摘要: 風能和太陽能是大自然的可再生綠色能源，風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能太陽能互補的單相正弦波逆變電源的硬件結構、工作原理以及充放電控制的設計方法。

　　關鍵詞: 能源科技論文發(fā)表,期刊征稿,全橋逆變,風光互補,正弦脈寬調制

　　一、風光互補型電源系統(tǒng)

　　(一)太陽能和風能在資源上的互補性：

　　太陽能是地球上一切能源的來源，風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能資源的分布。可以看出：白天太陽光最強時，風很小，晚上太陽落山后，光照很弱，地表溫差變化大而風能加強;在夏季，太陽光強度大而風小，冬季，太陽光強度弱而風大。時間上的互補性使風光互補發(fā)電系統(tǒng)在資源上具有最佳的匹配性，風光互補發(fā)電系統(tǒng)是資源條件理想的獨立電源系統(tǒng)。

　　(二)太陽能和風能在技術上的互補性

　　光電系統(tǒng)是利用光電板將太陽能轉換成電能，然后通過控制器對蓄電池充電，最后通過逆變器對用電負荷供電的一套系統(tǒng);風電系統(tǒng)是利用小型風力發(fā)電機，將風能轉換成電能，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，資源的不確定性導致發(fā)電與用電負荷的不平衡，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。

　　由于太陽能與風能的互補性強，風光互補發(fā)電系統(tǒng)在資源上彌補了風電和光電獨立系統(tǒng)在資源上的缺陷。同時，風電和光電系統(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。風光互補電源系統(tǒng)可以根據(jù)用戶的用電負荷情況和資源條件進行系統(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，風光互補發(fā)電系統(tǒng)都能做出最優(yōu)化的系統(tǒng)設計方案來滿足用戶的要求。圖1.2為基于MCU的風光互補電源系統(tǒng)結構簡圖。

　　二、風光互補型獨立電源系統(tǒng)

　　(一)風光互補型獨立電源系統(tǒng)的總體結構

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

　　(二)風光互補正弦波逆變器吸收電路的設計

　　在該電路中，開關管工作在截止狀態(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)射結的雪崩，而損壞開關管。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，在開關管截止時給漏極分流，見圖2.2。當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，減輕了開關管的負擔。如果沒有吸收回路，這一部分功率就必須由開關管承擔。在實際設計電路時，可用下面公式進行估算。在開關管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 是開關管導通時間(這時C經過R放電)。

　　選取RC回路的參數(shù)值要保證以下條件：

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

　　2)在開關管導通期間(ton)內必須能使電容C上的電荷經電阻R放完，所以應使表達式 的值接近于1。

　　當ton =3RC時， ，既可以認為經過3RC的延遲，電容C已基本上把電荷放完，R的取值可由 決定。在開關管導通時，應把電容C通過開關管放電的電流 限制在0.25A以下。

　　三、工頻變壓器的設計和平波電容器的選擇

　　(一) 工頻變壓器的設計

　　工頻變壓器在風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，設計不合理會導致噪聲、波形畸變、飽和等問題。

　　變壓器變比的設定一般是按照逆變器直流側輸入電壓最低值時也能保證輸出達到所要求的最高值，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阻壓降和前級濾波電感繞組壓降，實際原、副邊變比應比上述理論值小些，取：

　　(二) 直流側平波電容器的選擇

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

　　若直流側為交流電壓(頻率50Hz)經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采用的是蓄電池電壓，實際上，T應該小一些，則電容值也相應小一些，取：C≈6000μF，采用多個電解電容并聯(lián)取值。

　　四、 風光互補正弦波逆變器的控制回路設計

　　本節(jié)主要講風光互補逆變器的控制電路部分，主要內容包括：正弦波脈沖寬度調制(SPWM)信號生成電路的設計，功率開關管驅動電路的設計，輔助電源的設計和各種保護電路的設計。

　　(一)主回路功率開關管驅動電路的設計

　　由于正弦波脈沖寬度調制(SPWM)信號生成電路和輔助電源的設計，已經有較為成熟的設計電路，此處不做詳細講述。

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

　　1.TLP250的使用特點 (1)TLP250輸出電流較小，對較大功率開關器件實施驅動時，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)的提前保護等。(3)要求控制電路和檢測電路對于電流信號的響應要快，一般由過電流發(fā)生到MOSFET可靠關斷應在10μS以內完成。(4)當過電流發(fā)生時，TLP250得到控制器發(fā)出的關斷信號，對MOSFET的柵極施加一負電壓，使MOSFET硬關斷。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性能，電容和光耦之間的引經長度不應超過1cm。

　　2.驅動原理 如圖4.2所示。當SPWM信號為低電平時，TLP250內部LED發(fā)光，推挽輸出為高電平，三極管Q20導通Q24關斷，則輸出的驅動信號為正壓信號;反之，三極管Q24導通Q20關斷，輸出的驅動信號在穩(wěn)壓管的作用下為反壓關斷信號。

　　(二)各種保護電路的設計

　　1. 過載保護

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

　　2. 過壓保護和欠壓保護

　　1)過壓保護 當蓄電池電壓到達充電上界點時(36V上界點默認值為46.2V)，控制器將自動進入浮充狀態(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。待電壓進入正常范圍后，自動關閉過壓泄荷旁路。。

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

　　3.過熱保護

　　當用電負荷較多、工作時間較長，或是氣候炎熱通風不良，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，并鎖定保護狀態(tài)。直到溫度恢復到正常，再打開電源開關，逆變器自動恢復工作。

　　五、 風光互補智能充電控制

　　(一) 充電控制原理

　　風光互補電源系統(tǒng)根據(jù)性能可分為充電狀態(tài)、負載狀態(tài)(放電狀態(tài))、保護狀態(tài)。系統(tǒng)同時監(jiān)測太陽能組件、風力發(fā)電機、負載和兩組蓄電池的狀況，在相應條件時，進入對應的狀態(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)用戶需要設定相應的系統(tǒng)參數(shù)并顯示系統(tǒng)狀態(tài)。

　　(二) 風光互補智能充電控制的軟件實現(xiàn)

　　通過比較實用性和經濟性，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接風機電壓采樣信號，根據(jù)檢測結果實現(xiàn)風機泄荷和泄荷恢復的控制;實現(xiàn)對光伏陣列對蓄電池的過充和過充恢復的控制;也可實現(xiàn)對逆變輸入直流電壓的欠壓和過壓控制，并給出相應指示。單片機通過第3路A/D接口對溫度進行檢測，并根據(jù)檢測結果適時修改蓄電池的充/放電保護點。用四個I/O口送外部擴展作顯示與鍵盤操作控制，其中RB0/INT被設置成中斷控制每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，判斷進入相應的充電階段，改變顯示緩沖區(qū)內容，實現(xiàn)電池電壓、充電電流、已充容量的顯示切換。

　　六、結語總結與展望

　　風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，因而具有廣泛的應用前景。可再生能源發(fā)電主要是風力發(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，基于此產生了適用于風光互補的逆變電源系統(tǒng)。風光互補逆變電源的發(fā)展能為偏遠地區(qū)能得到持續(xù)穩(wěn)定的正弦交流電做出了貢獻，大大提高了人民的生活水平。