戶用逆變電源系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

作者：合肥工業(yè)大學(xué)能源研究所　鄭詩程，蘇建徽，余世杰，沈玉

摘要：分析、設(shè)計(jì)了一種以Intel80C196MC微處理器為控制核心的風(fēng)能、光能互補(bǔ)應(yīng)用的戶用逆變電源系統(tǒng)。系統(tǒng)利用太陽能和風(fēng)能對(duì)蓄電池充電，逆變器采用電流和電壓雙閉環(huán)調(diào)節(jié)方式，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，有效抑制了系統(tǒng)的超調(diào)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)輸出無靜差。

關(guān)鍵詞：戶用電源系統(tǒng)；微控制器；雙閉環(huán)調(diào)節(jié)方式

　　1　引言

　　我國西北地區(qū)國土面積遼闊，太陽能和風(fēng)能資源非常豐富，其中太陽能年均輻射強(qiáng)度為6000～8400MJ/m2，年均太陽能光照時(shí)間為3000～3200h；風(fēng)力平均為5～6級(jí)。西北邊遠(yuǎn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)，且住戶非常分散，若為這些用戶提供市電，則成本太高，因而，如何合理利用現(xiàn)有的資源——太陽能和風(fēng)能就成為解決這些問題的有效途徑。

　　2　風(fēng)、光互補(bǔ)型戶用電源系統(tǒng)

　　系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　本系統(tǒng)既可以利用太陽能和風(fēng)能對(duì)蓄電池充電，將自然能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)藏在蓄電池中，然后再將化學(xué)能逆變成220V交流電供給用戶使用；又可以直接將太陽能和風(fēng)能逆變?yōu)?20V交流電供給用戶使用。

　　3　系統(tǒng)的硬件電路

　　本系統(tǒng)的硬件電路主要包括主電路、隔離與驅(qū)動(dòng)電路和控制電路等。

　　3．1　主電路

　　主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。由圖2可知主電路主要包括蓄電池的過充保護(hù)電路和逆變電路。圖中uFP表示經(jīng)過整流后的風(fēng)機(jī)輸出電壓，uSP表示太陽電池輸出電壓，K為電磁繼電器，GB為額定電壓24V的蓄電池組。

　　3．1．1　過充保護(hù)電路的工作原理

　　當(dāng)蓄電池的電壓過高時(shí)，A點(diǎn)電壓就會(huì)大于TL431的基準(zhǔn)電壓值Uref（=2.5V）從而使TL431導(dǎo)通，B點(diǎn)被鉗為低電平，V1截止，C點(diǎn)為高電平，V3導(dǎo)通，V2截止，D點(diǎn)為高電平，此時(shí)VT14和VT15均導(dǎo)通，繼電器K動(dòng)作。根據(jù)太陽能電池和風(fēng)機(jī)的特性，太陽能電池的輸出電壓被直接短路，風(fēng)機(jī)的輸出電壓通過大功率卸載電阻R9卸放掉；相反，當(dāng)蓄電池的電壓過低時(shí)，VT14和VT15均截止，太陽能電池和風(fēng)機(jī)的輸出電壓就對(duì)蓄電池充電。

　　3．1．2　逆變電路

　　采用單相全橋逆變電路，用功率MOSFET作為逆變電路的開關(guān)器件。功率MOSFET是一種多子導(dǎo)電的單極性電壓控制型器件，具有開關(guān)動(dòng)作快、輸入阻抗大、驅(qū)動(dòng)功率小、無二次擊穿、驅(qū)動(dòng)電路簡單、安全工作區(qū)大等優(yōu)點(diǎn)，特別是由于具有正溫度系數(shù)，可以自動(dòng)均衡電流，所以在輸入電壓低、工作電流大的逆變電源系統(tǒng)中可以將幾只功率MOSFET并聯(lián)以提高電流容量。在本系統(tǒng)中，將三只功率MOSFET并聯(lián)，使電流容量增大到三倍。逆變器將整流后的直流電壓轉(zhuǎn)換成特定頻率的SPWM波，再經(jīng)過電感和電容濾波將其轉(zhuǎn)換為220V的標(biāo)準(zhǔn)正弦波電壓，其中電感用變壓器次級(jí)的漏感代替，采用這種方式使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，噪音低，并且能有效地抑制波形中的高次諧波成分。

　　SPWM控制方式預(yù)先將0～360