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。