太陽(yáng)能發(fā)電控制逆變器設(shè)計(jì)

引言

　　太陽(yáng)能光伏發(fā)電是利用光伏效應(yīng)將太陽(yáng)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(guó)較大規(guī)模的利用是從上個(gè)世紀(jì)八十年代才開(kāi)始。近年來(lái)，由于節(jié)能和環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)，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(guó)家出臺(tái)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(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(lái)無(wú)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(jiǎn)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(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要用于無(wú)電地區(qū)居民家庭的電力供應(yīng)。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?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(yáng)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(yáng)能光伏控制一逆變器，應(yīng)當(dāng)具有以下基本功能：

　　（1）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(lái)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(guò)載保護(hù)，根據(jù)過(guò)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(lái)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(kāi)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(xiě)入的程序，經(jīng)過(guò)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(guò)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(kāi)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(kāi)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(kāi)發(fā)和應(yīng)用。