光伏實驗臺上基于STC單片機的離網(wǎng)逆變器設(shè)計

閻 娜，付柯楠

(電子科技大學(xué) 機械電子工程學(xué)院，四川 成都 611731)

離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能電池板、蓄電池和逆變器三部分組成[1]，系統(tǒng)通過太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)變成電能存儲到蓄電池中，再通過逆變器將蓄電池的直流電轉(zhuǎn)換成交流電供交流設(shè)備使用[2]。

光伏實驗臺選用白熾燈光模擬太陽光。白熾燈的額定電壓220 V，額定功率500 W。實驗臺的太陽能電池板選用兩塊額定峰值功率為15 W單晶硅A級片。在輻射強度1 000 W/m2、電池板溫度25 ℃、空氣質(zhì)量1.5的實驗條件下，電池板開路電壓為21 V、短路電流為1.0 A，額定電壓為17.28 V，額定電流為0.87 A。因太陽能電池板是直流源，故其輸出的是直流電[3]，逆變器就是把電池板組件輸出的直流電轉(zhuǎn)換成與電網(wǎng)相同電壓的交流電，并送給交流負載[4]。逆變器分離網(wǎng)型和并網(wǎng)型。本文完成離網(wǎng)逆變器的設(shè)計。

1 離網(wǎng)逆變器主控芯片選型

1.1 單片機選型

逆變器的主控芯片選用實驗室現(xiàn)有的單片機STC12C5A60S2，實物圖見圖1。它集成了MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(250 KB/s)。

圖1 單片機圖

1.2 單片機最小系統(tǒng)

單片機最小系統(tǒng)由外部晶振、復(fù)位電路、STC12C5A60S2芯片及開關(guān)和指示燈組成[5]。芯片的封裝為LQFP-44，外部晶振為11.0592 MHz。43腳和44腳分別輸出PWM1和PWM2，以達到逆變的需要。主控單元實物圖見圖2，它集成了STC12C5A60S2及最小系統(tǒng)、USB轉(zhuǎn)串口驅(qū)動器、程序下載器等。板子左、右側(cè)2個LED燈分別為上電指示燈(紅色)和工作指示燈(藍色)。

圖2 主控單元實物圖

2 離網(wǎng)逆變器硬件設(shè)計

硬件設(shè)計主要包括逆變電路、死區(qū)電路、電源電路、隔離驅(qū)動電路、輸出濾波電路等的電路設(shè)計[6]。

2.1 逆變電路設(shè)計

2.1.1 開關(guān)器件選型

本文中用的開關(guān)器件為IRFP460，它是N溝道加強型場效應(yīng)晶體管，耐壓高達500 V、內(nèi)阻小于0.27 Ω，漏極電流達20 A，封裝為SOT429。

2.1.2 全橋電路原理

逆變電路選全橋電路[7]，原理圖見圖3。逆變部分的功能是采用功率開關(guān)器件實現(xiàn)DC/AC逆變[8]。

圖3 全橋電路的原理圖

圖3中，橋式電路中的開關(guān)器件為MOS場效應(yīng)管(IRFP460)，每個開關(guān)管反向并聯(lián)一個續(xù)流二極管。電池板的直流電經(jīng)過最大功率點跟蹤器處理后引出的正、負極分別接電路上的“DC(light)”和“GND(light)”。電容C16起穩(wěn)壓作用，電阻R14、R15的作用是限流。

2.1.3 全橋電路實物圖

全橋電路實物見圖4。散熱器上的4個黑色管子IRFP460，其3個管腳分別為1腳門極、2腳漏極、3腳源極。驅(qū)動信號輸入紅導(dǎo)線接門級，黑導(dǎo)線接源極。左右2個綠色插座接電池板發(fā)出的直流電(左正右負)。下方2個插座是逆變器的輸出。

圖4 全橋電路實物圖

2.2 死區(qū)電路設(shè)計

死區(qū)電路分兩部分，先通過2個反相器將2個PWM信號擴展為2組互補的PWM信號；然后由1個47 kΩ電阻、1個22 pF貼片電容、1個與門組成死區(qū)電路。死區(qū)電路設(shè)計原理見圖5。

圖5中，74LS04是六反相器集成芯片，14腳是VCC，7腳接地。74LS08是四與門集成芯片，14腳是VCC，7腳接地。PWM1和PWM2為單片機輸出的PWM信號，經(jīng)過死區(qū)電路的處理后，輸出4個信號分別為PWM1H、PWM1L、PWM2H、PWM2L。

死區(qū)電路參數(shù)參數(shù)選?。焊鱎=47 kΩ，各C=20 pF。當輸入一個頻率為20 kHz，占空比為0.5的方波信號時，從所做的延時電路的輸出仿真結(jié)果可以看出，延時電路的輸出與輸入間的延時大約為2 μs，符合實際。

死區(qū)電路實物圖見圖6，它由非門74LS04、與門74LS08及電容、電阻組成。為減少跳線，此處用了2個74LS08。3塊集成芯片，中間是74LS04，兩邊是74LS08。綠色LED為上電指示燈。PWM1接單片機的P1.3口，PWM2接單片機P1.4口。PWM1H、 PWM1L、PWM2H、PWM2L分別接到隔離驅(qū)動電路的輸入端。

圖5 死區(qū)電路原理圖

圖6 死區(qū)電路實物圖

2.3 電源電路設(shè)計

圖7是由7805構(gòu)成的電源電路，穩(wěn)壓芯片型號為L7805CV，是三端正電源穩(wěn)壓電路集成芯片，封裝是TO-220。其引腳分布為1腳輸入、2腳接地、3腳輸出。

圖7 電源電路原理圖

圖7中，輸入端2個電容起濾波平滑的作用，輸出端2個電容對穩(wěn)壓輸出進行緩沖和濾波[9]。C1、C3是低頻濾波電容，是電解電容，用來降低電源中的低頻交流干擾。C2、C4是高頻濾波電容，是貼片電容。LED是電源模塊工作指示燈。S2為電源電路總開關(guān)。

電源電路實物圖見圖8，它為單片機及其最小系統(tǒng)、死區(qū)電路提供5 V直流電，并且為后面隔離驅(qū)動電路的前級信號輸入部分提供地[10]。紅色LED燈是電源電路工作的指示燈。下方連接的杜邦線處即為穩(wěn)壓電路的輸出。綠色插座是電源電路的輸入端，由一塊12 V/7.0 Ah的鉛蓄電池(見圖9)提供。

圖8 電源電路實物圖

圖9 7.0 Ah蓄電池圖

2.4 隔離驅(qū)動電路設(shè)計

經(jīng)過死區(qū)電路處理后的控制信號幅值只有5 V，無法直接驅(qū)動逆變器功率開關(guān)管，需借助驅(qū)動電路。本文采用TLP250構(gòu)成隔離驅(qū)動電路。TLP250是可直接驅(qū)動小功率MOSFET和MOSFET的功率型光耦，最大驅(qū)動電流達1.5 A。

每個隔離驅(qū)動電路需有獨立的供電電源，文中隔離電源是4個相互隔離的12 V/1.3 Ah鉛蓄電池。

隔離驅(qū)動電路分4部分，各部分電路結(jié)構(gòu)完全相同且相互隔離，圖10為PWM1H所接的隔離驅(qū)動電路，其余三部分同理 。

圖10 PWM1H所接的隔離驅(qū)動電路圖

圖10中，R10是限流電阻，C12是穩(wěn)壓電容，二極管D4防止電容放電時電流回流。PWM1H來自死區(qū)電路的輸出，隔離驅(qū)動輸出Q1G接全橋電路的Q1G，5腳的Q1S接全橋電路的Q1S。

TLP250驅(qū)動的特征：輸入閾值電流(max)5 mA；電源電流(max)11 mA；電源電壓10～35 V；輸出電流(min)±0.5 A；開關(guān)時間(max)0.5μs。文中在TLP250輸入端(2腳)前串聯(lián)470 Ω電阻，經(jīng)測試，串電阻后的輸入電流為4 mA，符合輸入要求。

隔離驅(qū)動電路的實物圖見圖11。其中，輸入端共地，來自死區(qū)電路的4個輸出分別接隔離驅(qū)動電路作為4個輸入信號。隔離驅(qū)動電路輸出的驅(qū)動信號接入全橋電路的門級和源極。

圖11 隔離驅(qū)動電路實物圖

2.5 輸出濾波電路設(shè)計

濾波器截止頻率確定后，濾波電感和濾波電容的乘積LC就確定了。當C值較大時，L值就變小，同樣負載條件下，濾波器阻尼系數(shù)變小，流過L的電流增大；反之，若C值較小，L就會變大，同樣負載條件下濾波器阻尼系數(shù)就大，會削弱逆變器輸出的基波成分。綜上，文中選電感2 mH，電容1 μF。

輸出濾波電路實物圖見圖12，該圖為全橋電路板背面，電容是1 μF的CBB電容，2個電感均為1 mH。

圖12 輸出濾波電路實物圖

3 離網(wǎng)逆變器軟件設(shè)計

程序由主程序和PCA中斷子程序組成，用的是Keil C51編程語言。

3.1 主程序流程圖設(shè)計

上電后，先是系統(tǒng)初始化、PWM初始化、捕捉初始化，然后啟動定時器，開中斷，進入While(1)循環(huán)等待中斷[11]。主程序流程圖見圖13。

圖13 主程序流程圖

3.2 PCA中斷子程序流程圖設(shè)計

主程序在初始化后進入SPWM脈寬計算程序，計算相應(yīng)的脈沖寬度，等待中斷標志位以響應(yīng)不同的中斷。一旦有PCA中斷標志位，即執(zhí)行其中斷子程序。PCA中斷子程序流程見圖14[12]。

圖14 PCA中斷子程序流程圖

4 逆變器調(diào)試

4.1 程序調(diào)試

程序調(diào)試軟件為Keil uVision2，燒寫器為STC-ISP-V4.88，燒寫軟件STC-ISP-15xx-v6.38。調(diào)試時，先安裝PL-2303驅(qū)動，然后用USB-miniUSB將計算機和最小系統(tǒng)板連接起來。用燒寫器將編譯好的hex文件下載到單片機中。

4.2 逆變器測試

測試裝置見圖15。接好線后開啟實驗臺總開關(guān)，白熾燈光照向電池板，打開電源電路開關(guān)及最小系統(tǒng)板開關(guān)，逆變器就開始工作。

先將示波器打到直流檔，測試電池板輸出的電壓波形，示波器顯示電池板輸出的是較穩(wěn)定的直流電，幅值約為20.4 V，見圖16。再將示波器打到交流檔，測試逆變器的電壓輸出波形，輸出波形見圖17。

圖16 電池板電壓

由圖17可知，逆變器的輸出是正弦波波形，電壓最大值34.0 V，最小值28.0 V，峰-峰值62.0 V，均方根值22.7 V(用萬用表實測的輸出有效值23 V)，頻率3.602 kHz，周期277.8 μs。

圖17 逆變器電壓波形

5 結(jié)束語

測試的波形說明該逆變器完成了將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姷哪孀児δ?，在較長一段時間的運行之后，該逆變器依然穩(wěn)定工作。

[1] 張興，陳玲，楊淑英，等.離網(wǎng)型小型風力發(fā)電系統(tǒng)逆變器的控制[J].電力系統(tǒng)自動化，2008(23)：95-99.

[2] 王長貴.太陽能光伏發(fā)電實用技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[3] 趙爭鳴.太陽能光伏發(fā)電及其應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2005.

[4] 陳德，唐杰，賀仲科，等.離網(wǎng)型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器的設(shè)計[J].儀表技術(shù)，2013(3)：40-42.

[5] 楊明欣，張杰，鄭郁正.基于STC單片機的實驗開發(fā)平臺的設(shè)計[J].成都信息工程學(xué)院學(xué)報，2006(3)：410-413.

[6] 王朕，劉陵順，魯芳.基于DSP150V/50Hz高品質(zhì)單相逆變電源的設(shè)計[J].電力電子技術(shù)，2011(1)：54-56.

[7] 湯才剛，朱紅濤，李莉，等.基于PWM的逆變電路分析[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008(1)：159-163.

[8] 王春鳳，李旭春，薛文軒，等.正弦波逆變電路實驗的設(shè)計與實踐[J].實驗技術(shù)與管理，2010，27(8)：135-138.

[9] 崔利平.儀表放大器電路設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009(11)87-89.

[10] 劉旭梅.數(shù)控直流穩(wěn)壓電源[J].科技致富向?qū)В?009(3)：5-6.

[11] 汪建平.基于TMS320F2812DSP光伏發(fā)電單相離網(wǎng)逆變器的研究[D].南京:廣西師范大學(xué)，2011.

[12] 林旭成，楊蘋.基于DSP的離網(wǎng)逆變器的研制[J].通信電源技術(shù)，2010(5):10-12.