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。
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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:
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