高效高性能光伏水泵專用變頻器的研究與設計

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。系統采用逐步逼近法實現太陽電池的最大功率跟蹤（MPPT），同時通過恒V/f方式來實現交流光伏水泵系統的高效能量轉換。

關鍵詞：80C196MC芯片；光伏水泵；最大功率跟蹤

??? 當今，隨著常規能源如石油、煤炭等消耗量的大規模增加，日益惡化的生態環境迫使世界各國開始積極尋找一條新的可持續發展的能源之路。太陽能、風能、地熱能等清潔能源已逐漸受到了人類的重視，而這其中，太陽能無疑處于最突出的地位。現在，在我國大西北、西藏和內蒙古等遠離電網的偏遠地區，很多人喝不到干凈的飲用水，而這些地區同時又是太陽能資源非常豐富的地區，因此，在這些地區發展光伏水泵技術具有明顯的社會效益和經濟效益。然而，目前市場上所售的多為普通變頻器，用于本系統中，不能很好地實現各種保護功能，同時也不具備太陽電池的最大功率點跟蹤功能，造成太陽電池容量的巨大浪費。本文介紹一種高效高性能的光伏水泵專用變頻器。

1? 光伏水泵系統的組成

??? 光伏水泵系統的組成如圖1所示。

圖1? 光伏水泵系統組成

??? 本系統的主要輸入參量為日照強度（Φ），輸出參量為水的流量（θ），系統總效率為η=Hθ/Φ，其中H為揚程；MPPT和電壓變換器部分就是本系統所研究的對象。

??? 由圖1可知，光伏陣列為系統的能量輸入端，當日照強度Φ一定時，其最大輸出功率也為定值，本系統所研制的變頻器主要實現的功能之一就是使光伏陣列時刻工作在此最大功率點處，即MPPT問題；功能之二是使系統輸出電壓與負載特性之間的匹配為最優，即電機的恒V/f控制。由以上兩個方面可知，在日照強度Φ和太陽電池容量一定的情況下，系統的效率達到最高，即在保持水泵揚程不變的前提下水流量可達到最大。

2? 系統的主電路結構

??? 1）電路拓撲

??? 系統的主電路拓撲如圖2所示。

圖2? 主電路拓撲

??? 2）系統的功率器件

??? 本系統的功率器件采用功率MOSFET，功率MOSFET為電壓控制型單極性器件，沒有少數載流子的存儲效應，輸入阻抗高，動作快，工作頻率高，不存在二次擊穿，驅動功率小，并且驅動電路簡單；同時，由于具有正溫度系數，可以自動均衡電流，不會產生過熱點，因此，系統采用兩個功率MOSFET并聯，擴大了電流的容量，從而降低了系統的成本。同時，從主電路中可以檢測出太陽電池電壓、直流母線電流、電機的U相和V相電流值等，以實現系統的各種保護。

3? 系統的控制電路

3．1? 系統的控制電路功能

??? 本系統的控制電路是以Intel公司生產的新一代16位單片機80C196MC為控制核心構成的全數字式智能控制電路，其主要功能是在軟件的控制下，根據必要的外部信息完成系統的下述各項功能：

??? 1）按照已確定的V/f曲線，根據80C196MC片內外設波形發生器(WG)單元的工作原理，發送SPWM信號，保持V/f值為常數，實現變頻調速。

??? 2）根據檢測元件檢測到的直流側電壓、電流值，結合太陽電池的功率特性曲線和相應的軟件，在完成變頻調速的同時，實現太陽電池的最大功率點跟蹤。

??? 3）根據各種故障信號，采取相應的處理措施，并給出各種故障的報警顯示。

3．2? 系統的控制芯片及外圍框圖

??? 8XC196MC是Intel公司繼MCS51、MCS96系列單片機之后，于1992年推出的真正的16位嵌入式單片機，由于采用CHMOS工藝，使得芯片的運算速度大大提高；同時它把許多常用的功能模塊進一步集成到片內，從而使用戶系統更緊湊，抗干擾能力更強，工作更可靠。本系統所采用的控制芯片80C196MC是8XC196MC系列單片機中的一種，在其內部集成了最有特色的單元——波形發生器（WG），它大大簡化了產生SPWM的方法和步驟，只需在線計算寄存器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

3．3? 輸入接口電路

??? 本系統共有6路檢測，分別完成系統的直流側電壓、直流側電流、輸出交流電壓和輸出交流電流等的檢測與保護，其中，直流側電壓檢測和直流側過流與短路保護的接口電路分別如圖4和圖5所示，接口電路將輸入信號轉換為芯片所需要的0～5V電平。這部分電路輸入阻抗應比較大，以盡量減少對設備信號的影響，輸出阻抗應同芯片內A/D口的輸入阻抗相匹配。

圖4? 太陽電池電壓檢測

圖5?? 直流側過流、短路保護

4? 系統的控制原理框圖

??? 系統的控制原理框圖如圖6所示。

圖6? 系統控制原理框圖

??? 由圖6可知，本系統結合太陽電池的功率特性曲線，采用逐步逼近法來實現太陽電池的最大功率點跟蹤（MPPT），其中MPPT模塊的功能是通過比較前后兩次太陽電池的工作電壓和負載工作頻率，而輸出一個逐步趨近最大功率點處的電壓值；同時，為了消除系統振蕩和提高動態響應速度，設計了PI調節結合軟起動的控制方式，通過不斷改變負載的工作頻率使太陽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，軟起動程序流程圖略。

圖7? MPPT程序流程圖

圖8? PI程序流程圖

??? 本系統的軟件采用模塊化設計，主要包括主程序、WG模塊、MPPT模塊、PI模塊和軟起動模塊等。經過這樣的模塊化處理后，系統的軟件由復雜變得簡單易懂，同時也便于修改和功能擴展。系統的主程序流程圖見圖9。

圖9? 主程序流程圖

5? 結語

??? 根據上述思想設計的變頻器基本上實現了太陽電池的最大功率點跟蹤，而電壓閉環又保證了V/f恒定，因此大大提高了系統的工作效率；同時，系統又具有短路、欠壓、堵轉、打干和過載等各種完善的保護功能，可以在各種惡劣的環境下工作，對于偏遠的西部某些地區具有廣闊的應用前景。