家用單相逆變電源系統研究

馮驍馳 馮璇

摘 要：家用電器在電網側停電后停止工作，有些緊急情況在停電后需要使用家用電器使用備用電源供電，因此研究家用單相逆變電源系統具有很大的實際應用意義。本文基于單相逆變電源系統詳細闡述了其組成部分，分析了每個部分的原理和功能，重點分析了電池三段式充電原理以及控制策略、BOOST升壓電路拓撲、SPWM逆變控制策略以及PID閉環控制算法，在MATLAB中實現了SPWM逆變控制策略研究及其結果分析。

1前言

目前家用電器大多都是“50HZ 220V”交流電源，我國電網側輸入到用戶住宅的家用電源類型都是交流“50HZ 220V”電源，當電網停電后，家用電器由于沒有電源輸入而停止工作，有些緊急情況下需要保障電器在停電后正常工作，這時需要使用備用電源。備用電源在電網正常供電時，備用電源處于電池充電模式，保障電池在需要工作時處于滿額狀態;備用電源檢測到電網停電，備用電源系統電池開始供電，系統控制電池升壓，再逆變輸出穩定的“50HZ 220V”電壓，保障家用電器在電網停電后正常工作。

2家用單相電源系統組成

家用單相逆變電源包括五個模塊組成，電池模塊、充電模塊、輔源電源模塊、升壓模塊以及逆變模塊，五大模塊協同作用實現家用單相逆變電源在電網電源斷電給家用電器供電，保障家用電器的正常工作。

如圖1所示為家用單相逆變電源系統框圖，電網輸入AC220V電壓，電網供電正常時，輔助電源模塊供電池充電，當電網斷電后，電池通過升壓電路完成DC/DC變換，電池輸入電壓經過升壓電路后輸出直流電壓為310V，升壓之后的直流電壓經過逆變電路后輸出“50HZ 220V”的交流電。

電池模塊，電池類型包括蓄電池、鋰電池以及鉛酸電池，根據安全性以及實用性，選用鉛酸電池作為家用單相逆變電源系統電池模塊，選用12V 12AH電池。

鉛酸電池的氧循環原理在充電的情況下：

鉛酸電池充電采用負極過量的原理，當正極板充飽電的時候由于負極板過量，負極板還處于沒有充飽電狀態，因此，沒有氫氣溢出。正極板充飽電的時候電解水產生的氧氣通和負極板的鉛反應生成PbO，PbO再跟硫酸反應，變成水和硫酸鉛，水又回到電解液中，形成一種循環。產生的氣體在電池內部循環，從而實現密閉。

輔助電源模塊主要完成電池充電功能，將電網輸入交流電變換為直流電，輸入電壓為交流220V電源，整流電路輸出310V直流電壓，由于電池電壓滿電狀態下為54V，對于充電輸入電壓的要求不宜過高，因此需要將310V的直流電降壓輸出75V，供電池充電。

充電模塊主要完成電池充電功能。包括反激電路和BUCK兩種方案，家用單相逆變電源系統使用BUCK電路，通過PWM控制技術實現電池三段式充電。

升壓模塊主要完成電池電壓升壓為逆變模塊需要的輸入直流電壓，包括BOOST升壓和推挽升壓兩種方案，家用單相逆變電源系統使用BOOST升壓電路，實現將50V左右的電池電壓升壓至310V直流電輸出。

逆變模塊主要完成直流電變換為交流電的功能，家用單相逆變電源系統使用H橋電路實現，將310V直流電變換為交流220V輸出。

3充電電路

家用單相逆變電源系統使用BUCK電路實現電池充電，BUCK電路拓撲電路如圖3所示。

BUCK變換器的構成分為幾個主要的部分，電路主控制集成電路分為開關二極管Q1和續流電感二極管C、D及儲能控制單元的續流電感A和L、電容B和C等三個部分串聯組成的一個高頻濾波控制電路。這種轉換電路可以用來把較高的直流電壓輸入輸出電壓換成Us，或者可說是更低的直流電壓輸出輸入電壓換成Uo。

家用單相逆變電源系統使用三段式充電算法實現電池充電，主要包括恒流充電、恒壓充電以及浮充充電，電池充電曲線圖如圖4所示。

如圖4為鉛酸電池充電曲線，圖中對應的充電電壓為每個單元的，鉛酸電池每節電池有6個單元組成，第一階段，恒定電流I1充電直至電池電壓達到U1;電流I1要求≤0.3C，即恒流充充電電流小于3.6A，一般設置為1.2-2.4A之間。第二階段恒定電壓U1充電至電流下降至I2，恒壓充電電壓為57V，電流I2一般為0.24-0.36A之間;第三階段恒定電壓U2進入浮充充電階段，浮充電壓為55V。

4升壓電路

家用單相逆變電源系統使用BOOST升壓電路實現升壓功能，BOOST升壓電路如圖5所示。

其中前半部分的拓撲結構主要是由啟動升波降壓整流電感電路L與r及啟動濾波開關二極管S兩個小部分共同組成，而后由啟動濾波升壓二極管D與啟動濾波升壓電容電路C及啟動負載電路R兩個小部分共同構成了后半段的部分。在對它們的實際工作量和原理功能進行了詳細分析之前，先需要確認一個假定全部的整流元器件都必須是一種理想整流類型，且整流升壓器的電感和整流濾波器的電容都通常是巨大。在整個S導體接通期間，電源向感應負載的整個感應電路充滿電能并且其中的充電電流連續，同時充電過濾器和濾波后的整流電容為整個負載感應提供最大電力，由于它們的電容值很高，故我們通常可以將它們直接看成不只是一個恒壓源，因此它們可以直接使得進入輸出平衡。

5逆變電路

主要由功率半導體器件、控制電路以及驅動電路三部分組成，主要實現將直流電壓轉換為交流電輸出，單相逆變器的主電路拓撲結構，功率器件為A、B兩組橋臂組成H橋，控制電路通過控制四個功率開關管導通與關斷從而實現直流電壓轉換為交流電壓輸出的過程。逆變器的六個功率開關管何時導通與關斷需要采取相應的控制策略，這樣才能保證逆變器輸出的波形諧波小，直流側電壓的利用率高。目前，逆變器采用矢量控制的策略控制開關管波形的調制，從而保證逆變器工作效率。

單相逆變電路一般使用SPWM（Sinusoidal PWM）調制策略，SPWM法是一種比較成熟的、使用較廣泛的PWM法。沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時，其效果基本相同。SPWM法就是以該結論為理論基礎，用脈沖寬度按正弦規律變化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆變電路中開關器件的通斷，使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應區間內的面積相等，通過改變調制波的頻率和幅值則可調節逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。SPWM調制策略主要分為單極性和雙極性，調制波和載波：曲線①是正弦調制波，其周期決定于需要的調頻比kf，振幅值決定于ku，曲線②是采用等腰三角波的載波，其周期決定于載波頻率，振幅不變，等于ku=1時正弦調制波的振幅值，每半周期內所有三角波的極性均相同（即單極性）。調制波和載波的交點，決定了SPWM脈沖系列的寬度和脈沖音的間隔寬度，每半周期內的脈沖系列也是單極性的。單極性調制的工作特點：每半個周期內，逆變橋同一橋臂的兩個逆變器件中，只有一個器件按脈沖系列的規律時通時斷地工作，另一個完全截止;而在另半個周期內，兩個器件的工況正好相反，流經負載ZL的便是正、負交替的交變電流。

家用單相逆變電源為了穩定輸出電壓，使用PID閉環控制實現逆變控制，系統自動采集輸出電路，使用滑動濾波算法自動計算輸出電壓的有效值，利用PID控制輸出電壓有效值穩定在220V。系統采用增量式PID控制器實現對逆變電路的控制，增量式PID的控制原理如式3.1所示。

其中式中e（k）：本周期控制量的偏差;

e（k-1）：上個周期控制量的偏差;

e（k-2）：上上個周期控制量的偏差;

Pwm代表PID控制器一個周期計算的輸出量。本文設計的速度控制只用到了PI控制，因此將PID控制器簡化為如下式所示。

e（k）表示速PI控制器的偏差，有效值電壓偏差由反饋電壓與指令電壓的差得到，Kp以及Ki為電壓PI控制器的PI參數。當反饋電壓有效值與220V指令值的偏差比較大的時候，電壓PI控制器計算得到的占空比值比較大，使實際輸出電壓增大，當反饋電壓有效值與220V指令值偏差比較小時， PI控制器計算得到的占空比值較小，輸出比較小的占空比PWM波，使輸出電壓不再增大。

6仿真結果及驗證

在MATLAB/SIMULINK中搭建仿真模型，完成家用單相逆變電源逆變模塊的仿真驗證。

如圖7為家用單相逆變電源仿真模型，輸入直流電壓，H橋變換后輸出交流220V，控制部分調制波為正弦波，使用PI調節實現系統閉環控制，仿真系統在輸出過程中接入負載，驗證系統在突加載時系統輸出的220V電壓是否穩定。

如圖8所示，為家用單相逆變電源系統仿真結果圖，兩個波形分析對應輸出電壓以及輸出電流，系統輸出后輸出電壓有效值為220V，頻率為50HZ，在時間為0.08s時刻系統突加載，輸出電流增大，系統輸出電壓穩定輸出220V，驗證了系統輸出電壓的穩定性。

作者簡介：

個人簡介：馮驍馳（2002-），男，漢族，籍貫河南省焦作市沁陽市，畢業于河南省沁陽市永威高中，現就讀于鄭州大學，中學學習階段，曾榮獲全國青少年科技創新大賽省級一等獎，數學、物理奧林匹克競賽省級三等獎、全國英語能力競賽二等獎等獎項，常年擔任班長、課代表、學習委員等職務，曾多次被評為市級三好學生、優秀班干部，主要研究方向：電力電子。

馮璇（1995-），女，漢族，籍貫河南省焦作市沁陽市，畢業于河南科技學院，國網河南省電力公司原陽縣供電公司，學習期間曾多次榮獲市級三好學生，工作期間被評為優秀員工，主要研究方向：電力電子技術。