戶用逆變電源系統(tǒng)的研究與設(shè)計

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度為6000～8400MJ/m2，年均太陽能光照時間為3000～3200h；風(fēng)力平均為5～6級。西北邊遠地區(qū)經(jīng)濟不發(fā)達，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)能對蓄電池充電，將自然能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲藏在蓄電池中，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)動電路和控制電路等。

　　3．1　主電路

　　主電路的拓撲結(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電路和逆變電路。圖中uFP表示經(jīng)過整流后的風(fēng)機輸出電壓，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　過充保護電路的工作原理

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

　　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)動作快、輸入阻抗大、驅(qū)動功率小、無二次擊穿、驅(qū)動電路簡單、安全工作區(qū)大等優(yōu)點，特別是由于具有正溫度系數(shù)，可以自動均衡電流，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的標準正弦波電壓，其中電感用變壓器次級的漏感代替，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°的正弦值制成表格存于EPROM中。由于開關(guān)驅(qū)動信號是利用正弦波參考信號與一個三角載波信號互相比較而生成的，常分為單極性和雙極性兩種情況。在開關(guān)頻率相同的情況下，由于雙極性SPWM控制產(chǎn)生的正弦波，其諧波含量和開關(guān)損耗均大于單極性，故本系統(tǒng)采用的是單極性SPWM控制。

　　3．2　系統(tǒng)的隔離和驅(qū)動模塊

　　隔離和驅(qū)動電路是將Intel80C196MC芯片輸出的SPWM信號加以隔離、放大，形成驅(qū)動各功率器件開關(guān)動作信號的電路。本系統(tǒng)采用東芝公司生產(chǎn)的專用于驅(qū)動功率MOSFET和IGBT的柵極隔離驅(qū)動芯片TLP250，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。它是一光電耦合器件，但又不同于普通的光耦，由于其輸出級是經(jīng)推挽電路放大輸出的，所以它不但能使原副邊隔離，而且具有驅(qū)動能力，特別適合于驅(qū)動中等功率的MOSFET和IGBT。同時，在工程應(yīng)用中為了從硬件上可靠防止同一橋臂上的兩個功率器件上下直通，故將驅(qū)動同一橋臂功率器件的兩個TLP250的腳2和腳3互相對接，形成互鎖電路，從而有效地防止了橋臂功率器件的直通故障。具體電路見圖4。

　　3．3　控制電路及控制芯片

　　控制電路主要通過對直流電流、直流電壓、交流電流、交流電壓等信號的檢測，實現(xiàn)系統(tǒng)的過壓、欠壓、過流、過放電、過熱和反時限等保護功能?？刂菩酒捎肐ntel80C196MC微處理器。

　　Intel80C196MC是Intel公司于1992年推出的真正的16位單片機，由于此片內(nèi)集成了一個頗具特色的波形發(fā)生器（WG）單元，從而大大簡化了用于產(chǎn)生SPWM波形的軟件和外部硬件電路。波形發(fā)生器有3個獨立的模塊，每個模塊均包含一個數(shù)值比較器、比較寄存器、比較緩沖器、無信號時間發(fā)生器和一對可編程輸出驅(qū)動通道。三相波形有共同的載波頻率和共同的死區(qū)時間，可編程為三角波調(diào)制方式或鋸齒波調(diào)制方式，一旦啟動后只要求在改變PWM占空比時加以干預(yù)，其余時間均不占用CPU。

　　波形發(fā)生器由時基發(fā)生器、相驅(qū)動通道和控制保護電路組成。

　　時基發(fā)生器為PWM波形建立載波周期。80C196MC通過從重裝載寄存器（WG-RELOAD）中讀入數(shù)據(jù)來確定載波周期的長短，因此用戶可以通過在程序中改變重裝載寄存器的值來改變載波周期值。

　　相驅(qū)動通道確定PWM波形的占空比。每相驅(qū)動通道都有各自的相比較緩沖寄存器（WG-COMPX），一般情況下，PWM波形的占空比由工作方式、重裝載寄存器和相比較緩沖寄存器這三個方面來決定。

　　控制電路包括控制寄存器（WG-CONTROL）和輸出寄存器（WG-OUT）。同時，CPU內(nèi)部還有一個保護電路用于監(jiān)測EXTINT輸入端，以便對異常情況進行處理。

　　另外，無信號時間發(fā)生器電路是波形發(fā)生器的一個非常重要的功能，可以用來防止一對互補的PWM信號同時有效，從而避免了同一橋臂的上下兩只功率管直通；同時，用戶可以通過軟件向WG-CON寄存器的低10位裝入一個數(shù)來任意設(shè)置無信號時間。

　　4　系統(tǒng)控制原理

　　系統(tǒng)控制方式采用電流反饋、電壓前饋和電壓反饋相結(jié)合的復(fù)合控制方式，電流反饋、電壓反饋采用數(shù)字PI調(diào)節(jié)器，以實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出無靜差；PI控制是將采樣時刻偏差的比例（P）、積分（I）通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進行控制，PI控制器的傳遞函數(shù)為：

　　式中：Kp——比例系數(shù)；

　　TI——積分時間常數(shù)。

　　電流反饋在WG中斷時完成，由于電流調(diào)節(jié)時間極短，所以大大提高了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度并有效抑制了系統(tǒng)的超調(diào)。其中電流調(diào)節(jié)時間t大約如下：

　　t=(20/196)×5×8ms≈4ms

　　由此可見，系統(tǒng)輸出電壓在不到1/4基波周期內(nèi)就可以恢復(fù)正常。

　　5　系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)軟件部分主要包括主程序、WG中斷程序、PI調(diào)節(jié)子程序等。主程序的任務(wù)主要是初始化、故障判斷、運行信號判斷及等待中斷等，主程序框圖如圖5所示。

　　6　結(jié)語

　　根據(jù)上述控制思想設(shè)計的1kW樣機，經(jīng)過檢驗，整機效率≥85％，輸出電壓為220（1±4％）V，輸出電壓頻率為50（1±0.5％）Hz，并且系統(tǒng)具有過壓、欠壓、過熱、過流、短路和反時限等完善的保護功能。空載時的電壓波形如圖6所示。目前，該系統(tǒng)已在開封市黃河河務(wù)局運行近半年，情況良好。

　　參考文獻

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