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光伏发电系统中基于STC89S51的单相全桥逆变器的设计及仿真

【摘要】本文设计一种光伏发电系统中由单片机控制的单相全桥逆变器，并

通过仿真测试达到控制要求。采用全桥逆变结构、单极性SPWM倍频调制的工

作方式。经过反复测试，采用PWM法来计算SPWM波的占空比，并设计了控

制器。以STC89S51作为控制芯片，采取KeilC和Proteus软件进行软件设计及

联合仿真，测试最终结果表明各模块指标满足设计目标要求。

【关键词】光伏发电;STC89S51单片机;逆变器;PWM

一、引言

广义的太阳能所囊括的范围非常广：地球上的水能、风能、海洋温差能等都

是来源于太阳;即使是地球上的化石燃料（如煤、天然气、石油等）从根本上说

也是远古以来贮存下来的太阳能，狭义的太阳能则限于的光热、光电和光化学的

直接转换。所以，太阳能作为一种清洁、可再生能源，其重要性无可取代。

光伏发电的基本原理是“光伏效应”。光线照射到金属上，它的能量被金属中

的某个电子全部吸收，当电子吸收的能量足够大时，就能克服金属内部引力做功，

从金属表面逃逸出来，成为光电子。

太阳能光伏发电由于不受能源资料、原材料和应用环境的限制，具有最广阔

的发展前景，是各国最着力发展的可再生能源技术之一。欧洲联合研究中心

（JRC）对光伏发电未来发展做出了如下预测：2020年世界太阳能发电的发电量

占世界能源需求的1%，2050年占到20%，2100年则将超过50%。

鉴于目前光伏发电的成本仍偏高，为了刺激光伏发电市场，世界各发达国家

都制定了激励政策：1、欧洲各国实施“上网电价”的光伏发电激励政策;2、美国

各州的激励政策不同，大部分采用投资补贴、税收优惠和“净电表”法;3、日本实

行安装光伏发电系统时对初投资进行补贴法;我国自2005年颁布了《可再生能源

法》后，又出台一系列相关的配套政策。特别是近几年，国家出台了一系列促进

光伏产业发展的政策措施，如：央行向分支机构及各银行下发2014年的信贷政

策中，光伏首次获明确支持。各省市也积极响应，共计8省15市的太阳能补贴

政策也相继出炉。2013年，我国新增装机量预计10GW，同比增长122%，居全

球首位。

随着人类对能源的需求不断的增加和日益凸显的环境问题之间的矛盾逐渐

激烈，清洁、可再生的太阳能的充分利用就显得前所未有的重要。而光伏发电系

统的三大基本部件是：由太阳电池板（组件）、控制器和逆变器。因此逆变器的

研究成为了光伏发电系统设计的核心问题。

二、硬件系统设计

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1.逆变电路

光伏逆变器是光伏发电系统的关键部件，它的主要作用是将光伏电池板发出

来的直流电转换成交流电，若是并网逆变器，则要转化成与电网同步的交流电。

本文采用的逆变拓扑电路为全桥逆变电路。

2.驱动与滤波电路

逆变器驱动电路的功能。它输出脉冲的幅值和波形与功率开关管的开关特性

之间有密切关系，从而会影响整个逆变系统的效率和调节特性。

逆变部分采用全桥逆变拓扑，由场效应管构成逆变桥，STC89S51单片机产

生的PWM信号通过与非门后，控制逆变桥中开关器件的ON与OFF，从而在逆

变桥的输出端产生正弦波。后续仍需LC滤波电路，得到平滑、不含高次谐波的

标准正弦波。经过计算和反复测试，滤波电路中参数C=22?F，L=10mH。