摘要：本文闡述了以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)采用逐步逼近法實現(xiàn)太陽電池的最大功率跟蹤（MPPT），同時通過恒V/f方式來實現(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)境迫使世界各國開始積極尋找一條新的可持續(xù)發(fā)展的能源之路。太陽能、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，太陽能無疑處于最突出的地位?，F(xiàn)在，在我國大西北、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)同時又是太陽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)具有明顯的社會效益和經(jīng)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(tǒng)中，不能很好地實現(xiàn)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(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繛槿照諒姸龋é担?，輸出參量為水的流量（θ），系統(tǒng)總效率為η=Hθ/Φ，其中H為揚程；MPPT和電壓變換器部分就是本系統(tǒng)所研究的對象。

由圖1可知，光伏陣列為系統(tǒng)的能量輸入端，當(dāng)日照強度Φ一定時，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現(xiàn)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(tǒng)輸出電壓與負(fù)載特性之間的匹配為最優(yōu)，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(tǒng)的效率達(dá)到最高，即在保持水泵揚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)?/p>

系統(tǒng)的主電路拓?fù)淙鐖D2所示。

圖2主電路拓?fù)?/p>

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，沒有少數(shù)載流子的存儲效應(yīng)，輸入阻抗高，動作快，工作頻率高，不存在二次擊穿，驅(qū)動功率小，并且驅(qū)動電路簡單；同時，由于具有正溫度系數(shù)，可以自動均衡電流，不會產(chǎn)生過熱點，因此，系統(tǒng)采用兩個功率MOSFET并聯(lián)，擴大了電流的容量，從而降低了系統(tǒng)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(xiàn)系統(tǒng)的各種保護。

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，保持V/f值為常數(shù)，實現(xiàn)變頻調(diào)速。

2）根據(jù)檢測元件檢測到的直流側(cè)電壓、電流值，結(jié)合太陽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，實現(xiàn)太陽電池的最大功率點跟蹤。

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

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(nèi)，從而使用戶系統(tǒng)更緊湊，抗干擾能力更強，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），它大大簡化了產(chǎn)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3CPU外圍電路框圖

3．3輸入接口電路

本系統(tǒng)共有6路檢測，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與保護，其中，直流側(cè)電壓檢測和直流側(cè)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(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，以盡量減少對設(shè)備信號的影響，輸出阻抗應(yīng)同芯片內(nèi)A/D口的輸入阻抗相匹配。

圖4太陽電池電壓檢測

圖5直流側(cè)過流、短路保護

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)合太陽電池的功率特性曲線，采用逐步逼近法來實現(xiàn)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(fù)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(tǒng)振蕩和提高動態(tài)響應(yīng)速度，設(shè)計了PI調(diào)節(jié)結(jié)合軟起動的控制方式，通過不斷改變負(fù)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7MPPT程序流程圖

圖8PI程序流程圖

本系統(tǒng)的軟件采用模塊化設(shè)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(jīng)過這樣的模塊化處理后，系統(tǒng)的軟件由復(fù)雜變得簡單易懂，同時也便于修改和功能擴展。系統(tǒng)的主程序流程圖見圖9。

圖9主程序流程圖

5結(jié)語

根據(jù)上述思想設(shè)計的變頻器基本上實現(xiàn)了太陽電池的最大功率點跟蹤，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，系統(tǒng)又具有短路、欠壓、堵轉(zhuǎn)、打干和過載等各種完善的保護功能，可以在各種惡劣的環(huán)境下工作，對于偏遠(yuǎn)的西部某些地區(qū)具有廣闊的應(yīng)用前景。