周海峰 黃元慶 陳 蘇 董敬德

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基于單片機的太陽光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器的仿真設(shè)計

周海峰1,2黃元慶1，*陳 蘇3董敬德2

1.廈門大學機電工程系 2.集美大學輪機工程學院 3.福州大學電氣工程與自動化學院

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

逆變器 光伏 單片機 脈沖寬度調(diào)制

1 引言

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

本文介紹了一個應(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)計過程，并對逆變器的控制策略進行了分析和研究，采用ATMEL公司的MCU芯片AT89S51作為控制芯片完成了設(shè)計。

太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)自上個世紀80年代以來持續(xù)高速發(fā)展,每年以30%～40%的速度遞增，同時全球光伏電池產(chǎn)量快速增長，全球太陽能企業(yè)在1995年－2005年增長了17倍。2005年世界太陽能電池產(chǎn)量達到1650MW累計裝機容量5GW。為了鼓勵太陽能的開發(fā)和利用，各國政府分別積極制定各種優(yōu)惠政策來推動太陽能光伏發(fā)電的發(fā)展。其中，以美、日、德、等西方發(fā)達國家為主[2]。

我國的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)起步較晚,但是發(fā)展速度很快。2005年2月28日第十屆全國人民代表大會常務(wù)委員會第十四次會議通過的“中華人民共和國可再生能源法”，已于2006年1月1日起正式實施。2006年4月國務(wù)院能源領(lǐng)導小組會議上已批準國家發(fā)改委提出的我國太陽能發(fā)電的中長期發(fā)展規(guī)劃、發(fā)展重點和目標。

隨著人類對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、高效和廉價的逆變器己成為生活中的迫切需要。本文采用高運算速率，低功耗的單片機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，著重進行了系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計，給出了部分程序，通過實驗得到相關(guān)實驗波形并進行了分析，最后進行了總結(jié)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 逆變電路介紹

與整流相對應(yīng)，把直流電轉(zhuǎn)化成交流電稱為逆變。當交流側(cè)接在電網(wǎng)上，即交流側(cè)接有電源時，稱為有源逆變；當交流側(cè)直接和負載連接時，稱為無源逆變。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、太陽能電池等都是直流電源，當需要這些電源向交流負載供電時，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)是電壓源的稱為電壓型逆變電路；直流側(cè)是電流源的稱為電流型逆變電路。它們也分別被稱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)動電路與濾波電路的設(shè)計

驅(qū)動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關(guān)管的開關(guān)特性有很大的關(guān)系，進而會影響到整個逆變系統(tǒng)的效率和調(diào)節(jié)特性[4]。

本設(shè)計中驅(qū)動電路采用4輸入與非門HD74HC00P。由單片機輸出的PWM波通過兩個與非門之后，輸入給功率器件V1、V4的門級;通過一個與非門輸入給V2、V3的門級，以此來作為驅(qū)動信號，并且實現(xiàn)驅(qū)動信號的互補。

經(jīng)過分析和比較，逆變部分決定采用全橋逆變電路,由場效應(yīng)管IRF830A組成逆變橋，采用4輸入與非門HD74HC00P來作為驅(qū)動電路。單片機產(chǎn)生的PWM信號經(jīng)過HD74HC00P后，來控制逆變橋中開關(guān)器件IRF830A的關(guān)斷與導通，就可以在逆變橋的輸出端產(chǎn)生正弦波。不過此時的正弦波含有大量的高次諧波，需要通過LC濾波電路才能得到平滑、不含高次諧波的標準的正弦波。而電容與電感數(shù)值的大小需要經(jīng)過理論計算與實際調(diào)試后才能確定。在本設(shè)計中我們?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)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中[6]。

簡而言之，PWM是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。PWM信號仍然是數(shù)字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復脈沖序列被加到模擬負載上去的。通的時候即是直流供電被加到負載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進行編碼。

在采樣控制理論中有一個重要的結(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，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]（對稱規(guī)則采樣法和不對稱規(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

系統(tǒng)的控制電路采用單片機開發(fā)板來實現(xiàn)。該開發(fā)板是基于MCU 89S51的功能而開發(fā)設(shè)計制造的，可以作為一個硬件開發(fā)的平臺，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。此開發(fā)板主要包括以下幾個部分[11]：USB電源（U1）；外接電源接口；5V穩(wěn)壓芯片；RS232串口，可簡單的與主處理器連接；DS1302時鐘芯片；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存儲器、4位按鍵、紅外線插座、LCD1602、ISP下載插座、4位共陽數(shù)碼管、蜂鳴器。

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

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

本文計算PWM波的占空比采用直接PWM法。由于單片機指令執(zhí)行延遲時間的存在,必然會引進誤差,尤其在實現(xiàn)高頻 SPWM波時,因為程序中往往忽略指令執(zhí)行時間,但當輸出可調(diào)脈沖寬度小于10μs,與指令執(zhí)行速度可比擬時(尤其對于以 C語言編寫的指令,其編譯后代碼效率比較低,指令執(zhí)行時間可達μs數(shù)量級) ,中斷執(zhí)行時間過長會對計數(shù)器計數(shù)產(chǎn)生延遲,最后會影響波形準確性[10]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 Proteus 介紹

Proteus支持多種主流單片機系統(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，馬達，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。

隨著科技的發(fā)展，“計算機仿真技術(shù)”已成為許多設(shè)計部門重要的前期設(shè)計手段。它具有設(shè)計靈活，結(jié)果、過程的統(tǒng)一的特點?？墒乖O(shè)計時間大為縮短、耗資大為減少，也可降低工程制造的風險。相信在單片機開發(fā)應(yīng)用中PROTEUS也能茯得愈來愈廣泛的應(yīng)用[11]。

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

單片機應(yīng)用技術(shù)所涉及到的實驗實踐環(huán)節(jié)比較多，而且硬件投入比較大。在具體的工程實踐中，如果因為方案有誤而進行相應(yīng)的開發(fā)設(shè)計，會浪費較多的時間和經(jīng)費。Proteus仿真軟件很好的解決了這些問題，它可以象Protel一樣畫好硬件原理圖與KEIL編程軟件結(jié)合進行編程仿真調(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; 進入KEIL的project菜單option for target '工程名'。在DEBUG選項中右欄上部的下拉菜選中 Proteus VSM Monitor-51 Driver。在進入seting，如果同一臺機IP 名為127.0.0.1,如不是同一臺機則填另一臺的IP地址。端口號一定為8000 注意：可以在一臺機器上運行keil，另一臺中運行proteus進行遠程仿真. (7)打開KEIL uVision, 按F5 開始仿真。

3.2.2 proteus的工作過程

運行proteus的ISIS程序后，進入該仿真軟件的主界面。在工作前，要設(shè)置view菜單下的捕捉對齊和system下的顏色、圖形界面大小等項目。通過工具欄中的p(從庫中選擇元件命令)命令，在pick devices窗口中選擇電路所需的元件，放置元件并調(diào)整其相對位置，元件參數(shù)設(shè)置，元器件間連線，編寫程序；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、擴展名等項目；在source菜單的Add/remove source files命令下，加入單片機硬件電路的對應(yīng)程序；通過debug菜單的相應(yīng)命令仿真程序和電路的運行情況。

綜上所述，利用Proteus軟件能夠提供實驗室無法相比的大量的元器件庫，提供了修改電路設(shè)計的靈活性、提供了實驗室在數(shù)量、質(zhì)量上難以相比的虛擬儀器、儀表，通過與KeilC軟件的聯(lián)合調(diào)用，PROTEUS不僅可將許多單片機實例功能形象化，也可將許多單片機實例運行過程形象化。

4 逆變器的調(diào)試

4.1 調(diào)試說明

第一、測試指標：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：利用實驗室的電壓源的直流輸出5VDC電壓作為逆變器直流輸入信號與驅(qū)動電路的電源。TDS1002數(shù)字存儲示波器觀察逆變器輸出波形；第四、調(diào)試步驟：①對硬件電路中的全橋逆變電路和驅(qū)動電路進行調(diào)試.②對PWM模塊進行調(diào)試，軟件產(chǎn)生的四路的MOSFET驅(qū)動信號，主要觀察上下橋臂的驅(qū)動信號是否互補，死區(qū)時間是否正確。③利用單片機AT89S52編程來產(chǎn)生SPWM波，由P10口輸出。④對主電路進行開環(huán)調(diào)試，將步驟中單片機產(chǎn)生的SPWM信號連入主電路，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)計方案，在實驗室搭建完成了逆變系統(tǒng)的試驗裝置。實驗電路有電源、逆變橋、單片機開發(fā)系統(tǒng)、驅(qū)動電路、LC濾波電路、示波器組成。軟件開發(fā)環(huán)境為KeilC μVision2。

4.2.1 IRF830A的驅(qū)動信號波形

由單片機P10口輸出的2路驅(qū)動信號。這2路驅(qū)動信號互補，分別驅(qū)動同一個橋臂的上下2個開關(guān)管。其中CH1所示波形為驅(qū)動V1的信號，V2/V3的驅(qū)動信號與此相似就沒有給出波形了。為了能更好的觀察單片機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)動信號波形

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)動信號來自單片機AT89S52的P10口。通過KeilC軟件運行編寫好的控制程序，然后把程序載入Proteus仿真電路中的單片機芯片AT89S51中，運行仿真電路，AT89S51的P10口就可以輸出SPWM波。把得到的SPWM波通過非門驅(qū)動后輸入給功率器件，來控制功率器件的導通與關(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Proteus與KeilC聯(lián)合仿真之后得出的示波器輸出波形。由圖可見，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

利用實驗室的電流源的直流輸出作為逆變器的直流輸入與驅(qū)動電路的電源，按照要求連接好硬件電路，經(jīng)過LC濾波電路后，用TDS1002數(shù)字存儲示波器來觀察逆變器輸出波形。輸出波形如圖3所示。由于單片機的性能有限以及實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，我們進一步改進算法，在減少一個周期內(nèi)的取點數(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)了較嚴重的畸變。經(jīng)過分析，波形發(fā)生較嚴重的畸變是由于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?？梢赃x擇更加精確的算法來產(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]使用性能強大的IGBT來構(gòu)成逆變電路，并采用DSP來作為控制芯片。

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電力場效應(yīng)管來實現(xiàn)。以AT89S51的單片機作為控制芯片完成了逆變器的設(shè)計。制作出了實物，基于Proteus與KeilC的集成開發(fā)環(huán)境完成了軟件的設(shè)計，根據(jù)軟硬件的設(shè)計方案實現(xiàn)了整個系統(tǒng)，軟硬件相結(jié)合進行了調(diào)試，調(diào)試結(jié)果顯示逆變器運行結(jié)果符合要求。

開發(fā)板的PCB圖

實物圖

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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* 此項工作得到國家863重大科技項目子課題資助，項目批準號：2006AA050203-1