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基于单片机的离网光伏逆变器的设计研究

2020-12-23 195 上传者：管理员

摘要：本文提出了一种基于8位单片机的离网光伏逆变器的设计。系统以AT89LP216单片机为核心,通过EE40高频升压变压器将原直流侧24V的低压电变为符合逆变要求的310V高压直流电,利用TLP250模块控制逆变电桥中场效应管IRFP460的通断,产生的SPWM脉冲通LC滤波电路后输出标准正弦波。文中给出了系统的功能框图,并对相应的软硬件电路进行了设计。该逆变器能够产生标准的220V交流电,同时具备自调节及保护功能。

关键词：
AT89LP216
光伏逆变器
太阳能
新能源装备
正弦波
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随着经济的飞速发展以及人们对于能源需求的不断增长，我国已经成为世界能源生产和消费的大国，石油、煤炭等不可再生资源的过度使用造成了全世界能源的短缺，同时造成了严重的环境问题。太阳能作为众多清洁能源中的一种，具有储存量巨大、清洁、无污染等优点，被全世界定义为21世纪最有开发潜力的能源。目前太阳能电池片的转换效率不断提高，光伏发电能够有效弥补能源缺口并改善环境，因此光伏发电技术的研究具有十分重要的意义[1]。逆变器作为光伏发电系统中的核心模块，其作用将光伏系统产生的直流电转换为日常可利用的交流电，因此一种高效的离网光伏逆变器具有极高的研究价值[2]。

1、方案总体设计

本逆变器可分为升压模块、逆变模块、驱动模块、保护模块、滤波模块和主控制模块。升压模块用于将直流侧24V电压经过逆变—升压—整流，输出310V高压直流电;驱动/逆变模块是将310V的直流电利用SPWM控制技术，输出220V等效交流电;保护模块用于检测输出电压或者电流值，超出正常范围时，逆变器停止工作;滤波模块用于将输出的等效PWM波转换为标准正弦波输出，主控制电路模块用于协调处理各部分工作。

2、硬件电路设计

2.1主控制模块

本系统选用AT89LP216单片机作为主控芯片，其具有低功耗、高性能的优点。AT89LP216有一个加强型的CPU，其运行速度可以达到传统51单片机的6—12倍，生产采用高密度非易失性存储器技术，内部包括ISPFlash存储器(2K字节)、RAM存储器(128字节)，12个输入输出口(I/O口)，2个定时/计数器(16位)，两路PWM输出，一个可编程看门狗定时器，一个全双工串口，一个串行外围接口，一个内部RC振荡器，一个4级、6矢量中断系统。在系统中，该芯片主要负责检测输出电压、负载电流，控制驱动/逆变模块，使输出标准的220V正弦交流电。所以采用AT89LP216单片机作为主控芯片完全满足系统的设计要求。

2.2升压模块

升压模块将输入的24V直流电，通过四个IRF3205PBFMOS管组成的逆变电桥[3]，将直流电转变为交流电，利用高频变压器EE40进行升压，将高频变压器副边输出的交流高压再通过四个快速恢复二极管RHRP8120组成的整流桥，将交流电整流为直流电输出，直流电压值保持在310V左右，从而实现了将输入端24V低压直流电升压为310V高压直流电。

2.3驱动/逆变模块

为了将310V直流电转变为日常可利用的220V交流电，本设计采用四个MOS管组成逆变电桥，外围辅助以保护电路，逆变电桥的一条桥臂由两个MOS管IRFP460组成，另一条桥臂由两个MOS管IRF3205PBF组成，每个MOS管是否导通由单片机控制，驱动电路主要由光耦合器TLP250、中功率三极管8050D/8550D组成。在工作中，单片机根据输出电压的大小，利用SPWM控制技术控制驱动电路改变四个MOS管的导通时间，从而实现220V交流电压的稳定输出。逆变电路和驱动电路分别如图1所示。

图1逆变电路

逆变电路左侧输入电压为310V高压直流电，右侧从两条桥臂中间各引出一条支路，输出220V等效交流电，由此完成DC-AC的转换。

驱动电路左侧连接单片机I/O口，右侧与逆变电桥的MOS管相连，单片机利用SPWM方法控制四个MOS管的通断，实现正弦交流输出。

2.4保护模块

单片机利用分压方式采集逆变电桥直流侧电压，分压电路由1M欧电阻和10K欧电阻串联组成，单片机采集的电压值约为原值的1%，当检测的电压值超出310V时，单片机控制升压模块中的逆变电桥，减小其导通时间，使输出电压值变小;当检测的电压值小于310V时，则增加升压模块中逆变电桥的导通时间，使输出电压值变大，从而保证升压电路整流输出电压值稳定在310V，确保输出交流电压有效值为220V。

过流保护电路防止负载工作电流过大损坏逆变器，在逆变电路输出端口安装电流互感器，采集负载端口工作电流，并将值送至单片机I/O口，若电流值在正常范围，光伏逆变器正常工作;若工作电流值超过逆变器工作电流的上限，则单片机控制逆变器，使其停止工作，已达到保护逆变器的目的。

2.5滤波模块

逆变电桥输出的为等效220的SPWM波形，为了使最终AC1/AC2输出端口输出的波形为标准的正弦交流电必须加滤波电路，本设计采用LC滤波电路[4]，电感L值为4.7uH，电容值规格为1uF/630V。具体电路如图2所示。

图2LC滤波单路

3、系统软件设计

主程序流程图如图3所示，其功能主要完成变量参数及系统的初始化设置，之后开中断、开启定时器，在系统满足输入条件的情况下执行循环程序，等待中断的发生。

中断子程序流程图如图4所示，中断的类型主要包括定时器中断、外部中断等，它用于实时控制要求较高的场合，本系统发生中断时，首先保护现场，其次判断是否有保护动作(过压、欠压、过流保护)发生，若发生保护，系统禁止PWM(脉宽调制)波输出，同时故障标志位置1;若未发生保护，则将采集的数据经A/D转换后存储，重置占空比D值，恢复现场，最后执行中断返回。系统设计添加中断程序后，运行更加符合条理、顺畅、灵活。

图3主程序流程图

图4中断程序流程图

4、实验部分

经过实际测试，该逆变器能够将直流侧输入的24V直流电，升压为310V直流电，之后通过SPWM控制技术，逆变电路输出SPWM等效脉冲，之后经过LC滤波电路后，实现标准正弦波(有效值为220V)的输出。离网逆变器输出的正弦波交流电曲线如图5所示。

图5逆变器输出交流正弦波形

5、结语

利用AT89LP216单片机作为主控芯片，结合其他功能电路构成的离网光伏逆变器，采用SPWM控制技术，使输出波形具有波形好、失真度低等优点，该逆变器采用闭环控制，输出电压具有自我调节能力。从整体上来看，该逆变器能够输出标准正弦波，同时具有过压/欠压、过流保护功能，能够较好的满足光伏发电系统的需求，具有较大的实用价值。

参考文献：

[1]李建.应用于独立光伏发电系统的功率管理器[D].浙江大学,2014.

[2]刘慧洁,何建玲,蔡新明.光伏并网发电与建筑一体化研究[J].科研,2015(33):141.

[3]刘仿,肖岚.SicMOSFET开关特性及驱动电路的设计[J].电力电子技术,2016,50(6):101-104.

[4]林渭勋.现代电力电子电路[M].杭州:浙江大学出版社,2006:12-14.

张新亮.基于单片机的离网光伏逆变器的设计[J].科技风,2020(36):12-13.

基金:江苏省首批产教融合型试点企业(江苏中天科技股份有限公司)建设项目;江苏省教育科学“十三五”规划2020年度规划课题(立项编号:B-b/2020/03/13)课题名称:基于1+X证书制度的高职院校人才培养体系的改革与实践——以新能源汽车技术专业为例