摘 要：在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏逆變器是非常重要的組成部分，逆變器本身的性能很大程度上決定了整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的性能和效率。本文著重介紹了太陽能光伏系統(tǒng)中逆變器的軟、硬件設(shè)計(jì)方法，單片機(jī)通過對線路電壓和電流的實(shí)時(shí)采樣來控制相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對電壓的控制。本次設(shè)計(jì)主要針對以AT89C2051小型單片機(jī)為核心的太陽能逆變控制器。利用AT89C2051小型單片機(jī)的內(nèi)部資源，通過離線消諧PWM控制，有效降低逆變器輸出電壓的消諧，從而獲得比較滿意的正弦波電壓輸出。 設(shè)計(jì)的小型太陽能發(fā)電系統(tǒng)一般獨(dú)立提供交流給小型負(fù)載或照明設(shè)備使用，逆變電源將產(chǎn)生電壓為220V，頻率為50Hz的單相交流電。

關(guān)鍵詞：太陽能；光伏系統(tǒng)；PWM逆變器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.22.067

現(xiàn)在我國常用的光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是直流系統(tǒng)，就是，通過蓄電池充電的方式，收取太陽能，蓄電池也會(huì)直接提供負(fù)載供電。這種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較簡單，并且成本較低。但是負(fù)載直流電壓存在差別，系統(tǒng)兼容性和標(biāo)準(zhǔn)化很難實(shí)現(xiàn)，特別是在民用店里中，大都是交流負(fù)載，通過直流電力供電的光伏電源，進(jìn)入商品市場會(huì)比較困難。此外，光伏發(fā)電最終會(huì)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行，所以，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器的作用在不斷增加。在直流電轉(zhuǎn)變成為交流電的過程中，逆變器是非常重要的變換裝置，現(xiàn)在電力電子技術(shù)中，逆變技術(shù)已經(jīng)比較成熟。比如：UPS電源中的逆變器，特種電源中的逆變技術(shù)、變頻技術(shù)中的逆變技術(shù)以及功率調(diào)節(jié)器中的逆變技術(shù)等。這些技術(shù)都已經(jīng)形成了完整的產(chǎn)品，并將其推廣到了市場中去，社會(huì)對其也非常認(rèn)可。

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，逆變光源是非常重要的部分，逆變光源本身的性質(zhì)也會(huì)在一定程度上決定光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出電能的質(zhì)量。隨著科技發(fā)展，各種逆變電源不斷出現(xiàn)，控制技術(shù)不斷提高，這也給光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)用到人們的日常生活中去奠定了基礎(chǔ)?，F(xiàn)在逆變技術(shù)種類較多，可以根據(jù)其形式對其進(jìn)行分類，主要包含了下面幾種：首先，根據(jù)逆變輸出交流頻率分類，主要分成高頻逆變。中頻逆變以及工頻逆變?nèi)N；其次，根據(jù)逆變輸出相數(shù)分類，可以分成多相逆變、單相逆變以及三相逆變?nèi)N；再次，根據(jù)逆變器主電路形式來進(jìn)行分類，可以分成推挽式、單端式、全橋式以及半橋式四種；第四，根據(jù)逆變主開關(guān)器件類型可以分成IGBT逆變器、晶體管逆變器、場效應(yīng)管逆變器以及晶閘管逆變器集中；第五根據(jù)輸出穩(wěn)定參量，可以將其分成電流型逆變器以及電壓型逆變器兩種；最后，根據(jù)控制方式，可以分成PWM控制方式以及移項(xiàng)控制方式兩種。

本次設(shè)計(jì)使用的控制方式為PWM控制方式，其比較簡單，控制靈活，能夠根據(jù)具體實(shí)現(xiàn)要求，進(jìn)行控制波形的產(chǎn)生。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

太陽能逆變器工作原理：太陽能電池產(chǎn)生的直流電通過前級升壓電路（本次設(shè)計(jì)選用推挽電路），升高到310V左右提供給逆變器作為輸入電壓，再把逆變器輸出的高頻交流電經(jīng)過整流，高頻濾波和極性轉(zhuǎn)換后變成220V 50Hz的交流電。

該系統(tǒng)主要由兩部分組成，前級的DC-DC 變換器和后級的DC-AC 逆變器。在本系統(tǒng)中，太陽能電池板輸出的額定直流電壓為48 V 左右，DC-AC 逆變器的作用是將前級轉(zhuǎn)換的直流電轉(zhuǎn)換成220 V/ 50 Hz 正弦交流電，DC-AC 部分采用全橋逆變，控制電路的核心芯片是AT89C2051。

2 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求收集相關(guān)資料，并進(jìn)行了全面的分析和研究之后，得到了一個(gè)初步的方案和設(shè)計(jì)思路：太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池陣列、控制器、逆變器、蓄電池組等部件構(gòu)成。在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，如果含有交流負(fù)載，那么需要將逆變器設(shè)備使用進(jìn)來，將蓄電池釋放或者太陽電池組件產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)化成負(fù)載需要的交流電。光伏陣列端電壓會(huì)隨著日照強(qiáng)度和負(fù)載變化發(fā)生一定變化，所以確保逆變器能夠在較寬的直流輸入電壓范圍內(nèi)正常工作，并且確保交流輸出電壓比較穩(wěn)定。本次設(shè)計(jì)主要針對以AT89C2051小型單片機(jī)為核心的太陽能逆變控制器。利用AT89C2051小型單片機(jī)的內(nèi)部資源，通過離線消諧PWM控制，有效降低逆變器輸出電壓的消諧，從而獲得比較滿意的正弦波電壓輸出。數(shù)字信號輸入和模擬信號輸入指各種反饋量，以及保護(hù)、檢測量等信號，單片機(jī)檢測到各種信號后，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序或控制策略進(jìn)行計(jì)算，然后通過數(shù)模（D/A）輸出控制信號，經(jīng)放大后控制高頻電子電力電路來實(shí)現(xiàn)DC/AC變換，交流輸出經(jīng)變壓器變換后即可得到所需的交流電。

3 軟件設(shè)計(jì)

逆變電源控制軟件由主程序、定時(shí)器T0中斷服務(wù)程序、外部中斷服務(wù)程序三個(gè)部分組成。主程序的主要作用是初始化單片機(jī)的工作方式，并讀入逆變電源輸出頻率給定值編碼，若是頻率發(fā)生一定變化，那么編碼數(shù)值也會(huì)發(fā)生一定變化，這個(gè)時(shí)候頻率變化標(biāo)志，便于定時(shí)器中斷服務(wù)程序能夠按新的消諧PWM開關(guān)切換角數(shù)據(jù)進(jìn)行定時(shí)控制，合理切換驅(qū)動(dòng)信號。定時(shí)器T0中斷服務(wù)程序主要完成對開關(guān)切換角數(shù)據(jù)的定時(shí)及其相應(yīng)驅(qū)動(dòng)信號的輸出，實(shí)現(xiàn)消諧PWM控制策略。外部中斷服務(wù)程序主要負(fù)責(zé)處理逆變電源的故障保護(hù)功能，若是出現(xiàn)故障中斷請求，單片機(jī)的響應(yīng)中斷，需要再次進(jìn)行查詢，看是不是發(fā)生了故障，若是出現(xiàn)故障，那么必須將驅(qū)動(dòng)信號封鎖，并進(jìn)行故障代碼的輸出。

本次設(shè)計(jì)選擇采用Atmel公司的AT89C2051作為CPU，89C2051具有2K的程序存儲(chǔ)器，兩個(gè)16位定時(shí)器和128BRAM，是一種成本低、集成度高的MCU芯片。通過編碼的方式輸入逆變器輸出頻率給定值，CPU根據(jù)輸出頻率代碼進(jìn)行消諧PWM控制的選擇，并根據(jù)內(nèi)部定時(shí)控制，根據(jù)規(guī)定PWM數(shù)據(jù)來合理切換開關(guān)器件，從CPU的I/O端口輸出逆變橋開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號，實(shí)現(xiàn)消諧控制。

4 結(jié)論

本文從環(huán)保節(jié)能的角度出發(fā)，給出了DC/AC逆變器設(shè)計(jì)方案；脈寬調(diào)制（PWM）控制技術(shù)是利用脈沖寬度不等的一系列矩形脈沖去逼近一個(gè)電壓或電流信號，并通過控制電壓脈沖寬度以達(dá)到變壓。本文通過離線消諧PWM控制，有效降低逆變器輸出電壓的消諧，從而獲得比較滿意的正弦波電壓輸出。

參考文獻(xiàn)：

[1]丁化成等編著.AVR單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

[2]郭廷瑋，劉鑒民.太陽能的利用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[3]黃仁欣.單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

作者簡介：趙飛（1986-），男，江蘇人，本科，助教，研究方向：自動(dòng)化。