基于單片機(jī)的離網(wǎng)光伏逆變器的設(shè)計(jì)

摘?要：本文提出了一種基于8位單片機(jī)的離網(wǎng)光伏逆變器的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)以AT89LP216單片機(jī)為核心，通過(guò)EE40高頻升壓變壓器將原直流側(cè)24V的低壓電變?yōu)榉夏孀円蟮?10V高壓直流電，利用TLP250模塊控制逆變電橋中場(chǎng)效應(yīng)管IRFP460的通斷，產(chǎn)生的SPWM脈沖通LC濾波電路后輸出標(biāo)準(zhǔn)正弦波。文中給出了系統(tǒng)的功能框圖，并對(duì)相應(yīng)的軟硬件電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。該逆變器能夠產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的220V交流電，同時(shí)具備自調(diào)節(jié)及保護(hù)功能。

關(guān)鍵詞：光伏逆變器;AT89LP216;太陽(yáng)能;正弦波

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展以及人們對(duì)于能源需求的不斷增長(zhǎng)，我國(guó)已經(jīng)成為世界能源生產(chǎn)和消費(fèi)的大國(guó)，石油、煤炭等不可再生資源的過(guò)度使用造成了全世界能源的短缺，同時(shí)造成了嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。太陽(yáng)能作為眾多清潔能源中的一種，具有儲(chǔ)存量巨大、清潔、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，被全世界定義為21世紀(jì)最有開(kāi)發(fā)潛力的能源。目前太陽(yáng)能電池片的轉(zhuǎn)換效率不斷提高，光伏發(fā)電能夠有效彌補(bǔ)能源缺口并改善環(huán)境，因此光伏發(fā)電技術(shù)的研究具有十分重要的意義[1]。逆變器作為光伏發(fā)電系統(tǒng)中的核心模塊，其作用將光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換為日?？衫玫慕涣麟姡虼艘环N高效的離網(wǎng)光伏逆變器具有極高的研究?jī)r(jià)值[2]。

1 方案總體設(shè)計(jì)

本逆變器可分為升壓模塊、逆變模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、保護(hù)模塊、濾波模塊和主控制模塊。升壓模塊用于將直流側(cè)24V電壓經(jīng)過(guò)逆變—升壓—整流，輸出310V高壓直流電;驅(qū)動(dòng)/逆變模塊是將310V的直流電利用SPWM控制技術(shù)，輸出220V等效交流電;保護(hù)模塊用于檢測(cè)輸出電壓或者電流值，超出正常范圍時(shí)，逆變器停止工作;濾波模塊用于將輸出的等效PWM波轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)正弦波輸出，主控制電路模塊用于協(xié)調(diào)處理各部分工作。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 主控制模塊

本系統(tǒng)選用AT89LP216單片機(jī)作為主控芯片，其具有低功耗、高性能的優(yōu)點(diǎn)。AT89LP216有一個(gè)加強(qiáng)型的CPU，其運(yùn)行速度可以達(dá)到傳統(tǒng)51單片機(jī)的6—12倍，生產(chǎn)采用高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)，內(nèi)部包括ISP Flash存儲(chǔ)器（2K字節(jié)）、RAM存儲(chǔ)器（128字節(jié)），12個(gè)輸入輸出口（I/O口），2個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器（16位），兩路PWM輸出，一個(gè)可編程看門(mén)狗定時(shí)器，一個(gè)全雙工串口，一個(gè)串行外圍接口，一個(gè)內(nèi)部RC振蕩器，一個(gè)4級(jí)、6矢量中斷系統(tǒng)。在系統(tǒng)中，該芯片主要負(fù)責(zé)檢測(cè)輸出電壓、負(fù)載電流，控制驅(qū)動(dòng)/逆變模塊，使輸出標(biāo)準(zhǔn)的220V正弦交流電。所以采用AT89LP216單片機(jī)作為主控芯片完全滿(mǎn)足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

2.2 升壓模塊

升壓模塊將輸入的24V直流電，通過(guò)四個(gè)IRF3205PBF MOS管組成的逆變電橋[3]，將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，利用高頻變壓器EE40進(jìn)行升壓，將高頻變壓器副邊輸出的交流高壓再通過(guò)四個(gè)快速恢復(fù)二極管RHRP8120組成的整流橋，將交流電整流為直流電輸出，直流電壓值保持在310V左右，從而實(shí)現(xiàn)了將輸入端24V低壓直流電升壓為310V高壓直流電。

2.3 驅(qū)動(dòng)/逆變模塊

為了將310V直流電轉(zhuǎn)變?yōu)槿粘？衫玫?20V交流電，本設(shè)計(jì)采用四個(gè)MOS管組成逆變電橋，外圍輔助以保護(hù)電路，逆變電橋的一條橋臂由兩個(gè)MOS管IRFP460組成，另一條橋臂由兩個(gè)MOS管IRF3205PBF組成，每個(gè)MOS管是否導(dǎo)通由單片機(jī)控制，驅(qū)動(dòng)電路主要由光耦合器TLP250、中功率三極管8050D/8550D組成。在工作中，單片機(jī)根據(jù)輸出電壓的大小，利用SPWM控制技術(shù)控制驅(qū)動(dòng)電路改變四個(gè)MOS管的導(dǎo)通時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)220V交流電壓的穩(wěn)定輸出。逆變電路和驅(qū)動(dòng)電路分別如圖1所示。

逆變電路左側(cè)輸入電壓為310V高壓直流電，右側(cè)從兩條橋臂中間各引出一條支路，輸出220V等效交流電，由此完成DC-AC的轉(zhuǎn)換。

驅(qū)動(dòng)電路左側(cè)連接單片機(jī)I/O口，右側(cè)與逆變電橋的MOS管相連，單片機(jī)利用SPWM方法控制四個(gè)MOS管的通斷，實(shí)現(xiàn)正弦交流輸出。

2.4 保護(hù)模塊

單片機(jī)利用分壓方式采集逆變電橋直流側(cè)電壓，分壓電路由1M歐電阻和10K歐電阻串聯(lián)組成，單片機(jī)采集的電壓值約為原值的1%，當(dāng)檢測(cè)的電壓值超出310V時(shí)，單片機(jī)控制升壓模塊中的逆變電橋，減小其導(dǎo)通時(shí)間，使輸出電壓值變小;當(dāng)檢測(cè)的電壓值小于310V時(shí)，則增加升壓模塊中逆變電橋的導(dǎo)通時(shí)間，使輸出電壓值變大，從而保證升壓電路整流輸出電壓值穩(wěn)定在310V，確保輸出交流電壓有效值為220V。

過(guò)流保護(hù)電路防止負(fù)載工作電流過(guò)大損壞逆變器，在逆變電路輸出端口安裝電流互感器，采集負(fù)載端口工作電流，并將值送至單片機(jī)I/O口，若電流值在正常范圍，光伏逆變器正常工作;若工作電流值超過(guò)逆變器工作電流的上限，則單片機(jī)控制逆變器，使其停止工作，已達(dá)到保護(hù)逆變器的目的。

2.5 濾波模塊

逆變電橋輸出的為等效220的SPWM波形，為了使最終AC1/AC2輸出端口輸出的波形為標(biāo)準(zhǔn)的正弦交流電必須加濾波電路，本設(shè)計(jì)采用LC濾波電路[4]，電感L值為4.7uH，電容值規(guī)格為1uF/630V。具體電路如圖2所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主程序流程圖如圖3所示，其功能主要完成變量參數(shù)及系統(tǒng)的初始化設(shè)置，之后開(kāi)中斷、開(kāi)啟定時(shí)器，在系統(tǒng)滿(mǎn)足輸入條件的情況下執(zhí)行循環(huán)程序，等待中斷的發(fā)生。

中斷子程序流程圖如圖4所示，中斷的類(lèi)型主要包括定時(shí)器中斷、外部中斷等，它用于實(shí)時(shí)控制要求較高的場(chǎng)合，本系統(tǒng)發(fā)生中斷時(shí)，首先保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，其次判斷是否有保護(hù)動(dòng)作（過(guò)壓、欠壓、過(guò)流保護(hù)）發(fā)生，若發(fā)生保護(hù)，系統(tǒng)禁止PWM（脈寬調(diào)制）波輸出，同時(shí)故障標(biāo)志位置1;若未發(fā)生保護(hù)，則將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后存儲(chǔ)，重置占空比D值，恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，最后執(zhí)行中斷返回。系統(tǒng)設(shè)計(jì)添加中斷程序后，運(yùn)行更加符合條理、順暢、靈活。

4 實(shí)驗(yàn)部分

經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，該逆變器能夠?qū)⒅绷鱾?cè)輸入的24V直流電，升壓為310V直流電，之后通過(guò)SPWM控制技術(shù)，逆變電路輸出SPWM等效脈沖，之后經(jīng)過(guò)LC濾波電路后，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)正弦波（有效值為220V）的輸出。離網(wǎng)逆變器輸出的正弦波交流電曲線(xiàn)如圖5所示。

5 結(jié)語(yǔ)

利用AT89LP216單片機(jī)作為主控芯片，結(jié)合其他功能電路構(gòu)成的離網(wǎng)光伏逆變器，采用SPWM控制技術(shù)，使輸出波形具有波形好、失真度低等優(yōu)點(diǎn)，該逆變器采用閉環(huán)控制，輸出電壓具有自我調(diào)節(jié)能力。從整體上來(lái)看，該逆變器能夠輸出標(biāo)準(zhǔn)正弦波，同時(shí)具有過(guò)壓/欠壓、過(guò)流保護(hù)功能，能夠較好的滿(mǎn)足光伏發(fā)電系統(tǒng)的需求，具有較大的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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項(xiàng)目名稱(chēng)：江蘇省首批產(chǎn)教融合型試點(diǎn)企業(yè)（江蘇中天科技股份有限公司）建設(shè)項(xiàng)目;江蘇省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2020年度規(guī)劃課題（立項(xiàng)編號(hào)：B-b/2020/03/13）課題名稱(chēng)：基于1+X證書(shū)制度的高職院校人才培養(yǎng)體系的改革與實(shí)踐——以新能源汽車(chē)技術(shù)專(zhuān)業(yè)為例

作者簡(jiǎn)介：張新亮（1982—?），男，江蘇東海人，航空與交通工程學(xué)院講師，研究方向：新能源裝備技術(shù)。