周海峰 黄元庆 陈 苏 董敬德



基于单片机的太阳光伏发电系统逆变器的仿真设计

周海峰1,2黄元庆1，*陈 苏3董敬德2

1.厦门大学机电工程系 2.集美大学轮机工程学院 3.福州大学电气工程与自动化学院

介绍了一种应用于太阳能的发电系统中基于单片机控制的单相全桥逆变器的设计。逆变器主电路为全桥逆变结构，由4个IRF830A组成。以单极性SPWM倍频调制方式工作。经过分析和比较，确定采用直接PWM法来计算SPWM波的占空比并设计了控制器。以AT89S51作为控制芯片，基于KeilC和Proteus的集成开发环境进行系统软件设计，结合软件对硬件电路进行调试，结果表明各部分指标满足要求。

逆变器 光伏 单片机 脉冲宽度调制

1 引言

太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，生物质能、风能、海洋能、水能等都来自太阳能，广义地说，太阳能包含以上各种可再生能源。太阳能作为可再生能源的一种，则是指太阳能的直接转化和利用,通过转换装置把太阳辐射能转换成电能利用的属于太阳能光发电技术[1]。

本文介绍了一个应用于可再生能源发电系统，采用直接电流控制的单相电压源型PWM逆变器的设计过程，并对逆变器的控制策略进行了分析和研究，采用ATMEL公司的MCU芯片AT89S51作为控制芯片完成了设计。

太阳能光伏发电产业自上个世纪80年代以来持续高速发展,每年以30%～40%的速度递增，同时全球光伏电池产量快速增长，全球太阳能企业在1995年－2005年增长了17倍。2005年世界太阳能电池产量达到1650MW累计装机容量5GW。为了鼓励太阳能的开发和利用，各国政府分别积极制定各种优惠政策来推动太阳能光伏发电的发展。其中，以美、日、德、等西方发达国家为主[2]。

我国的太阳能光伏发电系统起步较晚,但是发展速度很快。2005年2月28日第十届全国人民代表大会常务委员会第十四次会议通过的“中华人民共和国可再生能源法”，已于2006年1月1日起正式实施。2006年4月国务院能源领导小组会议上已批准国家发改委提出的我国太阳能发电的中长期发展规划、发展重点和目标。

随着人类对新能源的需求不断的增加，而利用新能源的关键技术就是如何将新能源转化成电能。因此逆变器的研究也成为合理利用新能源的课题中的重中之重。目前，可靠、高效和廉价的逆变器己成为生活中的迫切需要。本文采用高运算速率，低功耗的单片机AT89S51作为控制芯片，提高了逆变器的工作效率。

本文介绍逆变器的结构、控制方法和PWM控制方式，着重进行了系统硬件和软件的设计，给出了部分程序，通过实验得到相关实验波形并进行了分析，最后进行了总结。

2 系统总体设计

2.1 逆变电路介绍

与整流相对应，把直流电转化成交流电称为逆变。当交流侧接在电网上，即交流侧接有电源时，称为有源逆变；当交流侧直接和负载连接时，称为无源逆变。逆变电路的应用非常广泛。在已有的各种电源中，蓄电池、干电池、太阳能电池等都是直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时，就需要逆变电路。逆变电路在电力电子电路中占有十分突出的地位[3]。

逆变电路根据直流侧电源性质的不同可分为两种：直流侧是电压源的称为电压型逆变电路；直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。它们也分别被称为电压源型逆变电路（Volt-age Source Type Inverter—VSTI)和电流源型逆变电路（Current Source Type Inverter—CSTI)。本文采用的是全桥逆变电路的原理图。

2.2 逆变器驱动电路与滤波电路的设计

驱动电路是电力电子变换器的关键技术之一。它的输出脉冲的幅值和波形与功率开关管的开关特性有很大的关系，进而会影响到整个逆变系统的效率和调节特性[4]。

本设计中驱动电路采用4输入与非门HD74HC00P。由单片机输出的PWM波通过两个与非门之后，输入给功率器件V1、V4的门级;通过一个与非门输入给V2、V3的门级，以此来作为驱动信号，并且实现驱动信号的互补。

经过分析和比较，逆变部分决定采用全桥逆变电路,由场效应管IRF830A组成逆变桥，采用4输入与非门HD74HC00P来作为驱动电路。单片机产生的PWM信号经过HD74HC00P后，来控制逆变桥中开关器件IRF830A的关断与导通，就可以在逆变桥的输出端产生正弦波。不过此时的正弦波含有大量的高次谐波，需要通过LC滤波电路才能得到平滑、不含高次谐波的标准的正弦波。而电容与电感数值的大小需要经过理论计算与实际调试后才能确定。在本设计中我们取C=22μF,L=10mH。

2.3 PWM控制

脉宽调制(PWM)是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中[6]。

简而言之，PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。

在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同[7]。到目前为止，已出现了多种PWM控制技术，4种主要方法：自然采样法[8]（对称规则采样法和不对称规则采样法[9]）、面积等效法和面积中心等效法。

2.4 控制电路设计

系统的控制电路采用单片机开发板来实现。该开发板是基于MCU 89S51的功能而开发设计制造的，可以作为一个硬件开发的平台，板上提供了各种接口，可以很方便的将其与外围电路连接，方便了设计。此开发板主要包括以下几个部分[11]：USB电源（U1）；外接电源接口；5V稳压芯片；RS232串口，可简单的与主处理器连接；DS1302时钟芯片；DS1802温度传感器；指示电源的发光二极管（LED1）；32路I/O接口引出；24C02存储器、4位按键、红外线插座、LCD1602、ISP下载插座、4位共阳数码管、蜂鸣器。

在本设计中主要是用了P1接口，利用接口的P10脚作为SPWM信号的输出口来分别控制功率器件V1、V2、V3、V4。

PWM控制方式的应用范围非常广泛，不仅可以实现逆变，还可以应用在电机调频、调速、控制灯泡的亮度的场合中。可以说在未来的电力电子技术的发展中PWM技术将得到越来越多的关注。

本文计算PWM波的占空比采用直接PWM法。由于单片机指令执行延迟时间的存在,必然会引进误差,尤其在实现高频 SPWM波时,因为程序中往往忽略指令执行时间,但当输出可调脉冲宽度小于10μs,与指令执行速度可比拟时(尤其对于以 C语言编写的指令,其编译后代码效率比较低,指令执行时间可达μs数量级) ,中断执行时间过长会对计数器计数产生延迟,最后会影响波形准确性[10]。

3 系统软件设计

3.1 Proteus 介绍

Proteus支持多种主流单片机系统的仿真，如51系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列、68000系列等。并且提供软件调试功能与丰富的外围接口器件及其仿真RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。

随着科技的发展，“计算机仿真技术”已成为许多设计部门重要的前期设计手段。它具有设计灵活，结果、过程的统一的特点。可使设计时间大为缩短、耗资大为减少，也可降低工程制造的风险。相信在单片机开发应用中PROTEUS也能茯得愈来愈广泛的应用[11]。

3.2 Proteus ISIS软件与KeilμVision2的联合仿真

单片机应用技术所涉及到的实验实践环节比较多，而且硬件投入比较大。在具体的工程实践中，如果因为方案有误而进行相应的开发设计，会浪费较多的时间和经费。Proteus仿真软件很好的解决了这些问题，它可以象Protel一样画好硬件原理图与KEIL编程软件结合进行编程仿真调试。

3.2.1 Protues软件与Keil uVision的结合

设置步骤如下： (1)把proteus安装目录下VDM51.Dll(C:Program FilesLabcenterElectronics Proteus6 ProfessionalMODELS）文件复制到Keil安装目录的 C51BIN目录中; (2)编辑C51里tools.ini文件,加入:TDRV1=BINVDM51.DLL("PROTEUS VSM MONITOR-51 DRIVER"); (3) Keil uVision里设置: project-->options for project-->debug tab; (4) 选中use proteus VSM monitor 51( 如果想用两台电脑仿真,双击setting,输入IP地址或者DNS name); (5) 载入proteus文件; (6) proteus 里选择DEBUG-->use remote debug monitor; 进入KEIL的project菜单option for target '工程名'。在DEBUG选项中右栏上部的下拉菜选中 Proteus VSM Monitor-51 Driver。在进入seting，如果同一台机IP 名为127.0.0.1,如不是同一台机则填另一台的IP地址。端口号一定为8000 注意：可以在一台机器上运行keil，另一台中运行proteus进行远程仿真. (7)打开KEIL uVision, 按F5 开始仿真。

3.2.2 proteus的工作过程

运行proteus的ISIS程序后，进入该仿真软件的主界面。在工作前，要设置view菜单下的捕捉对齐和system下的颜色、图形界面大小等项目。通过工具栏中的p(从库中选择元件命令)命令，在pick devices窗口中选择电路所需的元件，放置元件并调整其相对位置，元件参数设置，元器件间连线，编写程序；在source菜单的Define code generation tools菜单命令下，选择程序编译的工具、路径、扩展名等项目；在source菜单的Add/remove source files命令下，加入单片机硬件电路的对应程序；通过debug菜单的相应命令仿真程序和电路的运行情况。

综上所述，利用Proteus软件能够提供实验室无法相比的大量的元器件库，提供了修改电路设计的灵活性、提供了实验室在数量、质量上难以相比的虚拟仪器、仪表，通过与KeilC软件的联合调用，PROTEUS不仅可将许多单片机实例功能形象化，也可将许多单片机实例运行过程形象化。

4 逆变器的调试

4.1 调试说明

第一、测试指标：输出电压值：3VAC±5% ；正弦波输出频率：50HZ；第二、参数设置：直流侧输入电压5VDC；参考正弦波频率50Hz，直流输入电压5V，逆变器输出电压3V；第三、调试仪器：利用实验室的电压源的直流输出5VDC电压作为逆变器直流输入信号与驱动电路的电源。TDS1002数字存储示波器观察逆变器输出波形；第四、调试步骤：①对硬件电路中的全桥逆变电路和驱动电路进行调试.②对PWM模块进行调试，软件产生的四路的MOSFET驱动信号，主要观察上下桥臂的驱动信号是否互补，死区时间是否正确。③利用单片机AT89S52编程来产生SPWM波，由P10口输出。④对主电路进行开环调试，将步骤中单片机产生的SPWM信号连入主电路，观察逆变器输出波形。

4.2 调试结果与分析

根据以上设计方案，在实验室搭建完成了逆变系统的试验装置。实验电路有电源、逆变桥、单片机开发系统、驱动电路、LC滤波电路、示波器组成。软件开发环境为KeilC μVision2。

4.2.1 IRF830A的驱动信号波形

由单片机P10口输出的2路驱动信号。这2路驱动信号互补，分别驱动同一个桥臂的上下2个开关管。其中CH1所示波形为驱动V1的信号，V2/V3的驱动信号与此相似就没有给出波形了。为了能更好的观察单片机P10口输出的SPWM波的整体变化情况，截取变化较为明显的一段。

图1 Proteus仿真电路图

图2 驱动信号波形

4.2.2 Proteus与KeilC联合仿真分析

图1所示的是用Proteus建立的逆变系统仿真电路原理图。图2中功率器件的驱动信号来自单片机AT89S52的P10口。通过KeilC软件运行编写好的控制程序，然后把程序载入Proteus仿真电路中的单片机芯片AT89S51中，运行仿真电路，AT89S51的P10口就可以输出SPWM波。把得到的SPWM波通过非门驱动后输入给功率器件，来控制功率器件的导通与关断，再用仿真示波器观察逆变电路输出，可以得到如图3所示的经过Proteus与KeilC联合仿真之后得出的示波器输出波形。由图可见，正弦波周期十分接近20ms，波峰波谷有轻微的畸变。

图3 逆变器输出波形

4.2.3逆变器输出波形

利用实验室的电流源的直流输出作为逆变器的直流输入与驱动电路的电源，按照要求连接好硬件电路，经过LC滤波电路后，用TDS1002数字存储示波器来观察逆变器输出波形。输出波形如图3所示。由于单片机的性能有限以及实际电路中存在的各种干扰因素，输出的正弦波频率为46.8569HZ存在一定的误差。为了让正弦波的频率更接近工频50HZ，我们进一步改进算法，在减少一个周期内的取点数目后，再次观察输出波形频率，发现频率更加接近50HZ，但是正弦波的波峰与波谷出现了较严重的畸变。经过分析，波形发生较严重的畸变是由于PWM控制算法精度的下降以及LC滤波电路所需的参数改变而导致的。如果想要使得波形更加接近完美的正弦波，首要考虑的是提高PWM控制算法的精度。可以选择更加精确的算法来产生PWM波；并且需要重新选择LC滤波电路的参数；这样才能在使用相同的硬件电路条件下，取得良好的逆变效果。可以考虑使用性能强大的IGBT来构成逆变电路，并采用DSP来作为控制芯片。

5 结论

本文采用全桥逆变电路的系统结构，采用IRF830A电力场效应管来实现。以AT89S51的单片机作为控制芯片完成了逆变器的设计。制作出了实物，基于Proteus与KeilC的集成开发环境完成了软件的设计，根据软硬件的设计方案实现了整个系统，软硬件相结合进行了调试，调试结果显示逆变器运行结果符合要求。

开发板的PCB图

实物图

部分程序

#include

#include

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

#define ulong unsigned long

sbit P10=P1^0;

uchar n0;

uint ledi;

uchar code ledp[200]={

……};

void main(void)

{

TMOD=0x01;

TR0=1;

ET0=1;

P10=1;

n0=ledp[ledi];

TH0=0xff;

TL0=266-n0;

EA=1;

While(1)

{

}

｝

timer0() interrupt 1

P10=~P10;

ledi++;

if(ledi==200)ledi=0;；

n0=ledp[ledi];

TH0=0xff;

……

[1] 张凌. 单相光伏并网发电器的研制[D]. 北京：北京交通大学硕士学位论文,2007.

[2] 吴海涛. 光伏并网逆变器及其仿真研究[D].青岛：青岛大学硕士学位论文,2007.

[3] 王兆安,黄俊.电力电子技术[M].第四版. 北京：机械工业出版社,2005.

[4] 曲学基,于明扬,曲敬铠. 逆变技术基础与应用[M].北京:电子工业出版社,2007.

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[11] 陈道炼.DC－AC逆变技术及其应用[M]. 北京：机械工业出版社,2003

* 此项工作得到国家863重大科技项目子课题资助，项目批准号：2006AA050203-1