太陽能發電控制逆變器設計

引言

　　太陽能光伏發電是利用光伏效應將太陽的光能轉變為電能的一種發電方式。雖然光伏效應的發現已經有近200年的歷史，但我國較大規模的利用是從上個世紀八十年代才開始。近年來，由于節能和環保意識的加強，太陽能光伏發電日益受到重視。

　　尤其是從2008年開始，國家出臺了新的能源政策，更使得太陽能光伏發電產業如火如荼地發展。對光伏發電設備的研究也進入了一個高潮，相關論文的數量驟增。

　　隨著近年來無電地區居民對光伏發電系統的需求也不斷提高，逆變器已經成為光伏發電系統的必備部件。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

　　戶用型太陽能光伏發電系統主要用于無電地區居民家庭的電力供應。它一般由太陽能電池組件、蓄電池、控制一逆變器這三個主要部分組成（圖1）。

　　控制一逆變器又可分為控制器和逆變器兩部分。控制器的功能是對蓄電池的充放電進行管理，并對直流負載供電。逆變器的功能是將直流電轉變為交流電，供給交流負載使用。

圖1太陽能光伏發電系統的組成

　　1.1 設計依據

　　戶用太陽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）；達到充滿閾值時完全停止充電；根據蓄電池的環境溫度來調整充滿閾值；在蓄電池降低到欠壓閾值時停止放電。

　　（2）提供直流／交流輸出的過載保護，根據過載程度的不同，確定啟動保護的時刻。

　　（3）提供直流／交流輸出的短路保護，一旦短路發生，立即切斷振蕩信號和電源。

　　（4）提供必要的方式來指示機器的工作狀態。

　　依靠硬件電路也可以實現上述功能，但存在著控制精度不高，調節比較麻煩等缺點。而用單片機進行控制，不但可以克服這些缺點，而且能夠提供更多的功能，如定時和分路輸、智能化的保護功能、根據蓄電池的電量（一般是根據電壓）進行充放電管理、根據需要重新設定各種閾值等。因此，研發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、開關信號及輸出電流和電壓被采樣入MCU。MCU按照預先寫入的程序，經過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。這些功能的實現，還需要有A／D轉換、溫度采集、PWM信號產生、時間控制等電路的支持。PWM控制芯片給功放管提供一個脈寬可以調制的驅動信號（這個信號與充電的PWM信號不同，后者是由MCU產生的），以保持輸出電壓的穩定。另外，PWM控制芯片還與MCU一道實現過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個通用的16位定時器、可編程計數器／定時器陣列（PCA）及其他數字資源。因此，這款芯片可完全滿足控制一逆變器的要求。

　　C8051F330除了具有豐富的數字資源外，還有兩個非常有用的特點。一個是SiliconLabs二線（C2）開發接口，它允許使用安裝在最終應用系統上的產品MCU進行非侵入式（不占用片內資源）、全速、在系統調試。另一個是優先權交叉開關譯碼器，它按照預先設定的優先權，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行開發和應用。