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    寧波瀟陽科技有限公司(中文)

    分享工頻逆變器設計方案

    更新:1970-01-01
    摘要: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...

    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??刂破鞯墓δ苁菍π铍姵氐某浞烹娺M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。

    1.4 PWM控制芯片

    樣機采用SG3525作為PWM控制芯片。這是一種性能優良、功能齊全和通用性強的單片集成控制芯片。它能夠輸出兩路PWM信號,信號的頻率可調、死區時間可以單獨設置。芯片內部還含有欠壓鎖定電路、軟啟動電路、鎖存器,并具有PWM脈沖信號封鎖功能和振蕩器外部同步功能。它的輸出方式為推挽式,不但開關速度更快,而且驅動能力更強。因此,這款芯片被廣泛用于開關電源中。

    圖3 SG3525的原理圖圖3示出了SG3525的內部結構。在應用中,SG3525的腳6和腳5分別接振蕩電容和電阻,腳7接一個放電電阻,它決定了死區時問的長短。輸出反饋信號加在誤差放大器(EA)的反相端腳1,與腳2的參考電壓比較后產生誤差信號以調制輸出信號的脈寬。腳11和腳14輸出PWM信號,用以驅動功放MOSFET。當輸入電壓或負載發生變化時,PWM信號的脈寬會隨之而變,以穩定輸出電壓。腳8接一個電解電容以實現軟啟動。腳4和腳l0接有從MCU送來的控制信號,當過流或短路時會停止SG3525的振蕩輸出。腳9與一個比較器的輸出端相連。當短路發生時,比較器翻轉,將腳9的電平拉低,立即關斷輸出。

    圖3 SG3525的原理圖

    1.5 功放

    樣機的功放采用全橋電路。由SG3525的腳l1和腳14送來的信號,又各自分成兩路。一路直接驅動全橋的下管,另一路經過自舉電路倒相后驅動上管。由于SG3525提供的兩個信號問存在一個死區,所以防止了同一側橋臂的上下兩管直通。在兩個下管的源極與地之間接有一個采樣電阻,采到的電流信號用于過載和短路的判斷。

    2. MCU軟件設計

    2.1 主要功能的實現方案

    (1)蓄電池充電控制充電MOSFET的柵極由MCU的一個I/O口控制。當蓄電池電壓低于直充閾值時,MCU跳過PCA,直接輸出一個高電平信號打開充電MOSFET,使太陽板不間斷地向蓄電池充電。蓄電池電壓超過后,MCU接人PCA,改為PWM方式充電。充電的脈寬隨著蓄電池電壓的升高而逐漸變窄。達到充電上限后,再次跳過PCA,輸出一個低電平,完全關斷充電。

    (2)直流輸出控制直流輸出MOSFET也由MCU的一個I/O口控制。蓄電池的電壓低于欠壓閾值時,MCU輸出關斷信號,停止放電。高于恢復閾值時,輸出開啟信號。

    (3)直流和交流過載保護相關標準對戶用太陽能逆變器規定:逆變器過載20%時應輸出不少于一分鐘,過載50%時輸出不少于10S。程序巾定義了一個名為“過載量”的參數,它等于過載電流采樣值對持續時間的累積。一旦過載發生,程序便開始計算過載量。當過載量達到設定值時立即關斷輸出。

    (4)直流和交流短路保護當檢測到短路發生時,立即啟動優先級最高的外中斷程序,向SG3525的腳4和腳10送出短路保護信號,關斷其輸出。同時,切斷為逆變器供電的繼電器,使逆變器電源中斷。

    (5)LED指示當檢測到太陽板的電壓時,“發電”LED點亮。當蓄電池電壓降到欠壓閾值后,“欠壓”LED點亮,只有電壓升到恢復閾值,“欠壓”LED才會熄滅。無論交流或直流的短路、過載故障發生,“過載”LED都會點亮。必須關機才能使其熄滅。在逆變器正常輸出時,“輸出”LED點亮。

    2.2 主程序流程圖

    圖4是主函數的流程圖。單片機上電后先初始化系統,允許中斷,開啟PCA。隨后進入無限循環。

    在每個循環中依次完成下列任務:

    (1)根據蓄電池電壓設置蓄電池的標志位,以決定直流輸出管的開關狀態。

    (2)根據直流開關和交流開關的狀態(開或關)設置標志,以決定樣機是否開啟相應功能。

    (3)查詢有無過載發生。如果有,則進入過載子程序,計算過載量并進行相應的處理。

    (4)根據各種電氣參數和工作狀態,確定LED指示燈的亮、滅。

    在主函數之外,還有6個中斷函數。其中定時器0、定時器1和定時器2中斷分別為PCA、直流過載保護和交流過載保護提供時基。直流短路中斷和交流短路中斷都是外中斷,一旦進入,會馬上切斷振蕩信號和功率管的電源,以保護樣機。PCA中斷在下面另作介紹。

    圖4 主程序流程圖

    圖5 PCA中斷流程圖

    2.3 過載保護流程圖

    直流過載和交流過載的保護程序基本上是相同的。以直流過載保護為例,它是由圖6所示的直流過載保護程序和圖7所示的定時器l中斷程序配合實現的。每當檢測出過載,程序立即啟動定時器1,同時根據過載的程度,為一個“過載常數”賦值。定時器1每次溢出即進入中斷,對過載常數進行累加以得到過載量。一旦過載量達到設定的閾值,MCU就會關斷輸出。

    如果在連續的45S鐘內未檢測到過載,程序便自動將過載量清零。這樣,就防止了偶然干擾所造成的過載會累計至過載閾值,使樣機進入過載保護。

    圖6 直流過載保護流程圖

    圖7 定時器1中斷流程圖

    3. 實驗結果

    對樣機進行檢測的結果如下:

    (1)設定Vo=13.5V,VH=14.4V。當蓄電池電壓低于13.5V時,充電管完全打開;高于14.4V時,充電管完全關斷。在13.5V和14.4V之間為PWM充電方式,輸出脈沖的寬度隨蓄電池電壓的升高而減小。

    (2)設定=11.0V,VR=13.3V。電池電壓處在11.0V和14.4V之間時,樣機有穩定的直流或/和交流輸出。當電壓降低到11.0V以下時,MCU自動切斷輸出,同時“欠壓”LED點亮。直到蓄電池電壓恢復到l3.3V后,才可繼續供電。

    (3)蓄電池電壓在11.0V~14.4V之間變化,負載在0~100%之間變化時,逆變器的輸出電壓變動不大于額定輸出電壓的5%。

    (4)過載在12O一150%范圍內時,樣機在60S后關機。在150~160%范圍內時,樣機在10s后關機。超過60%時,樣機立即關機。

    (5)短路發生后,樣機會立即天機。

    結語

    用8051系列單片機和SG3525配合做成的太陽能光伏發電控制——逆變器,可以實現對蓄電池的充電、放電智能化管理,并具有多種保護功能,使用簡單安全。與只用硬件做成的同類裝置相比,其智能化的程度高,調節準確,保護可靠,且可以進一步開發新的功能。實驗情況表明,本樣機完全適合無電地區利用太陽能發電的需要。

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