高效高性能光伏水泵專(zhuān)用變頻器的研究與設計

摘要：闡述了以Intel80C196MC芯片為控制核心的高效高性能光伏水泵專(zhuān)用變頻器。系統采用逐步逼近法實(shí)現太陽(yáng)電池的最大功率跟蹤（MPPT），同時(shí)通過(guò)恒V/f方式來(lái)實(shí)現交流光伏水泵系統的高效能量轉換。

關(guān)鍵詞：80C196MC芯片；光伏水泵；最大功率跟蹤

當今，隨著(zhù)常規能源如石油、煤炭等消耗量的大規模增加，日益惡化的生態(tài)環(huán)境迫使世界各國開(kāi)始積極尋找一條新的可持續發(fā)展的能源之路。太陽(yáng)能、風(fēng)能、地熱能等清潔能源已逐漸受到了人類(lèi)的重視，而這其中，太陽(yáng)能無(wú)疑處于最突出的地位?，F在，在我國大西北、西藏和內蒙古等遠離電網(wǎng)的偏遠地區，很多人喝不到干凈的飲用水，而這些地區同時(shí)又是太陽(yáng)能資源非常豐富的地區，因此，在這些地區發(fā)展光伏水泵技術(shù)具有明顯的社會(huì )效益和經(jīng)濟效益。然而，目前市場(chǎng)上所售的多為普通變頻器，用于本系統中，不能很好地實(shí)現各種保護功能，同時(shí)也不具備太陽(yáng)電池的最大功率點(diǎn)跟蹤功能，造成太陽(yáng)電池容量的巨大浪費。本文介紹一種高效高性能的光伏水泵專(zhuān)用變頻器。

1 光伏水泵系統的組成

光伏水泵系統的組成如圖1所示。

圖1 光伏水泵系統組成

本系統的主要輸入參量為日照強度（Φ），輸出參量為水的流量（θ），系統總效率為η=Hθ/Φ，其中H為揚程；MPPT和電壓變換器部分就是本系統所研究的對象。

由圖1可知，光伏陣列為系統的能量輸入端，當日照強度Φ一定時(shí)，其最大輸出功率也為定值，本系統所研制的變頻器主要實(shí)現的功能之一就是使光伏陣列時(shí)刻工作在此最大功率點(diǎn)處，即MPPT問(wèn)題；功能之二是使系統輸出電壓與負載特性之間的匹配為最優(yōu)，即電機的恒V/f控制。由以上兩個(gè)方面可知，在日照強度Φ和太陽(yáng)電池容量一定的情況下，系統的效率達到最高，即在保持水泵揚程不變的前提下水流量可達到最大。

2 系統的主電路結構

1）電路拓撲

系統的主電路拓撲如圖2所示。

圖2 主電路拓撲

2）系統的功率器件

本系統的功率器件采用功率MOSFET，功率MOSFET為電壓控制型單極性器件，沒(méi)有少數載流子的存儲效應，輸入阻抗高，動(dòng)作快，工作頻率高，不存在二次擊穿，驅動(dòng)功率小，并且驅動(dòng)電路簡(jiǎn)單；同時(shí)，由于具有正溫度系數，可以自動(dòng)均衡電流，不會(huì )產(chǎn)生過(guò)熱點(diǎn)，因此，系統采用兩個(gè)功率MOSFET并聯(lián)，擴大了電流的容量，從而降低了系統的成本。同時(shí)，從主電路中可以檢測出太陽(yáng)電池電壓、直流母線(xiàn)電流、電機的U相和V相電流值等，以實(shí)現系統的各種保護。

3 系統的控制電路

3．1 系統的控制電路功能

本系統的控制電路是以Intel公司生產(chǎn)的新一代16位單片機80C196MC為控制核心構成的全數字式智能控制電路，其主要功能是在軟件的控制下，根據必要的外部信息完成系統的下述各項功能：

1）按照已確定的V/f曲線(xiàn)，根據80C196MC片內外設波形發(fā)生器(WG)單元的工作原理，發(fā)送SPWM信號，保持V/f值為常數，實(shí)現變頻調速。

2）根據檢測元件檢測到的直流側電壓、電流值，結合太陽(yáng)電池的功率特性曲線(xiàn)和相應的軟件，在完成變頻調速的同時(shí)，實(shí)現太陽(yáng)電池的最大功率點(diǎn)跟蹤。

3）根據各種故障信號，采取相應的處理措施，并給出各種故障的報警顯示。

3．2 系統的控制芯片及外圍框圖

8XC196MC是Intel公司繼MCS51、MCS96系列單片機之后，于1992年推出的真正的16位嵌入式單片機，由于采用CHMOS工藝，使得芯片的運算速度大大提高；同時(shí)它把許多常用的功能模塊進(jìn)一步集成到片內，從而使用戶(hù)系統更緊湊，抗干擾能力更強，工作更可靠。本系統所采用的控制芯片80C196MC是8XC196MC系列單片機中的一種，在其內部集成了最有特色的單元——波形發(fā)生器（WG），它大大簡(jiǎn)化了產(chǎn)生SPWM的方法和步驟，只需在線(xiàn)計算寄存器WG－RELOAD和WG-COMPX的值就可以得到不同頻率和脈寬的SPWM。其外圍電路框圖如圖3所示。

圖3 CPU外圍電路框圖