基于单片机控制的太阳能逆变电源设计

xxx 民 族 学 院

毕业论文（设计）

毕业设计（论文）题目

基于单片机控制的太阳能逆变电源设计

学生姓名： xxx 学 号：031140630

系 别：信息工程学院 专 业： 电气工程及其自动化

指导教师： xxx 评阅教师：

论文答辩日期

答辩委员会主席

摘 要

全球正面临着严重的能源危机和环境压力，对可再生能源的开发利用得到了

快速的发展。在新型的可再生能源中，太阳能是其中一支重要力量，已经成为人

类重点开发利用的可再生能源之一。本课题的任务是设计一台基于单片机控制的

太阳能逆变电源系统。要求其具有高效节能、成本低廉、性能出色的特点。

本系统包含太阳能逆变系统和电池直流充电系统两大部分。为了实现逆变器

简单易于操控和成本低廉的设计要求，本文采用了“单向全桥逆变+高频升压+LC

滤波”的设计策略。由于需要逆变器输出电压为正弦电压且输出电压谐波含量尽

可能小，所以逆变控制方式采用的是SPWM控制技术。在充电器设计部分，本

文将介绍太阳能电池的输出和蓄电池的充电，蓄电池组的充电采用的是两段式充

电法。而后是直流升压电路和电路的检测和保护，保护电路主要是针对蓄电池的

充放电和交流输出进行电路保护，为了使其具有智能化，我将采用单片机进行控

制，最后将会用MATLAB进行仿真。经过对仿真数据和图像的分析，本设计达

到了最初的设计要求，可以投入到实际的使用中去。

关键词：逆变器，太阳能电池，数字化，正弦波调制

I

Abstract

The world is facing a rious energy crisis and environmental pressure on the

development and utilization of renewable energy has been developed rapidly. In a new

and renewable energy, solar energy is one of the important forces, has become one of

the human focud on the development and utilization of renewable energy. Our task

is to design a system of photovoltaic inverter bad on MCU control. It has high

efficiency and energy saving, low cost and excellent performance characteristics.

The system includes a solar inverter system and DC battery charging system of two

the inverter design part, this paper will u the "design strategy of one-way

full bridge inverter + high frequency boost +LC filter" to realize inverter, low cost,

simple circuit and easy to to the output voltage of the inverter for

sinusoidal voltage and output voltage harmonic content is as small as possible, so the

inverter control method is SPWM control part this paper will introduce

the design of the charger, and battery charging output of solar battery, charging battery

is ud in two stepcharging , the DC boost circuit and protection circuit

detection and protection circuit, protection circuit for battery charge discharge and AC

output, making it more clever, I will u the MCU control, and through MATLAB

h the analysis of simulation data and images, the design reached the

initial design requirements, can be put into actual u.

Keywords：Inverter，Solar cell，Digitization，SPWM

II

目 录

摘 要

.............................................................

I

ABSTRACT

.......................................................

II

1绪言

1.1太阳能利用的背景和现状..........................................3

1.2太阳能光伏发电系统..............................................3

1.3太阳能逆变电源的发展与现状......................................5

1.4电力电子技术的发展与现状........................................6

1.5本文的主要工作任务和设计要求....................................6

2太阳能直流充电系统

2.1太阳能电池及其工作特性..........................................7

2.2太阳能电池的电流—电压特性......................................8

2.3太阳能蓄电池充放电特性和理论....................................9

2.4太阳能充电系统设计.............................................10

2.4.1直流升压.....................................................11

2.4.2蓄电池的充电控制.............................................13

3逆变系统

3.1逆变电路的选择.................................................16

3.2单相全桥逆变电路的工作原理.....................................17

3.3逆变电路的设计.................................................19

3.3.1滤波电路的设计...............................................21

3.3.2逆变系统的控制方式...........................................23

4电路的控制、检测和保护

4.1控制电路.......................................................27

4.1.1AT89C51简介.................................................27

4.1.2控制流程.....................................................27

4.1.3软件设计流程.................................................27

1

4.1.4控制电路图...................................................28

4.2驱动电路的设计.................................................29

4.3保护电路的设计.................................................29

4.3.1蓄电池的过压、欠压保护.......................................29

4.3.2过流保护.....................................................31

4.3.3过载短路保护.................................................32

5基于单片机控制的太阳能逆变电源仿真

6总 结

..........................................................35

7致 谢

..........................................................36

参考文献

.........................................................37

附 录

............................................................39

1 绪言

由于全球工业化进程的迅猛发展和人口的飞速增长，全世界对于能源的需求

急剧增加，而目前石油、煤炭、天然气这三大化石能源却日渐枯竭，全球已经面

临着严重的能源危机。中国的能源资源情况更是不容乐观，有统计数据称，中国

的各项一次能源资源都要低于世界平均水平，因此中国的能源资源面临着更加严

重的挑战，作为全球人口最多的国家，能源危机不仅仅影响了每个公民的生活，

更加影响了我们国家的发展和制约了我们在世界的影响力。不仅如此，由于过度

的能源开发，我们的环境已经受到了非常严重的破坏。现在，保护地球的生态环

境也已经成为了全球关注的焦点。清洁能源革命已经悄然在在世界各国发起。

1.1 太阳能利用的背景和现状

为了满足人类拥有长期稳定的能源供应需求、拥有一个适宜人类生存的生态

环境和实现人类的长期可持续发展，所有国家已经达成了共识，那就是大力开发

和利用新型能源，逐步替代传统能源的消耗。此项共识已经开始在全球许多国家

迅速开展起来。可以预见，可再生能源必将会成为未来人类的主要能源来源。在

可再生新型能源中，太阳能以其独有的优势而成为人们重视的焦点。太阳能是一

种取之不竭、用之不尽且不会对生态环境造成危害的清洁能源。每一秒钟有大概

80万千瓦的太阳能从太阳射到地球，这是一个十分惊人的数字，人类只需要把

其中的一小部分转化成电能便可以维持我们对能源的需求。我国有76% 的国土

面积光照充沛，光能资源分布均匀，资源优势十分明显，理论储量达每年17000

亿吨标准煤。由于地处北半球，我国许多地区的年平均日辐射量在4千瓦时每平

方米以上，我国疆域辽阔，太阳能储量十分丰富，这比其他邻国如韩国、日本等

都要有优势，在中国开发和利用太阳能拥有巨大的潜力。太阳能发电比之风电、

水电和核电等新型能源来说拥有着技术安全可靠且成熟，而且简单环保等许多优

点。十分具有发展前景。

1.2 太阳能光伏发电系统

光伏发电是太阳能的三种转换利用方式（光—热转换、光—化学转换、光—

电转换）之一，也是其中利用最为广泛和普遍的方式。其原理是根据光生伏特效

应原理，利用太阳电池将太阳光能直接变化为电能，称为光伏发电。

光伏发电的历史起源于1839年法国科学家贝克雷尔（Becqurel）发现的“光

生伏特效应”现象。这就是人类第一次接触和认识光伏效应。将太阳光能转换为

电能的实用光伏发电技术诞生于1954年的美国，在那一年第一片单晶硅太阳能

电池由美国科学家恰宾和皮尔松在贝尔实验室研制成功。现在，太阳能光伏发电

技术已经引起全球许多国家的高度重视，由于其拥有的巨大的发展前景和战略意

3

义，太阳能光伏发电技术得到了各国的大力投入和发展，并针对其制定了长期的

发展规划。至1980左右年开始，太阳能光伏发电技术产业保持着以每年百分之

十到十五的速度高速发展。使得到1990年左右，太阳能光伏发电技术产业已然

成为了全球增长速度最快的高新技术产业之一，而且至今也保持着相当快的增长

速度。我国的太阳能光伏发电技术起步于20世纪50年代，我国的第一块自主研

制的太阳能电池诞生于1958年，并于20世纪70年代开始用于太阳能光伏发电

技术中。经过几十年的发展，中国的太阳能光伏发电技术已经得到了长足的发展

和进步。太阳能光伏发电已经在远离电网地区的电力建设中发挥了重要作用。目

前中国太阳能光伏发电产业正面临着一个大的发展,市场需求量巨大。可以预计,

太阳能光伏发电必将会成为中国能源供应的中坚力量。

目前，我们将光伏发电系统分为三大类：独立光伏发电系统、并网光伏发电

系统、分布式光伏发电系统。其中以独立光伏发电系统和并网光伏发电系统为主

要存在的光伏发电系统。

并网光伏发电系统相对于独立光伏发电系统更为优良，太阳能电池可以一直

运行在最大功率点位置，并且光伏阵列所发出的全部电能都能由大电网来接收，

由此提高了光伏发电的效率;最后，加强了供电的稳定性和可靠性。并网光伏发

电系统其系统结构包含太阳能光伏阵列、直流变换器、充放电控制器、蓄电池（也

可以不带）、并网逆变器、主配电开关等器件。通过并网光伏发电系统产生的电

流已经可以直接为交流负载进行供电，但其主要是通过接入国家电网然后进去千

家万户和工厂进行供电。

并网光伏发电系统结构图如图1.1所示：

图1.1 并网光伏发电系统结构图

独立光伏发电系统比之并网光伏发电系统其系统结构相对较小，系统各参数

也相对较低，但较并网光伏海淀系统来说运用得更为广泛。独立光伏发电系统可

以用于如小型家用一般供电、太阳能路灯照明供电、未接通电网的偏远地区供电

等。独立光伏发电系统结构图如图1.2所示。其系统结构包含太阳能电池组件、

4

接线箱、充放电控制器、蓄电池。其输出为直流电压，如果需要为负载提供交流

供电，则还需包含逆变器。在紧急情况下，由于各种原因，太阳能电池组件不能

持续有效的对蓄电池进行供电的情况下还可以配备紧急发电机进行供电，用以维

持负载的正常运行。

图1.2 独立光伏发电系统结构图

分布式光伏发电系统相比较并网光伏发电系统和独立光伏发电系统来说成本

更低、而且具有很好的安全可靠性、操作更为简单。分布式光伏发电系统还可以

在并网光伏发电系统和独立光伏发电系统失效的情况下成为补充系统。是一种比

较经济可靠的光伏发电系统。

1.3 太阳能逆变电源的发展与现状

在太阳能光伏发电系统中，太阳能逆变器有着举足轻重的地位，它是其中的

核心部件，用来进行直流交流变换，从而产生满足要求的电压电流。从太阳能光

伏发电技术问世至今，太阳能逆变器也伴着它一直在不断改善和提升，其相关技

术已经得到了长足的进步。

发达国家在占据了光伏逆变器的大部分市场，因为他们有着先进的技术和强

大的工业基础，而且由于国家早已开始对太阳能光伏产业进行大力扶持，使得他

们制造的光伏逆变器性能好、质量高、安全可靠。其产品在国际上拥有着良好的

口碑。知名的国外逆变器厂商如：SMA、Fronius、lngetearTi、KACO、Siemens、

studer等，其中的SMA、KACO、Fronius、lngeteam、Siemens这5家厂商占全

球逆变器销售市场份额的百分之七十，年销售额有数十亿美元之多。

由于我国的光伏发电产业启动相对较晚，国内的逆变器制造厂商规模相对较

小，而且在逆变器的工艺、性能等方面比之国外的知名厂商的产品还是有一定的

差距，不过对于一般要求的逆变系统来说还是可以满足其系统要求的。今年来，

国家也开始加大了对光伏产业的扶持力度，并开始实施了相应的扶持计划，这是

一个历史性的机遇，这将有利的促进我国光伏产业的发展，可以预见，中国光伏

5

产业的未来必将一片光明。

为了适应现代社会科技发展的需求，现在，太阳能逆变电源的发展主要方向

为更为数字化和模块化，从而提升整个太阳能逆变系统的安全可靠和简便实用

性。

1.4电力电子技术的发展与现状

电力电子技术是一门综合性的学科，由其衍生出了许多学科，如电力半导体

器件、现代电子技术、自动控制技术等学科。伴随着电力电子技术的发展，这些

学科也得到了长足的进步和更为深入的研究。在人类科学技术的发展中,电力电

子技术已经完美融入了微电子技术、电机工程、材料科学、等许多领域之中。

电力电子技术这门学科从诞生至今已经有五十年左右的时间。其诞生标志为

20世纪50年代末期世界上第一只晶闸管的问世。电力电子技术在人类社会的发

展中有着举足轻重的地位，它极大的推进了社会的现代化发展和人类文明前进的

步伐。到现在，电力电子技术已经融入了我们每个人的生活，身边随处可见与电

力电子技术有关的产品。在今天，电力电子技术已经在我们的计算机、电子仪器、

工业自动化等许多起着十分重要的作用。可以说，现在我们每个人的生活都离不

开电力电子技术。它已经成为了促进人类社会文明发展的一门关键性学科。

现代电力电子技术的发展方向主要是从低频向高频发展。由传统的低频电子

器件逐步朝着像IGBT等拥有着高电压、高频率、高电流的新兴电子器件发展。

传统的电力电子时代已经成为了过去，现代电力电子时代的到来必将为人类社会

文明的发展做出更大、更新的贡献。

1.5 本文的主要工作任务和设计要求

综合上述分析，本课题的主要工作任务和设计要求如下：

（1）根据太阳能电池的输出特性及蓄电池的特性,设计出蓄电池的充电和控

制方法。

（2）进行太阳能电源逆变部分的设计，直流电压采用SPWM逆变调制，产

生220V/50HZ正弦交流输出，采用输出LC滤波和双闭环负反馈调节，确保输

出波形的质量。

（3）进行MATLAB软件仿真并建立数学模型。

（4）进行保护电路设计。

（5）本课题的系统输入电压为DC12V （10—15V），要求系统输出为220V

正弦交流；输出功率额定5KW；输出电压稳定，整体效率达到80%以上。

6

2 太阳能直流充电系统

2.1 太阳能电池及其工作特性

太阳能电池，我们又叫做光伏电池，是太阳能光伏发电系统中把太阳光转换

为电能的核心转换部件。在太阳能光伏发电系统中主要使用的是由硅制成的太阳

能电池，其中又分为单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池。除此之外，太阳能

电池还分为化合物太阳能电池和非晶硅太阳能电池等许多种类。太阳能电池是利

用光生伏打原理来进行发电的。所谓的光生伏打效应是当物体受到光照时，物体

内部分子中的电荷发生运动，进而出现电动势和电流的一种特殊效应。由于光生

伏打效应的产生从而使得由光能到电能的转换。这种效应在半导体材料中体现得

尤为清晰。所以我们通常用半导体材料来制造太阳能电池就是因为这个原因。

半导体太阳能电池的发电过程大致如以下几点：

（1）首先是收集太阳光和其他光源照射到太阳能电池表面的光线。

（2) 然后当太阳能电池吸收到一定能量的光子后，便会使得非平衡载流子得

到激发，从而产生电子空穴对。

（3）由于这些受激发后产生的非平衡载流子带电性相反，所以在太阳能电池

中P-N结产生的电场作用下他们将会被分离开来，一边将会聚集电子，一边将会

聚集空穴，从而在太阳能电池内部形成了电势差，进而产生电流。

（4）从太阳能电池的两极引出电极，形成完整的电路，则电流就会通过电路

到负载，从而获得功率输出。由此，太阳能电池便实现了把光能转换为电能的过

程。

理想P-N结太阳能电池的输出特性如以下方程所表示：

III(e1)

ph0

qU/AKT

oc

（2.1a）

在上面的方程中，命名为太阳能电池的输出负载电流、定义为光电效应

I

I

ph

产生的电流，正比于太阳能电池的面积和入射光的辐照度；是玻尔兹曼常量，

K

0.8610eV/K

4

；为太阳能电池的输出电压、为太阳能电池内部等效二极

UI

oc0

1.610C

19

；为P-N结的曲线常数；管的P-N结反向饱和电流；是电子电荷，

A

q

T

为绝对温度。

在弱光条件下，由于远小于，则使得；而在强光条件下，

I

ph

I

0

U

oc

AkT

I

ph

qI

0

7

由于远大于，所以使得。可见，在弱光条件下，太阳能电

I

ph

I

0

Uln

oc

AkT

I

ph

qI

0

池的输出电压随光的强度呈近似线性的变化，而在强光条件下时，随光照强

U

oc

度呈对数关系变化。

2.2 太阳能电池的电流—电压特性

太阳能电池的实际等效电路如下：

图2.1太阳能电池的实际等效电路

由图2.1可得出太阳能电池的电流—电压方程为：





q(VIR)VIR

ss

（2.2a）

IIIexp1

L





RAKT

sh





0

根据方程2.2a可以得到太阳能电池的电流—电压特性曲线，如图2.2所示：

图2.2太阳能电池的I—V特性曲线

从图2.2所示的太阳能电池I—V曲线我们可以看出：太阳能电池是一种非线

性的直流电源而非恒压电源和恒流电源，其电压、电流变化呈非线性变化。

根据图2.2太阳能电池的I—V特性曲线可以定义出太阳电池的几个重要技术

参数：

（1）在温度、光照条件一定的情况下太阳能电池可以产生的最高电流，我们

8

定义为短路电流。

I

sc

（2）在温度、光照条件一定的情况下太阳能电池可以产生的最高电压，我们

定义为开路电压。

V

oc

（3）在温度、光照条件一定的情况下太阳能电池可以产生的最大功率，我们

定义为最大功率点功率。

P

m

（4）在温度、光照条件一定的情况下太阳能电池在最大功率点上输出的电压，

我们定义为最大功率点电压。

V

m

（5）在温度、光照条件一定的情况下太阳能电池在最大功率点上输出的电流，

我们定义为最大功率点电流。

I

m

2.3 太阳能蓄电池充放电特性和理论

太阳能蓄电池在本课题研究系统中起的是储存能量的作用，它是作为太阳能

光伏发电系统中的重要部分。一般来说，太阳能电池产生的电能可以直接给负载

提供电能，但是在晚上或者其他太阳能电池无法接受光能的条件下时，负载将会

得不到稳定持续的电能供应从而无法运行。此时，太阳能蓄电池的作用便表现出

来了。在光照条件充足的时候，太阳能电池可以为蓄电池进行充电并提供负载所

需电能；在晚上或者太阳能电池无法接受光能的条件下时，太阳能蓄电池便会替

代太阳能电池板对负载提供持续稳点的电能供应，从而保持负载的正常运行。

蓄电池是一种化学电池，当蓄电池在充电时，电能被蓄电池转变成为化学能

从而储存在蓄电池中的化学物质中，当蓄电池在放电时，储存在其中的化学物质

又会通过化学反应释放出电能，从而进行放电。而且，蓄电池在的充放是一种非

线性变化的过程，在充放电过程中的电压、电流均不是恒定的。而且，不同状态、

不同型号、不同时间条件下的蓄电池的充放电状态都是不同的。

蓄电池的性能指标有：

（1）容量；（2）功率与比功率；（3）放电终止电压；（4）放电率；（5）放

电电流；（6）自放电率

在我国的太阳能光伏发电系统中，大部分使用的是铅酸蓄电池。因为铅酸蓄

电池具有造价低廉、使用简单、维修方便、原材料丰富等优点。铅酸蓄电池的充

电电流与端电压随充电时间变化的曲线如下图：

9

2.3 蓄电池充电特性曲线

蓄电池的发展已有几十年的时间，在科学技术日益成熟的今天，人们对能量

储存方式的研究也也来越多、越来越深入。新的能量储存方式开始出现，比如超

导储能、燃料电池、超级电容储能等。这些新的更好的能量储存方式将会极大地

推动太阳能光伏发电系统的发展。

在实际过程中，太阳能蓄电池的充电通常采用的是两段式充电法：第一阶段：

蓄电池充电时，当电池电压上升到额定电压之前采用一定方法对蓄电池进行充

电，在蓄电池电压达到一定值时，蓄电池充电控制器将会工作在稳定浮充状态；

第二阶段，当蓄电池电压下降到浮充状态电压以下时，蓄电池充电控制器又会在

充电和浮充这两种状态下来回工作。使用两段式充电法不仅可以很好的保护蓄电

池并延长其寿命，而且可以使蓄电池的充电进行得高效且快速。

2.4 太阳能充电系统设计

太阳能充电系统的整体结构图如图2.4所示，主电路电路图如图2.5所示：

太阳能电池板充电管理模块蓄电池

图2.4 太阳能充电整体结构图

1 0

图2.5 充电电路原理图

蓄电池充电电路原理图显示的是开关管G在接收到输出电压检测信号和

U

t

端电压检测信号后对蓄电池实施充电控制和保护的过程。

U

x

2.4.1 直流升压

在太阳能逆变电源中，电压和电流的变化是由直流升压DC—DC和交流逆变

DC—AC这两部分来得以实现的。DC—DC就是将光伏阵列输出的低压直流变换

成稳定的高压直流电；DC—AC则是完成将前级升压后的直流电逆变成正弦交流

电。本节针对太阳能直流充电系统讲述的是直流升压DC—DC的设计。

对于升高太阳能电池的输出电压可以用Boost电路来进行实现，而且将Boost

电路接到太阳能电池的输入端还可对太阳能电池的最大功率点进行跟踪。本文采

用的是MPPT控制电路。MPPT控制装置的系统框图如图2.6所示：

图2.6 MPPT控制装置的系统框图

图中Boost的输入电压即为光伏阵列的输出电压,我们可以通过PWM的

控制方式改变开关器件的占空比D，相当于改变了电路输入端的等效电阻值Req，

负载特性的曲线也变了,光伏阵列的U一I特性曲线与负载特性曲线的交点也跟

11

着改变,最终实现了光伏阵列的最大功率点跟踪。

Boost电路如图2.7所示：

图2.7 Boost电路图

Boost电路的组成包括太阳能电池、开关管、二极管、电容、电感和负载，本

文采用的是利用单片机来对蓄电池的充放电实行控制管理。其电路的工作原理

是：当电路的输出端接入蓄电池时可以实现由端电压来控制充放电过程；负载端

接蓄电池时，此电路成为充电电路。

Boost电路的工作过程电路图如图2.8所示：

（a）

（b）

图2.8 Boost电路的工作过程

Boost电路的工作原理和工作状态是：为了升高负载电压，电路将会以电

感电流源的工作方式对负载进行放电。Boost升压电路有两种工作状态。当T导

1 2

通时，Boost电路等效电路如图2.8（a）所示，输入端与输出端隔离，,

Uu

s

L

电感电流线性增加,电感中储存起来由电源提供的电能。当T断开时，其等效电

路如图2.8（b）所示，输出端通过电感接收能量，电感电流逐渐减少，电感的储

能向负载转移,负载电压上升。

UUUU

cs1s

升压变换器的输出方程式如下：

UUU

0ss

T

1

s

（2.4a）

1Dt

off

在升压变换器的输出方程式中：表示的是在重复周期内开关的控制关断时

t

ff

间，表示的是开关控制周期，是开关管的占空比。

T

s

DT

2.4.2 蓄电池的充电控制

一般来说，在兼顾太阳能电池的特性和蓄电池特性的前提下来对蓄电池实施

充电控制，可以实现设计的最优化。在实际过程中，太阳能蓄电池的充电通常采

用的是两段式充电法。两段式充电法分别是恒压快速充电和恒压浮充，使用两段

式充电法不仅可以很好的保护蓄电池并延长其寿命，而且可以使蓄电池的充电进

行得高效且快速。

恒压快速充电是在蓄电池缺电的时候使用的，调节开关管使得系统成为一个

稳压器,这样电池板的输出工作点总稳定在最大功率点上的电压附近。近似于最

大功率点跟踪MPPT控制，使得蓄电池可以最快的储存太阳能电池板输出的电

能，从而达到快速充电的目的，这时蓄电池一般可以达到85%的蓄电容量。

恒压浮充阶段是在上一阶段完成后开始进行，当浮充电压值与蓄电池端电压

相等时即充电完成。

两段式恒压充电特性曲线如图2.9所示：

1 3

图2.9 两段式恒压充电特性曲线

蓄电池充电流程图如图2.10所示：

图2.10 蓄电池充电流程图

1 4

由此可得到太阳能充电系统的实际充电图如图2.11所示：

图2.11 太阳能充电系统的实际充电图

太阳能充电系统由蓄电池，太阳能电池板和功率MOSFET管组成。其中，，

L

2

C

3

CDD

442

和，，形成了MOSFET管的关断吸收回路；他们是二极管的吸收回

D

3

路；是限流电阻，用以弥补恒压充电的缺点；其它部件组成了MOSFET管的

R

7

开通吸收回路；为单片机输出的PWM脉冲电压，从而控制MOSFET管的开

V

1

通和关断进而对蓄电池进行充电。

1 5

3 逆变系统

3.1 逆变电路的选择

逆变系统的主电路基本就是有整流器，逆变器，变压器，LC滤波器组成。

图 3.1 逆变系统的主电路图

逆变系统的电路一般分为全桥电路和半桥电路

半桥式电路原理图如图3.2所示：

图3.2 半桥式电路结构图

全桥式电路如图3.3所示。

1 6

图3.3 全桥式电路结构图

考虑到本课题的设计要求，本文中采用的是单相全桥逆变电路。

3.2 单相全桥逆变电路的工作原理

图3.4 单相全桥逆变电路电路图

图3.4为单项全桥逆变电路,它是以绝缘栅双极性晶体管(IGBT)为主开关器件

的电路,其中L为交流输出电感,为直流侧支撑电容,也即DC一DC变换电路

C

d

的输出电容,是其反并联二极管,对四个开关管进行适当的PWM控制,就

DD

14

可以使逆变器输出电压与电流与负载所需交流电相匹配的电能.这种结构的电路

属于升压式结构,需要在直流侧滤波电容预先充电到接近交流电压的峰值时才能

启动,且直流侧电压要不低于负载电压的峰值,否则电感电流不能完全可控。图

3.5展示了单项全桥逆变电路的几种功率器件共有四种工作形态。

工作状态1：如图3.5(a)图所示,功率器件和导通,直流侧电压通过电感L

TT

14

直接加到负载两端,电感电流增加,此时电感开始存储能量,并同时将能量传递给

负载。

1 7

工作状态2：如图3.5(b)图所示，功率器件和导通，直流侧电压直接给

T

1

T

3

支撑电容C充电，由于输出电感中的电流不能突变，负载电流将通过和导

T

1

D

3

通续流，电感电流逐渐减小，并释放能量。

工作状态3：如图3.5(c)图所示,功率器件和导通，直流侧电压通过电感

T

2

T

3

L反向加到负载两端，电感电流增加，此时电感同样开始存储能量,并同时将能

量送给负载。

工作状态4：如图3.5(d)图所示，功率器件和导通,直流侧电压直接给支

TT

24

撑电容C充电，由于输出电感中的电流不能突变，负载电流将通过和导通

T

1

D

3

续流，电感电流逐渐减小，并释放能量。

(a)

(b)

1 8

(c)

(d)

图3.5 单相全桥逆变电路工作状态图

3.3 逆变电路的设计

逆变系统的主电路部分是一个单相全桥SPWM逆变器，其基本电路结构如

图3.6所示：

1 9

图3.6 逆变系统主电路结构

从逆变系统基本结构电路图可以看出，单相全桥逆变电路其实可以表示为一

个电容电压源。同时，系统的负载类型不定，考虑到环节的负载效应，将负载的

扰动电流I。也视为输入电源。

通过上述等效，整个电路可等效视为如图3.7所示电路：

图3.7 主电路等效结构图

在此模型中，对电路进行了理想化的假设：

（1）直流母线电压Udc为恒定不变的；

（2）功率开关管为理想器件；

（3）输出电压基波频率及LC滤波电路自然震荡频率远低于开关频率。

以流经滤波电感的电流和滤波电容两端电压为状态量，可得上述模型

I

L

U

c

在连续状态下的状态方程：

（3.3a）

将上述方程转化为复频域形式，可推到出系统的状态方程图，如图3.8所示：

2 0

图3.8 系统状态方程图

其中，根据SPWM波形调制规律，输入为：

U

in



U

m

UUsint

in





U



c



dc

（3.3b）

式中：为调制信号幅值（V）

U

m

为三角载波信号峰值（V）

U

c

由此，可得出系统的传递函数：

1

（3.3c）

G

(s)

2

sLC1

从传递函数可以看出，这是一个二介滞后系统。

设计的逆变电路结构如图3.9所示：

图3.9 逆变电路的图形

3.3.1 滤波电路的设计

设计滤波器的时候，应主要考虑一下的类容：

（1）必须在规定范围内进行对电压、电流属性的合理控制；

（2）必须保证滤波电路中的电容对电流的影响在可控制范围内；

（3）滤波电感基波压降小，负载变化所引起的输入，输出电压波动小；

2 1

（4）滤波器体积、重量小，成本低。

表面看来好像LC滤波参数越大,系统输出波形越好。实际上,滤波时间常数

越大,不仅滤波电路的体积和重量过大,而且滤波电路引起的相位滞后变大,采用

闭环波形反馈控制时,整个系统的稳定性越差。相反,滤波参数选的过小,系统中的

高频分量得不到很好的抑制,输出电压不能满足波形失真度的要求。所以，我们

要兼顾这两方面的条件来对滤波器的参数进行合理选择。LC滤波器等效电路如

图3.10所示。

图3.10 LC滤波电路等效电路图

电源侧第k次谐波电流有效值相量为：

（3.5a）

I

LK

I

dk

22

1jRk(L)(k)

irr



在上式中，逆变器的开关角频率和脉冲电流的基波角频率是一样的，均为





2



，逆变器的输入有效电流值是，系统谐波次数是K。为LC输入滤

I

dk



r

T

s

波器的谐振角频率。

电源内阻很小，可忽略不计。则由上式可得：



2

（3.5b）

I()I

LKdk

r

k



由此可见，谐波次数越高，对应的电源侧谐波次数的分量就越小，并且，在

脉动直流电流基波角频率不变的情况下，可以通过增大滤波电感L，滤波电容C

来降低电源侧谐波电流（即减小输入滤波器的谐振角效率，从而减小的



r



r

值）。

[25]

在本设计中：



220kH125663rads

Z

为了使足够小，可以取：



r



r

0.0056.2831rads

2 2

这个时候，我们可以计算并得到滤波器的截止频率。

其值为100HZ

由此可得：

LC2.510

6

对于电感、电容各自参数的选取，一般以电感为主进行设计。若电感太大，

则会降低系统的反应速度，会阻碍检测输出电流的响应速度。若电感太小，则会

对磁带造成比较严重的损害，并且是输出脉冲波形质量变差。电感设计首先要满

足电流上升率的要求：

di

L

di

g



dtdt

由于：

di

L

U

dc



dt4L

所以有：

U

dc

di

g

L

4dt

由此可以确定电感的最大值。在计算L的有效范围时，我们可以综合电感

的最小值和电流的最大值来进行计算。

通过仿真中进一步调试，最终选取滤波电感L=2.5mH。

再根据LC滤波器已确定的截止频率，可计算出滤波电容C=1000uF。

3.3.2 逆变系统的控制方式

我们需要逆变部分发出的电压信号为正弦，同时不希望信号中含有谐波分量

并能够对其进行控制，便能够保证波形良好的余弦波电压。目前逆变电路控制方

法通常采用的是SPWM控制技术。SPWM便由此得来,用SPWM信号来对开关

元器件的开通或是断开进行控制,最好能够让脉冲电压曲线所围成的面积能够和

我们希望输出的余弦波围成的面积相等,这样我们就能通过改变调制波的频率以

及幅值就可以对输出的电压和幅值进行调节和控制则可调节逆变电路输出电压

的频率和幅值。

SPWM波形可以通过我们说学的相关专业基础课程中的相关电路可得，在

同时也可以通过我们的计算机仿真输出，此就不再赘述。

2 3

全桥逆变控制方式主要分为双极性控制方式和单极性控制方式。双极性控制

电路中开关为同步开关,桥臂上下管之间为互补,控制比较容易,但这种方法存在

不足，如开关损耗高、谐波大,对空间产生大量的电磁干扰,当开关频率相等时,

产生的谐波分量就更大。单极性控制就能够很好地避免这些问题。

该课题运用的SPWM控制方法是三角波镜像采集数据的方式,改进了规则

采样法,采样效果差别不大,同时计算量也不大。然而提高了精确度,在这里采用

了同步取样,各脉宽的一致性也得到了保证,等间隔的脉宽中心线,在计算机中分

容易实现，同时还可以控制脉宽的系数，而适当调节各脉宽系数可以对谐波的幅

值分布产生一定的影响。

单极性SPWM调制波形如图3.11所示：

图3.11 单极性SPWM调制波形图

采样原理及计算公式：为了确保各个元件在电路中安全稳定的运行，所以我

们一定要保证脉冲信号具备两个限制条件，即宽度最小和间隙最小。进而保证开

关器件的导通时间与关断时间均小于脉冲信号的宽度。这就需要产生信号

t

on

t

off

的幅值必须低于载波信号峰值的一个特定的临界数值。一般定义调制度为：

（3.4a）

M

U

nm

U

tm

式中和分别为正弦调制波参考信号与三角载波的峰值。其中M的值

UU

nmtm

是总是小于1。

由图3.11可得第i个脉冲矩形的宽度是：

（3.4b）



iic

MsinT

2 4

三角载波的周期是

T

c

N

均分为无数份，所以脉冲信号的周期就等于这无数份脉冲的间隔距离。令第个矩

三角载波的周期等于，即可以看做是把二分之一三角载波周期平

T

c



rad

形脉冲的宽度为,其中心点相位角为，由图3.11可以看出,中心点相位角可以



i

写作：

12i1



i



（3.4c）

N2NN

把上式按傅氏级数展开则可表示为：

i

(3.4d)

u(t)UsinKt,K1,3,5....



km1



k1



式中的

UsinKtd(t)

km11

2







0

p

假设把代入上面的方程式中,就会得到载波信号的终止相位角和起始相

u(t)

位角。设所需全桥逆变电路输出的正弦波电压幅值为,则根据矩形脉冲的面积

U

m

与该区段正弦曲线下面积相等的公理,则可以得到：





idmi

UUsin

（3.4e）

N

则有：



imi

Usin

1



UN

d

所以第个i矩形脉冲的起始相位角是：

12i11



iii



2N2

终止相位角是：

12i11





iii

2N2

将以上两个式子带入中可以得到：

U

km

4U

d

（3.4f）

Usin(K)sin

kmi

K2N2



N

2i1K













i1

N

4U

d



2i1K



sin(K)sin•sinKtu(t)



i1



（3.4g） 所以有：



2N2K



k1i1



把带入（3.4f）中就可以得出输出电压的基波幅值，当半个周期内矩形

K1

2 5

脉冲N比较多时，每个脉冲的宽度都不大，我们可以近似的认为，所

sin

以有：

（3.4h）

Usin(

1m



ii

22

4U

di



2i1











i1



2N)2

N

可见输出基波电压幅值与各项脉宽有正比的关系。计算结果还表明,

U

1m



i

这种SPWM输出能够有效地抑制次以下的低次谐波,但存在高次谐波

K2N1

电压。

对于闭环控制的逆变电源,为了使输出电压的稳定,要随时调节调制度M，然

后根据上述公式实时计算出各个脉宽。

2 6

4 电路的控制、检测和保护

4.1 控制电路

4.1.1 AT89C51简介

AT89C51是一种性能高效且可靠，运行电压低的微处理器，其应用非常广泛。

其组成结构包括：4k 字节Flash 闪速存储器，128字节内部RAM，32 个I/O 口

：

线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，

片内振荡器及时钟电路。本课题就是采用AT89C51来产生SPWM从而实现对整

个系统电路的控制。

4.1.2 控制流程

图4.1 控制流程

4.1.3 软件设计流程

关于SWPM控制方式在上文中已经做过介绍，控制电路的软件设计流程图如

图4.2所示：

2 7

图4.2 SPWM流程图

4.1.4 控制电路图

2 8

图4.3 控制电路图

4.2 驱动电路的设计

IGBT的驱动方法常用的有：点接驱动法、隔离驱动法和集成模块驱动电路

[21]

。该逆变电源采用EXB系列集成模块EXB841来驱动IGBT模块。集成模块

驱动电路与分立元件的驱动电路相比，有体积小、效率高、可靠性高的优点。

EXB841适用于开关频率为40 kHz以下的开关响应，可以用来驱动400A，600 V

或300 A，1200V的IGBT。它采用单电源工作，供电简单，内置高速光耦实现

输入、输出的隔离。而且，当电路出现故障时系统将会产生故障信号输出从而发

出故障信号，并且此时系统将会作出相应的反应从而对系统实施保护。EXB841

驱动IGBT的电路图如图4.4所示：

图4.4 EXB841驱动IGBT的电路图

4.3 保护电路的设计

4.3.1 蓄电池的过压、欠压保护

本系统运行的核心器件就是蓄电池。特殊情况下，当蓄电池维持过高电压和

过低电压长期运行时，均会对蓄电池造成一定的损坏，从而缩短其使用寿命。因

此,当蓄电池电压低于阀值时,或者高于阀值时,系统均要求能实现有效

V

min

V

max

的保护。具体电路如图4.5所示：

2 9

图4.5 蓄电池过压、欠压保护电路

过压、欠压保护流程图如图4.6所示：

（a）

3 0

（b）

图4.6 蓄电池过压、欠压保护流程图

4.3.2 过流保护

交流输出过流保护,在逆变电源的负载过大或输出短路的情况下,会造成

MOFSET因过流而损坏。因此利用电流霍尔元件采取周期性检测当前输出电流

值,经过全波整流后将检测信号送到单片机模数转换输入接口,将模拟信号转换

为数字信号,将数字信号值与给定电流参考值比较在程序中设定,大于给定值时

停止定时器，即不产生SPWM信号,关断了逆变桥电路。,当检测值低于给定

[8]

值时启动MOFSET,逆变器工作。从而实现逆变器的过流保护,以防止过流、负

载短路等故障对开关管的损害。

3 1

4.3.3 过载短路保护

过载短路保护电路如图4.7所示：

图4.7 过载短路保护电路

本电路能够有效的对系统的过流过载现实保护，保护设备的安全，高效且简

便。其中单片机的使用使其更加智能化。

3 2

5 基于单片机控制的太阳能逆变电源仿真

前面已经完成了课题的主体设计任务，根据本课题的设计任务要求：的系统

输入电压为DC12V （10—15V），要求系统输出为220V正弦交流；输出功率

额定5KW；输出电压稳定，整体效率达到80%以上。下面对系统运用MATLAB

软件进行仿真，以此来验证课题所设计的系统是否符合相应的技术要求。

对整个太阳能逆变系统进行建模和仿真，如图5.1和5.2所示：

图5.1 系统总电路仿真模型

3 3

图5.2 系统电源电流、输出电流、输出电压仿真波形

通过对系统进行仿真，从其结果可以看出，本课题设计达到了原有的设计要求，

各种数据均显示正常。

3 4

6 总 结

在论文完成之际，我的大学生活也将接近尾声了，马上就要离开这所培育了

我四年的大学，忆起往昔，总有一种不舍徘徊于心间。

本文首先介绍了太阳能利用的现状和背景，然后对太阳能逆变电源系统的各

个部分进行了一定的分析和设计，最后进行了试验和仿真并得到了相应的结果。

正文主要讲述了基于51单片机的逆变电源的设计，其中涉及到了逆变电路的

方案选择和论证，逆变电路的设计，滤波电路的设计，开关电源的设计以及SPWM

信号的产生，从而最后完成逆变电源的设计。本文主要选择的电路是单相全桥逆

变电路，所包含的内容比较全面。

在这几个月的毕业论文设计中，我参考阅读了许多的相关文献和书籍，了解

了国内外许多关于太阳能逆变电源发展现状和技术知识，使我增长了许多知识，

让我受益匪浅。

7 致 谢

对于我的毕业设计，首先要对我的导师xxx表示最衷心、最诚挚地感谢！本

论文的选题、设计到最后的完成与他精心地指导，时时的督促和认真的修改是分

不开的。在拿到课题时，他耐心仔细的向我讲述设计的原理及知识重点是什么，

并一再表示有不懂得可以随时去问他。在我进行论文设计的期间，孙老师还经常

抽空和我进行交流，对我的设计思路和资料选取进行指导，对我感到迷惑的地方

进行仔细的讲解。由于孙老师经常要去武汉进行学习，工作和生活都十分繁忙，

但是他依然抽出大量时间对我的毕业设计进行了详细的指导，特别是他和蔼可亲

的态度是我深受感动。

同时，我也深深的感谢大学以来给我传授知识的老师和共处的同学给我无私

的关心和帮助。在我遇到学术问题时，各位老师总能满心的解决我的疑问。在我

感到失望，烦躁时，身边的同学总会开导我，安慰我，给我帮助和鼓励。在我取

得进步时，和我一起高兴，一起庆祝，感谢你们的陪伴。

在本论文的设计中，由于受个人的知识、经验和能力的限制，肯定存在不足

之处，我恳请各位老师提出批评和指正。我一定会虚心接受各位老师的意见并努

力改正。此次的论文设计让我增长了许多的知识我经验，这对我来说将会是一笔

宝贵的财富，其价值必将在我以后的工作生活中得以体现。再次感谢每个对我的

论文设计进行过帮助的人，祝愿大家工作顺利，幸福美满。

3 6

参考文献

[1] 韩丹，陈燕.全球光伏行业生存发展状况的社会学调查[J] .《法制与经济》，2012.

[2] 尹宝刚，黄薇.光伏与建筑一体化技术的应用[J] .《中国中小企业》，2010.

[3] Rahman,S,Khallat,M.A,Chowdhury,B.H,“A Discussion on the diversity in the Applications of

Photoltaic Systems,” Energy Conversion,IEEE Transactions,1998-3(4):737-746.

[4] 张欢，钮文良，王淑英，韩玺.太阳能充电系统控制结构研究与设计[J] .《北京联合大学

学报：自然科学版》，2008.

[5] 世界寄希望于可再生能源[J] .《世界科技研究与发展》，2004.

[6] V.Salas,-Abella,,is of the maximum power point tracking in

the photovoltaic grid inverters of 5KW[J].Renewable Energy2009,34(2009):2366-2372.

[7] 张旭平.浅谈太阳能光伏发电在民用住宅供电系统中的应用[J].《中国电力教育：下》，

2011.

[8] 孙鹏. 基于单片机控制的太阳能逆变电源研究[D].大连海事大学, 2007.

[9] 谈扬宁，朱兆优，王海涛.基于PICFxx单片机控制的正弦波逆变电源[J]. 电子元器件

应用, 2009，(08).

[10] ta,,ee.Voltage-nsing-bad photovoltaic MPPT with

improved tracking and drift avoidance capabilities [J] .Solar Energy Materials & Solar

Cells,2009,92(2008):1552-1558.

[11] 张彦，王仕韬，马梦朝，赵义术.光伏组件输出特性的实训设备研制[J] .《山东电力高

等专科学校学报》，2012.

[12] 杨庆江,李晔,包西平.一种应用于独立光伏系统的新型逆变器[J] . 太阳能, 2007,(01).

[13] Ilteris Demirkiran. Simplified analys of electromagnetic interference in weakly nonlinear

systems and direct-quence spread spectrum systems[D]. Syracu University, 2004.

[14] L. A. Pereverzev, É. F. Khamadulin. Measurement of the spectral density of broadband radio

interference[J]. Measurement Techniques, 2005, 48(1).

[15] Ismail Emre Ozkumur. Optical interference bad microarray imaging for label-free

multi-analyte detection[D]. Boston University, 2009.

[16] 周德佳,赵争鸣,吴理博等.基于仿真模型的太阳能光伏电池阵列特性的分析[J] .清华大

学学报(自然科学版),2007,47(3):2109一1222.

[17] 熊远生.太阳能光伏发电系统的控制问题研究[D]. 杭州：浙江工业大学，2009.

[18] 赵建武.单相SPWM逆变电源仿真设计[J] .辽宁工程技术大学学报(自然科学

版),2008,(03).

[19] 张竹,张代润,何易桓,王超. 一种多功能逆变电源的设计与实现[J]. 电源世界, 2009，

(01).

[20] 廖家平，袁兆梅，张治国.基于单片机PWM 控制逆变电源的设计[TM].2006，（5）.

[21] 冉成科，夏向阳.小功率并网逆变器驱动电路设计[J].2011，（10）.

3 7

[22] 张超,王章权等.无差拍控制在光伏并网发电系统中的应用[J].电力电术,2007,41(7)3

一5.

[23] Florens Flues, Andreas Löschel, Benjamin Johannes Lutz et al.. Designing an EU energy and

climate policy portfolio for 2030: Implications of overlapping regulation under different levels of

electricity demand[J]. Energy Policy, 2014.

[24] B. Msimanga, A.B. Sebitosi. South Africa's non-policy driven options for renewable energy

development[J]. Renewable Energy, 2014, 69.

[25] 陈维,郭必广.正弦逆变器输出短路过流保护设计.2009.

[26] 潘军.蓄电池充电系统的研究与设计南京[D].南京航空航天大学，2009.

[27] Annette Rid. How should we regulate risk in biomedical rearch? An ethical analysis of

recent policy proposals and initiatives[J]. Health policy, 2014.

[28] Sotirios Zogopoulos. A low-power high-speed single-ended parallel link using three-level

differential encoding[D]. University of Southern California, 2007

[29] I. O. Zolotovskii, D. A. Korobko, O. G. Okhotnikov et al.. Amplification of chirped puls in

inhomogeneous three-level active optical fibers[J]. Optics and Spectroscopy, 2013, 114(2).

[30] Nopparat Wairojjana, Thanyarat Jitpeera, Poom Kumam. The hybrid steepest descent method

for solving variational inequality over triple hierarchical problems[J]. Journal of Inequalities and

Applications, 2012, 2012(1).

3 8

附 录

模拟器生成SPWM：

模拟器生成SPWM

程序代码：

#include "config.h"

/*PWM周期及占空比设置值*/

#define CYCLE_DATA (Fpclk/9000)

unsigned long count=0,count1=90,n1=0,n2=256;

3 9

//count ，count1分别判断PWM1、PWM2正弦波角度

// n1、n2为正弦波相应角度的占空比

/****************************************************

函数声明部分

****************************************************/

void timer0_int(void);

void pwm_init0(void);

void __irq IRQ_Timer0(void);

/****************************************************

正弦表

****************************************************/

const unsigned char sin[] = {

1, 3, 5, 7, 10, 12, 14, 16, 18, 21, 23, 25, 27, 29, 32,

34, 36, 38, 40, 42, 44, 46, 48, 51, 53, 55, 57, 59, 61, 63,

64, 66, 68, 70, 72, 74, 76, 77, 79, 81, 83, 84, 86, 88, 89,

91, 92, 94, 95, 97, 98, 100, 101, 102, 104, 105, 106, 107, 109, 110,

111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118, 119, 119, 120, 121, 122, 122, 123,

123, 124, 124, 125, 125, 126, 126, 126, 127, 127, 127, 127, 127, 127, 127};

void pwm_int0(void)

{ PWMPR = 0x00; // 不分频，计数频率为Fpclk

PWMMCR = 0x02; // 设置PWMMR0匹配时复位PWMTC

PWMMR0 = CYCLE_DATA; // 设置PWM周期，PWMMR0=3686=fosc/((PWMPR+1)*pwm

频率)

4 0

PWMPCR = 0x3000; // 允许PWM4PWM5输出，单边PWM

PWMTCR = 0x09; // 启动定时器，PWM使能

}

/****************************************************

PWM初始化

****************************************************/

void pwm_int1(void)

{

PWMMR4 = ((n2+1)*CYCLE_DATA)/(2*128); // 设置PWM占空比，PWMMR4

PWMMR5 = ((n1+1)*CYCLE_DATA)/(2*128); // 设置PWM占空比，PWMMR5

PWMLER = 0x31; // PWMMR0、PWMMR4,PWMMR5 锁存

}

/****************************************************

定时器0初始化

****************************************************/

void timer0_int(void)

{ /* Fcclk = Fosc*4 = 11.0592MHz*4 = 44.2368MHz

Fpclk = Fcclk/4 = 44.2368MHz/4 = 11.0592MHz*/

T0TC = 0; // 定时器设置为0

T0PR = 0; // 时钟不分频

T0MCR = 0x03; // 设置T0MR0匹配后复位T0TC，并产生中断标志

T0MR0 = CYCLE_DATA; // 1/9000秒钟定时

T0TCR = 0x03;

T0TCR = 0x01; // 启动定时器

VICIntSelect = 0x00; // 所有中断通道设置为IRQ中断

VICVectCntl0 = 0x24; // 设置定时器0中断通道分配最高优先级

VICVectAddr0 = (uint32)IRQ_Timer0; // 设置中断服务程序地址

VICIntEnable = VICIntEnable & 0xffffffef | 0x00000010; // 使能定时器0

中断 }

41

void __irq IRQ_Timer0(void)

{

count++;

count1++;

}

if(count1>=180&&270>count1)

{

n2=128-sin[count1-180];

}

if(count1>270&&360>count1)

{

n2=128-sin[360-count1];

}

if(count1>=360)

count1=0;

////////////////////////////////////////////////////////////////

pwm_int1();

T0IR = 0x01; /* 清除中断标志 */

VICVectAddr = 0x00; /* 通知VIC中断处理结束 */

}

pwm_int0();

timer0_int();