PIC16F877A的光伏并网发电装置设计

摘要：并网发电系统以PIC16F877A单片机为核心，由DC-AC逆变电路、LC滤波电路、工频变压隔离器及调理电路构成。系统具有最大功率点(MPPT)、频率相位跟踪功能；具有过流、欠压、过压等保护功能，当系统故障排除后还可自动恢复正常工作；具有LCD液晶显示，具备良好的人机交互能力。
关键词：DC-AC逆变；SPWM；频率相位跟踪；最大功率点跟踪

引言
    新能源是21世纪世界经济发展中最具决定力的五大技术领域之一。太阳能是一种清洁、高效和永不衰竭的可再生能源，是满足未来全球电力需求的法宝。能源短缺、环境污染等问题的日益突出使太阳能电池备受青睐。当前太阳能光伏产业发展迅速，利用现代电能变换技术实行光伏逆变控制，具有很好的潜力。本文将单片机技术与SPWM技术相结合，设计了一种用软件产生SPWM波的方法。结合功率器件具有高速、大电流的特点，研制出光伏并网的逆变电源，通过改变调制深度(即采用不同的脉宽组)实现了良好的稳压控制。系统能够实现频率相位跟踪，具有过流、过压、短路保护(报警并停止输出SPWM波)等功能，自动稳压性能好，输出波形失真小，可为工业上实现光伏并网提供参考。
研究电能逆变技术不仅对提高能源利用率、减少污染具有巨大的作用，而且还能满足各种用电设备对不同电压、频率的需求。

1 系统设计任务
    设计并制作一个光伏并网发电模拟装置，其结构框图如图1所示。用直流稳压电源Us和电阻Rs模拟光伏电池，Rs=30～36 Ω；UREF为模拟电网电压的正弦参考信号，频率fREF为45～55 Hz；T为工频隔离变压器，变比n2：n1=2：1，n3：n1=1：10，将UF作为输出电流的反馈信号；负载电阻RL=30～36Ω。

2 系统设计思路
2．1 系统框图及工作原理
    图2为系统框图。系统以PIC16F877A单片机为核心，由I／O口产生的SPWM信号控制DC-AC逆变电路，通过LC滤波器获得正弦波；经过工频变压器耦合分两路输出，一路作为输出电压供用户使用，另一路作为反馈信号，与外接基准信号比对，经调理电路，利用单片机的捕捉模块和外部中断实现相位和频率的跟踪；当改变外部基准电压频率时，输出的正弦波也随之改变；系统中还设有过流、欠压、过压等各种保护功能，保证系统安全可靠地工作。利用A／D模块采样电源电压和输入电压，通过调节调制度m，使Ud=Us／2，实现最大功率点跟踪；此外系统由LCD液晶实时显示电流、电压及频率。

2．2 电压SPWM波的产生
    正弦脉宽调制原理是建立在脉冲调制波的等面积设计的基础上，使每段矩形波的面积等于对应段正弦电压波的面积。采用对称规则采样法去逼近正弦波，从而可求得SPWM的导通时间：
   
    其中m<1，为渊制率，N为SPWM载波周期数，载波周期为T0，则逆变输出调制电压的周期T=N·T0。由(1)式可知，改变调制比m，可改变SPWM的导通时间，即改变输出电压的幅度。
    根据(1)式，利用PIC6F877A内含的16位定时器，可用软件算法结合I／O口实现相位相反的2路SPWM信号。[!--empirenews.page--]
2．3 驱动电路及逆变主电路
    IR2110驱动电路如图3所示。IR2110具有3路输入信号和2路可用于直接驱动中小容量功率场效应管(MOSFET)、场效应控制晶闸管(MCT)等的输出信号。IR2110没有死区时间的控制，但可通过软件设置死区时间控制，这样可以灵活地调整死区时间的设置。

    图4为DC-AC逆变主电路，其中G1～G4为MOSFET管IRF840控制端，单片机通过I／O口产生的SPWM控制信号间接控制G1～G4，来控制MOSFET管IRF480的开关，经过LC滤波，再经变压器隔离后输出正弦波。

    在LC低通滤波器中，对于基波电压而言，串联电感阻抗小，落在电感上的基波电压小，并联电容等效阻抗大，流过电容的基波电流小，负载等效电压、电流大。SPWM调制下输出滤波电感的值一般是由电感电流的最大纹波所决定，一般可取该值为满功率输出时正弦电流峰值的15％。
2．4 最大功率点跟踪
    当RS=RL时，即Ud=Us／2，功率达到最大。由图4的AN0、AN1分别对Us及Ud采样，当控制系统检测到Ud>Us／2时，适当调大调制率m，使装置中的等效电流Id增大，根据欧姆定律Rd=Uo／Id可知，系统的等效输出电阻Rd减小，最终光伏电池的端电压Ud下降。反之，当控制系统检测到Ud<Us／2时，可适当调小调制率m，从而使Ud=Us／2实现最大功率点跟踪。
2．5 频率相位跟踪电路
    如图4所示，由TL084、CD4030及外围电路实现频率相位跟踪。UF为反馈信号输入端，UREF为基准信号输入端。反馈信号和基准信号经过滤波、跟随、比较后，在各自的比较器输出方波。将比较器的输出作为异或门输入信号，若两反馈信号与基准信号同相，则输出为逻辑0，否则输出逻辑1。相位信号被接到单片机的外部中断，经单片机处理可实现相位跟踪。基准信号调理电路的比较器的输出信号接到RC2，通过PIC单片机的捕捉模块CCP1进行频率捕捉，实现频率跟踪。为了达到较好的跟踪效果，反馈信号和基准信号的调理电路应完全相同。
2．6 保护功能
    在设计中采用交流互感器作为电流检测。如图4所示，CT102为电流互感器，取样电阻200 Ω，电流互感器检测法具有较宽的宽带，可以输出良好的波形。单片机可根据电流大小实现过流保护。
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3 程序流程
    图5为主程序流程。SPWM由TMR2中断实现，CCP1用于测频，外部中断RB0及RC7用于测相位。

4 测试结果
    图6中(a)(b)(c)分别是在频率为50 Hz，输入电源Us为31．4 V下纯阻性、感性和容性负载下的波形。从图中可看出，在不同负载下相位都能达到相位跟踪的效果，但反馈信号中波形出现毛刺。(d)的输出波形很光滑，可见出现毛刺可能是因为反馈变压器的问题。系统测试结
果如表1～表3所列。

结语
    系统主要实现以PIC16F877A单片机为核心，输入电源Us为25～50 V可调的并网发电装置，实现了最大功率点跟踪、相位和频率的跟踪。在频率45～78 Hz范围内，不管是容性、感性、纯阻性的负载，相位和频率误差满足预期设计要求(<5％)；系统中还设有过流、欠压、过压
等各种保护功能，其中过流保护的电流值可设定，并且实际的保护动作与设置的保护基本同步，保证系统安全可靠地工作。