太阳能DC转换50赫兹AC转换器设计毕业论文.docx

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太阳能DC转换50赫兹AC转换器设计毕业论文

太阳能DC转换50赫兹AC转换器设计毕业论文

1绪论

1.1课题概述

资源有限、污染严重的传统煤炭、石化燃料能源正在一天天减少，于是资源无限、清洁干净的可再生能源成为人们关注的焦点。

其中太阳能作为一种新兴的绿色能源，以其永不枯竭、无污染、不受地域资源限制等优点，正得到迅速的推广应用。

根据光伏效应原理，利用太阳电池将太阳光能直接转化为电能的光伏技术是一项非常重要的技术，能够实现人类向可持续的全球能源系统转变。

目前，我国光伏并网发电的关键技术及设备仍主要来自进口，其中光伏并网发电系统中的关键部件并网逆变器的主电路拓扑结构、控制方式、可靠性及转换效指标的好坏，对光伏并网发电效果的影响非常大。

最终导致光伏并网系统造价高、依赖性强，制约了其在国内的发展和推广。

因此加快在光伏发电关键技术领域内的研究工作，掌握并开发出具有我国自主知识产权的光伏技术，进而实现其产业化进展，提高我国在光伏发电市场地位，己是在必行的事。

1.2光伏并网系统的发展

在国外，近年来太阳能光伏电源已开始由补充能源向替代能源过渡，并从偏远无电地区中小功率的独立发电系统向并网发电系统的方向发展。

1979年，美国太阳联合设计公司在能源部的支持下，研制出了面积为0.9*1.8M的大型光伏组件，建造了户用屋顶光伏试验系统。

1980年在MIT建造了有名的CarlisleHouse”，屋顶安装了7.5KW光伏方阵，并结合被动式太阳房和太阳集热器，给建筑供电、提供热水和制冷。

20多年前，日本三洋电器公司研制出了瓦片形状的非晶硅太阳电池组件每块能输出2.7W的电能，到1997年就已经安装了数兆瓦。

美国和欧盟先后实施了“百万屋顶计划”；日本计划到2010年光伏系统的装机容量要达到5GW。

世界上规模最大的屋顶光伏系统建在德国慕尼黑展览中心，第一期安装的光伏系统容量为1MW，现在已达到了2MW。

法国、印度也陆续推出了”1-5KW级百万屋顶光伏计划”。

我国光伏技术虽然经过40年的努力，已具有一定的水平和基础。

但是，与世界先进国家相比仍有不少的差距。

目前我国光伏产品的市场份额为：

户用光伏电源和独立光伏电站占30%，通信领域占40%，铁路、公路信号源、气象台站电源等其他工业领域占20%，各种民用商品占10%。

我国有着十分丰富的太阳能资源。

据估算，陆地表面每年接受的太阳辐射能约为50╳1018kj，约相当于1700亿吨标准煤。

全国各地太阳辐射总量达3340~8400MJ/m2•a，全国年平均光照小时数为2200h，平均太阳能电力为1700TWh，约为目前装机容量的多倍。

我国西藏、青海、新疆、内蒙古南部、陕西北部等广大地区的太阳能辐射总量很大，尤其是青藏高原地区的绝大多数地区的太阳能资源相当丰富，具有得天独厚的开发和利用太阳能的优越资源条件。

户用光伏系统和独立光伏电站是解决我国边远无电地区居民和社会用电问题的重要方式。

对于联网的光伏发电系统，由于在电网覆盖的地区，光电应用成本太高，目前没有竞争力。

我国只有少许示范性的并网光伏发电系统。

1.3光伏并网系统介绍

1.3.1概述

太阳能光伏并网发电系统通过把太阳能转化为电能，不经过蓄电池储能，直接通过并网逆变器，把电能送上电网。

太阳能并网发电代表了太阳能电源的发展方向，是21世纪最具吸引力的能源利用技术。

与离网太阳能发电系统相比，并网发电系统具有以下优点:

利用清洁干净，可再生的自然能源太阳能发电，不耗用不可再生的，资源有限的含碳化石能源，使用中无室气体和污染物排放，与生态环境和谐，符合经济社会可持续发展战略。

所发电能馈入电网，以电网为储能装置，省掉蓄电池，比独立太阳能光伏系统的建设投资可减少达25%—45%，从而使发电成本大为降低。

省掉蓄电池并可提高系统的平均无故障时间和蓄电池的二次污染。

光伏电池组件与建筑物完美结合，既可发电又能作为建筑材料和装饰材料，使物质资源充分利用发挥多种功能，不但有利于降低建设费用，并且还使建筑物科技含量提高，增加卖点。

分布式建设，就近就地分散发供电，进入和退出电网灵活，既有利于增强电力系统抵御战争和灾害的能力，又有利于改善电力系统的负荷平衡，并可降低线路损耗。

可起调峰作用。

联网太阳能光伏系统是世界各发达国家在光伏应用领域竞相发展的热点和重点，是世界太阳能光伏发电的主流发展趋势，市场巨大，前景广阔。

1.3.2系统主要组件简介

一个太阳能电池只能产生大约0.5伏的电压，远低于实际使用所需电压。

为了满足实际应用的需要，需要把太阳能电池连接成组件。

太阳能电池组件包含一定数量的太阳能电池，这些太阳能电池通过导线连接。

如一个组件上，太阳能电池的数量是36片，这意味着一个太阳能组件大约能产生17伏的电压。

通过导线连接的太阳能电池被密封成的物理单元被称为太阳能电池组件，具有一定的防腐，防风，防雹，防雨的能力，广泛应用于各个领域和系统。

当应用领域需要较高的电压和电流而单个组件不能满足要求时，可把多个组件组成太阳能电池方阵，以获得所需要的电压和电流。

1.4光伏并网逆变器

将直流电变换成交流电的设备。

由于太阳能电池发出的是直流电，而一般的负载是交流负载，并且为了便于传输，一般都采用交流电的形式，所以逆变器是不可缺少的。

逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变器和并网逆变器。

独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统，为独立负载供电。

并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统将发出的电能馈入电网。

逆变器按输出波形又可分为方波逆变器和正弦波逆变器。

1.5课题研究的意义

通过本次课题设计使我掌握了太阳能DC转50赫兹AC转换器原理和设计方法，对光伏并网行业有了较为深刻的了解和认识。

并对大学期间所学的一些理论进行了实践，使我对理论知识有了新的认识。

并且通过该设计课题掌握了51单片机软硬件开发工具的使用方法，为以后从事相关行业的工作积累了实际工作经验。

清楚的认识到我国的光伏并网技术虽然发展迅速但和世界先进水平还有一定的差距。

通过太阳能DC转50赫兹AC转换器的设计，进一步了解单片机的工作原理，为以后的工作奠定了基础。

2系统方案设计

2.1需要实现的功能

设计一个能够实现将太阳能电池电能进行收集并转换成50Hz、220V的交流电系统。

当太阳能电池的输出电压从0开始上升时，收集系统起始充电电压要尽可能的低。

系统可以手动调节输出交流电电流。

2.2系统整体的设计过程

系统的整体结构如图2-1所示。

设计内如包括开关升压电路、单片机及其外围接口电路、D/A转换电路、功率放大电路等主要部分电路。

3系统的硬件设计

3.1硬件电路设计及工作原理

硬件电路主要由前置boost升压电路、单片机系统、单片机外围电路、功率放大升压电路四部分组成。

3.1.1前置boost升压电路

开关升压（Boost）电路的主框图如图3-1所示，主要有开关管V，电感L和电容C组成：

图3-1开关升压（Boost）升压电路图

开关升压（Boost）升压电路，开关直流升压电路,是一种开关直流升压电路，它可以使输出电压比输入电压高。

升压过程就是一个电感的能量传递过程，充电时，电感吸收能量，放电时电感放出能量。

如果电容量足够大，那么在输出端就可以在放电过程中保持一个持续的电流。

如果这个通断过程不断重复，就可以在电容两端得到高于输入电压的电压。

在充电过程中，开关闭合（三极管导通），开关（三极管）处用导线代替。

这时，输入电压流过电感。

二极管防止电容对地放电。

由于输入是直流电，所以电感上的电流以一定的比率线性增加，这个比率跟电感大小有关。

随着电感电流增加，电感里储存了一些能量。

放电过程，当开关断开（三极管截止）时，由于电感的电流保持特性，流经电感的电流不会马上变为0，而是缓慢的由充电完毕时的值变为0。

而原来的电路已断开，于是电感只能通过新电路放电，即电感开始给电容充电，电容两端电压升高，此时电压已经高于输入电压了。

升压完毕。

说起来升压过程就是一个电感的能量传递过程。

充电时，电感吸收能量，放电时电感放出能量。

如果电容量足够大，那么在输出端就可以在放电过程中保持一个持续的电流。

　　如果这个通断的过程不断重复，就可以在电容两端得到高于输入电压的电压。

3.1.2单片机的最小系统

该控制系统选用AT89C52单片机作为系统的控制核心。

AT89C52单片机具有价格低、编程灵活和布线简单等特点[3]。

单片机最小系统如图3-2所示。

图3-2单片机最小系统

对图3-2说明如下：

（1）单片机晶振电路

单片机外围的晶振电路是通过单片机的第18（XTAL1）,19（XTAL2）引脚接入，XTAL1：

振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。

XTAL2：

振荡器反相放大器的输出端。

对于MSC-51一般的晶振频率可以在1.2MHz—12MHz之间选择，这是电容C可以对应的选择10pF—30pF。

当使用89C55时晶振频率可以提高到24MHZ。

对于本设计的电容C用30pF，晶振选用12MHz。

晶振电路解法图3-1，一条引脚接在XTAL1，另一条接在XTAL2。

（2）单片机的复位电路

单片机通常采用的复位方式有上电复位和按钮复位两种。

本次设计用的复位方式是按钮电平复位。

其原理图如图4所示。

当按下按钮SW时，电容对R6迅速放电，RESET端变为高电平，RESET松开后，电容通过电阻R6进行充电，RESET端恢复为低电平。

3.1.3单片机与DAC0832的接口

由于D/A转换器与单片机连接时，单片机是靠指令输出数字量供数模转换之用，而指令送出的数据在数据总线上的时间是短暂的，所以在DAC和单片机之间，需要有数据寄存器来保持单片机计算机输出的数据，供DAC转换使用。

目前生产的DAC芯片分为两类，一类芯片内部设置有数据寄存器，不需要外加电路就可以直接与微型计算机接口。

另一类芯片内部没有数据寄存器，输出信号随数据输入线的状态变化而变化，因此不能直接与微型计算机接口，必须通过并行接口与微型计算机接口。

DAC0832是具有20条引线的双列直插式CMOS器件，它内部具有两级数据寄存器，完成8位电流D/A转换，故不需要外加电路。

因此单片机与DAC0832连接方式如图3-3所示。

图3-3单片机与DAC0832的链接方式

3.1.4D/A转换工作原理及芯片介绍

模数转换器（D/A）就是一种把数字信号转换成为模拟电信号的器件。

D/A转换是单片机应用测控系统典型的接口技术内容，D/A转换接口设计的主要任务是选择D/A集成芯片，配置外围电路及器件，实现数字量到模拟量的线性转换。

（1）D/A转换器的基本原理与分类

D/A转换器用来将数字量转换成模拟量。

它的基本要求是输出电压Vo应该和输入数字量成正比，即：

VO=D*VR其中，VR为参考电压。

每一个数字量都是数字代码的按位组合，每一位数字代码都有一定的“权”，对应一定大小的模拟量。

为了将数字量转换成模拟量，应该将其每一位都转换成相应的模拟量，然后求和既可得到与数字量成正比的模拟量。

（3.1.1）

D／A转换器可分成两大类：

1.直接D／A转换器是指直接将输入的数字信号转换为输出的模拟信号。

2.间接D／A转换器是先将输入的数字信号转换为某种中间量，然后再把这种中间量转换成为输出的模拟信号。

其中，间接D／A转换方式在集成D／A转换器中很少使用。

（2）D／A转换器模拟输出电压的极性

所有的D／A转换器件的输出模拟电压Vo，都可以表达成为输入数字量D（数字代码）和模拟参考电压VR的乘积。

由于目前绝大多数D／A输出的模拟量均为电流量，这个电流量要通过一个反相输入的运算放大器才能转换成模拟电压输出。

在这种情况下，模拟输出电压Vo与输入数字量D和参考电压VR的关系为：

（3.1.2）

当参考电压VR极性不变时，要想得到双极性的模拟输出，就必须采取四象限工作的D／A接口电路，该接口电路输出的模拟电压V0为：

（3.1.3）

不论参考电压VR的极性如何，都可以获得双极性的电压输出，在参考电压极性不变时，输出模拟电压的极性完全取决于输入数字量二进制码的最高位（MSB）。

3.1.5典型的D/A转换器芯片DAC0832性能介绍

DAC0830／0831／0832是8位分辩率的D／A转换集成芯片，与微处理器完全兼容。

这个系列的芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到了广泛的应用这类D／A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、八位D／A转换电路及转换控制电路构成。

DAC0830系列芯片是一种具有两个输入数据寄存器的8位DAC，是一个8位D/A转换器芯片，单电源供电，从+5V～+15V均可正常工作。

其主体部分为由T型状态。

而模拟开关控制标准电源在T型电阻网络所产生的电流。

输入的数字量通过两级缓冲器送到D/A转换电路。

通过对这两级缓冲器进行控制，可以实现直通、单缓冲、双缓冲三种工作方式。

如果控制信号使得两级缓冲器一直处于选通状态，则DAC0832工作在直通方式；当输入寄存器、DAC寄存器中有一个直接选通，另一个受控制，则它工作在单缓冲方式；当输入寄存器、DAC寄存器都受控制时，它工作在双缓冲方式。

DAC0832属于电流型输出的D/A转换器。

这些电流经外部运算放大器实现I-V变换输出模拟电压。

模拟电压根据不同的外接电路又可分为单极性和双极性。

DAC0832是8位芯片，采用双列直插式封装，外围引脚连接如图3-4所示，采用CMOS工艺和R－2RT形电阻解码网络,转换结果为一对差动电流I01和I02输出，其主要性能参数为：

·分辨率：

8位

·单电源供电：

＋5V-＋15V

·参考电压：

-10V—＋10V

·转换时间：

1us

·满刻度误差；士1LSB

·数据输入电平与TTL电平兼容

·电流稳定时间1us；

·可单缓冲、双缓冲或直接数字输入；

·只需在满量程下调整其线性度；

·低功耗，200mW。

DAC0832引脚如图3-3所示，它采用20线双列直插式封装，引脚功能如下：

D7～D0——转换数据输入。

CS——片选信号（输入），低电平有效。

ILE——数据锁存允许信号（输入），高电平有效。

WR1——第一信号（输入），低电平有效。

该信号与ILE信号共同控制输入寄存器是数据直通方式还是数据锁存方式：

当ILE=1和XFER=0时，为输入寄存器直通方式；当ILE=1和WR1=1时，为输入寄存器锁存方式。

WR2——第2写信号（输入）,低电平有效.该信号与信号合在一起控制DAC寄存器是数据直通方式还是数据锁存方式:

当WR2=0和XFER=0时,为图3-2DAC0832引脚图

DAC寄存器直通方式;当WR2=1和XFER=0时,为DAC寄存器锁存方式。

XFER——数据传送控制信号（输入）,低电平有效。

Iout2——电流输出“1”。

当数据为全“1”时，输出电流最大；为全“0”时输出电流最小。

Iout2——电流输出“2”。

DAC转换器的特性之一是：

Iout1+Iout2=常数。

RFB——反馈电阻端

即运算放大器的反馈电阻端，电阻（15KΩ）已固化在芯片中。

因为DAC0832是电流输出型D/A转换器，为得到电压的转换输出，使用时需在两个电流输出端接运算放大器，RFB即为运算放大器的反馈电阻。

Vref——基准电压，是外加高精度电压源，与芯片内的电阻网络相连接，该电压可正可负，范围为-10V～+10V。

DGND——数字地

AGND——模拟地

DAC0832利用WR1、WR2、ILE、XFER控制信号可以构成三种不同的工作方式。

直通方式——WR1=WR2=0时，数据可以从输入端经两个寄存器直接进入D/A转换器。

单缓冲方式——两个寄存器之一始终处于直通，即WR1=0或WR2=0，另一个寄存器处于受控状态。

双缓冲方式——两个寄存器均处于受控状态。

这种工作方式适合于多模拟信号同时输出的应用场合。

3.1.6DAC0832与运放的连接

本设计采用了双极性的模拟输出的D/A转换电路,电路结构如图3-5所示。

图3-5DAC0832D/A转换器与运放的连接

3.1.7功率放大电路

功率放大电路如图3-6所示。

电路采用双电源OCL典型电路结构。

此电路是消除交越失真的互补输出级电路，电路中增加R4、D1、D2、R5支路。

静态时:

Q1、Q2两管发射结电位分别为二极管D1、D2的正向导通压降，致使两管均处于微弱导通状态，有较小的静态电流ICQ；静态电流在输出端被抵消，故Vi＝0，VO=0。

动态时：

D1、D2交流电阻很小，可认为对交流短路。

Vi正半周，Q1导通,Q2截止，有

（3.1.1）

Vi负半周，Q2导通,Q1截止

（3.1.2）

则有：

（3.1.3）

输出功率：

（3.1.4）

最大不失真输出功率：

（3.1.5）

3.2单片机的结构

3.2.1单片机的基本结构

AT89C52是51系列单片机的一个型号，它是ATMEL公司生产的。

是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。

AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程（S系列的才支持在线编程）。

其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

　兼容MCS51指令系统·8k可反复擦写（>1000次）FlashROM

　　·32个双向I/O口·256x8bit内部RAM

　　·3个16位可编程定时/计数器中断·时钟频率0-24MHz

　　·2个串行中断·可编程UART串行通道

　　·2个外部中断源·共6个中断源

　　·2个读写中断口线·3级加密位

　　·低功耗空闲和掉电模式·软件设置睡眠和唤醒功能

P0口：

P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。

作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。

在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。

在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。

P1口：

P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。

作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

与AT89C51不同之处是，P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX）。

P2口：

P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。

在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@RI指令）时，P2口输出P2锁存器的内容。

Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。

P3口：

P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。

P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。

此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。

P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如下所示：

P3.0 RXD（串行输入口）

P3.1 TXD（串行输出口）

P3.2 /INT0（外部中断0）

P3.3 /INT1（外部中断1）

P3.4 T0（定时/计数器0外部输入）

P3.5 T1（定时/计数器1外部输入）

P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）

P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）

P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。

主要管脚有：

XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz晶振。

RST/Vpd（9脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。

VCC（40脚）和VSS（20脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。

P0~P3为可编程通用I/O脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0端口（32~39脚）被定义为N1功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13脚定义为IR输入端，10脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12脚、27脚及28脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能[8]。

AT89C52单片机属于AT89C51单片机的增强型。

其主要工作特性是：

片内程序存储器内含8KB的Flash程序存储器，可擦写寿命为1000次；片内数据存储器内含256字节的RAM；

具有32根可编程I/O口线；

具有3个可编程定时器；

中断系统是具有8个中断源、6个中断矢量、2个级优先权的中断结构；串行口是具有一个全双工的可编程串行通信口；

具有一个数据指针DPTR；

低功耗工作模式有空闲模式和掉电模式；

具有可编程的3级程序锁定位；

AT89C52工作电源电压为5（1+0.2）V，且典型值为5V；

AT89C52最高工作频率为24MHz。

3.2.2单片机引脚图及封装

AT89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求[9]。

本设计采用PDIP封装形式，其引脚图如图3-7所示。

图3-7AT89C52引脚图

3.3单片机在本设计中的应用

3.3.1单片机的应用电路组成

本设计中涉及到一个典型的控制过程，单片机的接口连接电路如图3-8所示。

通过单片机控制一个模数转换器DAC0832产生所需要的电流，然后使用运算放大器可以将其电流输出线性地转换成电压输出，再通过推挽放大电路将其功率放大，最终通过变压器将电压升压到220v。

输出频率由单片机程序控制输出50HZ频率。

图3-8单片机接口电路图

4系统的软件设计

4.1软件流程

系统的软件结构流程如图4-1所示。

4.2开发环境介绍

本设计的程序是在KeiluVision2开发环境上编写的，它是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，使用接近于传统c语言的语法来开发，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用,而且大大的提高了工作效率和项目开发周期,他还能嵌入汇编，您可以在关