周海峰 黃元慶 陳 蘇 董敬德

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基于單片機(jī)的太陽(yáng)光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器的仿真設(shè)計(jì)

周海峰1,2黃元慶1，*陳 蘇3董敬德2

1.廈門(mén)大學(xué)機(jī)電工程系 2.集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院 3.福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院

介紹了一種應(yīng)用于太陽(yáng)能的發(fā)電系統(tǒng)中基于單片機(jī)控制的單相全橋逆變器的設(shè)計(jì)。逆變器主電路為全橋逆變結(jié)構(gòu)，由4個(gè)IRF830A組成。以單極性SPWM倍頻調(diào)制方式工作。經(jīng)過(guò)分析和比較，確定采用直接PWM法來(lái)計(jì)算SPWM波的占空比并設(shè)計(jì)了控制器。以AT89S51作為控制芯片，基于KeilC和Proteus的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，結(jié)合軟件對(duì)硬件電路進(jìn)行調(diào)試，結(jié)果表明各部分指標(biāo)滿(mǎn)足要求。

逆變器 光伏 單片機(jī) 脈沖寬度調(diào)制

1 引言

太陽(yáng)能是各種可再生能源中最重要的基本能源，生物質(zhì)能、風(fēng)能、海洋能、水能等都來(lái)自太陽(yáng)能，廣義地說(shuō)，太陽(yáng)能包含以上各種可再生能源。太陽(yáng)能作為可再生能源的一種，則是指太陽(yáng)能的直接轉(zhuǎn)化和利用,通過(guò)轉(zhuǎn)換裝置把太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)換成電能利用的屬于太陽(yáng)能光發(fā)電技術(shù)[1]。

本文介紹了一個(gè)應(yīng)用于可再生能源發(fā)電系統(tǒng)，采用直接電流控制的單相電壓源型PWM逆變器的設(shè)計(jì)過(guò)程，并對(duì)逆變器的控制策略進(jìn)行了分析和研究，采用ATMEL公司的MCU芯片AT89S51作為控制芯片完成了設(shè)計(jì)。

太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)自上個(gè)世紀(jì)80年代以來(lái)持續(xù)高速發(fā)展,每年以30%～40%的速度遞增，同時(shí)全球光伏電池產(chǎn)量快速增長(zhǎng)，全球太陽(yáng)能企業(yè)在1995年－2005年增長(zhǎng)了17倍。2005年世界太陽(yáng)能電池產(chǎn)量達(dá)到1650MW累計(jì)裝機(jī)容量5GW。為了鼓勵(lì)太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)和利用，各國(guó)政府分別積極制定各種優(yōu)惠政策來(lái)推動(dòng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電的發(fā)展。其中，以美、日、德、等西方發(fā)達(dá)國(guó)家為主[2]。

我國(guó)的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)起步較晚,但是發(fā)展速度很快。2005年2月28日第十屆全國(guó)人民代表大會(huì)常務(wù)委員會(huì)第十四次會(huì)議通過(guò)的“中華人民共和國(guó)可再生能源法”，已于2006年1月1日起正式實(shí)施。2006年4月國(guó)務(wù)院能源領(lǐng)導(dǎo)小組會(huì)議上已批準(zhǔn)國(guó)家發(fā)改委提出的我國(guó)太陽(yáng)能發(fā)電的中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃、發(fā)展重點(diǎn)和目標(biāo)。

隨著人類(lèi)對(duì)新能源的需求不斷的增加，而利用新能源的關(guān)鍵技術(shù)就是如何將新能源轉(zhuǎn)化成電能。因此逆變器的研究也成為合理利用新能源的課題中的重中之重。目前，可靠、高效和廉價(jià)的逆變器己成為生活中的迫切需要。本文采用高運(yùn)算速率，低功耗的單片機(jī)AT89S51作為控制芯片，提高了逆變器的工作效率。

本文介紹逆變器的結(jié)構(gòu)、控制方法和PWM控制方式，著重進(jìn)行了系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計(jì)，給出了部分程序，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到相關(guān)實(shí)驗(yàn)波形并進(jìn)行了分析，最后進(jìn)行了總結(jié)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 逆變電路介紹

與整流相對(duì)應(yīng)，把直流電轉(zhuǎn)化成交流電稱(chēng)為逆變。當(dāng)交流側(cè)接在電網(wǎng)上，即交流側(cè)接有電源時(shí)，稱(chēng)為有源逆變；當(dāng)交流側(cè)直接和負(fù)載連接時(shí)，稱(chēng)為無(wú)源逆變。逆變電路的應(yīng)用非常廣泛。在已有的各種電源中，蓄電池、干電池、太陽(yáng)能電池等都是直流電源，當(dāng)需要這些電源向交流負(fù)載供電時(shí)，就需要逆變電路。逆變電路在電力電子電路中占有十分突出的地位[3]。

逆變電路根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同可分為兩種：直流側(cè)是電壓源的稱(chēng)為電壓型逆變電路；直流側(cè)是電流源的稱(chēng)為電流型逆變電路。它們也分別被稱(chēng)為電壓源型逆變電路（Volt-age Source Type Inverter—VSTI)和電流源型逆變電路（Current Source Type Inverter—CSTI)。本文采用的是全橋逆變電路的原理圖。

2.2 逆變器驅(qū)動(dòng)電路與濾波電路的設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路是電力電子變換器的關(guān)鍵技術(shù)之一。它的輸出脈沖的幅值和波形與功率開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)特性有很大的關(guān)系，進(jìn)而會(huì)影響到整個(gè)逆變系統(tǒng)的效率和調(diào)節(jié)特性[4]。

本設(shè)計(jì)中驅(qū)動(dòng)電路采用4輸入與非門(mén)HD74HC00P。由單片機(jī)輸出的PWM波通過(guò)兩個(gè)與非門(mén)之后，輸入給功率器件V1、V4的門(mén)級(jí);通過(guò)一個(gè)與非門(mén)輸入給V2、V3的門(mén)級(jí)，以此來(lái)作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并且實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的互補(bǔ)。

經(jīng)過(guò)分析和比較，逆變部分決定采用全橋逆變電路,由場(chǎng)效應(yīng)管IRF830A組成逆變橋，采用4輸入與非門(mén)HD74HC00P來(lái)作為驅(qū)動(dòng)電路。單片機(jī)產(chǎn)生的PWM信號(hào)經(jīng)過(guò)HD74HC00P后，來(lái)控制逆變橋中開(kāi)關(guān)器件IRF830A的關(guān)斷與導(dǎo)通，就可以在逆變橋的輸出端產(chǎn)生正弦波。不過(guò)此時(shí)的正弦波含有大量的高次諧波，需要通過(guò)LC濾波電路才能得到平滑、不含高次諧波的標(biāo)準(zhǔn)的正弦波。而電容與電感數(shù)值的大小需要經(jīng)過(guò)理論計(jì)算與實(shí)際調(diào)試后才能確定。在本設(shè)計(jì)中我們?nèi)=22μF,L=10mH。

2.3 PWM控制

脈寬調(diào)制(PWM)是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中[6]。

簡(jiǎn)而言之，PWM是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過(guò)高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來(lái)對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。PWM信號(hào)仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻，滿(mǎn)幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(wú)(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被斷開(kāi)的時(shí)候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼。

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[7]。到目前為止，已出現(xiàn)了多種PWM控制技術(shù)，4種主要方法：自然采樣法[8]（對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣法和不對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣法[9]）、面積等效法和面積中心等效法。

2.4 控制電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的控制電路采用單片機(jī)開(kāi)發(fā)板來(lái)實(shí)現(xiàn)。該開(kāi)發(fā)板是基于MCU 89S51的功能而開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)制造的，可以作為一個(gè)硬件開(kāi)發(fā)的平臺(tái)，板上提供了各種接口，可以很方便的將其與外圍電路連接，方便了設(shè)計(jì)。此開(kāi)發(fā)板主要包括以下幾個(gè)部分[11]：USB電源（U1）；外接電源接口；5V穩(wěn)壓芯片；RS232串口，可簡(jiǎn)單的與主處理器連接；DS1302時(shí)鐘芯片；DS1802溫度傳感器；指示電源的發(fā)光二極管（LED1）；32路I/O接口引出；24C02存儲(chǔ)器、4位按鍵、紅外線插座、LCD1602、ISP下載插座、4位共陽(yáng)數(shù)碼管、蜂鳴器。

在本設(shè)計(jì)中主要是用了P1接口，利用接口的P10腳作為SPWM信號(hào)的輸出口來(lái)分別控制功率器件V1、V2、V3、V4。

PWM控制方式的應(yīng)用范圍非常廣泛，不僅可以實(shí)現(xiàn)逆變，還可以應(yīng)用在電機(jī)調(diào)頻、調(diào)速、控制燈泡的亮度的場(chǎng)合中。可以說(shuō)在未來(lái)的電力電子技術(shù)的發(fā)展中PWM技術(shù)將得到越來(lái)越多的關(guān)注。

本文計(jì)算PWM波的占空比采用直接PWM法。由于單片機(jī)指令執(zhí)行延遲時(shí)間的存在,必然會(huì)引進(jìn)誤差,尤其在實(shí)現(xiàn)高頻 SPWM波時(shí),因?yàn)槌绦蛑型雎灾噶顖?zhí)行時(shí)間,但當(dāng)輸出可調(diào)脈沖寬度小于10μs,與指令執(zhí)行速度可比擬時(shí)(尤其對(duì)于以 C語(yǔ)言編寫(xiě)的指令,其編譯后代碼效率比較低,指令執(zhí)行時(shí)間可達(dá)μs數(shù)量級(jí)) ,中斷執(zhí)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)對(duì)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)產(chǎn)生延遲,最后會(huì)影響波形準(zhǔn)確性[10]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 Proteus 介紹

Proteus支持多種主流單片機(jī)系統(tǒng)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。并且提供軟件調(diào)試功能與豐富的外圍接口器件及其仿真RAM，ROM，鍵盤(pán)，馬達(dá)，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。

隨著科技的發(fā)展，“計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)”已成為許多設(shè)計(jì)部門(mén)重要的前期設(shè)計(jì)手段。它具有設(shè)計(jì)靈活，結(jié)果、過(guò)程的統(tǒng)一的特點(diǎn)。可使設(shè)計(jì)時(shí)間大為縮短、耗資大為減少，也可降低工程制造的風(fēng)險(xiǎn)。相信在單片機(jī)開(kāi)發(fā)應(yīng)用中PROTEUS也能茯得愈來(lái)愈廣泛的應(yīng)用[11]。

3.2 Proteus ISIS軟件與KeilμVision2的聯(lián)合仿真

單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)所涉及到的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)比較多，而且硬件投入比較大。在具體的工程實(shí)踐中，如果因?yàn)榉桨赣姓`而進(jìn)行相應(yīng)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，會(huì)浪費(fèi)較多的時(shí)間和經(jīng)費(fèi)。Proteus仿真軟件很好的解決了這些問(wèn)題，它可以象Protel一樣畫(huà)好硬件原理圖與KEIL編程軟件結(jié)合進(jìn)行編程仿真調(diào)試。

3.2.1 Protues軟件與Keil uVision的結(jié)合

設(shè)置步驟如下： (1)把proteus安裝目錄下VDM51.Dll(C:Program FilesLabcenterElectronics Proteus6 ProfessionalMODELS）文件復(fù)制到Keil安裝目錄的 C51BIN目錄中; (2)編輯C51里tools.ini文件,加入:TDRV1=BINVDM51.DLL("PROTEUS VSM MONITOR-51 DRIVER"); (3) Keil uVision里設(shè)置: project-->options for project-->debug tab; (4) 選中use proteus VSM monitor 51( 如果想用兩臺(tái)電腦仿真,雙擊setting,輸入IP地址或者DNS name); (5) 載入proteus文件; (6) proteus 里選擇DEBUG-->use remote debug monitor; 進(jìn)入KEIL的project菜單option for target '工程名'。在DEBUG選項(xiàng)中右欄上部的下拉菜選中 Proteus VSM Monitor-51 Driver。在進(jìn)入seting，如果同一臺(tái)機(jī)IP 名為127.0.0.1,如不是同一臺(tái)機(jī)則填另一臺(tái)的IP地址。端口號(hào)一定為8000 注意：可以在一臺(tái)機(jī)器上運(yùn)行keil，另一臺(tái)中運(yùn)行proteus進(jìn)行遠(yuǎn)程仿真. (7)打開(kāi)KEIL uVision, 按F5 開(kāi)始仿真。

3.2.2 proteus的工作過(guò)程

運(yùn)行proteus的ISIS程序后，進(jìn)入該仿真軟件的主界面。在工作前，要設(shè)置view菜單下的捕捉對(duì)齊和system下的顏色、圖形界面大小等項(xiàng)目。通過(guò)工具欄中的p(從庫(kù)中選擇元件命令)命令，在pick devices窗口中選擇電路所需的元件，放置元件并調(diào)整其相對(duì)位置，元件參數(shù)設(shè)置，元器件間連線，編寫(xiě)程序；在source菜單的Define code generation tools菜單命令下，選擇程序編譯的工具、路徑、擴(kuò)展名等項(xiàng)目；在source菜單的Add/remove source files命令下，加入單片機(jī)硬件電路的對(duì)應(yīng)程序；通過(guò)debug菜單的相應(yīng)命令仿真程序和電路的運(yùn)行情況。

綜上所述，利用Proteus軟件能夠提供實(shí)驗(yàn)室無(wú)法相比的大量的元器件庫(kù)，提供了修改電路設(shè)計(jì)的靈活性、提供了實(shí)驗(yàn)室在數(shù)量、質(zhì)量上難以相比的虛擬儀器、儀表，通過(guò)與KeilC軟件的聯(lián)合調(diào)用，PROTEUS不僅可將許多單片機(jī)實(shí)例功能形象化，也可將許多單片機(jī)實(shí)例運(yùn)行過(guò)程形象化。

4 逆變器的調(diào)試

4.1 調(diào)試說(shuō)明

第一、測(cè)試指標(biāo)：輸出電壓值：3VAC±5% ；正弦波輸出頻率：50HZ；第二、參數(shù)設(shè)置：直流側(cè)輸入電壓5VDC；參考正弦波頻率50Hz，直流輸入電壓5V，逆變器輸出電壓3V；第三、調(diào)試儀器：利用實(shí)驗(yàn)室的電壓源的直流輸出5VDC電壓作為逆變器直流輸入信號(hào)與驅(qū)動(dòng)電路的電源。TDS1002數(shù)字存儲(chǔ)示波器觀察逆變器輸出波形；第四、調(diào)試步驟：①對(duì)硬件電路中的全橋逆變電路和驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行調(diào)試.②對(duì)PWM模塊進(jìn)行調(diào)試，軟件產(chǎn)生的四路的MOSFET驅(qū)動(dòng)信號(hào)，主要觀察上下橋臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是否互補(bǔ)，死區(qū)時(shí)間是否正確。③利用單片機(jī)AT89S52編程來(lái)產(chǎn)生SPWM波，由P10口輸出。④對(duì)主電路進(jìn)行開(kāi)環(huán)調(diào)試，將步驟中單片機(jī)產(chǎn)生的SPWM信號(hào)連入主電路，觀察逆變器輸出波形。

4.2 調(diào)試結(jié)果與分析

根據(jù)以上設(shè)計(jì)方案，在實(shí)驗(yàn)室搭建完成了逆變系統(tǒng)的試驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)電路有電源、逆變橋、單片機(jī)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電路、LC濾波電路、示波器組成。軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境為KeilC μVision2。

4.2.1 IRF830A的驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形

由單片機(jī)P10口輸出的2路驅(qū)動(dòng)信號(hào)。這2路驅(qū)動(dòng)信號(hào)互補(bǔ)，分別驅(qū)動(dòng)同一個(gè)橋臂的上下2個(gè)開(kāi)關(guān)管。其中CH1所示波形為驅(qū)動(dòng)V1的信號(hào)，V2/V3的驅(qū)動(dòng)信號(hào)與此相似就沒(méi)有給出波形了。為了能更好的觀察單片機(jī)P10口輸出的SPWM波的整體變化情況，截取變化較為明顯的一段。

圖1 Proteus仿真電路圖

圖2 驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形

4.2.2 Proteus與KeilC聯(lián)合仿真分析

圖1所示的是用Proteus建立的逆變系統(tǒng)仿真電路原理圖。圖2中功率器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)自單片機(jī)AT89S52的P10口。通過(guò)KeilC軟件運(yùn)行編寫(xiě)好的控制程序，然后把程序載入Proteus仿真電路中的單片機(jī)芯片AT89S51中，運(yùn)行仿真電路，AT89S51的P10口就可以輸出SPWM波。把得到的SPWM波通過(guò)非門(mén)驅(qū)動(dòng)后輸入給功率器件，來(lái)控制功率器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，再用仿真示波器觀察逆變電路輸出，可以得到如圖3所示的經(jīng)過(guò)Proteus與KeilC聯(lián)合仿真之后得出的示波器輸出波形。由圖可見(jiàn)，正弦波周期十分接近20ms，波峰波谷有輕微的畸變。

圖3 逆變器輸出波形

4.2.3逆變器輸出波形

利用實(shí)驗(yàn)室的電流源的直流輸出作為逆變器的直流輸入與驅(qū)動(dòng)電路的電源，按照要求連接好硬件電路，經(jīng)過(guò)LC濾波電路后，用TDS1002數(shù)字存儲(chǔ)示波器來(lái)觀察逆變器輸出波形。輸出波形如圖3所示。由于單片機(jī)的性能有限以及實(shí)際電路中存在的各種干擾因素，輸出的正弦波頻率為46.8569HZ存在一定的誤差。為了讓正弦波的頻率更接近工頻50HZ，我們進(jìn)一步改進(jìn)算法，在減少一個(gè)周期內(nèi)的取點(diǎn)數(shù)目后，再次觀察輸出波形頻率，發(fā)現(xiàn)頻率更加接近50HZ，但是正弦波的波峰與波谷出現(xiàn)了較嚴(yán)重的畸變。經(jīng)過(guò)分析，波形發(fā)生較嚴(yán)重的畸變是由于PWM控制算法精度的下降以及LC濾波電路所需的參數(shù)改變而導(dǎo)致的。如果想要使得波形更加接近完美的正弦波，首要考慮的是提高PWM控制算法的精度。可以選擇更加精確的算法來(lái)產(chǎn)生PWM波；并且需要重新選擇LC濾波電路的參數(shù)；這樣才能在使用相同的硬件電路條件下，取得良好的逆變效果?？梢钥紤]使用性能強(qiáng)大的IGBT來(lái)構(gòu)成逆變電路，并采用DSP來(lái)作為控制芯片。

5 結(jié)論

本文采用全橋逆變電路的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用IRF830A電力場(chǎng)效應(yīng)管來(lái)實(shí)現(xiàn)。以AT89S51的單片機(jī)作為控制芯片完成了逆變器的設(shè)計(jì)。制作出了實(shí)物，基于Proteus與KeilC的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境完成了軟件的設(shè)計(jì)，根據(jù)軟硬件的設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)，軟硬件相結(jié)合進(jìn)行了調(diào)試，調(diào)試結(jié)果顯示逆變器運(yùn)行結(jié)果符合要求。

開(kāi)發(fā)板的PCB圖

實(shí)物圖

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;

……

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* 此項(xiàng)工作得到國(guó)家863重大科技項(xiàng)目子課題資助，項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)：2006AA050203-1