孫幸懿 馬星宇 吳啟悅 馮飛 趙恒

摘要：光伏系統(tǒng)的核心設(shè)備是光伏發(fā)電逆變電路，它是把光伏組件發(fā)出來的直流電通過逆變電路轉(zhuǎn)化為符合電網(wǎng)要求的交流電。本次設(shè)計(jì)主要是基于C51芯片控制電路，通過Keil5的集成開發(fā)壞境進(jìn)行系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，并通過MATLAB的仿真進(jìn)行證明其可行性。為了提高逆變器的轉(zhuǎn)換效率，采取了用逆變電路實(shí)現(xiàn)電源DC-AC形式變換。提升逆變器工作效率極其重要。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；逆變電路；MATLAB；C51

0引言

近幾年來，光伏發(fā)電作為一種重要形式在太陽能利用方面于世界得到了迅速的發(fā)展[1]，隨著不斷的研究，我國新能源光伏發(fā)電企業(yè)規(guī)模不斷增多，新能源光伏發(fā)電逆變器的需求猛增。因此，高性能逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)人員重點(diǎn)關(guān)注的問題，提高逆變器的轉(zhuǎn)換效率對于日常節(jié)能很重要[2]，光伏發(fā)電系統(tǒng)中使用的元器件是新能源技術(shù)、電力電子、單片機(jī)控制等多種技術(shù)有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物。

隨著全球能源問題的不斷加劇以及電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，大功率光伏逆變器作為經(jīng)濟(jì)高效的綠色可再生能源器件得到了廣泛應(yīng)用，普遍使用的 IGBT 。IGCT 等開關(guān)器件的容量等級也在不斷提高。為了進(jìn)行可靠的電能轉(zhuǎn)換，其開通與關(guān)斷必須安全可靠，這是逆變器系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的先決條件[3-6]。

伴隨著調(diào)制的操作，直流母線中的電壓會發(fā)生范圍的變化，導(dǎo)致開關(guān)管需要承受更大的電壓應(yīng)力。此外，升壓電感電流會由于占空比呈現(xiàn)正弦規(guī)律變化，產(chǎn)生較為明顯的低頻波紋分量，運(yùn)行過程中會產(chǎn)生電流應(yīng)力，導(dǎo)致通態(tài)消耗尤為嚴(yán)重[7]。而現(xiàn)在，伴隨越來越多的分布式電源接入配電網(wǎng)，電能質(zhì)量成為了一個大問題[8]。為了有效利用分布式電源并滿足標(biāo)準(zhǔn)電能質(zhì)量要求，多功能逆變器受到廣泛關(guān)注。光伏等分布式能源得到了前所未有的發(fā)展[8-9]。

目前我們已知的有3種技術(shù)路線來解決效率問題：①采用軟開關(guān)技術(shù)以及多電平電氣拓?fù)?；②采用空間矢量脈寬調(diào)制等控制方式來降低其損耗；③采用碳化硅材料的元器件，降低器件的內(nèi)阻。

為解決上述問題，我們采用 keil5以及 MATLAB 對光伏發(fā)電逆變電路的仿真，以證明其可行性。

1基本原理和設(shè)計(jì)思路

1.1基本原理

通過直流濾波電路，把光伏電路產(chǎn)生的直流電去除電磁干擾和電流波動，然后通入逆變電路，直流電通過逆變后轉(zhuǎn)換為交流電，之后通過整流將不規(guī)則的交流電整流為正弦波交流電，由輸出端的濾波電路濾除逆變過程產(chǎn)生的高頻干擾信號，最后供應(yīng)負(fù)載或是并入電網(wǎng)。

1.2逆變器的損耗

逆變器的損耗、影響因素以及采取措施如表1所示。

以 IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）為代表的功率器件是新能源車芯片價值量最高的。光伏逆變器，新能源車都大量使用 IGBT 。隨著光伏裝機(jī)量的持續(xù)增長，以及新能源車滲透率的提升，IGBT 行業(yè)持續(xù)發(fā)展迅速。

1.3設(shè)計(jì)思路

首先通過定時器使51單片機(jī)系統(tǒng)生成 SPWM 調(diào)制控制信號，然后通過 IR2110驅(qū)動電路來控制逆變電路中 IGBT 器件的開通和關(guān)斷，將直流電逆變成交流電，最終采用 LC 低通濾波器消除 DC-AC 的變換過程中存在的多次諧波的問題。

單相全橋逆變電路又被稱為“H 橋”電路，其構(gòu)成為四個功率開關(guān)關(guān)以及驅(qū)動輔助電路，在工作過程中，Q2與 Q3通斷互補(bǔ)，Q1和 Q4通斷互補(bǔ)。H 橋逆變電路的原理圖與其輸出電壓波形如圖2所示。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 IR2110電路

在功率變換裝置中，根據(jù)主電路的結(jié)構(gòu)，起功率開關(guān)器件一般采用隔離驅(qū)動和直接驅(qū)動兩種方式。兼有電磁隔離和光耦隔離的優(yōu)點(diǎn)，在中小功率變換裝置中驅(qū)動器件是最優(yōu)選。

IR2110內(nèi)部功能由輸出到輸入由3部分組成：輸出保護(hù)，電平平移及邏輯輸入。IR2110有很多特點(diǎn)，比如說可以極大地減少驅(qū)動電源的數(shù)目，一組電源即可實(shí)現(xiàn)對上下端的控制，為裝置的設(shè)計(jì)帶來很多方便。

2.2 LC濾波電路的設(shè)計(jì)

LC 濾波器具有運(yùn)行可靠性較高、運(yùn)行費(fèi)用較低等優(yōu)點(diǎn)、結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用很廣泛。其直流損耗小，電感的電阻小。對交流電的濾波效果好，感抗大。LC 濾波電路如圖4所示。

輸出濾波電容的容量為：

輸出濾波電感量為：

2.3 PWM控制基本原理

用示波器測試單片機(jī)產(chǎn)生的 SPWM 信號以及其波形。

由于對開關(guān)器件通斷控制的規(guī)律不同，單相橋式電路既可采取單極性調(diào)制，也可采用雙極性調(diào)制如表2所示，它們的輸出波形也有很大的區(qū)別，如圖5和圖6。

2.5 逆變電路原理圖

逆變電路的工作原理是：首先逆變電路是由直流電轉(zhuǎn)換為交

流電的過程，濾波電路濾除不需要的信號。原理圖如圖 7 所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 產(chǎn)生PWM信號流程

定時器原理：這種方法的基本原理是使引腳產(chǎn)生一個低電平，對 T1 或 T0 設(shè)置計(jì)數(shù)初始值并運(yùn)行，使之經(jīng)過時間 t1后產(chǎn)生定時中斷；在中斷服務(wù)函數(shù)中將引腳設(shè)置為高電平，對定時器/計(jì)數(shù)器設(shè)置另一個計(jì)數(shù)初始值，經(jīng)過時間 t2后產(chǎn)生中斷，在中斷服務(wù)函數(shù)中將引腳設(shè)置為低電平，對定時器/計(jì)數(shù)器設(shè)置低電平維持所需的計(jì)數(shù)初始值，如此循環(huán)往復(fù)，就產(chǎn)生一個高電平時間為 t2、周期為（t1+t2）的矩形波。

3.2中斷程序代碼

依據(jù)定時器的原理，在 keil5軟件中通過 C 語言編寫代碼，其中部分波形中斷和顯示波形的代碼如下：

#include“reg52.h”

typedef unsigned char uchar;

sbit P1_0=P1^0;

uchar time=0;

uchar period=25;

uchar high=5;

void timer0（）interrupt 1 using 1

{

TR0=0x3c;/*定時器初值重裝載*/ TL0=0xb0;

time++;

if（time==high）

{P1_0=0;}

else if（time==period）/*周期時間到，

變高*/

D1

{time=0;

P1_0=1;

}

}

void main（）

{

TMOD=0x01;/*定時器0方式1*/

TR0=0x3c;/*定時器裝載初值*/

TL0=0xb0;

EA=1; /*開 CPU 中斷*/

ET0=1; /*開定時器0中斷*/

TR0=1; /*啟動定時器*/

while（1）/*等待中斷*/

{}

}

4仿真測試與結(jié)果

4.1程序設(shè)計(jì)以及示波器輸出波形展示

用 I/O 口采用軟件定時器中斷可以模擬 PWM 輸出。

我們使用 keil5或者 keil4軟件來編程燒入單片機(jī)，通過單片機(jī)中的定時器來產(chǎn)生晶振，在 P1.0引腳上輸出周期為2.5 s，占空比為20%的脈沖信號。如圖9所示。圖9展示的為程序燒入51單片機(jī)開發(fā)板后，用示波器測試的 P1.0口的輸出波形，可明顯看出輸出方波的占空比是20％。

4.2 仿真模型的搭建

首先由控制信號推動功率管（不斷開關(guān)）使高頻變壓器產(chǎn)生低壓的高頻交流電。然后通過高頻變壓器輸出高頻交流電，再然后經(jīng)過快速地恢復(fù)二極管全橋整流輸出一個高頻的幾百伏特的直流電到后級功率管，最后由后級產(chǎn)生輸出電壓，MATLAB仿真模型搭建如圖 10。

4.3 系統(tǒng)調(diào)試使用的儀器設(shè)備

我們所使用的設(shè)備如表 3 所示。

4.5 輸出電流與電壓的波形

輸出波形如圖 11 所示。

4.6 輸入輸出電壓表

輸出交流電的頻率可以通過改變觸發(fā)脈沖控制信號來改變，如圖表4所示。

5結(jié)束語

本課題由單片機(jī)、逆變電路、IR2110 驅(qū)動電路、LC濾波電路等組成的新能源光伏發(fā)電逆變電源基本實(shí)現(xiàn)了光能產(chǎn)生的直流向交流的轉(zhuǎn)換。此外，在研究課題的過程中，我們還使用了 MATLAB 中的simulink仿真，將程序燒入單片機(jī)，通過示波器測試某一端口的輸出波形，另外還有 PROTEUS 仿真，這些工具讓我們想法得到及時的試驗(yàn)與調(diào)整。在做simulink仿真時我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輸入電壓比較小時，逆變后得到的交流電平均幅值達(dá)不到我們所設(shè)定的 2 倍的關(guān)系，而當(dāng)輸入直流電壓逐步上升后，輸出交流電壓幅值趨向于 2 倍的關(guān)系。我們還做了一些其他的仿真實(shí)驗(yàn)，但是由于制作實(shí)物時間，專業(yè)水平以及實(shí)驗(yàn)環(huán)境的影響，我們沒有完成完整的實(shí)體電路，多電平供電沒有應(yīng)用充分，這些方面內(nèi)容還有待完善。

參考文獻(xiàn)：

[1] 尹靖元，金新民，李金科，等.一種新型雙逆變器串聯(lián)的光伏并網(wǎng)變流器[J].電網(wǎng)技術(shù)，2014，38（8）;2102-2107.

[2] 楊睿祺，王軍.新能源光伏發(fā)電逆變電源的設(shè)計(jì)與研究[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.

[3] 張興，張崇巍.PWM整流器及其控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[4] 符曉，朱洪順.TMS320F28335DSP原理開發(fā)及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2017.

[5] 陶燦輝，吳文婷，徐萌萌，等.IGBT模塊窄脈沖解決方案[J.電力電子技術(shù)，2015，49（2）：47-48.

[6] 唐開毅，尹新，沈征，等.IGBT驅(qū)動設(shè)計(jì)原理及技術(shù)比較[J].電源技術(shù)，2016，40（3）：693-696.

[7] 倪鑠，趙廉.三相SPWM混合調(diào)制Boost集成式光伏逆變器研究[J].應(yīng)用能源技術(shù)，2022，（03）：44-46.

[8] 謝琳宇，唐忠，黃星字.考慮分布式電源和電動汽車不確定性的雙層動態(tài)配網(wǎng)重構(gòu)[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2020，48（10）：1-11.

[9] 孫廣宇，李永麗，斯偉，等.基于三相多功能逆變器的微電網(wǎng)電能質(zhì)量綜合治理策略[J].電網(wǎng)技術(shù)，2019，43（4）：121-122.

[10] 蘇康博，楊洪明，余千，等.考慮多類型水電協(xié)調(diào)的風(fēng)光電站容量優(yōu)化配置方法[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2020，48（4）：40-42.

[11] 張峰，謝運(yùn)祥，胡炎申，等.臨界模式混合光伏微型逆變器的特性分析[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2020，35（6）：101-104.