引言
光伏發(fā)電是利用半導體界面的光生伏特效應而將光能直接轉變?yōu)殡娔艿囊环N技術。雖然光生伏特效應的發(fā)現(xiàn)已經有近200年的歷史,但我國較大規(guī)模的利用是從上個世紀八十年代才開始。近年來,人們節(jié)能和環(huán)保意識的加強,太陽能光伏發(fā)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(fā)電產業(yè)如火如荼地發(fā)展。對光伏發(fā)電設備的研究也進入了一個高潮,相關論文的數(shù)量驟增。
隨著近年來無電地區(qū)居民對光伏發(fā)電系統(tǒng)的需求也不斷提高,逆變器已經成為光伏發(fā)電系統(tǒng)的必備部件。這些地區(qū)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(fā)電系統(tǒng)主要用于無電地區(qū)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?yōu)榻涣麟姡┙o交流負載使用。
圖1太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成
1.1 設計依據(jù)
戶用太陽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行管理,即根據(jù)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(jù)蓄電池的環(huán)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。
?。?)提供直流/交流輸出的過載保護,根據(jù)過載程度的不同,確定啟動保護的時刻。
?。?)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。
?。?)提供必要的方式來指示機器的工作狀態(tài)。
依靠硬件電路也可以實現(xiàn)上述功能,但存在著控制精度不高,調節(jié)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(jù)蓄電池的電量(一般是根據(jù)電壓)進行充放電管理、根據(jù)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(xiàn),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(wěn)定。另外,PWM控制芯片還與MCU一道實現(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)型MCU,內置高速流水線結構的CIP一51內核、768字節(jié)片內RAM和8KB可在系統(tǒng)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(shù)器/定時器陣列(PCA)及其他數(shù)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(shù)字資源外,還有兩個非常有用的特點。一個是SiliconLabs二線(C2)開發(fā)接口,它允許使用安裝在最終應用系統(tǒng)上的產品MCU進行非侵入式(不占用片內資源)、全速、在系統(tǒng)調試。另一個是優(yōu)先權交叉開關譯碼器,它按照預先設定的優(yōu)先權,靈活地給片內各數(shù)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(fā)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(yōu)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(qū)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3SG3525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(qū)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(fā)生變化時,PWM信號的脈寬會隨之而變,以穩(wěn)定輸出電壓。腳8接一個電解電容以實現(xiàn)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(fā)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(qū),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(xiàn)方案
?。?)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。
?。?)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。
?。?)直流和交流過載保護相關標準對戶用太陽能逆變器規(guī)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(shù),它等于過載電流采樣值對持續(xù)時間的累積。一旦過載發(fā)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(fā)生時,立即啟動優(yōu)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。
?。?)LED指示當檢測到太陽板的電壓時,“發(fā)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(fā)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(shù)的流程圖。單片機上電后先初始化系統(tǒng),允許中斷,開啟PCA。隨后進入無限循環(huán)。
在每個循環(huán)中依次完成下列任務:
?。?)根據(jù)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(tài)。
(2)根據(jù)直流開關和交流開關的狀態(tài)(開或關)設置標志,以決定樣機是否開啟相應功能。
?。?)查詢有無過載發(fā)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。
?。?)根據(jù)各種電氣參數(shù)和工作狀態(tài),確定LED指示燈的亮、滅。
在主函數(shù)之外,還有6個中斷函數(shù)。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5PCA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(xiàn)的。每當檢測出過載,程序立即啟動定時器1,同時根據(jù)過載的程度,為一個“過載常數(shù)”賦值。定時器1每次溢出即進入中斷,對過載常數(shù)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(xù)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。
?。?)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(wěn)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(xù)供電。
?。?)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%。
?。?)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。
?。?)短路發(fā)生后,樣機會立即天機。
4 結語
用8051系列單片機和SG3525配合做成的太陽能光伏發(fā)電控制——逆變器,可以實現(xiàn)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(jié)準確,保護可靠,且可以進一步開發(fā)新的功能。實驗情況表明,本樣機完全適合無電地區(qū)利用太陽能發(fā)電的需要。