户用逆变电源系统的研究与设计1 引言
我国西北地区国土面积辽阔，太阳能和风能资源非常丰富，其中太阳能年均辐射强度为6000～8400MJ/m2，年均太阳能光照时间为3000～3200h；风力平均为5～6级。西北边远地区经济不发达，且住户非常分散，若为这些用户提供市电，则成本太高，因而，如何合理利用现有的资源——太阳能和风能就成为解决这些问题的有效途径。
2 风、光互补型户用电源系统
系统的结构框图如图1所示。
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本系统既可以利用太阳能和风能对蓄电池充电，将自然能转化为化学能储藏在蓄电池中，然后再将化学能逆变成220V交流电供给用户使用；又可以直接将太阳能和风能逆变为220V交流电供给用户使用。
3 系统的硬件电路
本系统的硬件电路主要包括主电路、隔离与驱动电路和控制电路等。
3．1 主电路
主电路的拓扑结构如图2所示。由图2可知主电路主要包括蓄电池的过充保护电路和逆变电路。图中uFP表示经过整流后的风机输出电压，uSP表示太阳电池输出电压，K为电磁继电器，GB为额定电压24V的蓄电池组。
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3．1．1 过充保护电路的工作原理
当蓄电池的电压过高时，A点电压就会大于TL431的基准电压值Uref（=2.5V）从而使TL431导通，B点被钳为低电平，V1截止，C点为高电平，V3导通，V2截止，D点为高电平，此时VT14和VT15均导通，继电器K动作。根据太阳能电池和风机的特性，太阳能电池的输出电压被直接短路，风机的输出电压通过大功率卸载电阻R9卸放掉；相反，当蓄电池的电压过低时，VT14和VT15均截止，太阳能电池和风机的输出电压就对蓄电池充电。
3．1．2 逆变电路
采用单相全桥逆变电路，用功率MOSFET作为逆变电路的开关器件。功率MOSFET是一种多子导电的单极性电压控制型器件，具有开关动作快、输入阻抗大、驱动功率小、无二次击穿、驱动电路简单、安全工作区大等优点，特别是由于具有正温度系数，可以自动均衡电流，所以在输入电压低、工作电流大的逆变电源系统中可以将几只功率MOSFET并联以提高电流容量。在本系统中，将三只功率MOSFET并联，使电流容量增大到三倍。逆变器将整流后的直流电压转换成特定频率的SPWM波，再经过电感和电容滤波将其转换为220V的标准正弦波电压，其中电感用变压器次级的漏感代替，采用这种方式使系统结构简单，噪音低，并且能有效地抑制波形中的高次谐波成分。
SPWM控制方式预先将0～360°的正弦值制成表格存于EPROM中。由于开关驱动信号是利用正弦波参考信号与一个三角载波信号互相比较而生成的，常分为单极性和双极性两种情况。在开关频率相同的情况下，由于双极性SPWM控制产生的正弦波，其谐波含量和开关损耗均大于单极性，故本系统采用的是单极性SPWM控制。
3．2 系统的隔离和驱动模块
隔离和驱动电路是将Intel80C196MC芯片输出的SPWM信号加以隔离、放大，形成驱动各功率器件开关动作信号的电路。本系统采用东芝公司生产的专用于驱动功率MOSFET和IGBT的栅极隔离驱动芯片TLP250，其结构框图如图3所示。它是一光电耦合器件，但又不同于普通的光耦，由于其输出级是经推挽电路放大输出的，所以它不但能使原副边隔离，而且具有驱动能力，特别适合于驱动中等功率的MOSFET和IGBT。同时，在工程应用中为了从硬件上可靠防止同一桥臂上的两个功率器件上下直通，故将驱动同一桥臂功率器件的两个TLP250的脚2和脚3互相对接，形成互锁电路，从而有效地防止了桥臂功率器件的直通故障。具体电路见图4。
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3．3 控制电路及控制芯片
控制电路主要通过对直流电流、直流电压、交流电流、交流电压等信号的检测，实现系统的过压、欠压、过流、过放电、过热和反时限等保护功能。控制芯片采用Intel80C196MC微处理器。
Intel80C196MC是Intel公司于1992年推出的真正的16位单片机，由于此片内集成了一个颇具特色的波形发生器（WG）单元，从而大大简化了用于产生SPWM波形的软件和外部硬件电路。波形发生器有3个独立的模块，每个模块均包含一个数值比较器、比较寄存器、比较缓冲器、无信号时间发生器和一对可编程输出驱动通道。三相波形有共同的载波频率和共同的死区时间，可编程为三角波调制方式或锯齿波调制方式，一旦启动后只要求在改变PWM占空比时加以干预，其余时间均不占用CPU。
波形发生器由时基发生器、相驱动通道和控制保护电路组成。
时基发生器为PWM波形建立载波周期。80C196MC通过从重装载寄存器（WG-RELOAD）中读入数据来确定载波周期的长短，因此用户可以通过在程序中改变重装载寄存器的值来改变载波周期值。
相驱动通道确定PWM波形的占空比。每相驱动通道都有各自的相比较缓冲寄存器（WG-COMPX），一般情况下，PWM波形的占空比由工作方式、重装载寄存器和相比较缓冲寄存器这三个方面来决定。
控制电路包括控制寄存器（WG-CONTROL）和输出寄存器（WG-OUT）。同时，CPU内部还有一个保护电路用于监测EXTINT输入端，以便对异常情况进行处理。
另外，无信号时间发生器电路是波形发生器的一个非常重要的功能，可以用来防止一对互补的PWM信号同时有效，从而避免了同一桥臂的上下两只功率管直通；同时，用户可以通过软件向WG-CON寄存器的低10位装入一个数来任意设置无信号时间。
4 系统控制原理
系统控制方式采用电流反馈、电压前馈和电压反馈相结合的复合控制方式，电流反馈、电压反馈采用数字PI调节器，以实现系统的稳态输出无静差；PI控制是将采样时刻偏差的比例（P）、积分（I）通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，PI控制器的传递函数为：
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式中：Kp——比例系数
；
TI——积分时间常数。
电流反馈在WG中断时完成，由于电流调节时间极短，所以大大提高了系统的动态响应速度并有效抑制了系统的超调。其中电流调节时间t大约如下：
t=(20/196)×5×8ms≈4ms
由此可见，系统输出电压在不到1/4基波周期内就可以恢复正常。
5 系统软件设计
系统软件部分主要包括主程序、WG中断程序、PI调节子程序等。主程序的任务主要是初始化、故障判断、运行信号判断及等待中断等，主程序框图如图5所示。
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6 结语
根据上述控制思想设计的1kW样机，经过检验，整机效率≥85％，输出电压为220（1±4％）V，输出电压频率为50（1±0.5％）Hz，并且系统具有过压、欠压、过热、过流、短路和反时限等完善的保护功能。空载时的电压波形如图6所示。目前，该系统已在开封市黄河河务局运行近半年，情况良好。 |
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