引言
目前，煤炭,、石油等能源正走向枯竭,，且環(huán)境污染問題也日益嚴重，新能源和可再生能源的利用已經(jīng)成為世界各國的燃眉之急,。作為一種無污染的可再生能源,，太陽能越來越受到人們的青睞。太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展對人們提出的可持續(xù)發(fā)展有重大的意義,。本設(shè)計利用鎖相環(huán)倍頻,、比較器過零觸發(fā)和MSP430F169單片機DA產(chǎn)生與輸入信號同頻同相且幅值可控的正弦波，作為DA-AC電路的輸入?yún)⒖夹盘?，其中DA-AC電路采用D類功放中自激反饋模型,，利用負反饋的自激振蕩產(chǎn)生正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)波，通過硬件之間的配合,，實現(xiàn)了逆變電壓輸出及最大功率,、同頻同相的跟蹤。
裝置方案的選用
DC-AC逆變方案：采用D類功放中自振蕩式模型的逆變拓撲,，利用負反饋的高頻自激產(chǎn)生所需的PWM開關(guān)信號,。此方案為閉環(huán)系統(tǒng)，在功率電源和負載變化時波形基本無失真,，且硬件電路簡單,。
鎖相鎖頻方案：利用鎖相環(huán)的鎖相鎖頻功能，將參考信號倍頻,，產(chǎn)生與其同步的時鐘,，以此時鐘調(diào)整輸入輸出的頻相關(guān)系。此方案完全由硬件電路實現(xiàn),，簡單方便,。
最大功率點跟蹤方案：采用經(jīng)典MPPT算法，對光伏陣列的輸出電壓電流連續(xù)采樣,，尋找dP/dU為零的點,，即為最大功率點。
裝置的原理框圖如圖1所示,。在設(shè)計中,，選用CD4046鎖相環(huán)芯片和功率MOS管IRF540等性價比較高的器件,，采用基于MSP430F169單片機的經(jīng)典控制算法來控制光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置。
圖1 裝置原理框圖
理論分析及參數(shù)設(shè)置
頻率跟蹤電路的設(shè)計
利用鎖相環(huán)CD4046可以實現(xiàn)輸入信號的倍頻和同步,，輸入頻率45Hz~55Hz,，經(jīng)256倍頻后為11.52kHz~14.08kHz信號，送給單片機作為系統(tǒng)同步的時鐘,。單片機用DDS原理產(chǎn)生幅度可調(diào)的正弦信號,。此時鐘作為D/A輸出的時鐘，即可追蹤輸入信號的相位和頻率,。鎖相環(huán)的原理框圖如圖2所示,。CD4046的內(nèi)部電路與外圍電路圖如圖3所示。此正弦信號送給本設(shè)計中自閉環(huán)的DA-AC逆變器作為輸入,，輸出電壓就可以與參考輸入UREF同頻同相,。為保證快速鎖定，需要調(diào)整R1,、R2、C1的值使鎖相環(huán)中心頻率穩(wěn)定在50Hz,。
圖2 鎖相環(huán)原理框圖
圖3 CD4046內(nèi)部電路與外圍電路圖
MPPT最大功率點跟蹤的實現(xiàn)
本設(shè)計采用MSP430F169單片機作為主控芯片,。它是TI公司出產(chǎn)的一種具有超低功耗的功能強大的16位單片機，具有FLASH存儲器,。這款單片機的程序代碼空間為60KB+256B的FLASH,，2KB的RAM，且具有強大的中斷功能,，48個I/O引腳,，每個I/O口分別對應(yīng)輸入、輸出,、功能選擇,、中斷等多個寄存器，使得功能口和通用I/O口復(fù)用,，在對同一個I/O口進行操作前要選擇其要實現(xiàn)的功能,，這樣大大地增強了端口的功能和靈活性。該類單片機具有一個強大的16位RISC CPU（125ns指令周期）,，16位的寄存器以及常數(shù)發(fā)生器,，能夠最大限度地提高代碼的效率。數(shù)字控制的振蕩器DCO允許在6微秒內(nèi)從低功耗模式喚醒,。而且,，該芯片還配置了帶有3個捕獲/比較寄存器的16位定時器A和定時器B、12位快速A/D轉(zhuǎn)換器（帶有內(nèi)部參考電平,、采樣保持和自動掃描特性）,、雙12位D/A轉(zhuǎn)換器,，兩個通用同步/異步串行通訊接口USART、DMA,。除此之外,，該單片機還具有超低功耗的優(yōu)點，運行在1MHz時鐘條件下時,，工作電流視工作模式不同為0.1μA ~280μA,。
MSP430F169的這些特點十分適合開發(fā)的要求，選用MSP430F169可以輕松地實現(xiàn)連續(xù)的電壓電流采集,。單片機由此數(shù)據(jù)計數(shù)出實時功率后根據(jù)MPPT算法自動調(diào)整,，當dP/dU>0時通過增加系統(tǒng)的輸入阻抗增加實際得到的輸入電壓U以提高功率，反之則降低U ,，最終達到dP/dU>0的最大功率點跟蹤,。
提高效率的方法
開關(guān)電源電路設(shè)計中的主要損耗包括：場效應(yīng)管的導(dǎo)通電阻損耗和開關(guān)損耗；濾波電路中電感和電容的損耗,；隔離變壓器的鋼損與鐵損,。綜合考慮成本和性能，本電路選用了IRF540,，其導(dǎo)通電阻僅為77mΩ,，輸入結(jié)電容為1700pF。在帶載額定電流1A時,，全橋的靜態(tài)功耗Pon=4×I2×Ron=0.308W,。由于濾波電感和電容工作在高頻下，起儲能釋能作用,，因此電感要盡量減小內(nèi)阻,，并保留1mm磁隙防止飽和，電容則要選取等效串聯(lián)電阻ESR較小的高頻低阻類型,，以減小在電容上產(chǎn)生的功率損耗,，本設(shè)計中所用的電感線圈為多股漆包線并繞，以減小高頻下導(dǎo)線集膚效應(yīng)帶來的損耗,，并使用鐵氧體材料的磁芯,，以減小其磁滯損耗。電容則選用聚丙烯電容,，它具有較好的高頻特性,、穩(wěn)定性和較小的損耗。為減小隔離變壓器T的損耗,，導(dǎo)線的載流量選2.5A/mm2,，選用冷軋鋼帶替代矽鋼片。
濾波參數(shù)的設(shè)置
濾波電感使用直徑36mm磁罐,，加1mm磁隙,，用0.4mm漆包線5股并繞20匝,，實測電感為200μF左右；為減小通帶衰減,，取截止頻率為5kHz,，一百倍于基頻，得C=4.7μF,。為進一步減小正弦波諧波分量,，又用60μH鐵粉環(huán)電感與0.68μF電容進行了二次濾波，最終效果比較理想,。
電路與程序設(shè)計
DC-AC電路
DC-AC逆變器由振蕩原理的D類功率放大器構(gòu)成,，利用負反饋的高頻自激，產(chǎn)生幅度較弱的高頻振蕩疊加在工頻信號上,，經(jīng)過比較器產(chǎn)生高頻SPWM開關(guān)信號通過浮柵驅(qū)動器驅(qū)動MOS管半橋,。自振蕩逆變器框圖如圖4所示。DA-AC逆變器原理圖如圖5所示,。
圖4 自振蕩逆變器框圖
圖5 DA-AC逆變器原理圖
由于負反饋在工頻上是穩(wěn)定的,，因此輸出的信號的放大倍數(shù)由R2與 R4的分壓比決定，而自振蕩（產(chǎn)生的SPWM）頻率可通過微調(diào)補償網(wǎng)絡(luò)中的電阻,、電容值進行調(diào)整,，實際中綜合考慮損耗和濾波電路的設(shè)計，選定頻率約為28kHz,，保證輸出電壓在功率電源HVDC范圍內(nèi)，比例放大系數(shù)選為12,。這種逆變器自身閉環(huán),，整個電路只使用一個比較器，可以根據(jù)負載的變化自動調(diào)整SPWM的占空比,，使輸入/輸出電壓始終成比例關(guān)系,。
設(shè)計時，使用兩個上述的自振蕩逆變器構(gòu)成平衡橋式DA-AC變換器,，以LM393做逆變的比較器,，配合自帶死區(qū)的IR21094浮柵驅(qū)動器驅(qū)動IRF540功率MOS管，獲得了較高的效率和極低的失真度,。
過流保護及自恢復(fù)電路
電流I在采樣電阻上產(chǎn)生的電壓經(jīng)過LM358放大10倍后與參考電壓比較,，超過則輸出低電平， C7經(jīng)過二極管迅速放電,，使#SD信號被拉低,，浮柵驅(qū)動器輸出被關(guān)閉，向單片機報警,。同時I變小,，運放1腳（如圖6）輸出高電平,，+5V經(jīng)過R17對C7充電，經(jīng)過一段時間達到浮柵驅(qū)動器的高電平門限時,，再次打開場效應(yīng)管,。這樣可以保證過流時迅速關(guān)斷輸出，關(guān)閉一段時間后自行試探,，在故障消除后可自動恢復(fù),。
圖6 過流保護電路圖
欠壓報警指示，實時顯示當前入口處Ud電壓
欠壓時MPPT算法將自動使輸出為零,，功率最小,。單片機實時采樣Ud電壓后在液晶上顯示，小于25V時報警,。
控制電路與控制程序
在功率電源入口處用470k與20k金屬膜電阻分壓到合適電壓后進行電壓采樣,，電流則由40毫歐電阻高端采樣后經(jīng)隔離差動放大器HCPL7800放大后再由儀表放大器AD620轉(zhuǎn)換成單端電壓，送給A/D采樣,，其中HCPL7800和AD620帶有48倍的增益,，將電壓放大到2V左右，保證采樣電流有足夠的精度,。功率最大時有
,，可得
，令
,，
,，則當
時認為達到最大功率點。
經(jīng)典控制算法流程圖如圖7所示,。
圖7 經(jīng)典控制算法流程圖
測試方法與數(shù)據(jù),、結(jié)果分析
測試儀器選用：數(shù)字示波器TDS1002；4位半數(shù)字萬用表VC9807A+,；20M數(shù)字信號源RIGOL DG1022,；雙路可跟蹤直流穩(wěn)定電源HY1711。測試框圖如圖8所示,。
圖8 測試流程圖
測試方法：
①最大功率點跟蹤功能：在60V輸入電壓情況下,，根據(jù)測試數(shù)據(jù)表1改變RS與 RL(30Ω~36Ω)，記錄電壓表2與電壓表1的示數(shù),。
②頻率相位跟蹤功能：根據(jù)測試數(shù)據(jù)表2改變輸入信號UREF從45Hz~55Hz步進,，從示波器觀察頻率跟蹤的速度和輸出電壓的頻率，以及兩者的相位差,，記錄在測試數(shù)據(jù)表2中,。
③效率：額定RS=RL =30Ω時，記錄電壓表1,、電壓表2,，電流表1,、電流表2的示數(shù)，效率=UoIo/UiIi
④失真度：用示波器FFT觀察顯示波形,，記錄基波和各次諧波的幅度,。
測試數(shù)據(jù)：
① 數(shù)據(jù)記錄：各數(shù)據(jù)列于表1~表3中。
表1 最大功率點跟蹤
表2 頻率相位跟蹤
表3 DA-AC變換器效率
②計算效率：
③輸出過流保護和自恢復(fù)功能：將輸出短路,，電路進入過流保護,，指示燈亮，液晶屏顯示報警,，除去短路后報警消失,，電路恢復(fù)正常。
④輸入欠壓保護和自恢復(fù)功能：調(diào)節(jié)輸入電壓 ,，當電壓表2顯示電壓低于25V時液晶屏顯示報警,。再提高電源電壓，報警消失,，電路重新正常工作,。
結(jié)束語
為了較好地實現(xiàn)頻率相位跟蹤、DA-AC逆變,、欠壓及過流自恢復(fù)保護等功能,，本設(shè)計基于MSP430F169單片機，采用較少元件,、較低成本的模擬方案,，設(shè)計了模擬電路，實現(xiàn)了光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置的設(shè)計,，具有較強的實用性,。