程序便開(kāi)始計算過(guò)載量。當過(guò)載量達到設定值時(shí)立即關(guān)斷輸出。 �。�4）直流和交流短路保護當檢測到短路發(fā)生時(shí)，立即啟動(dòng)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(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指示當檢測到太陽(yáng)板的電壓時(shí)，“發(fā)電”LED點(diǎn)亮。當蓄電池電壓降到欠壓閾值后，“欠壓”LED點(diǎn)亮，只有電壓升到恢復閾值，“欠壓”LED才會(huì )熄滅。無(wú)論交流或直流的短路、過(guò)載故障發(fā)生，“過(guò)載”LED都會(huì )點(diǎn)亮。必須關(guān)機才能使其熄滅。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是主函數的流程圖。單片機上電后先初始化系統，允許中斷，開(kāi)啟PCA。隨后進(jìn)入無(wú)限循環(huán)。 在每個(gè)循環(huán)中依次完成下列任務(wù)： �。�1）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(kāi)關(guān)狀態(tài)。 �。�2）根據直流開(kāi)關(guān)和交流開(kāi)關(guān)的狀態(tài)（開(kāi)或關(guān)）設置標志，以決定樣機是否開(kāi)啟相應功能。 �。�3）查詢(xún)有無(wú)過(guò)載發(fā)生。如果有，則進(jìn)入過(guò)載子程序，計算過(guò)載量并進(jìn)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(gè)中斷函數。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(guò)載保護和交流過(guò)載保護提供時(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 2.3 過(guò)載保護流程圖 直流過(guò)載和交流過(guò)載的保護程序基本上是相同的。以直流過(guò)載保護為例，它是由圖6所示的直流過(guò)載保護程序和圖7所示的定時(shí)器l中斷程序配合實(shí)現的。每當檢測出過(guò)載，程序立即啟動(dòng)定時(shí)器1，同時(shí)根據過(guò)載的程度，為一個(gè)“過(guò)載常數”賦值。定時(shí)器1每次溢出即進(jìn)入中斷，對過(guò)載常數進(jìn)行累加以得到過(guò)載量。一旦過(guò)載量達到設定的閾值，MCU就會(huì )關(guān)斷輸出。 如果在連續的45S鐘內未檢測到過(guò)載，程序便自動(dòng)將過(guò)載量清零。這樣，就防止了偶然干擾所造成的過(guò)載會(huì )累計至過(guò)載閾值，使樣機進(jìn)入過(guò)載保護。
圖6直流過(guò)載保護流程圖
圖7定時(shí)器1中斷流程圖 3 實(shí)驗結果 對樣機進(jìn)行檢測的結果如下： �。�1）設定Vo=13.5V，VH=14.4V。當蓄電池電壓低于13.5V時(shí)，充電管完全打開(kāi)；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）設定=11.0V，VR=13.3V。電池電壓處在11.0V和14.4V之間時(shí)，樣機有穩定的直流或／和交流輸出。當電壓降低到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到l3.3V后，才可繼續供電。 �。�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(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(guò)載在12O一150％范圍內時(shí)，樣機在60S后關(guān)機。在150～160％范圍內時(shí)，樣機在10s后關(guān)機。超過(guò)60％時(shí)，樣機立即關(guān)機。 �。�5）短路發(fā)生后，樣機會(huì )立即天機。 4 結語(yǔ) 用8051系列單片機和SG3525配合做成的太陽(yáng)能光伏發(fā)電控制——逆變器，可以實(shí)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(jiǎn)單安全。與只用硬件做成的同類(lèi)裝置相比，其智能化的程度高，調節準確，保護可靠，且可以進(jìn)一步開(kāi)發(fā)新的功能。實(shí)驗情況表明，本樣機完全適合無(wú)電地區利用太陽(yáng)能發(fā)電的需要。 來(lái)源：太陽(yáng)能光伏網(wǎng) |
