高效高性能光伏水泵專用變頻器的研究與設(shè)計(jì)

摘要：闡述了以Intel80C196MC芯片為控制核心的高效高性能光伏水泵專用變頻器。系統(tǒng)采用逐步逼近法實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)電池的最大功率跟蹤（MPPT），同時(shí)通過(guò)恒V/f方式來(lái)實(shí)現(xiàn)交流光伏水泵系統(tǒng)的高效能量轉(zhuǎn)換。

關(guān)鍵詞：80C196MC芯片；光伏水泵；最大功率跟蹤

    當(dāng)今，隨著常規(guī)能源如石油、煤炭等消耗量的大規(guī)模增加，日益惡化的生態(tài)環(huán)境迫使世界各國(guó)開(kāi)始積極尋找一條新的可持續(xù)發(fā)展的能源之路。太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮艿惹鍧嵞茉匆阎饾u受到了人類的重視，而這其中，太陽(yáng)能無(wú)疑處于最突出的地位。現(xiàn)在，在我國(guó)大西北、西藏和內(nèi)蒙古等遠(yuǎn)離電網(wǎng)的偏遠(yuǎn)地區(qū)，很多人喝不到干凈的飲用水，而這些地區(qū)同時(shí)又是太陽(yáng)能資源非常豐富的地區(qū)，因此，在這些地區(qū)發(fā)展光伏水泵技術(shù)具有明顯的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。然而，目前市場(chǎng)上所售的多為普通變頻器，用于本系統(tǒng)中，不能很好地實(shí)現(xiàn)各種保護(hù)功能，同時(shí)也不具備太陽(yáng)電池的最大功率點(diǎn)跟蹤功能，造成太陽(yáng)電池容量的巨大浪費(fèi)。本文介紹一種高效高性能的光伏水泵專用變頻器。

1  光伏水泵系統(tǒng)的組成

    光伏水泵系統(tǒng)的組成如圖1所示。

圖1  光伏水泵系統(tǒng)組成

    本系統(tǒng)的主要輸入?yún)⒘繛槿照諒?qiáng)度（Φ），輸出參量為水的流量（θ），系統(tǒng)總效率為η=Hθ/Φ，其中H為揚(yáng)程；MPPT和電壓變換器部分就是本系統(tǒng)所研究的對(duì)象。

    由圖1可知，光伏陣列為系統(tǒng)的能量輸入端，當(dāng)日照強(qiáng)度Φ一定時(shí)，其最大輸出功率也為定值，本系統(tǒng)所研制的變頻器主要實(shí)現(xiàn)的功能之一就是使光伏陣列時(shí)刻工作在此最大功率點(diǎn)處，即MPPT問(wèn)題；功能之二是使系統(tǒng)輸出電壓與負(fù)載特性之間的匹配為最優(yōu)，即電機(jī)的恒V/f控制。由以上兩個(gè)方面可知，在日照強(qiáng)度Φ和太陽(yáng)電池容量一定的情況下，系統(tǒng)的效率達(dá)到最高，即在保持水泵揚(yáng)程不變的前提下水流量可達(dá)到最大。

2  系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu)

    1）電路拓?fù)?

    系統(tǒng)的主電路拓?fù)淙鐖D2所示。

圖2  主電路拓?fù)?/span>

    2）系統(tǒng)的功率器件

    本系統(tǒng)的功率器件采用功率MOSFET，功率MOSFET為電壓控制型單極性器件，沒(méi)有少數(shù)載流子的存儲(chǔ)效應(yīng)，輸入阻抗高，動(dòng)作快，工作頻率高，不存在二次擊穿，驅(qū)動(dòng)功率小，并且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單；同時(shí)，由于具有正溫度系數(shù)，可以自動(dòng)均衡電流，不會(huì)產(chǎn)生過(guò)熱點(diǎn)，因此，系統(tǒng)采用兩個(gè)功率MOSFET并聯(lián)，擴(kuò)大了電流的容量，從而降低了系統(tǒng)的成本。同時(shí)，從主電路中可以檢測(cè)出太陽(yáng)電池電壓、直流母線電流、電機(jī)的U相和V相電流值等，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種保護(hù)。

3  系統(tǒng)的控制電路

3．1  系統(tǒng)的控制電路功能

    本系統(tǒng)的控制電路是以Intel公司生產(chǎn)的新一代16位單片機(jī)80C196MC為控制核心構(gòu)成的全數(shù)字式智能控制電路，其主要功能是在軟件的控制下，根據(jù)必要的外部信息完成系統(tǒng)的下述各項(xiàng)功能：

    1）按照已確定的V/f曲線，根據(jù)80C196MC片內(nèi)外設(shè)波形發(fā)生器(WG)單元的工作原理，發(fā)送SPWM信號(hào)，保持V/f值為常數(shù)，實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速。

    2）根據(jù)檢測(cè)元件檢測(cè)到的直流側(cè)電壓、電流值，結(jié)合太陽(yáng)電池的功率特性曲線和相應(yīng)的軟件，在完成變頻調(diào)速的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)電池的最大功率點(diǎn)跟蹤。

    3）根據(jù)各種故障信號(hào)，采取相應(yīng)的處理措施，并給出各種故障的報(bào)警顯示。

3．2  系統(tǒng)的控制芯片及外圍框圖

    8XC196MC是Intel公司繼MCS51、MCS96系列單片機(jī)之后，于1992年推出的真正的16位嵌入式單片機(jī)，由于采用CHMOS工藝，使得芯片的運(yùn)算速度大大提高；同時(shí)它把許多常用的功能模塊進(jìn)一步集成到片內(nèi)，從而使用戶系統(tǒng)更緊湊，抗干擾能力更強(qiáng)，工作更可靠。本系統(tǒng)所采用的控制芯片80C196MC是8XC196MC系列單片機(jī)中的一種，在其內(nèi)部集成了最有特色的單元——波形發(fā)生器（WG），它大大簡(jiǎn)化了產(chǎn)生SPWM的方法和步驟，只需在線計(jì)算寄存器WG－RELOAD和WG-COMPX的值就可以得到不同頻率和脈寬的SPWM。其外圍電路框圖如圖3所示。

圖3  CPU外圍電路框圖 [!--empirenews.page--]

3．3  輸入接口電路

    本系統(tǒng)共有6路檢測(cè)，分別完成系統(tǒng)的直流側(cè)電壓、直流側(cè)電流、輸出交流電壓和輸出交流電流等的檢測(cè)與保護(hù)，其中，直流側(cè)電壓檢測(cè)和直流側(cè)過(guò)流與短路保護(hù)的接口電路分別如圖4和圖5所示，接口電路將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為芯片所需要的0～5V電平。這部分電路輸入阻抗應(yīng)比較大，以盡量減少對(duì)設(shè)備信號(hào)的影響，輸出阻抗應(yīng)同芯片內(nèi)A/D口的輸入阻抗相匹配。

圖4  太陽(yáng)電池電壓檢測(cè)

圖5   直流側(cè)過(guò)流、短路保護(hù)

4  系統(tǒng)的控制原理框圖

    系統(tǒng)的控制原理框圖如圖6所示。

圖6  系統(tǒng)控制原理框圖

    由圖6可知，本系統(tǒng)結(jié)合太陽(yáng)電池的功率特性曲線，采用逐步逼近法來(lái)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)電池的最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT），其中MPPT模塊的功能是通過(guò)比較前后兩次太陽(yáng)電池的工作電壓和負(fù)載工作頻率，而輸出一個(gè)逐步趨近最大功率點(diǎn)處的電壓值；同時(shí)，為了消除系統(tǒng)振蕩和提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，設(shè)計(jì)了PI調(diào)節(jié)結(jié)合軟起動(dòng)的控制方式，通過(guò)不斷改變負(fù)載的工作頻率使太陽(yáng)電池的工作電壓最終等于MPPT的輸出電壓值。圖7和圖8分別為MPPT和PI程序流程圖，軟起動(dòng)程序流程圖略。

圖7  MPPT程序流程圖 [!--empirenews.page--]

圖8  PI程序流程圖

    本系統(tǒng)的軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括主程序、WG模塊、MPPT模塊、PI模塊和軟起動(dòng)模塊等。經(jīng)過(guò)這樣的模塊化處理后，系統(tǒng)的軟件由復(fù)雜變得簡(jiǎn)單易懂，同時(shí)也便于修改和功能擴(kuò)展。系統(tǒng)的主程序流程圖見(jiàn)圖9。

圖9  主程序流程圖

5  結(jié)語(yǔ)

    根據(jù)上述思想設(shè)計(jì)的變頻器基本上實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)電池的最大功率點(diǎn)跟蹤，而電壓閉環(huán)又保證了V/f恒定，因此大大提高了系統(tǒng)的工作效率；同時(shí)，系統(tǒng)又具有短路、欠壓、堵轉(zhuǎn)、打干和過(guò)載等各種完善的保護(hù)功能，可以在各種惡劣的環(huán)境下工作，對(duì)于偏遠(yuǎn)的西部某些地區(qū)具有廣闊的應(yīng)用前景。