太陽能光伏PWM逆變器的研究

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、硬件設計方法，單片機通過對線路電壓和電流的實時采樣來控制相應的執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)對電壓的控制。本次設計主要針對以AT89C2051小型單片機為核心的太陽能逆變控制器。利用AT89C2051小型單片機的內(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載或照明設備使用，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，蓄電池也會直接提供負載供電。這種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較簡單，并且成本較低。但是負載直流電壓存在差別，系統(tǒng)兼容性和標準化很難實現(xiàn)，特別是在民用店里中，大都是交流負載，通過直流電力供電的光伏電源，進入商品市場會比較困難。此外，光伏發(fā)電最終會實現(xiàn)并網(wǎng)運行，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)在電力電子技術中，逆變技術已經(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、變頻技術中的逆變技術以及功率調(diào)節(jié)器中的逆變技術等。這些技術都已經(jīng)形成了完整的產(chǎn)品，并將其推廣到了市場中去，社會對其也非常認可。

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)，控制技術不斷提高，這也給光伏發(fā)電系統(tǒng)運用到人們的日常生活中去奠定了基礎?，F(xiàn)在逆變技術種類較多，可以根據(jù)其形式對其進行分類，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)逆變主開關器件類型可以分成IGBT逆變器、晶體管逆變器、場效應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控制方式以及移項控制方式兩種。

本次設計使用的控制方式為PWM控制方式，其比較簡單，控制靈活，能夠根據(jù)具體實現(xiàn)要求，進行控制波形的產(chǎn)生。

1 整體結(jié)構(gòu)設計

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 硬件設計

根據(jù)設計要求收集相關資料，并進行了全面的分析和研究之后，得到了一個初步的方案和設計思路：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。在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，如果含有交流負載，那么需要將逆變器設備使用進來，將蓄電池釋放或者太陽電池組件產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)化成負載需要的交流電。光伏陣列端電壓會隨著日照強度和負載變化發(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。本次設計主要針對以AT89C2051小型單片機為核心的太陽能逆變控制器。利用AT89C2051小型單片機的內(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、檢測量等信號，單片機檢測到各種信號后，根據(jù)預先設定的程序或控制策略進行計算，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 軟件設計

逆變電源控制軟件由主程序、定時器T0中斷服務程序、外部中斷服務程序三個部分組成。主程序的主要作用是初始化單片機的工作方式，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)值也會發(fā)生一定變化，這個時候頻率變化標志，便于定時器中斷服務程序能夠按新的消諧PWM開關切換角數(shù)據(jù)進行定時控制，合理切換驅(qū)動信號。定時器T0中斷服務程序主要完成對開關切換角數(shù)據(jù)的定時及其相應驅(qū)動信號的輸出，實現(xiàn)消諧PWM控制策略。外部中斷服務程序主要負責處理逆變電源的故障保護功能，若是出現(xiàn)故障中斷請求，單片機的響應中斷，需要再次進行查詢，看是不是發(fā)生了故障，若是出現(xiàn)故障，那么必須將驅(qū)動信號封鎖，并進行故障代碼的輸出。

本次設計選擇采用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。通過編碼的方式輸入逆變器輸出頻率給定值，CPU根據(jù)輸出頻率代碼進行消諧PWM控制的選擇，并根據(jù)內(nèi)部定時控制，根據(jù)規(guī)定PWM數(shù)據(jù)來合理切換開關器件，從CPU的I/O端口輸出逆變橋開關管的驅(qū)動信號，實現(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逆變器設計方案；脈寬調(diào)制（PWM）控制技術是利用脈沖寬度不等的一系列矩形脈沖去逼近一個電壓或電流信號，并通過控制電壓脈沖寬度以達到變壓。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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作者簡介：趙飛（1986-），男，江蘇人，本科，助教，研究方向：自動化。