光伏发电系统中基于STC89S51的单相全桥逆变器的设计及仿真

2014-10-21严峻刘辉

电子世界 2014年6期

严峻刘辉

【摘要】本文设计一种光伏发电系统中由单片机控制的单相全桥逆变器，并通过仿真测试达到控制要求。采用全桥逆变结构、单极性SPWM倍频调制的工作方式。经过反复测试，采用PWM法来计算SPWM波的占空比，并设计了控制器。以STC89S51作为控制芯片，采取KeilC和Proteus软件进行软件设计及联合仿真，测试最终结果表明各模块指标满足设计目标要求。

【关键词】光伏发电;STC89S51单片机;逆变器;PWM

一、引言

广义的太阳能所囊括的范围非常广：地球上的水能、风能、海洋温差能等都是来源于太阳;即使是地球上的化石燃料（如煤、天然气、石油等）从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳能，狭义的太阳能则限于的光热、光电和光化学的直接转换。所以，太阳能作为一种清洁、可再生能源，其重要性无可取代。

光伏发电的基本原理是“光伏效应”。光线照射到金属上，它的能量被金属中的某个电子全部吸收，当电子吸收的能量足够大时，就能克服金属内部引力做功，从金属表面逃逸出来，成为光电子。

太阳能光伏发电由于不受能源资料、原材料和應用环境的限制，具有最广阔的发展前景，是各国最着力发展的可再生能源技术之一。欧洲联合研究中心（JRC）对光伏发电未来发展做出了如下预测：2020年世界太阳能发电的发电量占世界能源需求的1%，2050年占到20%，2100年则将超过50%。

鉴于目前光伏发电的成本仍偏高，为了刺激光伏发电市场，世界各发达国家都制定了激励政策：1、欧洲各国实施“上网电价”的光伏发电激励政策;2、美国各州的激励政策不同，大部分采用投资补贴、税收优惠和“净电表”法;3、日本实行安装光伏发电系统时对初投资进行补贴法;我国自2005年颁布了《可再生能源法》后，又出台一系列相关的配套政策。特别是近几年，国家出台了一系列促进光伏产业发展的政策措施，如：央行向分支机构及各银行下发2014年的信贷政策中，光伏首次获明确支持。各省市也积极响应，共计8省15市的太阳能补贴政策也相继出炉。2013年，我国新增装机量预计10GW，同比增长122%，居全球首位。

随着人类对能源的需求不断的增加和日益凸显的环境问题之间的矛盾逐渐激烈，清洁、可再生的太阳能的充分利用就显得前所未有的重要。而光伏发电系统的三大基本部件是：由太阳电池板（组件）、控制器和逆变器。因此逆变器的研究成为了光伏发电系统设计的核心问题。

二、硬件系统设计

1.逆变电路

光伏逆变器是光伏发电系统的关键部件，它的主要作用是将光伏电池板发出来的直流电转换成交流电，若是并网逆变器，则要转化成与电网同步的交流电。本文采用的逆变拓扑电路为全桥逆变电路。

2.驱动与滤波电路

逆变器驱动电路的功能。它输出脉冲的幅值和波形与功率开关管的开关特性之间有密切关系，从而会影响整个逆变系统的效率和调节特性。

逆变部分采用全桥逆变拓扑，由场效应管构成逆变桥，STC89S51单片机产生的PWM信号通过与非门后，控制逆变桥中开关器件的ON与OFF，从而在逆变桥的输出端产生正弦波。后续仍需LC滤波电路，得到平滑、不含高次谐波的标准正弦波。经过计算和反复测试，滤波电路中参数C=22?F，L=10mH。

3.PWM控制理论

PWM，脉冲宽度调制，是一种利用数字信号对模拟量进行控制的方法。在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。到目前为止，已出现了多种PWM控制技术，如等脉宽PWM法、SPWM法、等面积法等等。

4.控制电路

控制电路使用单片机STC89S51小系统开发板实现，包含以下功能模块：USB电源供电模块、DS1302时钟模块、LCD1602液晶模块、LCD12864_TFT2.4彩屏显示、6位共阴数码管模块、nRF905无线电通信接口、AD/DA模块、IR1838红外接收模块、ISP烧写接口、18B02温度传感器、5V稳压芯片;32位I/O口线;RS232串口24C02存储器、4X4矩阵键盘、、蜂鸣器等。在本设计中利用I/O并行端口P1.0脚作为PWM信号的输出端来分别控制功率器件。

三、软件及仿真系统设计

1.Proteus介绍

Protues软件是英国Labcenter electronics公司出版的工具软件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、8086和MSP430等，2010年增加Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、和MATLAB等多种编译。

2.Keil?Vision2与Proteus ISIS软件的联合仿真

联合仿真设置步骤如下：

（1）打开Keil uVision软件，新建一个project，生成一个*.uv2文件。（2）用ADD FILES TO GROUP“source group 1”命令讲写好的程序源文件加载进来。（3）编译、连接无误后，生成.*hex文件。（4）打开Protues ISIS，绘制原理图完毕。（5）双击芯片，将（3）中生成的*.hex文件路径添加到“program file”选项中，即可仿真。

四、仿真调试

1.调试步骤：（1）调试驱动、逆变电路;（2）调试PWM模块，观察死区时间、上下桥臂的驱动信号是否互补;（3）通过编程使STC89S51产生SPWM波，由P1.0口输出;（4）对主电路进行开环调试，观察逆变器输出波形。

2.调试结果与分析

（1）驱动电路输出波形

由單片机P1.0口输出的驱动V1的波形如图1所示。其他驱动信号波形与此相似此处省略。

（2）仿真数据分析

逆变系统仿真电路原理图如图2所示，由Proteus ISIS绘制。通过KeilC软件编译调试C语言源程序，，将生成的HEX文件加载到原理图芯片STC89S51中，全速仿真，单片机的P1.0口线输出SPWM波（单片机的定时/计数功能），并通过非门驱动后送给给功率器件，来控制功率器件的导通与关断，逆变器输出波形如图3所示。由图可见，正弦波周期基本满足设计要求，波峰波谷有轻微的畸变。

图1 驱动信号波形

图2 Proteus仿真电路图

图3 逆变器输出波形

五、结论

本文采用的全桥逆变电路系统结构，用IRF830A电力场效应管来实现。

图4 HL-1开发板的原理图

以STC89S51的单片机为主控芯片完成了逆变器的设计;借助于Proteus与KeilC软件联合仿真环境完成了软件部分的设计，按照软硬件的设计方案构建整个系统，并进行了软硬联调，结果表明逆变器运行结果符合设计目标要求。

部分程序

#include

sbit port=P1^0;

unsigned char data m;

unsigned int data i=0;