一种400 W太阳能逆变电源系统设计

王笃亭，李一丹

(黑龙江科技大学 电气与控制工程学院，哈尔滨 150022)

在矿物资源有限，并且污染愈演愈烈，阻碍人类发展的情况下，发展清洁、高效、有再生循环能力的环保新能源己成为科学发展的必然。因此自然能发电技术的应用受到越来越普遍的重视，洁净廉价的太阳能正适合作为可再生的替代能源。本文设计了一个为普通家庭照明供电的太阳能逆变电源系统，容量为400 W。

1 独立光伏发电系统结构

本文设计的独立光伏发电系统主要包括太阳能电池板、充电器、蓄电池、控制器、直流升压电路、逆变器和太阳自动跟踪器等，如图1所示。

1.1 充电电路

图1 独立光伏发电系统框图Fig.1 Independent photovoltaic power system block diagram

该系统充电电路原理如图2所示，太阳能电池组件开路电压为21 V，短路电流为2.9 A，所以选择高效率的二极管MUR460，它的平均导通电流为4 A，能承受最大600 V的反压。同理，MOS管选择的型号是60N06。在这个充电电路中，二极管是用来防止蓄电池的电流反向流入充电器和太阳能电池板［1－2］。

1.2 逆变电路

该系统逆变电路的设计框图如图3所示。电路中推挽变换器的参数如表1所示。主功率变换电路如图4所示，采用推挽式变换器结构，驱动电压为VoutA，VoutB［3］。

图2 充电电路原理图Fig.2 Charging circuit principle diagram

表1 推挽变换器的参数Tab.1 Parameters of push-pull converter

图3 电源电路设计框图Fig.3 Design diagram of power supply circuit

图4 主功率变换器Fig.4 Main power converter

1.3 最大功率跟踪

为了充分利用光伏电池产生的能量在光伏电池与负载间加入了最大功率点跟踪装置，使光伏电池终始能够输出最大功率，以便更有效地利用太阳能。太阳能电池充电系统如图5所示。

图5 太阳能电池充电系统框图Fig.5 Solar battery charging system diagram

1.4 逆变器输出电压闭环控制

为了消除稳态误差，选择了基于SG3525的PI控制器。这样可以使该系统在进入稳态后基本无误差。具体电路如图6 所示［4－7］。

图6 基于SG3525的PI调节器Fig.6 PI regulator based on SG3525

1.5 电机驱动与控制电路

电机驱动电路是由单片机控制，在早上6时到下午17时之间的每个小时内的第28分钟，单片机输出一时间段的PWM波来控制电机正向转动，使太阳能电池板正向转动一定的角度;当到下午17时，单片机控制继电器使电机换向进行反转，将太阳能电池板归位到早上6时的位置，为第二天跟随太阳做好准备，从而实现了对太阳的跟踪。电机驱动与控制电路如图7所示。

图7 电机驱动与控制电路Fig.7 Motor drive and control circuit

2 系统测试

在测试该系统关键点的过程中，使用的仪器仪表有FLUKE 15B数字万用表、C65指针式电流表、YB1731 C5A直流稳压电源和DS1000E数字示波器。

2.1 正弦波发生器的输出波形

在UA741通上正负12 V电后，它开始正常工作，对电容进行充电、放电，即产生振荡。输出端接负反馈，保证振荡的稳定，其正弦波如图8所示。

图8 正弦波发生器输出波形Fig.8 Output waveform of sine wave generator

2.2 精密整流波形

精密整流电路将正弦波的负半周波形翻转到正半周，正弦波的正半周保留，其输出波形如图9所示。

图9 精密整流波形图Fig.9 Precision rectifier waveform

2.3 逆变电源输出经分压后的波形

逆变电源输出经分压后的波形如图10所示。

图10 输出电压经分压的波形Fig.10 Output voltage waveform after voltage divided

2.4 额定电压下的系统参数

额定电压下测试的数据如表2所示。

由表2可以看出变换器的效率随着负载的增加，效率变大，当负载接近额定负载时，效率变化比较稳定，并且效率较高。

表2 额定电压下测试的数据Tab.2 Test data under rated voltage

3 结论

1)设计了光伏系统近似最大功率点跟踪电路。采用分阶段充电方式，实现了蓄电池的充电电压和充电电流的控制。实时检测电池端电压，控制放电电路的工作，防止过放电。

2)采用PI调节控制方式实现逆变控制，用调制方法产生控制波形。利用推挽拓扑升压，用SG3525驱动MOSFET，并构建了一个稳定的PI控制环路;再利用全桥拓扑实现逆变。

3)根据逆变电源的工作环境和出现的各种异常情况，设计各种异常保护。

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