《基于单片机的太阳光伏发电系统逆变器的仿真设计》

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1、本文由weichuanfei贡献pdf 文档可能在WAF浏览体验不佳。建议您优先选择TXT,或下载源文件到本机查看。海峡科学研究论文 HAI XIA KE XUE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1,2 1 , * 3 2 周海峰黄元庆陈苏董敬德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SPW慵频调制方式工作。 经过分析和比较， 确定采用直 接PW曜来计算SPW阪的占空比并设计了 控制器。以AT89S51作为

2、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 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。 1引言太阳能是各种可再生能源中最重要的基

3、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。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%勺速度递增，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

4、。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。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2 1 2系统总体设计2.1 逆变电路介绍 与整流相对

5、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

6、 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：2006AA050203-12010 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。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

7、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言号经过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=22 F,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

8、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。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

9、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，4种主要方法：自然采样法8 7 6 4LCD1602、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言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

10、略指令执行时间，但当 输出可调脉冲宽度小于10 s,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s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系歹叭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

11、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Keil Vision2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Kei

12、l uVision的结合设置步骤如下：(1)把proteus 安装目录 下 VDM51.Dll(C: Program FilesLabcenterElectronics Proteus6 ProfessionalMO DELS文件复制到 Keil 安装目录的C51BIN 目录中；(2)编辑C51里tools.ini 文件， 加入:TDRV1=BINVDM51.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

13、 monitor51(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 (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MCU89S51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

14、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)海峡科学 研究论文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 VSMMonitor-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

15、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；source 在菜单的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