光伏發(fā)電系統(tǒng)中基于STC89S51的單相全橋逆變器的設(shè)計(jì)及仿真

嚴(yán)峻 劉輝

【摘要】本文設(shè)計(jì)一種光伏發(fā)電系統(tǒng)中由單片機(jī)控制的單相全橋逆變器，并通過仿真測試達(dá)到控制要求。采用全橋逆變結(jié)構(gòu)、單極性SPWM倍頻調(diào)制的工作方式。經(jīng)過反復(fù)測試，采用PWM法來計(jì)算SPWM波的占空比，并設(shè)計(jì)了控制器。以STC89S51作為控制芯片，采取KeilC和Proteus軟件進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)及聯(lián)合仿真，測試最終結(jié)果表明各模塊指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

【關(guān)鍵詞】光伏發(fā)電;STC89S51單片機(jī);逆變器;PWM

一、引言

廣義的太陽能所囊括的范圍非常廣：地球上的水能、風(fēng)能、海洋溫差能等都是來源于太陽;即使是地球上的化石燃料（如煤、天然氣、石油等）從根本上說也是遠(yuǎn)古以來貯存下來的太陽能，狹義的太陽能則限于的光熱、光電和光化學(xué)的直接轉(zhuǎn)換。所以，太陽能作為一種清潔、可再生能源，其重要性無可取代。

光伏發(fā)電的基本原理是“光伏效應(yīng)”。光線照射到金屬上，它的能量被金屬中的某個(gè)電子全部吸收，當(dāng)電子吸收的能量足夠大時(shí)，就能克服金屬內(nèi)部引力做功，從金屬表面逃逸出來，成為光電子。

太陽能光伏發(fā)電由于不受能源資料、原材料和應(yīng)用環(huán)境的限制，具有最廣闊的發(fā)展前景，是各國最著力發(fā)展的可再生能源技術(shù)之一。歐洲聯(lián)合研究中心（JRC）對光伏發(fā)電未來發(fā)展做出了如下預(yù)測：2020年世界太陽能發(fā)電的發(fā)電量占世界能源需求的1%，2050年占到20%，2100年則將超過50%。

鑒于目前光伏發(fā)電的成本仍偏高，為了刺激光伏發(fā)電市場，世界各發(fā)達(dá)國家都制定了激勵(lì)政策：1、歐洲各國實(shí)施“上網(wǎng)電價(jià)”的光伏發(fā)電激勵(lì)政策;2、美國各州的激勵(lì)政策不同，大部分采用投資補(bǔ)貼、稅收優(yōu)惠和“凈電表”法;3、日本實(shí)行安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)時(shí)對初投資進(jìn)行補(bǔ)貼法;我國自2005年頒布了《可再生能源法》后，又出臺(tái)一系列相關(guān)的配套政策。特別是近幾年，國家出臺(tái)了一系列促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策措施，如：央行向分支機(jī)構(gòu)及各銀行下發(fā)2014年的信貸政策中，光伏首次獲明確支持。各省市也積極響應(yīng)，共計(jì)8省15市的太陽能補(bǔ)貼政策也相繼出爐。2013年，我國新增裝機(jī)量預(yù)計(jì)10GW，同比增長122%，居全球首位。

隨著人類對能源的需求不斷的增加和日益凸顯的環(huán)境問題之間的矛盾逐漸激烈，清潔、可再生的太陽能的充分利用就顯得前所未有的重要。而光伏發(fā)電系統(tǒng)的三大基本部件是：由太陽電池板（組件）、控制器和逆變器。因此逆變器的研究成為了光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心問題。

二、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.逆變電路

光伏逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，它的主要作用是將光伏電池板發(fā)出來的直流電轉(zhuǎn)換成交流電，若是并網(wǎng)逆變器，則要轉(zhuǎn)化成與電網(wǎng)同步的交流電。本文采用的逆變拓?fù)潆娐窞槿珮蚰孀冸娐贰?/p>

2.驅(qū)動(dòng)與濾波電路

逆變器驅(qū)動(dòng)電路的功能。它輸出脈沖的幅值和波形與功率開關(guān)管的開關(guān)特性之間有密切關(guān)系，從而會(huì)影響整個(gè)逆變系統(tǒng)的效率和調(diào)節(jié)特性。

逆變部分采用全橋逆變拓?fù)?，由場效?yīng)管構(gòu)成逆變橋，STC89S51單片機(jī)產(chǎn)生的PWM信號通過與非門后，控制逆變橋中開關(guān)器件的ON與OFF，從而在逆變橋的輸出端產(chǎn)生正弦波。后續(xù)仍需LC濾波電路，得到平滑、不含高次諧波的標(biāo)準(zhǔn)正弦波。經(jīng)過計(jì)算和反復(fù)測試，濾波電路中參數(shù)C=22?F，L=10mH。

3.PWM控制理論

PWM，脈沖寬度調(diào)制，是一種利用數(shù)字信號對模擬量進(jìn)行控制的方法。在采樣控制理論中有一個(gè)重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。到目前為止，已出現(xiàn)了多種PWM控制技術(shù)，如等脈寬PWM法、SPWM法、等面積法等等。

4.控制電路

控制電路使用單片機(jī)STC89S51小系統(tǒng)開發(fā)板實(shí)現(xiàn)，包含以下功能模塊：USB電源供電模塊、DS1302時(shí)鐘模塊、LCD1602液晶模塊、LCD12864_TFT2.4彩屏顯示、6位共陰數(shù)碼管模塊、nRF905無線電通信接口、AD/DA模塊、IR1838紅外接收模塊、ISP燒寫接口、18B02溫度傳感器、5V穩(wěn)壓芯片;32位I/O口線;RS232串口24C02存儲(chǔ)器、4X4矩陣鍵盤、、蜂鳴器等。在本設(shè)計(jì)中利用I/O并行端口P1.0腳作為PWM信號的輸出端來分別控制功率器件。

三、軟件及仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.Proteus介紹

Protues軟件是英國Labcenter electronics公司出版的工具軟件。它是目前最好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、8086和MSP430等，2010年增加Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、和MATLAB等多種編譯。

2.Keil?Vision2與Proteus ISIS軟件的聯(lián)合仿真

聯(lián)合仿真設(shè)置步驟如下：

（1）打開Keil uVision軟件，新建一個(gè)project，生成一個(gè)*.uv2文件。（2）用ADD FILES TO GROUP“source group 1”命令講寫好的程序源文件加載進(jìn)來。（3）編譯、連接無誤后，生成.*hex文件。（4）打開Protues ISIS，繪制原理圖完畢。（5）雙擊芯片，將（3）中生成的*.hex文件路徑添加到“program file”選項(xiàng)中，即可仿真。

四、仿真調(diào)試

1.調(diào)試步驟：（1）調(diào)試驅(qū)動(dòng)、逆變電路;（2）調(diào)試PWM模塊，觀察死區(qū)時(shí)間、上下橋臂的驅(qū)動(dòng)信號是否互補(bǔ);（3）通過編程使STC89S51產(chǎn)生SPWM波，由P1.0口輸出;（4）對主電路進(jìn)行開環(huán)調(diào)試，觀察逆變器輸出波形。

2.調(diào)試結(jié)果與分析

（1）驅(qū)動(dòng)電路輸出波形

由單片機(jī)P1.0口輸出的驅(qū)動(dòng)V1的波形如圖1所示。其他驅(qū)動(dòng)信號波形與此相似此處省略。

（2）仿真數(shù)據(jù)分析

逆變系統(tǒng)仿真電路原理圖如圖2所示，由Proteus ISIS繪制。通過KeilC軟件編譯調(diào)試C語言源程序，，將生成的HEX文件加載到原理圖芯片STC89S51中，全速仿真，單片機(jī)的P1.0口線輸出SPWM波（單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)功能），并通過非門驅(qū)動(dòng)后送給給功率器件，來控制功率器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，逆變器輸出波形如圖3所示。由圖可見，正弦波周期基本滿足設(shè)計(jì)要求，波峰波谷有輕微的畸變。

圖1 驅(qū)動(dòng)信號波形

圖2 Proteus仿真電路圖

圖3 逆變器輸出波形

五、結(jié)論

本文采用的全橋逆變電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，用IRF830A電力場效應(yīng)管來實(shí)現(xiàn)。

圖4 HL-1開發(fā)板的原理圖

以STC89S51的單片機(jī)為主控芯片完成了逆變器的設(shè)計(jì);借助于Proteus與KeilC軟件聯(lián)合仿真環(huán)境完成了軟件部分的設(shè)計(jì)，按照軟硬件的設(shè)計(jì)方案構(gòu)建整個(gè)系統(tǒng)，并進(jìn)行了軟硬聯(lián)調(diào)，結(jié)果表明逆變器運(yùn)行結(jié)果符合設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

部分程序

#include

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sbit port=P1^0;

unsigned char data m;

unsigned int data i=0;

unsigned char code led[200]={……};

main（）

{

TMOD=0X01;

IE=0X82;

port=1;

m0=led[i];

TL0=256-m;TH0=0XFF;

TR0=1;

while（1）

{PCON=PCON|0X01;}

}

void timer0（）interrupt 1 using 2

{port=～port;i++;

if（i==200）i=0;;

m=led[i];

TL0=256-m;TH0=0XFF;

……

}