一種400 W太陽能逆變電源系統設計

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，阻礙人類發展的情況下，發展清潔、高效、有再生循環能力的環保新能源己成為科學發展的必然。因此自然能發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，容量為400 W。

1 獨立光伏發電系統結構

本文設計的獨立光伏發電系統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 獨立光伏發電系統框圖Fig.1 Independent photovoltaic power system block diagram

該系統充電電路原理如圖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如圖5所示。

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

1.4 逆變器輸出電壓閉環控制

為了消除穩態誤差，選擇了基于SG3525的PI控制器。這樣可以使該系統在進入穩態后基本無誤差。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;當到下午17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 系統測試

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

2.1 正弦波發生器的輸出波形

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，即產生振蕩。輸出端接負反饋，保證振蕩的穩定，其正弦波如圖8所示。

圖8 正弦波發生器輸出波形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 逆變電源輸出經分壓后的波形

逆變電源輸出經分壓后的波形如圖10所示。

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

2.4 額定電壓下的系統參數

額定電壓下測試的數據如表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，效率變化比較穩定，并且效率較高。

表2 額定電壓下測試的數據Tab.2 Test data under rated voltage

3 結論

1)設計了光伏系統近似最大功率點跟蹤電路。采用分階段充電方式，實現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調節控制方式實現逆變控制，用調制方法產生控制波形。利用推挽拓撲升壓，用SG3525驅動MOSFET，并構建了一個穩定的PI控制環路;再利用全橋拓撲實現逆變。

3)根據逆變電源的工作環境和出現的各種異常情況，設計各種異常保護。

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