摘要: 風(fēng)能和太陽能是大自然的可再生綠色能源，風(fēng)光互補型正弦波逆變電源可以將這兩種可再生能源發(fā)電合理配置，為人們提供持續(xù)穩(wěn)定的正弦波交流電。文章介紹了適用于風(fēng)能太陽能互補的單相正弦波逆變電源的硬件結(jié)構(gòu)、工作原理以及充放電控制的設(shè)計方法。

　　關(guān)鍵詞: 能源科技論文發(fā)表,期刊征稿,全橋逆變,風(fēng)光互補,正弦脈寬調(diào)制

　　一、風(fēng)光互補型電源系統(tǒng)

　　(一)太陽能和風(fēng)能在資源上的互補性：

　　太陽能是地球上一切能源的來源，風(fēng)能是太陽能在地球表面的另外一種表現(xiàn)形式，太陽能與風(fēng)能在時間上和地域上都有很強的互補性。圖1.1為某地10月份的一天中太陽能和風(fēng)能資源的分布。可以看出：白天太陽光最強時，風(fēng)很小，晚上太陽落山后，光照很弱，地表溫差變化大而風(fēng)能加強;在夏季，太陽光強度大而風(fēng)小，冬季，太陽光強度弱而風(fēng)大。時間上的互補性使風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)在資源上具有最佳的匹配性，風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)是資源條件理想的獨立電源系統(tǒng)。

　　(二)太陽能和風(fēng)能在技術(shù)上的互補性

　　光電系統(tǒng)是利用光電板將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，然后通過控制器對蓄電池充電，最后通過逆變器對用電負(fù)荷供電的一套系統(tǒng);風(fēng)電系統(tǒng)是利用小型風(fēng)力發(fā)電機，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能，然而通過控制器對蓄電池充電，最后通過逆變器對用電負(fù)荷供電的一套系統(tǒng)。他們都存在一個共同的缺陷，資源的不確定性導(dǎo)致發(fā)電與用電負(fù)荷的不平衡，兩種系統(tǒng)都必須通過蓄電池儲能才能穩(wěn)定供電，而每天的發(fā)電量受天氣的影響很大，會導(dǎo)致系統(tǒng)的蓄電池組長期處于虧電狀態(tài)，這也是引起蓄電池組使用壽命降低的主要原因。

　　由于太陽能與風(fēng)能的互補性強，風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)在資源上彌補了風(fēng)電和光電獨立系統(tǒng)在資源上的缺陷。同時，風(fēng)電和光電系統(tǒng)在蓄電池組和逆變環(huán)節(jié)是可以通用的，所以系統(tǒng)的造價可以降低，系統(tǒng)成本趨于合理。風(fēng)光互補電源系統(tǒng)可以根據(jù)用戶的用電負(fù)荷情況和資源條件進(jìn)行系統(tǒng)容量的合理配置，既能保證供電的可靠性，又降低發(fā)電系統(tǒng)的成本。無論是怎樣的環(huán)境和用電要求，風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)都能做出最優(yōu)化的系統(tǒng)設(shè)計方案來滿足用戶的要求。圖1.2為基于MCU的風(fēng)光互補電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖。

　　二、風(fēng)光互補型獨立電源系統(tǒng)

　　(一)風(fēng)光互補型獨立電源系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

　　一般小型戶用風(fēng)光互補獨立電源系統(tǒng)由光電系統(tǒng)、風(fēng)電系統(tǒng)、逆變系統(tǒng)、充放電控制系統(tǒng)等構(gòu)成，如圖2.1所示。

　　(二)風(fēng)光互補正弦波逆變器吸收電路的設(shè)計

　　在該電路中，開關(guān)管工作在截止?fàn)顟B(tài)的瞬間，為把存儲時間減少到最低限度，一般采用加大反向門極電流的辦法。但是如果Ig 過大，會造成發(fā)射結(jié)的雪崩，而損壞開關(guān)管。為了防止這種情況，可采用RC吸收回路。RC吸收回路并聯(lián)在MOSFET的漏、源極(IGBT的集電極和發(fā)射極)之間，在開關(guān)管截止時給漏極分流，見圖2.2。當(dāng)Q截止時，電容C通過二極管VD1被充電到工作電源電壓E;Q導(dǎo)通時，電容C通過電阻R放電。實際上，吸收回路消耗了一定量的功率，減輕了開關(guān)管的負(fù)擔(dān)。如果沒有吸收回路，這一部分功率就必須由開關(guān)管承擔(dān)。在實際設(shè)計電路時，可用下面公式進(jìn)行估算。在開關(guān)管Q截止時，其能量可用下式表示：

　　式中，Ic 為最大集電極電流(A);Uce 為最大集電極-發(fā)射極電壓(V);tr 為集電極電壓最大上升時間(s);tf 為集電極電流最大下降時間(s)。由電容定義可求出：

　　由圖2.2可知，電容C上的電壓可以寫成下式：

　　式中，ton 是開關(guān)管導(dǎo)通時間(這時C經(jīng)過R放電)。

　　選取RC回路的參數(shù)值要保證以下條件：

　　1)在開關(guān)管截止時間(toff)內(nèi)必須能使電容C充電到接近Uce 電壓;

　　2)在開關(guān)管導(dǎo)通期間(ton)內(nèi)必須能使電容C上的電荷經(jīng)電阻R放完，所以應(yīng)使表達(dá)式 的值接近于1。

　　當(dāng)ton =3RC時， ，既可以認(rèn)為經(jīng)過3RC的延遲，電容C已基本上把電荷放完，R的取值可由 決定。在開關(guān)管導(dǎo)通時，應(yīng)把電容C通過開關(guān)管放電的電流 限制在0.25A以下。

　　三、工頻變壓器的設(shè)計和平波電容器的選擇

　　(一) 工頻變壓器的設(shè)計

　　工頻變壓器在風(fēng)光互補正弦波逆變電源系統(tǒng)中起到升壓和隔離的作用，它對逆變器的效率、工作可靠性和輸出電氣性能有著直接的影響，設(shè)計不合理會導(dǎo)致噪聲、波形畸變、飽和等問題。

　　變壓器變比的設(shè)定一般是按照逆變器直流側(cè)輸入電壓最低值時也能保證輸出達(dá)到所要求的最高值，而這時，逆變器工作在最大占空比上。取逆變器輸入直流電壓36V，輸出為220V交流電壓，設(shè)原、副邊匝數(shù)分別為N1, N2，則變壓器變比n為：

　　由于變壓器的繞組內(nèi)阻壓降和前級濾波電感繞組壓降，實際原、副邊變比應(yīng)比上述理論值小些，取：

　　(二) 直流側(cè)平波電容器的選擇

　　對于風(fēng)光互補逆變器直流側(cè)平波電容器的選擇通常按C=(3～5)T/RL計算，其中，T為輸入側(cè)直流電壓的脈動周期，RL為直流側(cè)等效負(fù)載電阻，按本系統(tǒng)額定功率P=500W，電容上平均電壓為VE=36V，則直流側(cè)等效負(fù)載電阻：

　　若直流側(cè)為交流電壓(頻率50Hz)經(jīng)全波整流后的電壓則，T = l 0 ms，則可得：

　　由于獨立逆變時直流側(cè)采用的是蓄電池電壓，實際上，T應(yīng)該小一些，則電容值也相應(yīng)小一些，取：C≈6000μF，采用多個電解電容并聯(lián)取值。

　　四、 風(fēng)光互補正弦波逆變器的控制回路設(shè)計

　　本節(jié)主要講風(fēng)光互補逆變器的控制電路部分，主要內(nèi)容包括：正弦波脈沖寬度調(diào)制(SPWM)信號生成電路的設(shè)計，功率開關(guān)管驅(qū)動電路的設(shè)計，輔助電源的設(shè)計和各種保護(hù)電路的設(shè)計。

　　(一)主回路功率開關(guān)管驅(qū)動電路的設(shè)計

　　由于正弦波脈沖寬度調(diào)制(SPWM)信號生成電路和輔助電源的設(shè)計，已經(jīng)有較為成熟的設(shè)計電路，此處不做詳細(xì)講述。

　　對于主電路功率開關(guān)管MOSFET的驅(qū)動我們采用分立元件光電耦合隔離型驅(qū)動電路，隔離器件選用TOSHIBA公司生產(chǎn)的高速光耦TLP250，它包含一個GAALAS光發(fā)射二極管和一個集成光探測器，8腳雙列封裝結(jié)構(gòu)，適合于IGBT或電力MOSFET柵極驅(qū)動電路。圖4.1為TLP250的內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡圖。

　　1.TLP250的使用特點 (1)TLP250輸出電流較小，對較大功率開關(guān)器件實施驅(qū)動時，需要外加功率放大電路。(2)由于流過MOSFET的電流是通過其它電路檢測來完成的，而且僅僅檢測流過MOSFET的電流，這就有可能對MOSFET的使用效率產(chǎn)生一定的影響，比如MOSFET在安全工作區(qū)時，有時出現(xiàn)的提前保護(hù)等。(3)要求控制電路和檢測電路對于電流信號的響應(yīng)要快，一般由過電流發(fā)生到MOSFET可靠關(guān)斷應(yīng)在10μS以內(nèi)完成。(4)當(dāng)過電流發(fā)生時，TLP250得到控制器發(fā)出的關(guān)斷信號，對MOSFET的柵極施加一負(fù)電壓，使MOSFET硬關(guān)斷。造成了施加于MOSFET兩端的電壓升高很多，有時就可能造成MOSFET的擊穿。(5)使用TLP250時應(yīng)在管腳8和5間連接一個0.1μF的陶瓷電容來穩(wěn)定高增益線性放大器的工作，提供的旁路作用失效會損壞開關(guān)性能，電容和光耦之間的引經(jīng)長度不應(yīng)超過1cm。

　　2.驅(qū)動原理 如圖4.2所示。當(dāng)SPWM信號為低電平時，TLP250內(nèi)部LED發(fā)光，推挽輸出為高電平，三極管Q20導(dǎo)通Q24關(guān)斷，則輸出的驅(qū)動信號為正壓信號;反之，三極管Q24導(dǎo)通Q20關(guān)斷，輸出的驅(qū)動信號在穩(wěn)壓管的作用下為反壓關(guān)斷信號。

　　(二)各種保護(hù)電路的設(shè)計

　　1. 過載保護(hù)

　　為了防止系統(tǒng)過載，設(shè)計了過載保護(hù)電路，即使輸出短路，系統(tǒng)也能實現(xiàn)自動保護(hù)并鎖定保護(hù)狀態(tài)，過載保護(hù)指示燈(紅色)亮起，直到負(fù)荷降低到規(guī)定限度以下，逆變器將會重新恢復(fù)工作。

　　2. 過壓保護(hù)和欠壓保護(hù)

　　1)過壓保護(hù) 當(dāng)蓄電池電壓到達(dá)充電上界點時(36V上界點默認(rèn)值為46.2V)，控制器將自動進(jìn)入浮充狀態(tài)，此時觀察到充電指示燈在閃亮，這個時候泄荷器將自動開啟泄荷旁路，適量泄放多余的電量。待電壓進(jìn)入正常范圍后，自動關(guān)閉過壓泄荷旁路。。

　　2)欠壓保護(hù) 逆變器工作過程中，如果蓄電池的電壓逐步降低，當(dāng)?shù)陀?2.4V左右時，保護(hù)燈(紅色)亮起，逆變器停止工作，蓄電池等待充電。

　　3.過熱保護(hù)

　　當(dāng)用電負(fù)荷較多、工作時間較長，或是氣候炎熱通風(fēng)不良，逆變器溫度升高到一定程度，溫度警戒指示燈亮起，逆變器停止工作，并鎖定保護(hù)狀態(tài)。直到溫度恢復(fù)到正常，再打開電源開關(guān)，逆變器自動恢復(fù)工作。

　　五、 風(fēng)光互補智能充電控制

　　(一) 充電控制原理

　　風(fēng)光互補電源系統(tǒng)根據(jù)性能可分為充電狀態(tài)、負(fù)載狀態(tài)(放電狀態(tài))、保護(hù)狀態(tài)。系統(tǒng)同時監(jiān)測太陽能組件、風(fēng)力發(fā)電機、負(fù)載和兩組蓄電池的狀況，在相應(yīng)條件時，進(jìn)入對應(yīng)的狀態(tài)。在每一狀態(tài)中，系統(tǒng)不僅完成自身階段的工作，還可根據(jù)用戶需要設(shè)定相應(yīng)的系統(tǒng)參數(shù)并顯示系統(tǒng)狀態(tài)。

　　(二) 風(fēng)光互補智能充電控制的軟件實現(xiàn)

　　通過比較實用性和經(jīng)濟(jì)性，選擇PIC16C711單片機，如圖5.1所示，單片機PIC16C711通過第1路A/D接口RA0/AN0接電流采樣信號，通過第2路A/D接口RA1/AN1接蓄電池采樣電壓信號，通過第4路A/D接口RA3/AN3接風(fēng)機電壓采樣信號，根據(jù)檢測結(jié)果實現(xiàn)風(fēng)機泄荷和泄荷恢復(fù)的控制;實現(xiàn)對光伏陣列對蓄電池的過充和過充恢復(fù)的控制;也可實現(xiàn)對逆變輸入直流電壓的欠壓和過壓控制，并給出相應(yīng)指示。單片機通過第3路A/D接口對溫度進(jìn)行檢測，并根據(jù)檢測結(jié)果適時修改蓄電池的充/放電保護(hù)點。用四個I/O口送外部擴(kuò)展作顯示與鍵盤操作控制，其中RB0/INT被設(shè)置成中斷控制每50ms刷新LED顯示。按鍵中斷，輪尋檢測電壓、電流、溫度狀態(tài)，與閥值比較，判斷進(jìn)入相應(yīng)的充電階段，改變顯示緩沖區(qū)內(nèi)容，實現(xiàn)電池電壓、充電電流、已充容量的顯示切換。

　　六、結(jié)語總結(jié)與展望

　　風(fēng)能和太陽能等可再生能源具有清潔無污染、廉價、可靠、豐富等優(yōu)點，因而具有廣泛的應(yīng)用前景。可再生能源發(fā)電主要是風(fēng)力發(fā)電和太陽能(光伏)發(fā)電，各自的獨立電源系統(tǒng)受自然因素的影響供電不太穩(wěn)定，基于此產(chǎn)生了適用于風(fēng)光互補的逆變電源系統(tǒng)。風(fēng)光互補逆變電源的發(fā)展能為偏遠(yuǎn)地區(qū)能得到持續(xù)穩(wěn)定的正弦交流電做出了貢獻(xiàn)，大大提高了人民的生活水平。