基于PROTEUS软件的三电平单相逆变器仿真

摘要

光伏用于利用阳光发电。逆变器用于将光伏产生的直流（DC）转换为交流（AC）。本项目旨在设计和开发一种单相逆变器，能够使用PROTEUS软件将输入的直流电压转换为交流输出电压。该逆变器基于一个驱动脉冲波周期内的8位控制。此仿真在进行硬件实现之前完成。该软件可在原型精确仿真方面节省大量时间。

引言

逆变器是一种广泛应用于全球的电力转换装置，用于将直流输入电压转换为交流输出电压。理想逆变器的输出电压波形应为正弦的。然而，实际逆变器的波形是非正弦的，并含有谐波。由于谐波的存在，由该逆变器管理的电子设备可能会受到损坏。传统逆变器的缺点是效率较低、成本高以及开关损耗大。多电平是解决传统逆变器缺点的最佳方案。多电平逆变器的概念旨在实现高功率能量，适用于风能、太阳能、水能、生物质和地热能等可再生能源应用。多电平也用于高功率和高压应用。

由Labcenter Electronics公司开发人员设计的Proteus Ares应用程序是一种原理图捕捉电路工具，不仅能够模拟标准的模拟和数字元件，还可以模拟可编程元件，如微控制器、内置图形控制器的LCD显示器，或具有特定通信协议的元件。它是创建电路和PCB设计功能动画演示的非常有用的工具。在原理图上绘制微控制器后，选择我们磁盘上某个位置包含该微控制器可执行代码的文件。如果一切操作正确，使用与真实微控制器相同的工具编译的代码将在虚拟元件上执行，但其运行还会受到原理图中微控制器周围其他元件的影响[1]。

三电平逆变器的步骤

生成以零电压为中心的正弦波需要正负电压。这可以通过图1中的H桥逆变电路从单电源获得。在标准H桥电路中，开关S1（MOSFET 1）、S3（MOSFET 3）、S2（MOSFET 2）和S4（MOSFET）按此配置[2]排列。门极信号Gs1（MOSFET门极1）和Gs4(gate MOSFET 4)在半个周期内同时导通，而门极信号Gs2(gate MOSFET 2)和Gs3(gate MOSFET 3)在另半个周期内同时导通[3][4]。

TPVI的仿真使用Proteus进行，如下所述：
1. 在三电平单相逆变器的仿真中，微控制器产生的两个脉冲波输出将驱动全桥逆变电路。全桥逆变电路的输出端产生交流三电平单相电压波形。
2. 使用C语言在PIC C中编写程序，以生成频率为50赫兹的交流三电平单相电压波形。
3. 将列表程序编译成十六进制数。完成后，将该数值填入微控制器PIC16F877A中。
4. 将十六进制文件导入 PROTEUS仿真电路中的PIC模型，以运行该电路。

产生上述三级单相无变压器光伏逆变器的交流三电平电压波形的步骤，可以在图2所示的流程图中进行最简化的说明。

逆变器电路。在PROTEUS软件中，程序从微控制器安装到PROTEUS中的PIC模型，结果将在数字示波器中显示。

结果与讨论电路图

图4所示为全桥和驱动电路。所示的全桥逆变器由四个大功率MOSFET开关IRFP460、12V电池电源供电给MOSFET以及用于电路的PIC单片机程序组成。电路的工作原理如下：MOSFET驱动器IRFP460用于将来自微控制器的开关脉冲施加到MOSFET开关上。微控制器存储生成脉宽调制波形的指令。该微控制器通过PIC16F877A系统提供变频脉宽调制信号，以控制施加在栅极驱动上的电压。该微控制器灵活且简单，可在不改变硬件的情况下实时更改控制算法，并降低单相逆变器控制电路的复杂性。该逆变器的应用可用于独立运行或由光伏直接供电进行并网[5]。

图5显示了桥式单相逆变器输出波形的仿真结果。桥式逆变器的输出电压具有非正弦的周期性波形。仿真的输出波形频率为50赫兹，该频率恰好等于电网频率。

图6显示了三电平逆变器的单相交流输出。此输出与图3所示的理论结果相同。

Proteus用于仿真电子和机电元件及系统，同时在屏幕上观察动画行为。当指定电流开始流过时，LED段会变亮。该软件显示的示波器输出与真实示波器的功能相同，因此在进行硬件实现之前，使用该软件测试电路更加方便。

结论

Proteus该软件非常适合在广泛的应用领域中对未来的工程人员进行教育。在教学基本电路时，该软件易于使用，可用于描述包含软件设计的系统。本文已成功完成并展示了一项关于单相桥式级联多电平逆变器的研究。本项目的主要目标是通过使用Proteus软件进行仿真，来设计、构建和测试桥式级联多电平逆变器电路，该目标已通过仿真成功实现。本文还开发并改进了单相逆变器的控制电路，该控制电路已通过PIC微控制器实现。