研究论文 HAI XIA KE XUE 海峡科学 基于单片机的太阳光伏发电系统逆变器的仿 真设计 1.厦门大学机电工程系 2.集美大学轮机工程学院 3.福州大学电气工程与自动化学院 周海峰 1,2 黄元庆 1，* 陈 苏 3 董敬德 2 [摘要] 介绍了一种应用于太阳能的发电系统中基于单片机控制的单相全桥逆变器的设计。逆变器主电路为全桥逆变结构， 由4个IRF830A组成。以单极性SPWM倍频调制方式工作。经过分析和比较，确定采用直接PWM法来计算SPWM波的占空比并设计了 控制器。以AT89S51作为控制芯片，基于KeilC和Proteus的集成开发环境进行系统软件设计，结合软件对硬件电路进行调试， 结果表明各部分指标满足要求。 [关键词] 逆变器 光伏 单片机 脉冲宽度调制 1 引言 太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，生物质 能、风能、海洋能、水能等都来自太阳能，广义地说，太阳 能包含以上各种可再生能源。太阳能作为可再生能源的一种， 则是指太阳能的直接转化和利用,通过转换装置把太阳辐射 能转换成电能利用的属于太阳能光发电技术[1]。 本文介绍了一个应用于可再生能源发电系统，采用直接 电流控制的单相电压源型 PWM 逆变器的设计过程，并对逆 变器的控制策略进行了分析和研究，采用 ATMEL 公司的 MCU 芯片 AT89S51 作为控制芯片完成了设计。 太阳能光伏发电产业自上个世纪 80 年代以来持续高速 发展,每年以 30%～40%的速度递增，同时全球光伏电池产量 快速增长，全球太阳能企业在 1995 年－2005 年增长了 17 倍。 2005 年世界太阳能电池产量达到 1650MW 累计装机容量 5GW。为了鼓励太阳能的开发和利用，各国政府分别积极制 定各种优惠政策来推动太阳能光伏发电的发展。其中，以美、 日、德、等西方发达国家为主[2]。 我国的太阳能光伏发电系统起步较晚,但是发展速度很 快。2005 年 2 月 28 日第十届全国人民代表大会常务委员会 第十四次会议通过的“中华人民共和国可再生能源法”，已于 2006 年 1 月 1 日起正式实施。2006 年 4 月国务院能源领导小 组会议上已批准国家发改委提出的我国太阳能发电的中长期 发展规划、发展重点和目标。 随着人类对新能源的需求不断的增加，而利用新能源的 关键技术就是如何将新能源转化成电能。因此逆变器的研究 也成为合理利用新能源的课题中的重中之重。目前，可靠、 高效和廉价的逆变器己成为生活中的迫切需要。本文采用高 运算速率，低功耗的单片机 AT89S51 作为控制芯片，提高了 逆变器的工作效率。 本文介绍逆变器的结构、控制方法和 PWM 控制方式， 着重进行了系统硬件和软件的设计，给出了部分程序，通过 实验得到相关实验波形并进行了分析，最后进行了总结。 2 系统总体设计 2.1 逆变电路介绍 与整流相对应，把直流电转化成交流电称为逆变。当交 流侧接在电网上，即交流侧接有电源时，称为有源逆变；当 交流侧直接和负载连接时，称为无源逆变。逆变电路的应用 非常广泛。在已有的各种电源中，蓄电池、干电池、太阳能 电池等都是直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时， 就需要逆变电路。逆变电路在电力电子电路中占有十分突出 的地位[3]。 逆变电路根据直流侧电源性质的不同可分为两种：直流 侧是电压源的称为电压型逆变电路；直流侧是电流源的称为 电流型逆变电路。它们也分别被称为电压源型逆变电路 （Volt-age Source Type Inverter—VSTI)和电流源型逆变电路 （Current Source Type Inverter—CSTI)。本文采用的是全桥逆 变电路的原理图。 2.2 逆变器驱动电路与滤波电路的设计 * 此项工作得到国家 863 重大科技项目子课题资助，项目批准号：2006AA050203-1 2010 年第 10 期（总第 46 期） 145 

基于单片机的太阳光伏发电系统逆变器的仿真设计 驱动电路是电力电子变换器的关键技术之一。它的输出 脉冲的幅值和波形与功率开关管的开关特性有很大的关系， 进而会影响到整个逆变系统的效率和调节特性[4]。 本设计中驱动电路采用 4 输入与非门 HD74HC00P。由 单片机输出的 PWM 波通过两个与非门之后，输入给功率器 件 V1、V4 的门级;通过一个与非门输入给 V2、V3 的门级， 以此来作为驱动信号，并且实现驱动信号的互补。 经过分析和比较，逆变部分决定采用全桥逆变电路,由场 效应管 IRF830A 组成逆变桥，采用 4 输入与非门 HD74HC00P 来作为驱动电路。单片机产生的 PWM 信号经过 HD74HC00P 后，来控制逆变桥中开关器件 IRF830A 的关断与导通，就可 以在逆变桥的输出端产生正弦波。不过此时的正弦波含有大 量的高次谐波，需要通过 LC 滤波电路才能得到平滑、不含 高次谐波的标准的正弦波。而电容与电感数值的大小需要经 过理论计算与实际调试后才能确定。在本设计中我们取 C=22µF,L=10mH。 2.3 PWM 控制 脉宽调制(PWM)是利用微处理器的数字输出来对模拟 电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、 通信到功率控制与变换的许多领域中[6]。 简而言之，PWM 是一种对模拟信号电平进行数字编码 的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制 用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM 信号仍然 是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么 完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通 (ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通 的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供 电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用 PWM 进行编码。 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[7]。 到目前为止，已出现了多种 PWM 控制技术，4 种主要方法： 自然采样法[8] （对称规则采样法 和不对称规则采样法[9]）、 面积等效法和面积中心等效法。 2.4 控制电路设计 系统的控制电路采用单片机开发板来实现。该开发板是 基于 MCU 89S51 的功能而开发设计制造的，可以作为一个 硬件开发的平台，板上提供了各种接口，可以很方便的将其 与外围电路连接，方便了设计。此开发板主要包括以下几个 部分[11]：USB 电源（U1）；外接电源接口；5V 稳压芯片； RS232 串口，可简单的与主处理器连接；DS1302 时钟芯片； DS1802 温度传感器；指示电源的发光二极管（LED1）；32 路 I/O 接口引出；24C02 存储器、4 位按键、红外线插座、 146 2010 年第 10 期（总第 46 期） LCD1602、ISP 下载插座、4 位共阳数码管、蜂鸣器。 在本设计中主要是用了P1接口，利用接口的P10脚作为 SPWM信号的输出口来分别控制功率器件V1、V2、V3、V4。 PWM 控制方式的应用范围非常广泛，不仅可以实现逆 变，还可以应用在电机调频、调速、控制灯泡的亮度的场合 中。可以说在未来的电力电子技术的发展中 PWM 技术将得 到越来越多的关注。 本文计算 PWM 波的占空比采用直接 PWM 法。由于单 片机指令执行延迟时间的存在,必然会引进误差,尤其在实现 高频 SPWM 波时,因为程序中往往忽略指令执行时间,但当 输出可调脉冲宽度小于 10µs,与指令执行速度可比拟时(尤其 对于以 C 语言编写的指令,其编译后代码效率比较低,指令执 行时间可达 µs 数量级) ,中断执行时间过长会对计数器计数产 生延迟,最后会影响波形准确性[10]。 3 系统软件设计 3.1 Proteus 介绍 Proteus 支持多种主流单片机系统的仿真，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。并且提供软件调试功能与丰 富的外围接口器件及其仿真 RAM，ROM，键盘，马达，LED， LCD，AD/DA，部分 SPI 器件，部分 IIC 器件。 随着科技的发展，“计算机仿真技术”已成为许多设计部 门重要的前期设计手段。它具有设计灵活，结果、过程的统 一的特点。可使设计时间大为缩短、耗资大为减少，也可降 低工程制造的风险。相信在单片机开发应用中 PROTEUS 也 能茯得愈来愈广泛的应用[11]。 3.2 Proteus ISIS软件与KeilµVision2的联合仿真 单片机应用技术所涉及到的实验实践环节比较多，而且 硬件投入比较大。在具体的工程实践中，如果因为方案有误 而进行相应的开发设计，会浪费较多的时间和经费。Proteus 仿真软件很好的解决了这些问题，它可以象 Protel 一样画好 硬件原理图与 KEIL 编程软件结合进行编程仿真调试。 3.2.1 Protues软件与Keil uVision的结合 设置步骤如下： (1)把 proteus 安装目录下 VDM51.Dll(C:\ Program Files\LabcenterElectronics \Proteus6\ Professional\MO DELS）文件复制到 Keil 安装目录的 \C51\BIN 目录中; (2)编 辑 C51 里 tools.ini 文件,加入:TDRV1=BIN\VDM51.DLL("PRO TEUS VSM MONITOR-51 DRIVER"); (3) Keil uVision 里设 置: project-->options for project-->debug tab; (4) 选中 use proteus VSM monitor 51( 如果想用两台电脑仿真,双击 setting, 输入 IP 地址 或者 DNS name); (5) 载入 proteus 文件; (6) proteus 里选择 DEBUG-->use remote debug monitor; 进入 

研究论文 HAI XIA KE XUE 海峡科学 KEIL 的 project 菜单 option for target '工程名'。在 DEBUG 选 项 中 右 栏 上 部 的 下 拉 菜 选 中 Proteus VSM Monitor-51 Driver。 在进入 seting，如果同一台机 IP 名为 127.0.0.1,如 不是同一台机则填另一 台的 IP 地址。端口号一定为 8000 注 意：可以在一台机器上运行 keil，另一台中运行 proteus 进行 远程仿真. (7)打开 KEIL uVision, 按 F5 开始仿真。 3.2.2 proteus的工作过程 运行 proteus 的 ISIS 程序后，进入该仿真软件的主界面。 在工作前，要设置 view 菜单下的捕捉对齐和 system 下的颜 色、图形界面大小等项目。通过工具栏中的 p(从库中选择元 件命令)命令，在 pick devices 窗口中选择电路所需的元件， 放置元件并调整其相对位置，元件参数设置，元器件间连线， 编写程序；在 source 菜单的 Define code generation tools 菜单 命令下，选择程序编译的工具、路径、扩展名等项目；在 source 菜单的 Add/remove source files 命令下，加入单片机硬件电路 的对应程序；通过 debug 菜单的相应命令仿真程序和电路的 运行情况。 综上所述，利用 Proteus 软件能够提供实验室无法相比的 大量的元器件库，提供了修改电路设计的灵活性、提供了实 验室在数量、质量上难以相比的虚拟仪器、仪表，通过与 KeilC 软件的联合调用，PROTEUS 不仅可将许多单片机实例功能 形象化，也可将许多单片机实例运行过程形象化。 4 逆变器的调试 4.1 调试说明 第一、测试指标 ： 输出电压值：3VAC±5% ；正弦波 输出频率：50HZ；第二、参数设置：直流侧输入电压 5VDC； 参考正弦波频率 50Hz，直流输入电压 5V，逆变器输出电压 3V；第三、调试仪器：利用实验室的电压源的直流输出 5VDC 电压作为逆变器直流输入信号与驱动电路的电源。TDS1002 数字存储示波器观察逆变器输出波形；第四、调试步骤：① 对硬件电路中的全桥逆变电路和驱动电路进行调试.②对 PWM 模块进行调试，软件产生的四路的 MOSFET 驱动信号， 主要观察上下桥臂的驱动信号是否互补，死区时间是否正确。 ③利用单片机 AT89S52 编程来产生 SPWM 波，由 P10 口输 出。④对主电路进行开环调试，将步骤中单片机产生的 SPWM 信号连入主电路，观察逆变器输出波形。 4.2 调试结果与分析 根据以上设计方案，在实验室搭建完成了逆变系统的试 验装置。实验电路有电源、逆变桥、单片机开发系统、驱动 电路、LC 滤波电路、示波器组成。软件开发环境为 KeilC µVision2。 4.2.1 IRF830A的驱动信号波形 由单片机 P10 口输出的 2 路驱动信号。这 2 路驱动信号 互补，分别驱动同一个桥臂的上下 2 个开关管。其中 CH1 所 示波形为驱动 V1 的信号，V2/V3 的驱动信号与此相似就没 有给出波形了。为了能更好的观察单片机 P10 口输出的 SPWM 波的整体变化情况，截取变化较为明显的一段。 图 1 Proteus 仿真电路图 4.2.2 Proteus与KeilC联合仿真分析 图 2 驱动信号波形 图 1 所示的是用 Proteus 建立的逆变系统仿真电路原理 图。图 2 中功率器件的驱动信号来自单片机 AT89S52 的 P10 口。通过 KeilC 软件运行编写好的控制程序，然后把程序载 入 Proteus 仿真电路中的单片机芯片 AT89S51 中，运行仿真 电路，AT89S51 的 P10 口就可以输出 SPWM 波。把得到的 SPWM 波通过非门驱动后输入给功率器件，来控制功率器件 的导通与关断，再用仿真示波器观察逆变电路输出，可以得 到如图 3 所示的经过 Proteus 与 KeilC 联合仿真之后得出的示 2010 年第 10 期（总第 46 期） 147 

基于单片机的太阳光伏发电系统逆变器的仿真设计 波器输出波形。由图可见，正弦波周期十分接近 20ms，波峰 波谷有轻微的畸变。 图 3 逆变器输出波形 4.2.3 逆变器输出波形 利用实验室的电流源的直流输出作为逆变器的直流输入 与驱动电路的电源，按照要求连接好硬件电路，经过 LC 滤 波电路后，用 TDS1002 数字存储示波器来观察逆变器输出波 形。输出波形如图 3 所示。由于单片机的性能有限以及实际 电 路 中 存 在 的 各 种 干 扰 因 素 ， 输 出 的 正 弦 波 频 率 为 46.8569HZ 存在一定的误差。为了让正弦波的频率更接近工 频 50HZ，我们进一步改进算法，在减少一个周期内的取点 数目后，再次观察输出波形频率，发现频率更加接近 50HZ， 但是正弦波的波峰与波谷出现了较严重的畸变。经过分析， 波形发生较严重的畸变是由于 PWM 控制算法精度的下降以 及 LC 滤波电路所需的参数改变而导致的。如果想要使得波 形更加接近完美的正弦波，首要考虑的是提高 PWM 控制算 法的精度。可以选择更加精确的算法来产生 PWM 波；并且 需要重新选择 LC 滤波电路的参数；这样才能在使用相同的 硬件电路条件下，取得良好的逆变效果。可以考虑使用性能 强大的 IGBT 来构成逆变电路，并采用 DSP 来作为控制芯片。 5 结论 本文采用全桥逆变电路的系统结构，采用 IRF830A 电 力场效应管来实现。以 AT89S51 的单片机作为控制芯片完成 了逆变器的设计。制作出了实物，基于 Proteus 与 KeilC 的集 成开发环境完成了软件的设计，根据软硬件的设计方案实现 了整个系统，软硬件相结合进行了调试，调试结果显示逆变 器运行结果符合要求。 148 2010 年第 10 期（总第 46 期） 开发板的 PCB 图 实物图 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]; （下转第 161 页） 

研究论文 HAI XIA KE XUE 海峡科学 息。 2.4.4 GIS 支撑平台 该定位系统是以地理信息系统 GI S 为图形支撵平台， 可以单独运行。系统的核心算法（如拓扑分析、故障查找、 纠错和补漏）是采用组件技术实现的。 3 基于 GPRS 通信故障指示器配网自动化系统应用 2010 年 3 月份，莆田电业局在荔城区常太镇院里线设 了基于 GPRS 通信故障指示器配网自动化系统，共在主干线 及分支线安装了 9 组带通讯的故障指示器和 9 套 GPRS 通讯 模块（含太阳能蓄电池装置），从线路先后发生的几次事故 看，该系统均能及时准确地显示线路故障的地点等，从而缩 短了故障修复时间，节省了大量的人力、物力。原来线路发 生故障时，一般每次都要动用 10 人左右、2~3 辆车，少则半 天、多则 2~3 天方能找出故障点，而现在只需 2 人最多半小 时就可发现并将故障处理完毕。按照莆田电业局目前的情况， 全部应用该系统，每年可多供电量 620 万千瓦时，创造经济 效益 310 万元左右。采用基于 GPRS 通信故障指示器配网自 动化系统，符合国际先进企业的发展要求，可使供电企业的 配电管理水平和服务水平全方位、全过程的提高，是未来能 够实现多方面、巨大经济效益的基础，该系统应用、推广将 起到经济和社会双重效益的效果。 参考文献： [1] 配网自动化系统功能规范,DL/T814-2002 [2] 配网自动化系统远方终端,DL/T721-2000 [3] 农网自动化及通信系统建设技术指导意见（试行）,2002,国家电力公司农 电部 [农电 2002-32 号] [4] 国家电网公司县城电网建设与改造技术导则,2003 年,国家电力公司农电 部 [5] 配电系统自动化规划设计导则,中国电机工程学会城市供电专业委员会 [6] 10 千伏配网自动化发展规划要点,国电公司发输电运营部. （上接第 148 页） 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; …… 参考文献： [1] 张凌. 单相光伏并网发电器的研制[D]. 北京：北京交通大学硕士学位论 文,2007. [2] 吴海涛. 光伏并网逆变器及其仿真研究[D].青岛：青岛大学硕士学位论 文,2007. [3] 王兆安,黄俊.电力电子技术[M].第四版. 北京：机械工业出版社,2005. [4] 曲学基,于明扬,曲敬铠. 逆变技术基础与应用[M].北京:电子工业出版 社,2007. [5] D. G. Holmes and D. A. Martin. Implementation of a direct digital predictive current controller for single and three phase voltage source inverters[J]. IEEE IAS Annu. Meeting, 1996:7-11. [6] 陈厚岩. 1KW 具有零关断功能的并网逆变器的研制[D]. 北京：中国科学 院硕士学位论文,2004. [7] Zhang Chunjiang, Cao Lingling etc. Grid-connected inverters interface control control[J]. YanShan constant-frequency integration unified with University,2006:3-5. [8] 刘凤君. 逆变器用整流电源[M]. 北京：机械工业出版社,2004. [9] 王飞. 单相光伏并网系统的分析与研究[D].合肥：合肥工业大学硕士学位 论文,2005. [10] 周志敏等. 逆变电源实用技术－设计与应用[M]. 北京：中国电力出版 社,2005. [11] 陈道炼.DC－AC 逆变技术及其应用[M]. 北京：机械工业出版社,2003. 2010 年第 10 期（总第 46 期） 161