淺談太陽能光伏系統(tǒng)中的逆變器DC/AC設(shè)計理念

摘 要：太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中核心技術(shù)是光伏逆變器，其性能很大程度上決定了整個光伏發(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)計方法，單片機(jī)通過對線路電壓和電流的實時采樣來控制相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)對電壓的控制。本次設(shè)計主要針對以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)計的小型太陽能發(fā)電系統(tǒng)一般獨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：AT89C2051；光伏系統(tǒng)；逆變器；PWM

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.22.062

根據(jù)近幾年來市場調(diào)查，結(jié)合截止2013年國家能源局統(tǒng)計，我國在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)領(lǐng)域，主要還是直流發(fā)電系統(tǒng)為主，即太陽能電池、蓄電池、直流負(fù)載三者并聯(lián)，當(dāng)太陽光不充足時，太陽能電池輸出電壓較低，由蓄電池供電給直接負(fù)載。由于此類結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，易于實現(xiàn)，成本可控，得到了大量使用。但其缺點也很明顯，往往負(fù)載直流電壓的不同，這樣就難以統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)的兼容性較差。特別在民用領(lǐng)域，由于負(fù)載大多為交流，所以直流系統(tǒng)的光伏電源商品在市場上反響平平。另外，近些年來世界范圍內(nèi)太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電發(fā)展迅猛，因此發(fā)展逆變器技術(shù)在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用也就越發(fā)重要起來。逆變器作為一種電力轉(zhuǎn)換裝置，將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，其逆變技術(shù)在電工電子技術(shù)領(lǐng)域已日趨成熟。其諸多產(chǎn)品已成功推向市場，受到社會廣泛認(rèn)可。

逆變器作為太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心功能部件，其性能直接影響光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行質(zhì)量。隨著逆變器技術(shù)的發(fā)展和種類的增多，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)可以應(yīng)用到日常和生產(chǎn)相關(guān)的各個領(lǐng)域。

本次逆變器設(shè)計選擇采用脈沖寬度調(diào)制模擬控制方式，利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制，由于它控制簡單，靈活和動態(tài)響應(yīng)好，能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定，產(chǎn)生相應(yīng)的控制波形，是利用微處理器的數(shù)字信號對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。對于諧波抑制、死區(qū)控制、調(diào)節(jié)輸出電壓等多種方面都十分有利。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

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

根據(jù)設(shè)計要求收集相關(guān)資料，并進(jìn)行了全面的分析和研究之后，得到了一個初步的方案和設(shè)計思路：

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。逆變器的作用就是如果在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中接有交流負(fù)載，可將太陽電池組產(chǎn)生的直流電或者在電池組電壓功率下降時由蓄電池釋放的直流電轉(zhuǎn)化為交流電以供負(fù)載所需。

由于光伏陣列的端電壓隨負(fù)載和日照強(qiáng)度而變化， 因此逆變器必須能在較寬的直流輸人電壓范圍內(nèi)正常工作， 且保證交流輸出電壓的穩(wěn)定。本次設(shè)計主要針對以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

本次逆變電源控制軟件由三個部分組成：主程序、定時器T0中斷服務(wù)程序、外部中斷服務(wù)程序。初始化單片機(jī)的工作方式由主程序完成，在此過程中，對逆變電源輸出的頻率進(jìn)行采樣。當(dāng)輸出頻率發(fā)生變化時，其編碼值會隨之變化，置頻率變化標(biāo)志，便于定時器T0中斷服務(wù)程序能夠按新的開關(guān)切換角數(shù)據(jù)進(jìn)行定時并實現(xiàn)驅(qū)動信號的切換。定時器T0中斷服務(wù)程序主要完成對開關(guān)切換角數(shù)據(jù)的定時及其相應(yīng)驅(qū)動信號的輸出，以實現(xiàn)消諧脈沖寬度調(diào)制控制。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)，當(dāng)故障中斷請求發(fā)生時，單片機(jī)響應(yīng)中斷并再次查詢是否確有故障發(fā)生，若確認(rèn)有故障，則封鎖驅(qū)動信號，并輸出故障代碼。

本次設(shè)計選擇采用Atmel公司的AT89C2051作為CPU，89C2051具有2K的程序存儲器，兩個16位定時器和128BRAM，是一種成本低、集成度高的MCU芯片。采樣逆變器的輸出頻率，以編碼方式輸入，CPU根據(jù)輸入的編碼選擇PWM控制數(shù)據(jù)，并通過內(nèi)部定時控制，按照PWM控制數(shù)據(jù)對開關(guān)器件進(jìn)行切換，再從CPU的I/O端輸出信號，從而實現(xiàn)PWM控制。

4 結(jié)論

本文從從環(huán)保節(jié)能的角度出發(fā)，給出了DC/AC逆變器設(shè)計方案；脈寬調(diào)制（PWM）控制技術(shù)是利用微處理器的數(shù)字輸出來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。

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