一種新型家用太陽能交流電源的設計

孫春虎 王 靜 凌 景

（巢湖學院機械與電子工程學院 安徽巢湖 238000）

一、太陽能交流電源原理

太陽能交流電源原理[1]框圖如圖1所示。

太陽能交流電源主要由太陽能板、DC/DC電路、充電電路、控制電路、48V蓄電池、48V逆變器組成。

圖1 太陽能交流電源原理框圖

DC/DC電路的作用是實現太陽能板的最大功率輸出；充電電路的作用是給48V的蓄電池充電；控制電路實現對DC/DC電路和充電電路的驅動控制；48V逆變器的主要作用是將48V直流電逆變成220V交流電。

由圖原理可知：白天時，蓄電池可以一邊充電，一邊對交流負載放電；晚上時，蓄電池可以帶交流負載，也可以不經48V逆變器，直接帶直流負載。可見，該太陽能交流電源不像普通的太陽能電源只能白天充電，晚上放電。

二、太陽能交流電源硬件設計

太陽能交流電源硬件設計主要包括：DC/DC電路設計、充電電路設計、控制電路設計以及48V逆變器設計。

（一）DC/DC電路設計。本文選用的太陽能板為200W，額定工作電壓36.1V，額定工作電流5.58A。DC/DC電路設計的主要目的是使太陽能板能實時的最大功率輸出。

常用的DC/DC電路為Boost電路[2]和Buck電路，由于Boost較Buck電路具有轉換效率高、能提升電壓、受占空比影響小等優點[3]，實際應用中以Boost電路居多。Boost電路如圖2所示。

圖2 Boost電路原理圖

最大功率點跟蹤常用的方法有增量電導法、干擾觀察法和占空比擾動法。由于前兩種控制方法都較復雜，本文采用改進的占空比擾動法，即：變步長的占空比擾動法。當dP/dD大于0且很大時，大步長占空比擾動；當dP/dD大于0且很小時，小步長占空比擾動。

由于一般最大功率點出現在占空比D大于0.5的范圍內，因而初始占空比可設置為0.5，這樣可以大大提高跟蹤的快速性和精確性。直接以占空比作為控制參數，從而大大簡化了控制系統的設計。

太陽能板正常工作時輸出為36V，最大功率點占空比大于0.5，故Boost電路輸出電壓大于72V，故可給60V及以下的蓄電池充電。

（二）充電電路設計。常規的蓄電池充電方法采用三段式：恒流階段、恒壓階段、浮充階段，但是這種充電方法較慢。本文采用了一種新的三段恒流充電方法，即：大電流階段、小電流階段、浮充電流階段。

傳統的充電電路主電路采用AC/DC/AC/DC的組合形式，借助復雜的模擬控制系統實現恒流、恒壓充電，充電電路復雜，為此，本文提出了一種新型的Buck恒流充電電路，如圖3所示，由該電路輸入、輸出關系可得到公式（1）。

式中：V2—Buck電路輸入電壓；

D—開關S2的占空比；

E—蓄電池電壓；

I—蓄電池充電電流；

R—蓄電池充電回路總電阻。由公式（1）知：即使R、E、V2變化，但只要選擇合適的占空比D即可保持以恒定的電流I充電，這就是恒流充電的基本原理。

太陽能板正常工作時，Boost電路的輸出電壓為72V，采用Buck電路給蓄電池充電時，考慮到壓降，蓄電池的電壓規格只能是48V及以下，本文蓄電池采用4節12V/100AH的容量規格。充電策略如下：第一階段采用10A的恒流充電；當蓄電池電壓大于50V時進入第二階段的5A的恒流充電；當蓄電池電壓大于53V時進入第三階段的1A的浮充恒流充電。

圖3 Buck恒流充電電路

（三）控制電路設計。控制電路的主要功能是實現Boost電路的MPPT跟蹤控制和Buck電路的三段恒流充電控制。為了滿足控制的實時性、精確性這里選用美國TI公司的16位低功耗單片機MSP430F149[4]。MSP430F149有兩個16位的定時器A和B，通過比較器可分別產生2路和6路PWM波。

本文利用定時器A產生2路PWM波，一路用于控制Boost電路，另一路用于控制Buck電路。定時器A中的TACCRO設置PWM波的頻率；TACCR1和TACCR2分別設置Boost電路和Buck電路的占空比；TACCTL1和TACCTL2設置兩路PWM波的輸出方式，通常為7；TACTL設置定時器A四種計數方式，通常為方式1。控制電路如圖4所示。

圖4 MSP430F149控制電路圖

由圖4可知：利用P1.2、P1.3口產生PWM1、PWM2分別控制Boost電路和Buck電路；P6.3～P6.6口為4路12位的模擬信號采樣口；P6.3、P6.4口實現MPPT跟蹤控制；P6.5、P6.6口實現三段恒流充電控制，4路模擬信號由4個霍爾傳感器采樣而來，這里不再詳述。

（四）48V逆變器設計。通常單相逆變器直流側電壓理論最小值為311V，若考慮調制比，實際電壓至少在350V以上，本設計選定為380V。顯然蓄電池的48V電壓需要先升到380V，然后才能進行逆變輸出。

直流升壓電路的拓撲結構有Boost電路、雙管正勵變換器、推挽電路。Boost電路由于效率受到占空比的影響，占空比越大，效率越低，因而通常電壓增益小于5；雙管正勵變換器由于變壓器磁通只能在單方向變化，故體積較大且整流輸出電壓和電流的脈動大、輸出端濾波器的體積大；推挽電路很好的克服了以上缺點。

本文采用推挽電路，推挽電路如圖5所示。該升壓控制電路以SG3525[5]為核心，產生2路帶死區的PWM波，經TLP250驅動實現推挽電路的380V升壓控制。

圖5 推挽式直流升壓變換器

逆變輸出電路采用全橋變換器，如圖6所示。控制系統以雙極性的SPWM集成控制芯片TDS2285[6]為控制核心，利用其外圍電路產生2路SPWM波，經過非門、RC電路、與非門形成帶死區的4路PWM波，最后通過4個TLP250驅動電路驅動全橋逆變，產生220V交流電。

圖6 單相全橋逆變器

三、太陽能交流電源軟件設計

太陽能交流電源軟件設計目標是實現Boost電路MPPT跟蹤和Buck電路恒流充電控制，因而軟件設計包括：改進的MPPT占空比擾動法程序設計、Buck恒流充電程序設計、PWM波程序設計。

（一）改進的MPPT占空比擾動法程序設計。常規的占空比擾動法以爬坡形式尋找最大功率點，因而尋找過程較慢；尋找過程中以固定的占空比步長尋找，若步長較大則會導致跟蹤誤差較大，若步長較小又會造成跟蹤速度較慢，當外界環境變化較快時將無法實現MPPT的跟蹤。

由于一般最大功率點出現在占空比D大于0.5的范圍內，因而可將初始占空比設為0.5，這樣可以加速MPPT跟蹤的速度。改進的占空比擾動法流程圖如圖7所示，它采用變步長形式跟蹤最大功率點，且每次保存D(k)、p(k)、D(k+1)值。算法如下：當Δp(k)/ΔD(k)絕對值大于λ時，以大步長λ2跟蹤；當Δp(k)/ΔD(k)絕對值小于λ時，以小步長λ1跟蹤[7]。

MSP430F149單片機根據D(k+1)產生1路PWM信號，從而實現Boost電路的MPPT跟蹤。

圖7 改進的占空比擾動法流程圖

（二）Buck恒流充電程序設計。Buck恒流充電程序流程圖如圖8所示，首先測量蓄電池電壓，若電壓小于50V，則以10A的電流恒流充電；若電壓在50V和53V之間，則以5A的電流恒流充電；若電壓大于53V，則以1A的電流恒流充電。

流程圖利用數字PID對電流誤差進行運算得出占空比控制量D2，MSP430F149單片機再根據D2產生1路PWM波驅動Buck電路，以實現三段恒流充電控制。

圖8 Buck恒流充電流程圖

（三）PWM波程序設計。本系統利用定時器A在腳P1.2、腳P1.3產生2路PWM信號分別驅動Boost電路和Buck電路。設D1、D2分別為某一時刻Boost電路和Buck電路所需控制的占空比，PWM波程序流程圖如圖9所示。

P1SEL、P1DIR設置腳P1.2、腳P1.3為PWM輸出口；OUTMOD_7為PWM輸出模式7；FACTL設置定時器計數模式為增加模式；TACCR0設置 PWM波頻率；TACCR1、TACCR2設置占空比。

圖9 PWM程序流程圖

四、結語

該太陽能交流電源白天、晚上都能放電，滿足了白天的用電需求；MPPT跟蹤速度與精度有所提高；Buck恒流充電電路簡化了充電電路設計、效率高、可靠性高；具有一定的參考與應用價值。

[1]黃漢云.太陽能光伏發電應用原理[M].北京：化學工業出版社，2013.

[2]陳堅.電力電子學——電力電子變換和控制技術[M].北京：高等教育出版社，2004.

[3]王廈楠.獨立光伏發電系統及其MPPT的研究[D].南京：南京航空航天大學，2008.

[4]謝楷.MSP430系列單片機系統工程設計與實踐[M].北京:機械工業出版社，2010.

[5]向東，尹斌，王海光.一種基于SG3525的半橋變換器[J].中國科技論文在線，2006(5).

[6]譚寶成，崔佳超.大功率車載交流電源的設計與研究[J].電子設計工程，2014(20).

[7]劉珊，易靈芝，鄧棟，等.基于改進占空比擾動法的光伏系統的研究[J].計算技術與自動化，2011(3).