基于STM8的光伏逆變器設(shè)計

陳琪琳，雷必成

（臺州學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，浙江 臺州 318000）

全球能源短缺和環(huán)境污染已成為制約人類社會可持續(xù)發(fā)展的兩大重要因素，大力發(fā)展新的可替代能源已成為當務(wù)之急。太陽能、風(fēng)能等綠色能源發(fā)電作為一種新的電能生產(chǎn)方式，以其無污染、安全、資源豐富、分布廣泛等特點顯示出無比廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。然而新能源直接產(chǎn)生的電能不能直接使用，因此逆變器隨著新能源的產(chǎn)生需求隨之增多。鑒于能源短缺和環(huán)境污染問題，尤其是國家對光伏產(chǎn)業(yè)的政策扶持，一系列不同功率的逆變器應(yīng)運而生，對于逆變器的研究也越來越深入[1]。

根據(jù)逆變系統(tǒng)原理，離網(wǎng)型光伏逆變器一般主要由四部分構(gòu)成[2]:

1）直流升壓電路：其主要作用是將太陽能低壓直流電升到期望的高壓直流母線電壓。

2）逆變電路：采用逆變電路，將相應(yīng)的高壓直流母線電壓轉(zhuǎn)換成220 V交流電供給用戶使用。

3）濾波電路：通過LC濾波器，使逆變輸出電壓中的高次諧波濾除，減少諧波影響。

4）控制電路：由單片機或DSP作為主控芯片，控制各個模塊協(xié)調(diào)工作，以及實現(xiàn)各種控制算法，使系統(tǒng)按設(shè)定的狀態(tài)工作。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本次設(shè)計以兩片STM8作為控制模塊的核心，STM8打造了8位微控制器的全新時代，高達20 MIPS的CPU性能，轉(zhuǎn)換用時小于3微秒多達16條通道的10位A/D，先進的16位定時器可用于馬達控制、捕獲/比較和PWM功能。

系統(tǒng)中STM8（2）通過輸出4對互補的PWM波驅(qū)動推挽升壓電路中的4對功率管，實現(xiàn)4個變壓器的DC-DC升壓輸出，對輸出后的電壓進行疊加整流，從而實現(xiàn)從24 V升壓到330 V左右的高壓，作為逆變輸入；STM8（1）輸出2路單極性不帶互補的SPWM和兩路50 Hz的方波去驅(qū)動全橋逆變的4個功率管，從而實現(xiàn)DC-AC變換功能?？刂齐娐犯鶕?jù)逆變交流輸出端的電壓值去控制STM8（2）輸出的4對互補PWM波的占空比。從而形成閉環(huán)控制使逆變輸出電壓有效值穩(wěn)定在220 V。整個系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 System block diagram

本系統(tǒng)與現(xiàn)有系統(tǒng)的區(qū)別在于：

1）使用推挽式升壓電路進行升壓，推挽式電路中變壓器一次側(cè)電流回路中只有一個開關(guān)，通態(tài)損耗小，驅(qū)動簡單。

2）利用了STM8能輸出多對帶死區(qū)互補PWM波的功能，對系統(tǒng)中的多對功率管進行驅(qū)動，從而避免使用復(fù)雜的模擬電子電路生成同樣的驅(qū)動波形。

3）全橋逆變模塊用的是單極性單臂不帶互補輸出的驅(qū)動方式，這種方式具有諧波因數(shù)小、效率高和控制方法簡單的優(yōu)點。

4）整個控制系統(tǒng)采用了PI閉環(huán)控制方式，使系統(tǒng)調(diào)節(jié)平緩，輸出穩(wěn)定。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 直流升壓電路設(shè)計

本系統(tǒng)中直流升壓的方案采用的是推挽升壓方式，為了把24 V的直流電壓升到330 V左右的直流電壓采用了四路推挽升壓后再疊加的思路。單路直流推挽拓撲如圖2所示[3]。

圖2 推挽升壓拓撲Fig.2 The push-pull boost topology

圖3 功率開關(guān)時序圖Fig.3 Timing diagram of the power switch

推挽式電路的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其屬于雙端式變換電路。圖中 N1=N2，N3=N4。Q1、Q2交替通斷，將輸入直流的電壓Ui變換成高頻的方波交流電壓通過變壓器T升壓傳輸出去。

如圖3所示是功率開關(guān)的時序圖，原理如下:

1）t0-t1時間段，Q1通，Q2截止，Ui經(jīng) Q1加到變壓器 T的N1繞組上。因此將截止的開關(guān)Q2的輸入電壓變?yōu)?Ui。激勵消失，Ql，Q2截止，其集電極電壓為Ui。

2）t1-t2時間段，Q2導(dǎo)通，Ql截止，此階段同t0-t1時間段。下一個周期重復(fù)循環(huán)。

盡管電路由兩只對稱的功率管，但電路工作時兩只管子是交替導(dǎo)通，因此推挽式電路具有導(dǎo)通損耗小，效率高，磁芯利用率高的優(yōu)點[5]。

2.2 單相全橋逆變電路的設(shè)計

單相全橋逆變是由4個開關(guān)器件構(gòu)成的兩對橋臂[4]，要實現(xiàn)逆變我們只需在直流輸入端提供直流電壓，通過不同的控制方法驅(qū)動開關(guān)器件，使直流電轉(zhuǎn)換為交流電。單相全橋逆變電路可看成由兩個半橋電路組合而成的4個橋臂，橋臂1和4為一對，橋臂2和3為另一對，成對橋臂同時導(dǎo)通，兩對各交替導(dǎo)通180°。單相全橋逆變主拓撲圖如圖4所示。

圖4 單相全橋逆變電路Fig.4 Single-phase full-bridge inverter circuit

3 軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)軟件程序流程圖

本系統(tǒng)設(shè)計中有兩片單片機，其中一片只具有采樣、1對PWM波互補輸出和串口通訊的功能，這里程序不再做分析。我們只分析主控機的功能程序，主控機首先要配置兩個定時器，配置成PWM波帶互補輸出模式去驅(qū)動全橋逆變的2對功率管。為了輸出SPWM波，需要把正弦函數(shù)的值以表格的形式存儲起來[5]。然后需要對AD采樣模塊，串口通訊等模塊進行配置。系統(tǒng)主程序流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)主程序流程圖Fig.5 System flow chart of the main program

3.2 定時器1產(chǎn)生SPWM波流程圖

SPWM（正弦波脈寬調(diào)制）：驅(qū)動信號脈沖系列的占空比（脈寬）按正弦規(guī)律變化。當正弦值最大值時，脈寬也最大，而脈沖間的間隔則最小，反之，當正弦值小時，脈寬也小，而脈沖間的間隔則較大，這種調(diào)制方式可以大大減少負載電流中的高次諧波成分。SPWM控制方案有兩種：即單極性調(diào)制和雙極性調(diào)制法。根據(jù)兩種方案生成的SPWM波可以得出：相同載波比情況下，雙極性SPWM波的諧波量較大；且由于正弦逆變電源控制中，雙極性SPWM方案控制比較復(fù)雜，因此一般采用單極性SPWM波控制的形式[6]。定時器1產(chǎn)生SPWM波的流程圖如圖6所示

圖6 定時器1 SPWM程序圖Fig.6 Timer1 SPWM procedures

3.3 系統(tǒng)控制流程

系統(tǒng)中固定DC/AC部分的控制SPWM各個點的脈寬，最大脈寬固定為93%左右；根據(jù)輸出交流電壓采樣，系統(tǒng)采用離散PI控制算法調(diào)節(jié)DC/DC的控制PWM脈寬，來調(diào)節(jié)直流母線電壓，來達到輸出交流220 V的穩(wěn)定。

系統(tǒng)采用的離散PI控制算法公式為：

其中：Kp為比例系數(shù)，Ti為積分系數(shù)。由于系統(tǒng)采用了比例積分調(diào)節(jié)器，使系統(tǒng)在擾動的作用下，通過PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用將直流升壓后的母線電壓調(diào)節(jié)到靜態(tài)無差，輸出電壓更穩(wěn)定。系統(tǒng)的輸出穩(wěn)定控制框圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)控制流程圖Fig.7 Control flow chart of the system

4 測試結(jié)果

圖8為逆變系統(tǒng)在帶載情況下濾波后輸出的電壓波形圖，由波形圖可得輸出電壓為223 V頻率為52 Hz左右，基本滿足設(shè)計要求。

5 結(jié) 論

目前市場上的一些光伏逆變器，主要是由DSP等復(fù)雜的控制芯片進行控制，電路復(fù)雜，成本較高。文中主要介紹了一種基于STM8單片機的光伏逆變系統(tǒng)。該系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低、效率較高對于中小功率光伏逆變器[7]的設(shè)計具有實用價值。

圖8 帶載情況下濾波后輸出的電壓波形圖Fig.8 Case of a tape carrier filtered output of the voltage waveform of FIG

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