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        光伏實(shí)驗(yàn)臺上基于STC單片機(jī)的離網(wǎng)逆變器設(shè)計(jì)

        2014-03-26 03:48:00付柯楠
        關(guān)鍵詞:實(shí)物圖全橋電池板

        閻 娜,付柯楠

        (電子科技大學(xué) 機(jī)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(qiáng)度1 000 W/m2、電池板溫度25 ℃、空氣質(zhì)量1.5的實(shí)驗(yàn)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(fù)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(jì)。

        1 離網(wǎng)逆變器主控芯片選型

        1.1 單片機(jī)選型

        逆變器的主控芯片選用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的單片機(jī)STC12C5A60S2,實(shí)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(jī)圖

        1.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

        單片機(jī)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(dá)到逆變的需要。主控單元實(shí)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(lán)色)。

        圖2 主控單元實(shí)物圖

        2 離網(wǎng)逆變器硬件設(shè)計(jì)

        硬件設(shè)計(jì)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(jì)[6]。

        2.1 逆變電路設(shè)計(jì)

        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(qiáng)型場效應(yīng)晶體管,耐壓高達(dá)500 V、內(nèi)阻小于0.27 Ω,漏極電流達(dá)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(shí)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(diǎn)跟蹤器處理后引出的正、負(fù)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(shí)物圖

        全橋電路實(shí)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(fù))。下方2個插座是逆變器的輸出。

        圖4 全橋電路實(shí)物圖

        2.2 死區(qū)電路設(shè)計(jì)

        死區(qū)電路分兩部分,先通過2個反相器將2個PWM信號擴(kuò)展為2組互補(bǔ)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(jì)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(jī)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(dāng)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(shí)際。

        死區(qū)電路實(shí)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(jī)的P1.3口,PWM2接單片機(jī)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(shí)物圖

        2.3 電源電路設(shè)計(jì)

        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(jìn)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(shí)物圖見圖8,它為單片機(jī)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(shí)物圖

        圖9 7.0 Ah蓄電池圖

        2.4 隔離驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

        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(dá)1.5 A。

        每個隔離驅(qū)動電路需有獨(dú)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(shí)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(shí)物圖

        2.5 輸出濾波電路設(shè)計(jì)

        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(dāng)C值較大時,L值就變小,同樣負(fù)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(fù)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(shí)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(shí)物圖

        3 離網(wǎng)逆變器軟件設(shè)計(jì)

        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(jì)

        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(jìn)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(jì)

        主程序在初始化后進(jìn)入SPWM脈寬計(jì)算程序,計(jì)算相應(yīng)的脈沖寬度,等待中斷標(biāo)志位以響應(yīng)不同的中斷。一旦有PCA中斷標(biāo)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(jì)算機(jī)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(jī)中。

        4.2 逆變器測試

        測試裝置見圖15。接好線后開啟實(shí)驗(yàn)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(shí)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(yùn)行之后,該逆變器依然穩(wěn)定工作。

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