白炳良，謝碧蓮

（漳州師范學(xué)院 物理與電子信息工程系，漳州 363000）

引 言

新能源是21世紀(jì)世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展中最具決定力的五大技術(shù)領(lǐng)域之一。太陽(yáng)能是一種清潔、高效和永不衰竭的可再生能源，是滿足未來(lái)全球電力需求的法寶。能源短缺、環(huán)境污染等問(wèn)題的日益突出使太陽(yáng)能電池備受青睞。當(dāng)前太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，利用現(xiàn)代電能變換技術(shù)實(shí)行光伏逆變控制，具有很好的潛力［1－2］。本文將單片機(jī)技術(shù)與SPWM技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種用軟件產(chǎn)生SPWM波的方法。結(jié)合功率器件具有高速、大電流的特點(diǎn)，研制出光伏并網(wǎng)的逆變電源，通過(guò)改變調(diào)制深度（即采用不同的脈寬組）實(shí)現(xiàn)了良好的穩(wěn)壓控制［3］。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)頻率相位跟蹤，具有過(guò)流、過(guò)壓、短路保護(hù)（報(bào)警并停止輸出SPWM波）等功能，自動(dòng)穩(wěn)壓性能好，輸出波形失真小，可為工業(yè)上實(shí)現(xiàn)光伏并網(wǎng)提供參考。

研究電能逆變技術(shù)不僅對(duì)提高能源利用率、減少污染具有巨大的作用，而且還能滿足各種用電設(shè)備對(duì)不同電壓、頻率的需求。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)

設(shè)計(jì)并制作一個(gè)光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。用直流穩(wěn)壓電源Us和電阻Rs模擬光伏電池，Rs＝30～36Ω；UREF為模擬電網(wǎng)電壓的正弦參考信號(hào)，頻率fREF為45～55Hz；T為工頻隔離變壓器，變比n2：n1＝2：1，n3：n1＝1：10，將 UF作為輸出電流的反饋信號(hào)；負(fù)載電阻RL＝30～36Ω。

圖1 并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

2.1 系統(tǒng)框圖及工作原理

圖2為系統(tǒng)框圖。系統(tǒng)以PIC16F877A單片機(jī)為核心，由I／O口產(chǎn)生的SPWM信號(hào)控制DC—AC逆變電路，通過(guò)LC濾波器獲得正弦波；經(jīng)過(guò)工頻變壓器耦合分兩路輸出，一路作為輸出電壓供用戶使用，另一路作為反饋信號(hào)，與外接基準(zhǔn)信號(hào)比對(duì)，經(jīng)調(diào)理電路，利用單片機(jī)的捕捉模塊和外部中斷實(shí)現(xiàn)相位和頻率的跟蹤；當(dāng)改變外部基準(zhǔn)電壓頻率時(shí)，輸出的正弦波也隨之改變；系統(tǒng)中還設(shè)有過(guò)流、欠壓、過(guò)壓等各種保護(hù)功能，保證系統(tǒng)安全可靠地工作。利用A／D模塊采樣電源電壓和輸入電壓，通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)制度m，使Ud＝Us／2，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤；此外系統(tǒng)由LCD液晶實(shí)時(shí)顯示電流、電壓及頻率。

圖2 系統(tǒng)框圖

2.2 電壓SPWM波的產(chǎn)生

正弦脈寬調(diào)制原理是建立在脈沖調(diào)制波的等面積設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，使每段矩形波的面積等于對(duì)應(yīng)段正弦電壓波的面積。采用對(duì)稱規(guī)則采樣法去逼近正弦波，從而可求得SPWM 的導(dǎo)通時(shí)間［4］：

其中m＜1，為調(diào)制率，N為SPWM載波周期數(shù)，載波周期為T(mén)0，則逆變輸出調(diào)制電壓的周期T＝N·T0。由（1）式可知，改變調(diào)制比m，可改變SPWM的導(dǎo)通時(shí)間，即改變輸出電壓的幅度。

根據(jù)（1）式，利用PIC6F877A內(nèi)含的16位定時(shí)器，可用軟件算法結(jié)合I／O口實(shí)現(xiàn)相位相反的2路SPWM信號(hào)。

2.3 驅(qū)動(dòng)電路及逆變主電路

IR2110驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。IR2110具有3路輸入信號(hào)和2路可用于直接驅(qū)動(dòng)中小容量功率場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）、場(chǎng)效應(yīng)控制晶閘管（MCT）等［5］的輸出信號(hào)。IR2110沒(méi)有死區(qū)時(shí)間的控制，但可通過(guò)軟件設(shè)置死區(qū)時(shí)間控制，這樣可以靈活地調(diào)整死區(qū)時(shí)間的設(shè)置。

圖3 IR2110驅(qū)動(dòng)電路

圖4為DC—AC逆變主電路，其中G1～G4為MOSFET管IRF840控制端，單片機(jī)通過(guò)I／O口產(chǎn)生的SPWM控制信號(hào)間接控制G1～G4，來(lái)控制 MOSFET管IRF480的開(kāi)關(guān)，經(jīng)過(guò)LC濾波，再經(jīng)變壓器隔離后輸出正弦波。

在LC低通濾波器中，對(duì)于基波電壓而言，串聯(lián)電感阻抗小，落在電感上的基波電壓小，并聯(lián)電容等效阻抗大，流過(guò)電容的基波電流小，負(fù)載等效電壓、電流大［6］。SPWM調(diào)制下輸出濾波電感的值一般是由電感電流的最大紋波所決定，一般可取該值為滿功率輸出時(shí)正弦電流峰值的15%。

2.4 最大功率點(diǎn)跟蹤

當(dāng)RS＝RL時(shí)，即 Ud＝Us／2，功率達(dá)到最大。由圖4的AN0、AN1分別對(duì)Us及Ud采樣，當(dāng)控制系統(tǒng)檢測(cè)到Ud＞Us／2時(shí)，適當(dāng)調(diào)大調(diào)制率m，使裝置中的等效電流Id增大，根據(jù)歐姆定律Rd＝Uo／Id可知，系統(tǒng)的等效輸出電阻Rd減小，最終光伏電池的端電壓Ud下降。反之，當(dāng)控制系統(tǒng)檢測(cè)到Ud＜Us／2時(shí)，可適當(dāng)調(diào)小調(diào)制率m，從而使Ud＝Us／2實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。

2.5 頻率相位跟蹤電路

如圖4所示，由TL084、CD4030及外圍電路實(shí)現(xiàn)頻率相位跟蹤。UF為反饋信號(hào)輸入端，UREF為基準(zhǔn)信號(hào)輸入端。反饋信號(hào)和基準(zhǔn)信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波、跟隨、比較后，在各自的比較器輸出方波。將比較器的輸出作為異或門(mén)輸入信號(hào)，若兩反饋信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)同相，則輸出為邏輯0，否則輸出邏輯1。相位信號(hào)被接到單片機(jī)的外部中斷，經(jīng)單片機(jī)處理可實(shí)現(xiàn)相位跟蹤?；鶞?zhǔn)信號(hào)調(diào)理電路的比較器的輸出信號(hào)接到RC2，通過(guò)PIC單片機(jī)的捕捉模塊CCP1進(jìn)行頻率捕捉，實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤。為了達(dá)到較好的跟蹤效果，反饋信號(hào)和基準(zhǔn)信號(hào)的調(diào)理電路應(yīng)完全相同。

2.6 保護(hù)功能

在設(shè)計(jì)中采用交流互感器作為電流檢測(cè)。如圖4所示，CT102為電流互感器，取樣電阻200Ω，電流互感器檢測(cè)法具有較寬的寬帶，可以輸出良好的波形。單片機(jī)可根據(jù)電流大小實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)。

3 程序流程

圖5為主程序流程。SPWM由TMR2中斷實(shí)現(xiàn)，CCP1用于測(cè)頻，外部中斷RB0及RC7用于測(cè)相位。

4 測(cè)試結(jié)果

圖6中（a）（b）（c）分別是在頻率為50Hz，輸入電源Us為31.4V下純阻性、感性和容性負(fù)載下的波形。從圖中可看出，在不同負(fù)載下相位都能達(dá)到相位跟蹤的效果，但反饋信號(hào)中波形出現(xiàn)毛刺。（d）的輸出波形很光滑，可見(jiàn)出現(xiàn)毛刺可能是因?yàn)榉答佔(zhàn)儔浩鞯膯?wèn)題。系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果如表1～表3所列。

圖4 DC—AC逆變主電路

圖5 主程序流程

圖6 輸出波形觀察

表1 最大功率點(diǎn)跟蹤（f＝50Hz）

表2 效率測(cè)量（f＝50Hz）

表3 頻率測(cè)量（Us＝31.5V） Hz

結(jié) 語(yǔ)

系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以PIC16F877A單片機(jī)為核心，輸入電源Us為25～50V可調(diào)的并網(wǎng)發(fā)電裝置，實(shí)現(xiàn)了最大功率點(diǎn)跟蹤、相位和頻率的跟蹤。在頻率45～78Hz范圍內(nèi)，不管是容性、感性、純阻性的負(fù)載，相位和頻率誤差滿足預(yù)期設(shè)計(jì)要求（＜5%）；系統(tǒng)中還設(shè)有過(guò)流、欠壓、過(guò)壓等各種保護(hù)功能，其中過(guò)流保護(hù)的電流值可設(shè)定，并且實(shí)際的保護(hù)動(dòng)作與設(shè)置的保護(hù)基本同步，保證系統(tǒng)安全可靠地工作。

［1］周培濤，李成貴.基于TMS320F2812的太陽(yáng)跟蹤器設(shè)計(jì)［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2010（11）：64－66.

［2］周雷，呂廣才，譚偉東.太陽(yáng)能電池發(fā)電量實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2010（4）：22－23.

［3］王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)［M］.4版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［4］王曉明.電動(dòng)機(jī)的DSP控制——TI公司DSP應(yīng)用［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

［5］王水平，王亞聰.MOSFET／IGBT驅(qū)動(dòng)集成電路及應(yīng)用［M］.北京：人民郵電出版社，2009.

［6］陳堅(jiān).電力電子技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2006.