光伏實驗臺上基于STC單片機的離網逆變器設計

閻 娜，付柯楠

(電子科技大學 機械電子工程學院，四川 成都 611731)

離網型光伏發電系統主要由太陽能電池板、蓄電池和逆變器三部分組成[1]，系統通過太陽能電池板將太陽能轉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換成交流電供交流設備使用[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換成與電網相同電壓的交流電，并送給交流負載[4]。逆變器分離網型和并網型。本文完成離網逆變器的設計。

1 離網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有的單片機STC12C5A60S2，實物圖見圖1。它集成了MAX810專用復位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉換(250 KB/s)。

圖1 單片機圖

1.2 單片機最小系統

單片機最小系統由外部晶振、復位電路、STC12C5A60S2芯片及開關和指示燈組成[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、USB轉串口驅動器、程序下載器等。板子左、右側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 離網逆變器硬件設計

硬件設計主要包括逆變電路、死區電路、電源電路、隔離驅動電路、輸出濾波電路等的電路設計[6]。

2.1 逆變電路設計

2.1.1 開關器件選型

本文中用的開關器件為IRFP460，它是N溝道加強型場效應晶體管，耐壓高達500 V、內阻小于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器件實現DC/AC逆變[8]。

圖3 全橋電路的原理圖

圖3中，橋式電路中的開關器件為MOS場效應管(IRFP460)，每個開關管反向并聯一個續流二極管。電池板的直流電經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。驅動信號輸入紅導線接門級，黑導線接源極。左右2個綠色插座接電池板發出的直流電(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 死區電路設計

死區電路分兩部分，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個與門組成死區電路。死區電路設計原理見圖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，經過死區電路的處理后，輸出4個信號分別為PWM1H、PWM1L、PWM2H、PWM2L。

死區電路參數參數選取：各R=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分別接到隔離驅動電路的輸入端。

圖5 死區電路原理圖

圖6 死區電路實物圖

2.3 電源電路設計

圖7是由7805構成的電源電路，穩壓芯片型號為L7805CV，是三端正電源穩壓電路集成芯片，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。

電源電路實物圖見圖8，它為單片機及其最小系統、死區電路提供5 V直流電，并且為后面隔離驅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 隔離驅動電路設計

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

每個隔離驅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。

隔離驅動電路分4部分，各部分電路結構完全相同且相互隔離，圖10為PWM1H所接的隔離驅動電路，其余三部分同理 。

圖10 PWM1H所接的隔離驅動電路圖

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

TLP250驅動的特征：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；開關時間(max)0.5μs。文中在TLP250輸入端(2腳)前串聯470 Ω電阻，經測試，串電阻后的輸入電流為4 mA，符合輸入要求。

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

圖11 隔離驅動電路實物圖

2.5 輸出濾波電路設計

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 離網逆變器軟件設計

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 主程序流程圖設計

上電后，先是系統初始化、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計

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

圖14 PCA中斷子程序流程圖

4 逆變器調試

4.1 程序調試

程序調試軟件為Keil uVision2，燒寫器為STC-ISP-V4.88，燒寫軟件STC-ISP-15xx-v6.38。調試時，先安裝PL-2303驅動，然后用USB-miniUSB將計算機和最小系統板連接起來。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，白熾燈光照向電池板，打開電源電路開關及最小系統板開關，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 結束語

測試的波形說明該逆變器完成了將直流電轉變為交流電的逆變功能，在較長一段時間的運行之后，該逆變器依然穩定工作。

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