基于STM8的光伏逆變器設計

陳琪琳，雷必成

（臺州學院 物理與電子工程學院，浙江 臺州 318000）

全球能源短缺和環境污染已成為制約人類社會可持續發展的兩大重要因素，大力發展新的可替代能源已成為當務之急。太陽能、風能等綠色能源發電作為一種新的電能生產方式，以其無污染、安全、資源豐富、分布廣泛等特點顯示出無比廣闊的發展空間和應用前景。然而新能源直接產生的電能不能直接使用，因此逆變器隨著新能源的產生需求隨之增多。鑒于能源短缺和環境污染問題，尤其是國家對光伏產業的政策扶持，一系列不同功率的逆變器應運而生，對于逆變器的研究也越來越深入[1]。

根據逆變系統原理，離網型光伏逆變器一般主要由四部分構成[2]:

1）直流升壓電路：其主要作用是將太陽能低壓直流電升到期望的高壓直流母線電壓。

2）逆變電路：采用逆變電路，將相應的高壓直流母線電壓轉換成220 V交流電供給用戶使用。

3）濾波電路：通過LC濾波器，使逆變輸出電壓中的高次諧波濾除，減少諧波影響。

4）控制電路：由單片機或DSP作為主控芯片，控制各個模塊協調工作，以及實現各種控制算法，使系統按設定的狀態工作。

1 系統總體設計

本次設計以兩片STM8作為控制模塊的核心，STM8打造了8位微控制器的全新時代，高達20 MIPS的CPU性能，轉換用時小于3微秒多達16條通道的10位A/D，先進的16位定時器可用于馬達控制、捕獲/比較和PWM功能。

系統中STM8（2）通過輸出4對互補的PWM波驅動推挽升壓電路中的4對功率管，實現4個變壓器的DC-DC升壓輸出，對輸出后的電壓進行疊加整流，從而實現從24 V升壓到330 V左右的高壓，作為逆變輸入；STM8（1）輸出2路單極性不帶互補的SPWM和兩路50 Hz的方波去驅動全橋逆變的4個功率管，從而實現DC-AC變換功能。控制電路根據逆變交流輸出端的電壓值去控制STM8（2）輸出的4對互補PWM波的占空比。從而形成閉環控制使逆變輸出電壓有效值穩定在220 V。整個系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖Fig.1 System block diagram

本系統與現有系統的區別在于：

1）使用推挽式升壓電路進行升壓，推挽式電路中變壓器一次側電流回路中只有一個開關，通態損耗小，驅動簡單。

2）利用了STM8能輸出多對帶死區互補PWM波的功能，對系統中的多對功率管進行驅動，從而避免使用復雜的模擬電子電路生成同樣的驅動波形。

3）全橋逆變模塊用的是單極性單臂不帶互補輸出的驅動方式，這種方式具有諧波因數小、效率高和控制方法簡單的優點。

4）整個控制系統采用了PI閉環控制方式，使系統調節平緩，輸出穩定。

2 硬件電路設計

2.1 直流升壓電路設計

本系統中直流升壓的方案采用的是推挽升壓方式，為了把24 V的直流電壓升到330 V左右的直流電壓采用了四路推挽升壓后再疊加的思路。單路直流推挽拓撲如圖2所示[3]。

圖2 推挽升壓拓撲Fig.2 The push-pull boost topology

圖3 功率開關時序圖Fig.3 Timing diagram of the power switch

推挽式電路的結構如圖2所示，其屬于雙端式變換電路。圖中 N1=N2，N3=N4。Q1、Q2交替通斷，將輸入直流的電壓Ui變換成高頻的方波交流電壓通過變壓器T升壓傳輸出去。

如圖3所示是功率開關的時序圖，原理如下:

1）t0-t1時間段，Q1通，Q2截止，Ui經 Q1加到變壓器 T的N1繞組上。因此將截止的開關Q2的輸入電壓變為2Ui。激勵消失，Ql，Q2截止，其集電極電壓為Ui。

2）t1-t2時間段，Q2導通，Ql截止，此階段同t0-t1時間段。下一個周期重復循環。

盡管電路由兩只對稱的功率管，但電路工作時兩只管子是交替導通，因此推挽式電路具有導通損耗小，效率高，磁芯利用率高的優點[5]。

2.2 單相全橋逆變電路的設計

單相全橋逆變是由4個開關器件構成的兩對橋臂[4]，要實現逆變我們只需在直流輸入端提供直流電壓，通過不同的控制方法驅動開關器件，使直流電轉換為交流電。單相全橋逆變電路可看成由兩個半橋電路組合而成的4個橋臂，橋臂1和4為一對，橋臂2和3為另一對，成對橋臂同時導通，兩對各交替導通180°。單相全橋逆變主拓撲圖如圖4所示。

圖4 單相全橋逆變電路Fig.4 Single-phase full-bridge inverter circuit

3 軟件設計

3.1 系統軟件程序流程圖

本系統設計中有兩片單片機，其中一片只具有采樣、1對PWM波互補輸出和串口通訊的功能，這里程序不再做分析。我們只分析主控機的功能程序，主控機首先要配置兩個定時器，配置成PWM波帶互補輸出模式去驅動全橋逆變的2對功率管。為了輸出SPWM波，需要把正弦函數的值以表格的形式存儲起來[5]。然后需要對AD采樣模塊，串口通訊等模塊進行配置。系統主程序流程圖如圖5所示。

圖5 系統主程序流程圖Fig.5 System flow chart of the main program

3.2 定時器1產生SPWM波流程圖

SPWM（正弦波脈寬調制）：驅動信號脈沖系列的占空比（脈寬）按正弦規律變化。當正弦值最大值時，脈寬也最大，而脈沖間的間隔則最小，反之，當正弦值小時，脈寬也小，而脈沖間的間隔則較大，這種調制方式可以大大減少負載電流中的高次諧波成分。SPWM控制方案有兩種：即單極性調制和雙極性調制法。根據兩種方案生成的SPWM波可以得出：相同載波比情況下，雙極性SPWM波的諧波量較大；且由于正弦逆變電源控制中，雙極性SPWM方案控制比較復雜，因此一般采用單極性SPWM波控制的形式[6]。定時器1產生SPWM波的流程圖如圖6所示

圖6 定時器1 SPWM程序圖Fig.6 Timer1 SPWM procedures

3.3 系統控制流程

系統中固定DC/AC部分的控制SPWM各個點的脈寬，最大脈寬固定為93%左右；根據輸出交流電壓采樣，系統采用離散PI控制算法調節DC/DC的控制PWM脈寬，來調節直流母線電壓，來達到輸出交流220 V的穩定。

系統采用的離散PI控制算法公式為：

其中：Kp為比例系數，Ti為積分系數。由于系統采用了比例積分調節器，使系統在擾動的作用下，通過PI調節器的調節作用將直流升壓后的母線電壓調節到靜態無差，輸出電壓更穩定。系統的輸出穩定控制框圖如圖7所示。

圖7 系統控制流程圖Fig.7 Control flow chart of the system

4 測試結果

圖8為逆變系統在帶載情況下濾波后輸出的電壓波形圖，由波形圖可得輸出電壓為223 V頻率為52 Hz左右，基本滿足設計要求。

5 結 論

目前市場上的一些光伏逆變器，主要是由DSP等復雜的控制芯片進行控制，電路復雜，成本較高。文中主要介紹了一種基于STM8單片機的光伏逆變系統。該系統電路結構簡單、成本低、效率較高對于中小功率光伏逆變器[7]的設計具有實用價值。

圖8 帶載情況下濾波后輸出的電壓波形圖Fig.8 Case of a tape carrier filtered output of the voltage waveform of FIG

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