太陽(yáng)能發(fā)電控制逆變器設計

引言

　　太陽(yáng)能光伏發(fā)電是利用光伏效應將太陽(yáng)的光能轉變?yōu)殡娔艿囊环N發(fā)電方式。雖然光伏效應的發(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)，由于節能和環(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：

　?。?）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。

　?。?）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。

　?。?）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。

　?。?）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。