基于单片机STC12C5408AD光伏并网发电系统设计

1基于单片机STC12C5408AD光伏并网发电系统设计朱士虎1王立巍徐州师范大学物理与电子工程学院,江苏徐州221116摘要：最大功率点跟踪是光伏并网发电系统中经常遇见的问题。系统设计采用电流型控制芯片UC3845实现最大功率点跟踪（MPPT），由单片机STC12C5408AD产生SPWM信号，实现频率相位跟踪功能、输入欠压保护功能、输出过流保护功能。结果表明，该设计不但电路设计简单，软硬件结合，控制方法灵活，而且能够有效的完成最大功率跟踪的目的。关键词：STC12C5408ADDC-AC转换电路MPPT中图分类号:TM464文献标识码:BDesignofgrid-connectedphotovoltaicsystembasedonSTC12C5408ADZHUShi-huWANGLi-weiSchoolofPhysics&ElectronicEngineering,XuzhouNormalUniversity,Xuzhou,Jiangsu,221116,ChinaAbstract:MaximumPowerPointTrackingisoneofthemostimportantproblemsforthegrid-connectedphotovoltaicsystem.MPPTcanbeachievedusingthecurrentcontrolchipUC3845.MCUproducestheSPWMsignal,thesystemhasmanyfunctions,suchasfrequencyandphasetrackfunction,andtheprotectionfunctionofinputvoltagelackandoutputcurrentoverflow.Theresultshowsthatthissystemnotonlyhassimplecircuitdesignandflexiblecontrolmethod,butalsocanachievethetargetofmaximumpowerpointtrackingeffectively.Keywords:STC12C5408ADDC-ACConversionCircuitMPPT太阳能作为绿色能源,具有无污染、无噪音、取之不尽、用之不竭等优点,越来越受到人们的关注。光伏电池的输出是一个随光照、温度等因素变化的复杂量，且输出电压和输出电流存在非线性关系。光伏系统的主要缺点是初期投资大、太阳能电池的光电转换效率低。为充分利用太阳能必须控制电池阵列始终工作在最大功率点上，最大功率点跟踪(MPPT,MaximumPowerPointTracker)是太阳能并网发电中的一项重要的关键技术。1设计任务为研究方便设计一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，US=60V，RS=30Ω~36Ω；uREF为模拟电网电压的正弦参考信号，其峰峰值为2V，频率fREF为45Hz~55Hz；T为工频隔离变压器，变比为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=30Ω~36Ω。要求系统具有最大功率点跟踪（MPPT）功能，频率、相位跟踪功能，输入欠压保护和输出过流保护功能。另外要求系统效率高、失真度低。DC-ACUdIdio1uouREF+-RLuFuo1滤波器控制电路n1n2n3USRS+-Tio图1并网发电模拟装置框图作者简介：朱士虎（1970—），男，江苏淮安人，讲师，硕士，主要从事电路与系统研究。22系统总体方案光伏并网系统主要由前级的DC-DC变换器和后级的DC-AC逆变器组成。在系统中,DC-DC变换器采用BOOST结构,主要完成系统的MPPT控制;DC-AC部分采用全桥逆变器,维持中间电压稳定并且将电能转换成110V/50Hz交流电。设计采用单片机SPWM调制，驱动功率场效应管，经滤波产生正弦波，驱动隔离变压器，向负载输出功率。系统设计保证并网逆变器输出的正弦电流与电网电压同频同相。系统总体硬件框图如图2所示：图2系统总体硬件框图3MPPT原理及电路设计3.1MPPT原理由于光伏阵列的最大功率点是一个时变量，可以采用搜索算法进行最大功率点跟踪。其搜索算法可分为自寻优和非自寻优两种类别。所谓自寻优算法即不直接检测外界环境因素的变化,而是通过直接测量得到的电信号,判断最大功率点的位置。典型的追踪方法有扰动观测法和增量导纳法等。增量导纳法算法的精确度最高,但是,由于增量导纳法算法复杂,对实现该算法的硬件质量要求较高、运算时间变长，会增加不必要的功率损耗,所以实际工程应用中,通常采用扰动观测法算法]1[。扰动观测法原理:每隔一定的时间增加或者减少电压,并通过观测其后功率变化的方向,来决定下一步的控制信号。其具体调整方案如下:U、I为上一次的检测值,P为对应的输出功率;U1、I1为当前检测值,P1为对应功率。对应增大参考电压会出现以下两种情况:(1)P1P,说明扰动方向正确,系统应保持原来的扰动方向;(2)P1P,说明扰动方向错误,系统需要调整扰动方向。当寻优过程处于暂态过程时,即光伏阵列输出功率与最大功率的差值较大时,则增大步长,以改善动态响应特性,提高追踪速度;当寻优过程接近稳态时或输出功率的波动只由步长的大小决定时,则减小步长,以提高稳态响应品质]2[。如此反复直到工作点接近Pmax。这是一个自寻优的过程,它的控制原则是参考电压的变化始终让电池输出功率朝大的方向改变。3.2MPPT电路设计当一个内阻不为零的电源和负载相连时,当负载的电阻值和电源内阻值相等时即电源输出电压等于电源额定电压的1/2时,负载上获得最大功率。将DC-DC变换器输入、输出电压和电流测量结果经过单片机分析运算,由单片机输出PWM脉冲调节DC-DC转换器功率开关DC-DC升压光伏电池（模拟）DC-AC逆变工频隔离变压器STC12C5408AD单片机(主)欠压保护uFuREF过流保护STC12C5408AD单片机(从)负载3管的占空比。调节占空比D可以使MPPT电路从输人端看进去的等效电阻发生改变，进而达到阻抗匹配的目的，就可以实现DC-DC转换电路在光伏发电系统中对太阳能电池最大功率点的跟踪]3[。D?E11000uFM112345678U1UC3845GNDGNDR11W/680E2100uFR4150KC31000PR333KGNDR610KC40.01uFC54700PGNDR722R81KC64700PGNDR100.1GNDR?3.3KD?18VGND75N75L?INDUCTOR2C?1000uFGNDVCCUdRL图3DC-DC电路图太阳能光伏阵列输出电压和输出电流的检测对最大功率跟踪功能的实现是至关重要的，精确的电压、电流测量值有助于提高最大功率点跟踪的准确性。因此，选用电流型PWM控制芯片UC3845可以方便的设定流过主开关的电流峰值，而且还能提高系统的动态响应。具体电路如图3所示。实现最大功率跟踪功能即满足d12sUU，因此，采用DC-DC的输出电压来调整DC-AC的输出，使负载RL消耗的功率改变。当d12sUU时致使VCC电压升高，此时DC-AC输出的正弦波幅值增大，因此，负载RL消耗的功率增大，导致dU减小，从而实现MPPT功能。4DC-AC电路设计DC-AC转换器采用SPWM方式的全桥逆变电路，此电路的核心是SPWM发生器。其控制电路采用STC12C5408AD单片机控制，通过软件查表法产生SPWM，采用TLP250驱动功率场效应管，实现DC-AC转换。再通过电压电流采样电路，接单片机中断，可实现频率跟踪、相位跟踪与欠压、过流保护。DC-AC主电路采用全桥逆变方式，其开关器件采用功率场效应管，为了降低开关器件的通态损耗，采用大电流低内阻75N75，由于功率场效应管在其导通和关闭的过程中，会有部分开关损耗。为了降低损耗提高DC-AC的整体效率，在调制SPWM过程中，上桥臂采用50Hz调制，下桥臂采用40kHz载波信号，这样就可以减少一半的开关损耗，极大的提高了DC-AC的效率。由于单片机可编程，在不改变硬件的情况下，可灵活改变波形参数及预置的电压电流参数，实现频率相位跟踪与欠压过流保护，可以随时修改程序，方便调试。DC-AC电路如图4所示。4Q375N75Q275N75Q175N75Q475N75R3240TLP25032568R4240TLP25032568LuLGNDGNDGND15V-215V-3R6240TLP25032568LuGND15VR2240TLP25032568LuGND15VC11uFVCCR7100R51KGNDR81KGNDLR11KUfRL图4DC-AC电路图5频率与相位跟踪uREF为模拟电网电压的正弦参考信号，uF为工频隔离变压器n3线圈端取出电压，将uF与uREF进行过零检测得到方波，将半个周期的脉冲送入单片机，单片机以uF的上升沿为计数器的起始时间，以uF的下降沿和uREF的下降沿为两个计数器截止时间，单片机就可以得到uF的脉冲宽度和uF与uREF的下降沿之间的宽度。进而得到uF的频率和输出波形的相位差。主单片机将频率和相位误差数据送入从单片机，从单片机调整PWM波的占空比修正频率，改变查表时的入口就可以跟踪到相位。进而调整输出SPWM的频率与相位，实现频率和相位追踪。6保护电路的设计欠压保护将Ud的电压经电阻分压后，送至比较器的反向端与同向端的基准进行比较，一旦其电压值高于同向端的基准，比较器就会向单片机输送低电平信号，直至单片机关断所有PWM信号，进而实现欠压关断输出。当Ud的电压恢复到大于25V时，比较器就会向单片机输送高电平信号，单片机将重新开通PWM信号，实现恢复输出。采用电流互感器将检测到的电流信号通过运放放大后与给定的基准进行比较，从而实现输出过流保护。7程序流程图为提高响应时间选用高速、宽电压、低功耗单片机STC12C5408AD，速度比普通8051单片机快。还有10位ADC，四路PWM。由于次单片机只有两个定时器T0、T1,产生PWM波和单片机通信分别要用定时器T0和T1。鉴于此，主从单片机采用并行通信方式。程序开始时，先进行初始化。5开始初始化从单片机延时开启主单片机捕获相位和频率，发送到从单片机从单片机接收相位、频率数据，建立软件闭环主单片机正常捕获频率、相位数据，并将频率数据和相位差值送入从单片机从单片机扫描外部事件（欠压、过流）N关闭UC3845；关闭PWM；开启中断主单片机捕获频率数；从单片机等待主单片机信号；从单片机开启PWM;强制同步外部参考源相位从单片机强制5个正弦？Y从单片机对数据进行修正输出PWM波图5程序流程图8测试结果当RS和RL在适当范围内变化时，用万用表测试出输入电流电压、输出电流电压，从而可以计算出系统的转换效率odPP，其中oo1o1PUI，dddPUI。US采用实验室可调直流稳压电源输入60V，待系统稳定后用万用表测出dU、dI和1oU、1oI，测试数据见表1。表1变换器效率测算测试次数dU(V)dI(A)1oU(V)1oI(A)(%)1291.041080.23283229.50.981090.225853301.021100.24287430.31.011120.23084当fREF在给定范围内变化以及加非阻性负载时，用示波器观察正弦波uF和参考正弦波uREF的频率相位偏差，可算出相位偏差绝对值REFFd及相对频率偏差绝对值REFREFFdffff，测量数据如表2所示。6表2频率相位偏差测算测试项目1234d3°4°3°2°df0.76%0.85%0.74%0.65%9结论多次测量结果表明，相位偏差绝对值05d，相对频率偏差绝对值%1df，转换效率%80达到系统设计要求。提高光电转换效率是光伏并网发电系统设计的关键，在DC-DC升压电路与DC-AC逆变电路采用75N75场效应管，开关速度快、导通电阻小、承受电流大、功耗低；+5V供电部分使用