淺談太陽能光伏系統中的逆變器DC/AC設計理念

摘 要：太陽能光伏發電系統中核心技術是光伏逆變器，其性能很大程度上決定了整個光伏發電系統的性能和效率。本文著重介紹了太陽能光伏系統中逆變器的軟、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行機構，實現對電壓的控制。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電系統一般獨立提供交流給小型負載或照明設備使用，逆變電源將產生電壓為220V，頻率為50Hz的單相交流電。

關鍵詞：AT89C2051；光伏系統；逆變器；PWM

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

根據近幾年來市場調查，結合截止2013年國家能源局統計，我國在太陽能光伏發電系統領域，主要還是直流發電系統為主，即太陽能電池、蓄電池、直流負載三者并聯，當太陽光不充足時，太陽能電池輸出電壓較低，由蓄電池供電給直接負載。由于此類結構設計簡單，易于實現，成本可控，得到了大量使用。但其缺點也很明顯，往往負載直流電壓的不同，這樣就難以統一標準，進而導致系統的兼容性較差。特別在民用領域，由于負載大多為交流，所以直流系統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太陽能光伏并網發電發展迅猛，因此發展逆變器技術在光伏發電系統中的應用也就越發重要起來。逆變器作為一種電力轉換裝置，將直流電轉換為交流電，其逆變技術在電工電子技術領域已日趨成熟。其諸多產品已成功推向市場，受到社會廣泛認可。

逆變器作為太陽能光伏發電系統的核心功能部件，其性能直接影響光伏發電系統的運行質量。隨著逆變器技術的發展和種類的增多，太陽能光伏發電系統可以應用到日常和生產相關的各個領域。

本次逆變器設計選擇采用脈沖寬度調制模擬控制方式，利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制，由于它控制簡單，靈活和動態響應好，能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定，產生相應的控制波形，是利用微處理器的數字信號對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術。對于諧波抑制、死區控制、調節輸出電壓等多種方面都十分有利。

1 整體結構設計

太陽能逆變器工作原理：太陽能電池產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過整流，高頻濾波和極性轉換后變成220V 50Hz的交流電。該系統主要由兩部分組成，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換的直流電轉換成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：

太陽能光伏發電系統由太陽能電池陣列、控制器、逆變器、蓄電池組等部件構成。逆變器的作用就是如果在太陽能光伏發電系統中接有交流負載，可將太陽電池組產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化為交流電以供負載所需。

由于光伏陣列的端電壓隨負載和日照強度而變化， 因此逆變器必須能在較寬的直流輸人電壓范圍內正常工作， 且保證交流輸出電壓的穩定。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，根據預先設定的程序或控制策略進行計算，然后通過數模（D/A）輸出控制信號，經放大后控制高頻電子電力電路來實現DC/AC變換，交流輸出經變壓器變換后即可得到所需的交流電。

3 軟件設計

本次逆變電源控制軟件由三個部分組成：主程序、定時器T0中斷服務程序、外部中斷服務程序。初始化單片機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行采樣。當輸出頻率發生變化時，其編碼值會隨之變化，置頻率變化標志，便于定時器T0中斷服務程序能夠按新的開關切換角數據進行定時并實現驅動信號的切換。定時器T0中斷服務程序主要完成對開關切換角數據的定時及其相應驅動信號的輸出，以實現消諧脈沖寬度調制控制。外部中斷服務程序主要負責處理逆變電源的故障保護，當故障中斷請求發生時，單片機響應中斷并再次查詢是否確有故障發生，若確認有故障，則封鎖驅動信號，并輸出故障代碼。

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。采樣逆變器的輸出頻率，以編碼方式輸入，CPU根據輸入的編碼選擇PWM控制數據，并通過內部定時控制，按照PWM控制數據對開關器件進行切換，再從CPU的I/O端輸出信號，從而實現PWM控制。

4 結論

本文從從環保節能的角度出發，給出了DC/AC逆變器設計方案；脈寬調制（PWM）控制技術是利用微處理器的數字輸出來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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