论文部分内容阅读
摘要: 风能和太阳能是大自然的可再生绿色能源，风光互补型正弦波逆变电源可以将这两种可再生能源发电合理配置，为人们提供持续稳定的正弦波交流电。文章介绍了适用于风能太阳能互补的单相正弦波逆变电源的硬件结构、工作原理以及充放电控制的设计方法。
关键词: 全桥逆变，风光互补，正弦脉宽调制
[Abstract] wind energy and solar energy is the nature of renewable green energy, beautiful complementary sine wave inverter can put the two kinds of renewable energy power allocation, provide sine wave alternating current steady for the people. The article introduces the suitable for wind energy and solar energy complementary single-phase sine wave inverter hardware structure, working principle and the charge and discharge control design method.
[keyword] full bridge inverter, Wind-solar complementary, sinusoidal pulse width modulation
中图分类号：TM919文献标识码：A
一、风光互补型电源系统
（一）太阳能和风能在资源上的互补性：
太阳能是地球上一切能源的来源，风能是太阳能在地球表面的另外一种表现形式，太阳能与风能在时间上和地域上都有很强的互补性。图1.1为某地10月份的一天中太阳能和风能资源的分布。可以看出：白天太阳光最强时，风很小，晚上太阳落山后，光照很弱，地表温差变化大而风能加强；在夏季，太阳光强度大而风小，冬季，太阳光强度弱而风大。时间上的互补性使风光互补发电系统在资源上具有最佳的匹配性，风光互补发电系统是资源条件理想的独立电源系统。
图1.1 某地10月份风光互补资源图
（二）太阳能和风能在技术上的互补性
光电系统是利用光电板将太阳能转换成电能，然后通过控制器对蓄电池充电，最后通过逆变器对用电负荷供电的一套系统；风电系统是利用小型风力发电机，将风能转换成电能，然而通过控制器对蓄电池充电，最后通过逆变器对用电负荷供电的一套系统。他们都存在一个共同的缺陷，资源的不确定性导致发电与用电负荷的不平衡，两种系统都必须通过蓄电池储能才能稳定供电，而每天的发电量受天气的影响很大，会导致系统的蓄电池组长期处于亏电状态，这也是引起蓄电池组使用寿命降低的主要原因。
图1.2 风光互补电源系统
由于太阳能与风能的互补性强，风光互补发电系统在资源上弥补了风电和光电独立系统在资源上的缺陷。同时，风电和光电系统在蓄电池组和逆变环节是可以通用的，所以系统的造价可以降低，系统成本趋于合理。风光互补电源系统可以根据用户的用电负荷情况和资源条件进行系统容量的合理配置，既能保证供电的可靠性，又降低发电系统的成本。无论是怎样的环境和用电要求，风光互补发电系统都能做出最优化的系统设计方案来满足用户的要求。图1.2为基于MCU的风光互补电源系统结构简图。
二、风光互补型独立电源系统
（一）风光互补型独立电源系统的总体结构
一般小型户用风光互补独立电源系统由光电系统、风电系统、逆变系统、充放电控制系统等构成，如图2.1所示。
图2.1 风光互补电源系统框图
（二）风光互补正弦波逆变器吸收电路的设计
图2.2开关管截止电流吸收网络
在该电路中，开关管工作在截止状态的瞬间，为把存储时间减少到最低限度，一般采用加大反向门极电流的办法。但是如果Ig 过大，会造成发射结的雪崩，而损坏开关管。为了防止这种情况，可采用RC吸收回路。RC吸收回路并联在MOSFET的漏、源极（IGBT的集电极和发射极）之间，在开关管截止时给漏极分流，见图2.2。当Q截止时，电容C通过二极管VD1被充电到工作电源电压E；Q导通时，电容C通过电阻R放电。实际上，吸收回路消耗了一定量的功率，减轻了开关管的负担。如果没有吸收回路，这一部分功率就必须由开关管承担。在实际设计电路时，可用下面公式进行估算。在开关管Q截止时，其能量可用下式表示：
（2-1）
式中，Ic 为最大集电极电流（A）；Uce 为最大集电极-发射极电压（V）；tr 为集电极电压最大上升时间（s）；tf 为集电极电流最大下降时间（s）。由电容定义可求出：
（2-2）
由图2.2可知，电容C上的电压可以写成下式：
（2-3）
式中，ton 是开关管导通时间（这时C经过R放電）。
选取RC回路的参数值要保证以下条件：
1）在开关管截止时间（toff）内必须能使电容C充电到接近Uce 电压；
2）在开关管导通期间（ton）内必须能使电容C上的电荷经电阻R放完，所以应使表达式的值接近于1。
当ton =3RC时，，既可以认为经过3RC的延迟，电容C已基本上把电荷放完，R的取值可由决定。在开关管导通时，应把电容C通过开关管放电的电流限制在0.25A以下。
三、工频变压器的设计和平波电容器的选择
（一） 工频变压器的设计
工频变压器在风光互补正弦波逆变电源系统中起到升压和隔离的作用，它对逆变器的效率、工作可靠性和输出电气性能有着直接的影响，设计不合理会导致噪声、波形畸变、饱和等问题。
变压器变比的设定一般是按照逆变器直流侧输入电压最低值时也能保证输出达到所要求的最高值，而这时，逆变器工作在最大占空比上。取逆变器输入直流电压36V，输出为220V交流电压，设原、副边匝数分别为N1, N2，则变压器变比n为：
（3-1）
由于变压器的绕组内阻压降和前级滤波电感绕组压降，实际原、副边变比应比上述理论值小些，取：
（3-2）
（二） 直流侧平波电容器的选择
对于风光互补逆变器直流侧平波电容器的选择通常按C=（3～5）T/RL计算，其中，T为输入侧直流电压的脉动周期，RL为直流侧等效负载电阻，按本系统额定功率P=500W，电容上平均电压为VE=36V，则直流侧等效负载电阻：
（3-3）
若直流侧为交流电压(频率50Hz)经全波整流后的电压则，T = l 0 ms，则可得：
（3-4）
由于独立逆变时直流侧采用的是蓄电池电压，实际上，T应该小一些，则电容值也相应小一些，取：C≈6000μF，采用多个电解电容并联取值。
四、 风光互补正弦波逆变器的控制回路设计
本节主要讲风光互补逆变器的控制电路部分，主要内容包括：正弦波脉冲宽度调制（SPWM）信号生成电路的设计，功率开关管驱动电路的设计，辅助电源的设计和各种保护电路的设计。
（一）主回路功率开关管驱动电路的设计
由于正弦波脉冲宽度调制（SPWM）信号生成电路和辅助电源的设计，已经有较为成熟的设计电路，此处不做详细讲述。
对于主电路功率开关管MOSFET的驱动我们采用分立元件光电耦合隔离型驱动电路，隔离器件选用TOSHIBA公司生产的高速光耦TLP250，它包含一个GAALAS光发射二极管和一个集成光探测器，8脚双列封装结构，适合于IGBT或电力MOSFET栅极驱动电路。图4.1为TLP250的内部结构简图。
图4.1 TLP250内部结构简图
1．TLP250的使用特点（1）TLP250输出电流较小，对较大功率开关器件实施驱动时，需要外加功率放大电路。（2）由于流过MOSFET的电流是通过其它电路检测来完成的，而且仅仅检测流过MOSFET的电流，这就有可能对MOSFET的使用效率产生一定的影响，比如MOSFET在安全工作区时，有时出现的提前保护等。（3）要求控制电路和检测电路对于电流信号的响应要快，一般由过电流发生到MOSFET可靠关断应在10μS以内完成。（4）当过电流发生时，TLP250得到控制器发出的关断信号，对MOSFET的栅极施加一负电压，使MOSFET硬关断。造成了施加于MOSFET两端的电压升高很多，有时就可能造成MOSFET的击穿。（5）使用TLP250时应在管脚8和5间连接一个0.1μF的陶瓷电容来稳定高增益线性放大器的工作，提供的旁路作用失效会损坏开关性能，电容和光耦之间的引经长度不应超过1cm。
图4.2 主电路功率开关器件驱动电路
2．驱动原理如图4.2所示。当SPWM信号为低电平时，TLP250内部LED发光，推挽输出为高电平，三极管Q20导通Q24关断，则输出的驱动信号为正压信号；反之，三极管Q24导通Q20关断，输出的驱动信号在稳压管的作用下为反压关断信号。
（二）各种保护电路的设计
1. 过载保护
为了防止系统过载，设计了过载保护电路，即使输出短路，系统也能实现自动保护并锁定保护状态，过载保护指示灯(红色)亮起，直到负荷降低到规定限度以下，逆变器将会重新恢复工作。
2. 过压保护和欠压保护
1）过压保护 当蓄电池电压到达充电上界点时（36V上界点默认值为46.2V），控制器将自动进入浮充状态，此时观察到充电指示灯在闪亮，这个时候泄荷器将自动开启泄荷旁路，适量泄放多余的电量。待电压进入正常范围后，自动关闭过压泄荷旁路。。
2）欠压保护 逆变器工作过程中，如果蓄电池的电压逐步降低，当低于32.4V左右时，保护灯（红色）亮起，逆变器停止工作，蓄电池等待充电。
3.过热保护
当用电负荷较多、工作时间较长，或是气候炎热通风不良，逆变器温度升高到一定程度，温度警戒指示灯亮起，逆变器停止工作，并锁定保护状态。直到温度恢复到正常，再打开电源开关，逆变器自动恢复工作。
五、 风光互补智能充电控制
（一）充电控制原理
风光互补电源系统根据性能可分为充电状态、负载状态(放电状态)、保护状态。系统同时监测太阳能组件、风力发电机、负载和两组蓄电池的状况，在相应条件时，进入对应的状态。在每一状态中，系统不仅完成自身阶段的工作，还可根据用户需要设定相应的系统参数并显示系统状态。
（二）风光互补智能充电控制的软件实现
通过比较实用性和经济性，选择PIC16C711單片机，如图5.1所示，单片机PIC16C711通过第1路A/D接口RA0/AN0接电流采样信号，通过第2路A/D接口RA1/AN1接蓄电池采样电压信号，通过第4路A/D接口RA3/AN3接风机电压采样信号，根据检测结果实现风机泄荷和泄荷恢复的控制；实现对光伏阵列对蓄电池的过充和过充恢复的控制；也可实现对逆变输入直流电压的欠压和过压控制，并给出相应指示。单片机通过第3路A/D接口对温度进行检测，并根据检测结果适时修改蓄电池的充/放电保护点。用四个I/O口送外部扩展作显示与键盘操作控制，其中RB0/INT被设置成中断控制每50ms刷新LED显示。按键中断，轮寻检测电压、电流、温度状态，与阀值比较，判断进入相应的充电阶段，改变显示缓冲区内容，实现电池电压、充电电流、已充容量的显示切换。
图5.1 充电控制电路框图
六、结语总结与展望
风能和太阳能等可再生能源具有清洁无污染、廉价、可靠、丰富等优点，因而具有广泛的应用前景。可再生能源发电主要是风力发电和太阳能(光伏)发电，各自的独立电源系统受自然因素的影响供电不太稳定，基于此产生了适用于风光互补的逆变电源系统。风光互补逆变电源的发展能为偏远地区能得到持续稳定的正弦交流电做出了贡献，大大提高了人民的生活水平。
关键词: 全桥逆变，风光互补，正弦脉宽调制
[Abstract] wind energy and solar energy is the nature of renewable green energy, beautiful complementary sine wave inverter can put the two kinds of renewable energy power allocation, provide sine wave alternating current steady for the people. The article introduces the suitable for wind energy and solar energy complementary single-phase sine wave inverter hardware structure, working principle and the charge and discharge control design method.
[keyword] full bridge inverter, Wind-solar complementary, sinusoidal pulse width modulation
中图分类号：TM919文献标识码：A
一、风光互补型电源系统
（一）太阳能和风能在资源上的互补性：
太阳能是地球上一切能源的来源，风能是太阳能在地球表面的另外一种表现形式，太阳能与风能在时间上和地域上都有很强的互补性。图1.1为某地10月份的一天中太阳能和风能资源的分布。可以看出：白天太阳光最强时，风很小，晚上太阳落山后，光照很弱，地表温差变化大而风能加强；在夏季，太阳光强度大而风小，冬季，太阳光强度弱而风大。时间上的互补性使风光互补发电系统在资源上具有最佳的匹配性，风光互补发电系统是资源条件理想的独立电源系统。
图1.1 某地10月份风光互补资源图
（二）太阳能和风能在技术上的互补性
光电系统是利用光电板将太阳能转换成电能，然后通过控制器对蓄电池充电，最后通过逆变器对用电负荷供电的一套系统；风电系统是利用小型风力发电机，将风能转换成电能，然而通过控制器对蓄电池充电，最后通过逆变器对用电负荷供电的一套系统。他们都存在一个共同的缺陷，资源的不确定性导致发电与用电负荷的不平衡，两种系统都必须通过蓄电池储能才能稳定供电，而每天的发电量受天气的影响很大，会导致系统的蓄电池组长期处于亏电状态，这也是引起蓄电池组使用寿命降低的主要原因。
图1.2 风光互补电源系统
由于太阳能与风能的互补性强，风光互补发电系统在资源上弥补了风电和光电独立系统在资源上的缺陷。同时，风电和光电系统在蓄电池组和逆变环节是可以通用的，所以系统的造价可以降低，系统成本趋于合理。风光互补电源系统可以根据用户的用电负荷情况和资源条件进行系统容量的合理配置，既能保证供电的可靠性，又降低发电系统的成本。无论是怎样的环境和用电要求，风光互补发电系统都能做出最优化的系统设计方案来满足用户的要求。图1.2为基于MCU的风光互补电源系统结构简图。
二、风光互补型独立电源系统
（一）风光互补型独立电源系统的总体结构
一般小型户用风光互补独立电源系统由光电系统、风电系统、逆变系统、充放电控制系统等构成，如图2.1所示。
图2.1 风光互补电源系统框图
（二）风光互补正弦波逆变器吸收电路的设计
图2.2开关管截止电流吸收网络
在该电路中，开关管工作在截止状态的瞬间，为把存储时间减少到最低限度，一般采用加大反向门极电流的办法。但是如果Ig 过大，会造成发射结的雪崩，而损坏开关管。为了防止这种情况，可采用RC吸收回路。RC吸收回路并联在MOSFET的漏、源极（IGBT的集电极和发射极）之间，在开关管截止时给漏极分流，见图2.2。当Q截止时，电容C通过二极管VD1被充电到工作电源电压E；Q导通时，电容C通过电阻R放电。实际上，吸收回路消耗了一定量的功率，减轻了开关管的负担。如果没有吸收回路，这一部分功率就必须由开关管承担。在实际设计电路时，可用下面公式进行估算。在开关管Q截止时，其能量可用下式表示：
（2-1）
式中，Ic 为最大集电极电流（A）；Uce 为最大集电极-发射极电压（V）；tr 为集电极电压最大上升时间（s）；tf 为集电极电流最大下降时间（s）。由电容定义可求出：
（2-2）
由图2.2可知，电容C上的电压可以写成下式：
（2-3）
式中，ton 是开关管导通时间（这时C经过R放電）。
选取RC回路的参数值要保证以下条件：
1）在开关管截止时间（toff）内必须能使电容C充电到接近Uce 电压；
2）在开关管导通期间（ton）内必须能使电容C上的电荷经电阻R放完，所以应使表达式的值接近于1。
当ton =3RC时，，既可以认为经过3RC的延迟，电容C已基本上把电荷放完，R的取值可由决定。在开关管导通时，应把电容C通过开关管放电的电流限制在0.25A以下。
三、工频变压器的设计和平波电容器的选择
（一） 工频变压器的设计
工频变压器在风光互补正弦波逆变电源系统中起到升压和隔离的作用，它对逆变器的效率、工作可靠性和输出电气性能有着直接的影响，设计不合理会导致噪声、波形畸变、饱和等问题。
变压器变比的设定一般是按照逆变器直流侧输入电压最低值时也能保证输出达到所要求的最高值，而这时，逆变器工作在最大占空比上。取逆变器输入直流电压36V，输出为220V交流电压，设原、副边匝数分别为N1, N2，则变压器变比n为：
（3-1）
由于变压器的绕组内阻压降和前级滤波电感绕组压降，实际原、副边变比应比上述理论值小些，取：
（3-2）
（二） 直流侧平波电容器的选择
对于风光互补逆变器直流侧平波电容器的选择通常按C=（3～5）T/RL计算，其中，T为输入侧直流电压的脉动周期，RL为直流侧等效负载电阻，按本系统额定功率P=500W，电容上平均电压为VE=36V，则直流侧等效负载电阻：
（3-3）
若直流侧为交流电压(频率50Hz)经全波整流后的电压则，T = l 0 ms，则可得：
（3-4）
由于独立逆变时直流侧采用的是蓄电池电压，实际上，T应该小一些，则电容值也相应小一些，取：C≈6000μF，采用多个电解电容并联取值。
四、 风光互补正弦波逆变器的控制回路设计
本节主要讲风光互补逆变器的控制电路部分，主要内容包括：正弦波脉冲宽度调制（SPWM）信号生成电路的设计，功率开关管驱动电路的设计，辅助电源的设计和各种保护电路的设计。
（一）主回路功率开关管驱动电路的设计
由于正弦波脉冲宽度调制（SPWM）信号生成电路和辅助电源的设计，已经有较为成熟的设计电路，此处不做详细讲述。
对于主电路功率开关管MOSFET的驱动我们采用分立元件光电耦合隔离型驱动电路，隔离器件选用TOSHIBA公司生产的高速光耦TLP250，它包含一个GAALAS光发射二极管和一个集成光探测器，8脚双列封装结构，适合于IGBT或电力MOSFET栅极驱动电路。图4.1为TLP250的内部结构简图。
图4.1 TLP250内部结构简图
1．TLP250的使用特点（1）TLP250输出电流较小，对较大功率开关器件实施驱动时，需要外加功率放大电路。（2）由于流过MOSFET的电流是通过其它电路检测来完成的，而且仅仅检测流过MOSFET的电流，这就有可能对MOSFET的使用效率产生一定的影响，比如MOSFET在安全工作区时，有时出现的提前保护等。（3）要求控制电路和检测电路对于电流信号的响应要快，一般由过电流发生到MOSFET可靠关断应在10μS以内完成。（4）当过电流发生时，TLP250得到控制器发出的关断信号，对MOSFET的栅极施加一负电压，使MOSFET硬关断。造成了施加于MOSFET两端的电压升高很多，有时就可能造成MOSFET的击穿。（5）使用TLP250时应在管脚8和5间连接一个0.1μF的陶瓷电容来稳定高增益线性放大器的工作，提供的旁路作用失效会损坏开关性能，电容和光耦之间的引经长度不应超过1cm。
图4.2 主电路功率开关器件驱动电路
2．驱动原理如图4.2所示。当SPWM信号为低电平时，TLP250内部LED发光，推挽输出为高电平，三极管Q20导通Q24关断，则输出的驱动信号为正压信号；反之，三极管Q24导通Q20关断，输出的驱动信号在稳压管的作用下为反压关断信号。
（二）各种保护电路的设计
1. 过载保护
为了防止系统过载，设计了过载保护电路，即使输出短路，系统也能实现自动保护并锁定保护状态，过载保护指示灯(红色)亮起，直到负荷降低到规定限度以下，逆变器将会重新恢复工作。
2. 过压保护和欠压保护
1）过压保护 当蓄电池电压到达充电上界点时（36V上界点默认值为46.2V），控制器将自动进入浮充状态，此时观察到充电指示灯在闪亮，这个时候泄荷器将自动开启泄荷旁路，适量泄放多余的电量。待电压进入正常范围后，自动关闭过压泄荷旁路。。
2）欠压保护 逆变器工作过程中，如果蓄电池的电压逐步降低，当低于32.4V左右时，保护灯（红色）亮起，逆变器停止工作，蓄电池等待充电。
3.过热保护
当用电负荷较多、工作时间较长，或是气候炎热通风不良，逆变器温度升高到一定程度，温度警戒指示灯亮起，逆变器停止工作，并锁定保护状态。直到温度恢复到正常，再打开电源开关，逆变器自动恢复工作。
五、 风光互补智能充电控制
（一）充电控制原理
风光互补电源系统根据性能可分为充电状态、负载状态(放电状态)、保护状态。系统同时监测太阳能组件、风力发电机、负载和两组蓄电池的状况，在相应条件时，进入对应的状态。在每一状态中，系统不仅完成自身阶段的工作，还可根据用户需要设定相应的系统参数并显示系统状态。
（二）风光互补智能充电控制的软件实现
通过比较实用性和经济性，选择PIC16C711單片机，如图5.1所示，单片机PIC16C711通过第1路A/D接口RA0/AN0接电流采样信号，通过第2路A/D接口RA1/AN1接蓄电池采样电压信号，通过第4路A/D接口RA3/AN3接风机电压采样信号，根据检测结果实现风机泄荷和泄荷恢复的控制；实现对光伏阵列对蓄电池的过充和过充恢复的控制；也可实现对逆变输入直流电压的欠压和过压控制，并给出相应指示。单片机通过第3路A/D接口对温度进行检测，并根据检测结果适时修改蓄电池的充/放电保护点。用四个I/O口送外部扩展作显示与键盘操作控制，其中RB0/INT被设置成中断控制每50ms刷新LED显示。按键中断，轮寻检测电压、电流、温度状态，与阀值比较，判断进入相应的充电阶段，改变显示缓冲区内容，实现电池电压、充电电流、已充容量的显示切换。
图5.1 充电控制电路框图
六、结语总结与展望
风能和太阳能等可再生能源具有清洁无污染、廉价、可靠、丰富等优点，因而具有广泛的应用前景。可再生能源发电主要是风力发电和太阳能(光伏)发电，各自的独立电源系统受自然因素的影响供电不太稳定，基于此产生了适用于风光互补的逆变电源系统。风光互补逆变电源的发展能为偏远地区能得到持续稳定的正弦交流电做出了贡献，大大提高了人民的生活水平。