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摘 要：文章重点围绕单相光伏发电并网技术难题进行了分析，通过详细的研究，设计出一种新型的单相光伏并网发电装置。最后，通过实验进一步完善了系统的设计目标和指定功能。
关键词：光伏并网 过流保护 太阳能
太阳能光伏发电是依靠太阳能电池组件，利用半导体材料的电子学特性，将光能转化成电能。并网发电系统通过光伏数组将接收来的太阳辐射能量经过高频直流转换后变成高压直流电，经过逆变器逆变后向电网输出与电网电压同频、同相的正弦交流电流。本文提供了一套完整的光伏并网发电硬件和软件设计方案。实践证明，以STC12C5410AD单片机为主体控制电路的光伏并网发电装置电能输出质量高，能很好地进行频率跟踪和实时相位跟踪，并且能在降低系统整体功耗下实现MPPT、过流和欠压保护，故障排除后能自动恢复正常状态等功能。当然，在测试中发现有很多值得改进的地方，在一些对电源质量要求高的应用场合，对负载THD都要求小于1%。同时该系统设计合理、应用简单，有较高的性价比，在同类产品中有很大的竞争力，尤其是在太阳能发电领域具有一定的使用价值。
1整体方案设计
目前，普遍采用DSP实现最大功率点跟踪MPPT算法功能，然后由单片机执行辅助欠压保护和过流保护等软件的调整功能。这种方案能够很好地实现MPPT算法功能，但是外围电路比较复杂，且DSP元件的成本比较高。本设计采用STC12C5410AD单片机为主体控制电路，通过查表生成正弦波脉宽调制SPWM波并输出给DC-AC全桥电路，逆变后的正弦波经过低通滤波电路送至工频变压器初级。单片机将信号源信号与输出信号进行比较，通过算法实现频率与相位的跟踪。此设计方案外部器件少、电路简单，实现了最大功率点跟踪，同时也降低了能耗。
2硬件电路设计
2.1 DC-AC主回路与器件选择
电压型全桥逆变电路共有4个桥臂，它们分别由2个半桥电路组合而成，其中Q2、Q3为1组，Q1、Q4为1组。当JP3、JP5为高电平时，Q2和Q3管导通；当JP4、JP1为高电平时，Q1和Q4管导通。其中，Q1和Q2为N沟道MOS管，Q3和Q4为P沟道的MOS管。当输入电压为60V时，Ud=1/2Us，即Ud=30V，MOS管的耐压一般要求超过60V，因此，采用耐压100V的P沟道MOS管IRF9540和耐压200V的N沟道MOS管IRF640。实验表明，仅用一级三极管给IRF640驱动时，由于电压过小，IRF640并没有充分导通，因此，在设计时又添加了一级三极管Q9和Q10作为驱动电路。
2.2控制电路
STC12C5410AD采用RISC型CPU内核，兼容普通8051指令集，片内含有10kBFlash程序存储器、2kBFlash数据存储器和512BRAM数据存储器，同时内部还设有看门狗；片内集成MAX810专用复位电路、8通道、10位ADC以及4通道PWM；具有可编程的8级中断源，4种优先级，具有在线系统编程和在线应用编程功能，片内资源丰富、集成度高、使用方便。采用STC12C5410AD为主体控制电路，以查表法生成SPWM波，用来控制MOS管的开关，使系统的可靠性、抗干扰能力以及工作效率得到了显著改善，并进一步向小型化和便携化方向发展。
2.3保护电路
过流保护JP1接变压器次级线圈，输出端串接采样电阻R3，材料采用温漂小的康铜丝，电压信号经过LM358放大后送至单片机，由STC12C5410内部A/D进行采样处理，从而控制继电器的吸合与断开。当检测到过流时，继电器吸合，负载改为外部电源供电，变压器断开；当过流故障接触后，系统将自动恢复正常供电。欠压保护由TL431取2.5V基准信号送至比较器LM393负端，然后采用精密电位器分压法将30V电压取样送至比较器正端。当电压稳定时，比较器输出为高；当欠压时，比较器输出为低。单片机用来检测电平高低，并决定是否输送SPWM波，达到欠压保护的作用。
图1过流保护原理图
3控制方法与软件设计
3.1同频、同相的控制方法
在输入信号的第一个时钟上升沿，单片机开外部中断0，记为T0时刻；再输入一个信号时钟上升沿开外部中断1，记为T1时刻，计算T0和T1的差值，得出的差值与正弦信号表（利用C语言生成）进行比较，从而判断指针的读写位，实现同频、同相的控制。
3.2提高效率的方法
系统主要由DC/AC变换器、辅助电源和数字电路构成。影响系统效率的因素主要有开关损耗、电感储能损耗、辅助电源损耗和数字电路的损耗。本装置采用了如下方法提高效率，即合理地选择电路结构、适当降低开关频率和加大回路的电流容量、选择导通压降较小的二极管、合理选择磁芯和绕阻规格、避免磁饱、降低铜损并降低控制电源消耗。
4实验及结果
对模拟装置进行测试，测试仪器如表1所示。通过测试，模拟装置达到了最大功率点跟踪（MPPT）、满足了系统设计时对频率和实时相位跟踪等提出的要求；同时也提高了DC/AC变换器效率，实现了在空载和负载时比较低的总谐波失真THD（total harmonic distortion）。具体测试结果如表2所示。由表2可知，最大功率点的跟踪相对偏差绝对值和频率跟踪相对偏差绝对值均控制在了1%以下，DC/AC变换器的效率达到了85%以上，空载和负载的THD分别在1.3%与3%左右，因此，新型单相光伏并网发电装置输出的电能质量非常高。
5结束语
光伏发电是一种直接将太阳能辐射转换成为电能的新型发电技术。鉴于光伏发电在全球电力能源结构中的战略地位，太阳能完全具备成为未来主要供应能源的潜力，光伏并网发电技术成为了重要的研究方向。此项技术在我国20世纪80年代中后期开始初具规模；90年代以后进入快速发展时期，分散型用户光伏电源系统已开始形成商品化；到2010年，我国光伏装机容量累计将达到600MW。国家可再生能源中长期发展规划中提出，到2020年，光伏发电装机容量将达到2000MW，计划年增长15%以上。太阳能光伏发电系统大体上可以分为两类，即并网发电系统和独立式发电系统。本文设计了一种基于STC12C5410AD单片机的光伏并网发电装置，并通过实验验证了设计方案的正确性与可行性。
参考文献：
[1]张耀明.中国太阳能光伏发电产业的现状与前景[J].能源研究与利用，2012（1）：1-6.
[2]刘万明，谢华.基于DSP控制的光伏并网发电系统设计[J].电子元器件应用，2012，11（7）：26-29.
关键词：光伏并网 过流保护 太阳能
太阳能光伏发电是依靠太阳能电池组件，利用半导体材料的电子学特性，将光能转化成电能。并网发电系统通过光伏数组将接收来的太阳辐射能量经过高频直流转换后变成高压直流电，经过逆变器逆变后向电网输出与电网电压同频、同相的正弦交流电流。本文提供了一套完整的光伏并网发电硬件和软件设计方案。实践证明，以STC12C5410AD单片机为主体控制电路的光伏并网发电装置电能输出质量高，能很好地进行频率跟踪和实时相位跟踪，并且能在降低系统整体功耗下实现MPPT、过流和欠压保护，故障排除后能自动恢复正常状态等功能。当然，在测试中发现有很多值得改进的地方，在一些对电源质量要求高的应用场合，对负载THD都要求小于1%。同时该系统设计合理、应用简单，有较高的性价比，在同类产品中有很大的竞争力，尤其是在太阳能发电领域具有一定的使用价值。
1整体方案设计
目前，普遍采用DSP实现最大功率点跟踪MPPT算法功能，然后由单片机执行辅助欠压保护和过流保护等软件的调整功能。这种方案能够很好地实现MPPT算法功能，但是外围电路比较复杂，且DSP元件的成本比较高。本设计采用STC12C5410AD单片机为主体控制电路，通过查表生成正弦波脉宽调制SPWM波并输出给DC-AC全桥电路，逆变后的正弦波经过低通滤波电路送至工频变压器初级。单片机将信号源信号与输出信号进行比较，通过算法实现频率与相位的跟踪。此设计方案外部器件少、电路简单，实现了最大功率点跟踪，同时也降低了能耗。
2硬件电路设计
2.1 DC-AC主回路与器件选择
电压型全桥逆变电路共有4个桥臂，它们分别由2个半桥电路组合而成，其中Q2、Q3为1组，Q1、Q4为1组。当JP3、JP5为高电平时，Q2和Q3管导通；当JP4、JP1为高电平时，Q1和Q4管导通。其中，Q1和Q2为N沟道MOS管，Q3和Q4为P沟道的MOS管。当输入电压为60V时，Ud=1/2Us，即Ud=30V，MOS管的耐压一般要求超过60V，因此，采用耐压100V的P沟道MOS管IRF9540和耐压200V的N沟道MOS管IRF640。实验表明，仅用一级三极管给IRF640驱动时，由于电压过小，IRF640并没有充分导通，因此，在设计时又添加了一级三极管Q9和Q10作为驱动电路。
2.2控制电路
STC12C5410AD采用RISC型CPU内核，兼容普通8051指令集，片内含有10kBFlash程序存储器、2kBFlash数据存储器和512BRAM数据存储器，同时内部还设有看门狗；片内集成MAX810专用复位电路、8通道、10位ADC以及4通道PWM；具有可编程的8级中断源，4种优先级，具有在线系统编程和在线应用编程功能，片内资源丰富、集成度高、使用方便。采用STC12C5410AD为主体控制电路，以查表法生成SPWM波，用来控制MOS管的开关，使系统的可靠性、抗干扰能力以及工作效率得到了显著改善，并进一步向小型化和便携化方向发展。
2.3保护电路
过流保护JP1接变压器次级线圈，输出端串接采样电阻R3，材料采用温漂小的康铜丝，电压信号经过LM358放大后送至单片机，由STC12C5410内部A/D进行采样处理，从而控制继电器的吸合与断开。当检测到过流时，继电器吸合，负载改为外部电源供电，变压器断开；当过流故障接触后，系统将自动恢复正常供电。欠压保护由TL431取2.5V基准信号送至比较器LM393负端，然后采用精密电位器分压法将30V电压取样送至比较器正端。当电压稳定时，比较器输出为高；当欠压时，比较器输出为低。单片机用来检测电平高低，并决定是否输送SPWM波，达到欠压保护的作用。
图1过流保护原理图
3控制方法与软件设计
3.1同频、同相的控制方法
在输入信号的第一个时钟上升沿，单片机开外部中断0，记为T0时刻；再输入一个信号时钟上升沿开外部中断1，记为T1时刻，计算T0和T1的差值，得出的差值与正弦信号表（利用C语言生成）进行比较，从而判断指针的读写位，实现同频、同相的控制。
3.2提高效率的方法
系统主要由DC/AC变换器、辅助电源和数字电路构成。影响系统效率的因素主要有开关损耗、电感储能损耗、辅助电源损耗和数字电路的损耗。本装置采用了如下方法提高效率，即合理地选择电路结构、适当降低开关频率和加大回路的电流容量、选择导通压降较小的二极管、合理选择磁芯和绕阻规格、避免磁饱、降低铜损并降低控制电源消耗。
4实验及结果
对模拟装置进行测试，测试仪器如表1所示。通过测试，模拟装置达到了最大功率点跟踪（MPPT）、满足了系统设计时对频率和实时相位跟踪等提出的要求；同时也提高了DC/AC变换器效率，实现了在空载和负载时比较低的总谐波失真THD（total harmonic distortion）。具体测试结果如表2所示。由表2可知，最大功率点的跟踪相对偏差绝对值和频率跟踪相对偏差绝对值均控制在了1%以下，DC/AC变换器的效率达到了85%以上，空载和负载的THD分别在1.3%与3%左右，因此，新型单相光伏并网发电装置输出的电能质量非常高。
5结束语
光伏发电是一种直接将太阳能辐射转换成为电能的新型发电技术。鉴于光伏发电在全球电力能源结构中的战略地位，太阳能完全具备成为未来主要供应能源的潜力，光伏并网发电技术成为了重要的研究方向。此项技术在我国20世纪80年代中后期开始初具规模；90年代以后进入快速发展时期，分散型用户光伏电源系统已开始形成商品化；到2010年，我国光伏装机容量累计将达到600MW。国家可再生能源中长期发展规划中提出，到2020年，光伏发电装机容量将达到2000MW，计划年增长15%以上。太阳能光伏发电系统大体上可以分为两类，即并网发电系统和独立式发电系统。本文设计了一种基于STC12C5410AD单片机的光伏并网发电装置，并通过实验验证了设计方案的正确性与可行性。
参考文献：
[1]张耀明.中国太阳能光伏发电产业的现状与前景[J].能源研究与利用，2012（1）：1-6.
[2]刘万明，谢华.基于DSP控制的光伏并网发电系统设计[J].电子元器件应用，2012，11（7）：26-29.