一種400 W太陽能逆變電源系統(tǒng)設計

王篤亭，李一丹

(黑龍江科技大學 電氣與控制工程學院，哈爾濱 150022)

在礦物資源有限，并且污染愈演愈烈，阻礙人類發(fā)展的情況下，發(fā)展清潔、高效、有再生循環(huán)能力的環(huán)保新能源己成為科學發(fā)展的必然。因此自然能發(fā)電技術的應用受到越來越普遍的重視，潔凈廉價的太陽能正適合作為可再生的替代能源。本文設計了一個為普通家庭照明供電的太陽能逆變電源系統(tǒng)，容量為400 W。

1 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)結構

本文設計的獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)主要包括太陽能電池板、充電器、蓄電池、控制器、直流升壓電路、逆變器和太陽自動跟蹤器等，如圖1所示。

1.1 充電電路

圖1 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)框圖Fig.1 Independent photovoltaic power system block diagram

該系統(tǒng)充電電路原理如圖2所示，太陽能電池組件開路電壓為21 V，短路電流為2.9 A，所以選擇高效率的二極管MUR460，它的平均導通電流為4 A，能承受最大600 V的反壓。同理，MOS管選擇的型號是60N06。在這個充電電路中，二極管是用來防止蓄電池的電流反向流入充電器和太陽能電池板［1－2］。

1.2 逆變電路

該系統(tǒng)逆變電路的設計框圖如圖3所示。電路中推挽變換器的參數(shù)如表1所示。主功率變換電路如圖4所示，采用推挽式變換器結構，驅動電壓為VoutA，VoutB［3］。

圖2 充電電路原理圖Fig.2 Charging circuit principle diagram

表1 推挽變換器的參數(shù)Tab.1 Parameters of push-pull converter

圖3 電源電路設計框圖Fig.3 Design diagram of power supply circuit

圖4 主功率變換器Fig.4 Main power converter

1.3 最大功率跟蹤

為了充分利用光伏電池產(chǎn)生的能量在光伏電池與負載間加入了最大功率點跟蹤裝置，使光伏電池終始能夠輸出最大功率，以便更有效地利用太陽能。太陽能電池充電系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 太陽能電池充電系統(tǒng)框圖Fig.5 Solar battery charging system diagram

1.4 逆變器輸出電壓閉環(huán)控制

為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，選擇了基于SG3525的PI控制器。這樣可以使該系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后基本無誤差。具體電路如圖6 所示［4－7］。

圖6 基于SG3525的PI調節(jié)器Fig.6 PI regulator based on SG3525

1.5 電機驅動與控制電路

電機驅動電路是由單片機控制，在早上6時到下午17時之間的每個小時內的第28分鐘，單片機輸出一時間段的PWM波來控制電機正向轉動，使太陽能電池板正向轉動一定的角度;當?shù)较挛?7時，單片機控制繼電器使電機換向進行反轉，將太陽能電池板歸位到早上6時的位置，為第二天跟隨太陽做好準備，從而實現(xiàn)了對太陽的跟蹤。電機驅動與控制電路如圖7所示。

圖7 電機驅動與控制電路Fig.7 Motor drive and control circuit

2 系統(tǒng)測試

在測試該系統(tǒng)關鍵點的過程中，使用的儀器儀表有FLUKE 15B數(shù)字萬用表、C65指針式電流表、YB1731 C5A直流穩(wěn)壓電源和DS1000E數(shù)字示波器。

2.1 正弦波發(fā)生器的輸出波形

在UA741通上正負12 V電后，它開始正常工作，對電容進行充電、放電，即產(chǎn)生振蕩。輸出端接負反饋，保證振蕩的穩(wěn)定，其正弦波如圖8所示。

圖8 正弦波發(fā)生器輸出波形Fig.8 Output waveform of sine wave generator

2.2 精密整流波形

精密整流電路將正弦波的負半周波形翻轉到正半周，正弦波的正半周保留，其輸出波形如圖9所示。

圖9 精密整流波形圖Fig.9 Precision rectifier waveform

2.3 逆變電源輸出經(jīng)分壓后的波形

逆變電源輸出經(jīng)分壓后的波形如圖10所示。

圖10 輸出電壓經(jīng)分壓的波形Fig.10 Output voltage waveform after voltage divided

2.4 額定電壓下的系統(tǒng)參數(shù)

額定電壓下測試的數(shù)據(jù)如表2所示。

由表2可以看出變換器的效率隨著負載的增加，效率變大，當負載接近額定負載時，效率變化比較穩(wěn)定，并且效率較高。

表2 額定電壓下測試的數(shù)據(jù)Tab.2 Test data under rated voltage

3 結論

1)設計了光伏系統(tǒng)近似最大功率點跟蹤電路。采用分階段充電方式，實現(xiàn)了蓄電池的充電電壓和充電電流的控制。實時檢測電池端電壓，控制放電電路的工作，防止過放電。

2)采用PI調節(jié)控制方式實現(xiàn)逆變控制，用調制方法產(chǎn)生控制波形。利用推挽拓撲升壓，用SG3525驅動MOSFET，并構建了一個穩(wěn)定的PI控制環(huán)路;再利用全橋拓撲實現(xiàn)逆變。

3)根據(jù)逆變電源的工作環(huán)境和出現(xiàn)的各種異常情況，設計各種異常保護。

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