太阳能发电控制逆变器设计

　　引言

　　太阳能光伏发电是利用光伏效应将太阳的光能转变为电能的一种发电方式。虽然光伏效应的发现已经有近200年的历史，但我国较大规模的利用是从上个世纪八十年代才开始。近年来，由于节能和环保意识的加强，太阳能光伏发电日益受到重视。

　　尤其是从2008年开始，国家出台了新的能源政策，更使得太阳能光伏发电产业如火如荼地发展。对光伏发电设备的研究也进入了一个高潮，相关论文的数量骤增。

　　随着近年来无电地区居民对光伏发电系统的需求也不断提高，逆变器已经成为光伏发电系统的必备部件。这些地区居住分散、交通不便，一旦出了故障，极难维修。因此对控制一逆变器的要求是功能简单，坚固耐用。相对于高频逆变器而言，工频逆变器能够耐受比较复杂的负载条件，故障率较低。本文介绍的就是一种用单片机控制的控制一工频逆变器。

　　1  整机结构及主要部件

　　户用型太阳能光伏发电系统主要用于无电地区居民家庭的电力供应。它一般由太阳能电池组件、蓄电池、控制一逆变器这三个主要部分组成（图1）。

　　控制一逆变器又可分为控制器和逆变器两部分。控制器的功能是对蓄电池的充放电进行管理，并对直流负载供电。逆变器的功能是将直流电转变为交流电，供给交流负载使用。

 

图1太阳能光伏发电系统的组成

　　1.1 设计依据

　　户用太阳能光伏控制一逆变器，应当具有以下基本功能：

　　（1）对蓄电池的充放电进行管理，即根据蓄电池的电压确定充电方式（直充或PWM即脉宽调制式充电）；达到充满阈值时完全停止充电；根据蓄电池的环境温度来调整充满阈值；在蓄电池降低到欠压阈值时停止放电。

　　（2）提供直流／交流输出的过载保护，根据过载程度的不同，确定启动保护的时刻。

　　（3）提供直流／交流输出的短路保护，一旦短路发生，立即切断振荡信号和电源。

　　（4）提供必要的方式来指示机器的工作状态。

　　依靠硬件电路也可以实现上述功能，但存在着控制精度不高，调节比较麻烦等缺点。而用单片机进行控制，不但可以克服这些缺点，而且能够提供更多的功能，如定时和分路输、智能化的保护功能、根据蓄电池的电量（一般是根据电压）进行充放电管理、根据需要重新设定各种阈值等。因此，研发者通常在设计中大都采用单片机。

　　1.2 电路结构

　　图2是样机的电路框图。从图中可以看出，MCU处于样机的中心位置。蓄电池电压、开关信号及输出电流和电压被采样入MCU。MCU按照预先写入的程序，经过运算后输出蓄电池管理、电路保护等控制信号和LED指示信号。这些功能的实现，还需要有A／D转换、温度采集、PWM信号产生、时间控制等电路的支持。PWM控制芯片给功放管提供一个脉宽可以调制的驱动信号（这个信号与充电的PWM信号不同，后者是由MCU产生的），以保持输出电压的稳定。另外，PWM控制芯片还与MCU一道实现过载和短路保护的功能。功放采用4只MOS.

　　FET组成全桥电路，保证系统有足够的输出。

 

图2控制一逆变器的整体结构

　　1.3 MCU

　　样机选用的C8051F330是一款完全集成的混合信号片上系统型MCU，内置高速流水线结构的CIP一51内核、768字节片内RAM和8KB可在系统编程的FLASH存储器、17个I／O端口、带模拟多路器的16通道单端或差分输人10位ADC、温度传感器、高精度可编程的25MHz内部振荡器、4个通用的16位定时器、可编程计数器／定时器阵列（PCA）及其他数字资源。因此，这款芯片可完全满足控制一逆变器的要求。

　　C8051F330除了具有丰富的数字资源外，还有两个非常有用的特点。一个是SiliconLabs二线（C2）开发接口，它允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式（不占用片内资源）、全速、在系统调试。另一个是优先权交叉开关译码器，它按照预先设定的优先权，灵活地给片内各数字资源分配端口引脚。此外，C8051系列的芯片与8051完全兼容，因此可以很方便地进行开发和应用。

　　1.4 PWM控制芯片

　　样机采用SG3525作为PWM控制芯片。这是一种性能优良、功能齐全和通用性强的单片集成控制芯片。它能够输出两路PWM信号，信号的频率可调、死区时间可以单独设置。芯片内部还含有欠压锁定电路、软启动电路、锁存器，并具有PWM脉冲信号封锁功能和振荡器外部同步功能。它的输出方式为推挽式，不但开关速度更快，而且驱动能力更强。因此，这款芯片被广泛用于开关电源中。

　　图3SG3525的原理图图3示出了SG3525的内部结构。在应用中，SG3525的脚6和脚5分别接振荡电容和电阻，脚7接一个放电电阻，它决定了死区时问的长短。输出反馈信号加在误差放大器（EA）的反相端脚1，与脚2的参考电压比较后产生误差信号以调制输出信号的脉宽。脚11和脚14输出PWM信号，用以驱动功放MOSFET。当输入电压或负载发生变化时，PWM信号的脉宽会随之而变，以稳定输出电压。脚8接一个电解电容以实现软启动。脚4和脚l0接有从MCU送来的控制信号，当过流或短路时会停止SG3525的振荡输出。脚9与一个比较器的输出端相连。当短路发生时，比较器翻转，将脚9的电平拉低，立即关断输出。

 

图3 SG3525的原理图

　1.5 功放

　　样机的功放采用全桥电路。由SG3525的脚l1和脚14送来的信号，又各自分成两路。一路直接驱动全桥的下管，另一路经过自举电路倒相后驱动上管。由于SG3525提供的两个信号问存在一个死区，所以防止了同一侧桥臂的上下两管直通。在两个下管的源极与地之间接有一个采样电阻，采到的电流信号用于过载和短路的判断。

　　2  MCU软件设计

　　2.1 主要功能的实现方案

　　（1）蓄电池充电控制充电MOSFET的栅极由MCU的一个I／O口控制。当蓄电池电压低于直充阈值时，MCU跳过PCA，直接输出一个高电平信号打开充电MOSFET，使太阳板不间断地向蓄电池充电。蓄电池电压超过后，MCU接人PCA，改为PWM方式充电。充电的脉宽随着蓄电池电压的升高而逐渐变窄。达到充电上限后，再次跳过PCA，输出一个低电平，完全关断充电。

　　（2）直流输出控制直流输出MOSFET也由MCU的一个I／O口控制。蓄电池的电压低于欠压阈值时，MCU输出关断信号，停止放电。高于恢复阈值时，输出开启信号。

　　（3）直流和交流过载保护相关标准对户用太阳能逆变器规定：逆变器过载20％时应输出不少于一分钟，过载50％时输出不少于10S。程序巾定义了一个名为“过载量”的参数，它等于过载电流采样值对持续时间的累积。一旦过载发生，程序便开始计算过载量。当过载量达到设定值时立即关断输出。

　　（4）直流和交流短路保护当检测到短路发生时，立即启动优先级最高的外中断程序，向SG3525的脚4和脚10送出短路保护信号，关断其输出。同时，切断为逆变器供电的继电器，使逆变器电源中断。

　　（5）LED指示当检测到太阳板的电压时，“发电”LED点亮。当蓄电池电压降到欠压阈值后，“欠压”LED点亮，只有电压升到恢复阈值，“欠压”LED才会熄灭。无论交流或直流的短路、过载故障发生，“过载”LED都会点亮。必须关机才能使其熄灭。在逆变器正常输出时，“输出”LED点亮。

　　2.2 主程序流程图

　　图4是主函数的流程图。单片机上电后先初始化系统，允许中断，开启PCA。随后进入无限循环。

　　在每个循环中依次完成下列任务：

　　（1）根据蓄电池电压设置蓄电池的标志位，以决定直流输出管的开关状态。

　　（2）根据直流开关和交流开关的状态（开或关）设置标志，以决定样机是否开启相应功能。

　　（3）查询有无过载发生。如果有，则进入过载子程序，计算过载量并进行相应的处理。

　　（4）根据各种电气参数和工作状态，确定LED指示灯的亮、灭。

　　在主函数之外，还有6个中断函数。其中定时器0、定时器1和定时器2中断分别为PCA、直流过载保护和交流过载保护提供时基。直流短路中断和交流短路中断都是外中断，一旦进入，会马上切断振荡信号和功率管的电源，以保护样机。PCA中断在下面另作介绍。

 

图4主程序流程图

 

图5PCA中断流程图

　　2.3 过载保护流程图

　　直流过载和交流过载的保护程序基本上是相同的。以直流过载保护为例，它是由图6所示的直流过载保护程序和图7所示的定时器l中断程序配合实现的。每当检测出过载，程序立即启动定时器1，同时根据过载的程度，为一个“过载常数”赋值。定时器1每次溢出即进入中断，对过载常数进行累加以得到过载量。一旦过载量达到设定的阈值，MCU就会关断输出。

　　如果在连续的45S钟内未检测到过载，程序便自动将过载量清零。这样，就防止了偶然干扰所造成的过载会累计至过载阈值，使样机进入过载保护。

 

图6直流过载保护流程图

 

图7定时器1中断流程图

　　3  实验结果

　　对样机进行检测的结果如下：

　　（1）设定Vo=13.5V，VH=14.4V。当蓄电池电压低于13.5V时，充电管完全打开；高于14.4V时，充电管完全关断。在13.5V和14.4V之间为PWM充电方式，输出脉冲的宽度随蓄电池电压的升高而减小。

　　（2）设定=11.0V，VR=13.3V。电池电压处在11.0V和14.4V之间时，样机有稳定的直流或／和交流输出。当电压降低到11.0V以下时，MCU自动切断输出，同时“欠压”LED点亮。直到蓄电池电压恢复到l3.3V后，才可继续供电。

　　（3）蓄电池电压在11.0V～14.4V之间变化，负载在0～100％之间变化时，逆变器的输出电压变动不大于额定输出电压的5％。

　　（4）过载在12O一150％范围内时，样机在60S后关机。在150～160％范围内时，样机在10s后关机。超过60％时，样机立即关机。

　　（5）短路发生后，样机会立即天机。

　　4  结语

　　用8051系列单片机和SG3525配合做成的太阳能光伏发电控制——逆变器，可以实现对蓄电池的充电、放电智能化管理，并具有多种保护功能，使用简单安全。与只用硬件做成的同类装置相比，其智能化的程度高，调节准确，保护可靠，且可以进一步开发新的功能。实验情况表明，本样机完全适合无电地区利用太阳能发电的需要。