基于STM8的光伏逆变器设计

陈琪琳，雷必成

（台州学院 物理与电子工程学院，浙江 台州 318000）

全球能源短缺和环境污染已成为制约人类社会可持续发展的两大重要因素，大力发展新的可替代能源已成为当务之急。太阳能、风能等绿色能源发电作为一种新的电能生产方式，以其无污染、安全、资源丰富、分布广泛等特点显示出无比广阔的发展空间和应用前景。然而新能源直接产生的电能不能直接使用，因此逆变器随着新能源的产生需求随之增多。鉴于能源短缺和环境污染问题，尤其是国家对光伏产业的政策扶持，一系列不同功率的逆变器应运而生，对于逆变器的研究也越来越深入[1]。

根据逆变系统原理，离网型光伏逆变器一般主要由四部分构成[2]:

1）直流升压电路：其主要作用是将太阳能低压直流电升到期望的高压直流母线电压。

2）逆变电路：采用逆变电路，将相应的高压直流母线电压转换成220 V交流电供给用户使用。

3）滤波电路：通过LC滤波器，使逆变输出电压中的高次谐波滤除，减少谐波影响。

4）控制电路：由单片机或DSP作为主控芯片，控制各个模块协调工作，以及实现各种控制算法，使系统按设定的状态工作。

1 系统总体设计

本次设计以两片STM8作为控制模块的核心，STM8打造了8位微控制器的全新时代，高达20 MIPS的CPU性能，转换用时小于3微秒多达16条通道的10位A/D，先进的16位定时器可用于马达控制、捕获/比较和PWM功能。

系统中STM8（2）通过输出4对互补的PWM波驱动推挽升压电路中的4对功率管，实现4个变压器的DC-DC升压输出，对输出后的电压进行叠加整流，从而实现从24 V升压到330 V左右的高压，作为逆变输入；STM8（1）输出2路单极性不带互补的SPWM和两路50 Hz的方波去驱动全桥逆变的4个功率管，从而实现DC-AC变换功能。控制电路根据逆变交流输出端的电压值去控制STM8（2）输出的4对互补PWM波的占空比。从而形成闭环控制使逆变输出电压有效值稳定在220 V。整个系统框图如图1所示。

图1 系统框图Fig.1 System block diagram

本系统与现有系统的区别在于：

1）使用推挽式升压电路进行升压，推挽式电路中变压器一次侧电流回路中只有一个开关，通态损耗小，驱动简单。

2）利用了STM8能输出多对带死区互补PWM波的功能，对系统中的多对功率管进行驱动，从而避免使用复杂的模拟电子电路生成同样的驱动波形。

3）全桥逆变模块用的是单极性单臂不带互补输出的驱动方式，这种方式具有谐波因数小、效率高和控制方法简单的优点。

4）整个控制系统采用了PI闭环控制方式，使系统调节平缓，输出稳定。

2 硬件电路设计

2.1 直流升压电路设计

本系统中直流升压的方案采用的是推挽升压方式，为了把24 V的直流电压升到330 V左右的直流电压采用了四路推挽升压后再叠加的思路。单路直流推挽拓扑如图2所示[3]。

图2 推挽升压拓扑Fig.2 The push-pull boost topology

图3 功率开关时序图Fig.3 Timing diagram of the power switch

推挽式电路的结构如图2所示，其属于双端式变换电路。图中 N1=N2，N3=N4。Q1、Q2交替通断，将输入直流的电压Ui变换成高频的方波交流电压通过变压器T升压传输出去。

如图3所示是功率开关的时序图，原理如下:

1）t0-t1时间段，Q1通，Q2截止，Ui经 Q1加到变压器 T的N1绕组上。因此将截止的开关Q2的输入电压变为2Ui。激励消失，Ql，Q2截止，其集电极电压为Ui。

2）t1-t2时间段，Q2导通，Ql截止，此阶段同t0-t1时间段。下一个周期重复循环。

尽管电路由两只对称的功率管，但电路工作时两只管子是交替导通，因此推挽式电路具有导通损耗小，效率高，磁芯利用率高的优点[5]。

2.2 单相全桥逆变电路的设计

单相全桥逆变是由4个开关器件构成的两对桥臂[4]，要实现逆变我们只需在直流输入端提供直流电压，通过不同的控制方法驱动开关器件，使直流电转换为交流电。单相全桥逆变电路可看成由两个半桥电路组合而成的4个桥臂，桥臂1和4为一对，桥臂2和3为另一对，成对桥臂同时导通，两对各交替导通180°。单相全桥逆变主拓扑图如图4所示。

图4 单相全桥逆变电路Fig.4 Single-phase full-bridge inverter circuit

3 软件设计

3.1 系统软件程序流程图

本系统设计中有两片单片机，其中一片只具有采样、1对PWM波互补输出和串口通讯的功能，这里程序不再做分析。我们只分析主控机的功能程序，主控机首先要配置两个定时器，配置成PWM波带互补输出模式去驱动全桥逆变的2对功率管。为了输出SPWM波，需要把正弦函数的值以表格的形式存储起来[5]。然后需要对AD采样模块，串口通讯等模块进行配置。系统主程序流程图如图5所示。

图5 系统主程序流程图Fig.5 System flow chart of the main program

3.2 定时器1产生SPWM波流程图

SPWM（正弦波脉宽调制）：驱动信号脉冲系列的占空比（脉宽）按正弦规律变化。当正弦值最大值时，脉宽也最大，而脉冲间的间隔则最小，反之，当正弦值小时，脉宽也小，而脉冲间的间隔则较大，这种调制方式可以大大减少负载电流中的高次谐波成分。SPWM控制方案有两种：即单极性调制和双极性调制法。根据两种方案生成的SPWM波可以得出：相同载波比情况下，双极性SPWM波的谐波量较大；且由于正弦逆变电源控制中，双极性SPWM方案控制比较复杂，因此一般采用单极性SPWM波控制的形式[6]。定时器1产生SPWM波的流程图如图6所示

图6 定时器1 SPWM程序图Fig.6 Timer1 SPWM procedures

3.3 系统控制流程

系统中固定DC/AC部分的控制SPWM各个点的脉宽，最大脉宽固定为93%左右；根据输出交流电压采样，系统采用离散PI控制算法调节DC/DC的控制PWM脉宽，来调节直流母线电压，来达到输出交流220 V的稳定。

系统采用的离散PI控制算法公式为：

其中：Kp为比例系数，Ti为积分系数。由于系统采用了比例积分调节器，使系统在扰动的作用下，通过PI调节器的调节作用将直流升压后的母线电压调节到静态无差，输出电压更稳定。系统的输出稳定控制框图如图7所示。

图7 系统控制流程图Fig.7 Control flow chart of the system

4 测试结果

图8为逆变系统在带载情况下滤波后输出的电压波形图，由波形图可得输出电压为223 V频率为52 Hz左右，基本满足设计要求。

5 结 论

目前市场上的一些光伏逆变器，主要是由DSP等复杂的控制芯片进行控制，电路复杂，成本较高。文中主要介绍了一种基于STM8单片机的光伏逆变系统。该系统电路结构简单、成本低、效率较高对于中小功率光伏逆变器[7]的设计具有实用价值。

图8 带载情况下滤波后输出的电压波形图Fig.8 Case of a tape carrier filtered output of the voltage waveform of FIG

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