基于PIC的家用太阳能逆变器研制

上海师范大学信息与机电工程学院 袁志刚 张自强 潘东昱 廖向如 潜丽旭

1 引言

我国经济正处在一个飞速发展的时期，各种能源需求量在未来仍将快速增长。如今人类赖以生存的化石能源日渐减少，开发再生新能源就势在必行。在各种新能源的使用中，最具有应用前景的就是太阳能发电。因为太阳能作为人类取之不尽用之不竭的可再生能源，具有储量的无限性、存在的普遍性、开发利用的清洁性以及逐渐显露出的经济性等优势，它的开发利用就成为解决常规能源尤其是化石能源带来的能源短缺、环境污染和温室效应等诸多问题的有效途径，理所当然成为人类理想的替代能源[2]。

太阳光辐射能经太阳能电池转换为电能，然后再经过能量存储、能量变换控制等环节，最终向负载提供合适的直流或交流电能[3]。与常规发电相比，太阳能光伏发电技术有着不可比拟的优势。近年来，光伏发电技术也有了广泛的应用，随着我国新能源法及各项政策的颁布，光伏发电系统将在我国拥有更广阔的发展空间。光伏技术和电能变换技术的结合必将取得更大的发展，独立发电系统的建立将在西部无电或缺电地区会有广泛的应用前景[4]。

光伏电池将太阳能转化为电能储存在蓄电池后，需要直流升压电路将低压直流转变为稳定的高压直流，以供后级逆变电路转换。在光伏系统中，由于用户或用电器的原因，大量的用户负载是交流负载，因此需要使用逆变设备，将太阳能电池组件产生的直流电或者蓄电池释放的直流电转化为负载需要的交流电[5]。逆变环节就是将蓄电池的直流电能转化为交流电能供用户使用，因此对逆变器的设计也是独立光伏系统设计的关键环节[6]。

在本课题中经过光伏电池给蓄电池充电后，蓄电池输出的是12V的低压直流，如果要供给家用电器使用，则需要220V的交流，所以需要首先对12V的低压直流升压至400V左右，再逆变为220V的交流电压才能供给家用电器正常使用。

2 系统结构

根据独立光伏发电系统基本原理，家用独立光伏发电升压逆变系统主要包括光伏方阵、储能蓄电池、逆变器、MCU控制器和交流负载模块。逆变器包括两个部分直流升压和逆变电路。其中光伏方阵是光伏发电系统最基本的单位[7]，实现光能转化为电能；蓄电池组可以存储光伏方阵发出的电能，随时向负载供电；直流升压电路采用推挽式结构，再经整流滤波将12V直流电压升为400V左右的直流电压；逆变电路则采用全桥式逆变电路，用于把400V左右的直流电压转换为220V的交流电压，以供家用电器的使用；MCU控制器采用PIC16F716单片机作为主控芯片，编程产生SPWM波来控制逆变电路。

独立光伏系统框图如下图1所示：

图1 独立光伏系统框图

3 硬件设计

3.1 DC/DC部分的设计

升压环节的主电路如图2所示。升压主电路是由推挽逆变电路、整流滤波电路、控制电路、隔离反馈电路以及保护电路等构成。蓄电池输入电压为12V直流，对家用电器供电则要求220V稳压，因此必须加升压变压器。经分析比较各升压电路优缺点后最终选择了推挽式电路作为本设计中DC/DC主电路。升压电路的核心芯片是SG3525，设置实现PWM的输出，输出正负交替的矩形波来控制两个功率开关管的通断，最终使12V低压直流变为400V高压交流再经整流滤波后变为400V直流。

图2 推挽变换器的电路原理图

3.2 DC/AC部分的设计

逆变电路的功能是将直流升压得到的高压直流电转换为220V、50Hz正弦交流电压输出。

常用的单相逆变电路有半桥和全桥两种结构，半桥电路结构比较简单，但输出电压低，所以适合中小容量场合；全桥电路结构复杂，但控制灵活，且输出电压是半桥电路的两倍，所以就适合于较大容量场合[8]。相比而言本设计中逆变电路采用单相全桥电压型。

全桥逆变电路的驱动信号采用广泛应用的SPWM信号，SPWM控制具有损耗小、输出稳定等优势。

如图3所示为逆变电路原理图，主要包括功率桥电路、控制电路和保护电路等。首先PIC16F716处理器对输入的直流电进行SPWM调制，再经过LC滤波电路输出所需的正弦交流电压。采用电压瞬时值反馈，对输出电压进行采样隔离[9]，反馈信号经过A/D变换送给PIC16F716保存，得到脉宽控制量，通过SPWM生成环节产生各功率管的驱动信号，控制功率管的通断，使输出电压尽可能跟踪基准正弦给定信号[10]。

4 软件设计

本设计中的 SPWM控制技术很好地把软硬件技术结合在一起，在编程方法上则针对规则采样法谐波大的缺点，采用面积等效法较好地抑制了谐波。

图3 逆变环节主电路图

PIC16F716单片机集成了增强型PWM模块，产生的SPWM模块具有10位的分辨率，并支持半桥、全桥模式，可编程死区时间。在编程中就利用该模块产生两路互补的SPWM波形。然后再将这两路SPWM波互补导通的原则变换成四路，经隔离放大后驱动场效应管，从而实现对输出的控制[11]。SPWM波产生的主程序图如图4所示，先设置配置位，然后设置Timer1的中断时间和Timer2的SPWM模式，再设置电压电流的保护位等。

图4 主程序流程图

5 实验结果

根据实验原理图把硬件分为DC/DC升压板；保护电路板（包括过载和短路保护等）；SPWM产生板和功率主板四块板子，焊接完成后，对前级DC/DC升压部分和后级逆变部分进行联调，最后制作样机并进行了实验。实验波形如下图所示：

图5-1 同一桥臂Q11、Q12的驱动信号

图5-2 同一桥臂Q13、Q14的驱动信号

如图5-1，5-2为驱动信号波形图，图5-1中1通道为Q11驱动信号，2通道为Q12驱动信号，在各自导通的半周期内分别为SPWM；同理图5-2中，1通道为Q13驱动信号，2通道为Q14驱动信号，两者成互补的SPWM波。

图6为阻性负载逆变器的输出波形，系统的波形基本接近正弦波。从图中可以看出，输出的交流电压幅度为225V，频率为50HZ，基本符合实际要求。

图6 阻性负载时输出波形

6 结语

本文根据光伏逆变的基本原理，以PIC单片机为控制核心实现逆变器控制波形的产生，从逆变环节的实验结果来看，最终产生的SPWM波是稳定可靠的，而且带载后输出正弦电压波形失真度小，电压波动率仅在3%左右。研究结果表明，设计的逆变系统是能产生较好的正弦波，同时该系统电路也具有短路保护、过载保护、过/欠压保护等功能。

[1]杨宏,王鹤.光伏系统中小功率逆变电源现状[J].太阳能,1999.3.

[2]刘胜利.现代高频开关电源实用技术[M].电子工业出版社,165-185.

[3]张占松.电路和系统的仿真实践[M].科学出版社,2000.

[4]张立,赵永建.现代电力电子技术M].科学出版社.

[5]阮新波,严仰光.脉宽调制DC/DC全桥变换器的软开关技术[M].科学出版社.

[6]李爱文,张承慧.现代逆变技术及其应用[M].科学出版社,2000,P102-103,P229-230.

[7]窦振中.PIC系列单片机原理和程序设计[M].北京航空航天大学出版社.

[8]胡长生.高性能逆变电源的研究[D].合肥工业大学硕士论文,P34-36

[9]张乃国.电源技术[M].中国电力出版社,82-124.

[10]赵争鸣.太阳能光伏发电及其应用[M].北京:科学出版社,2005.

[11]林渭勋.现代电力电子电路[M].1版.杭州:浙江大学出版社,2002.