家用单相逆变电源系统研究

冯骁驰 冯璇

摘 要：家用电器在电网侧停电后停止工作，有些紧急情况在停电后需要使用家用电器使用备用电源供电，因此研究家用单相逆变电源系统具有很大的实际应用意义。本文基于单相逆变电源系统详细阐述了其组成部分，分析了每个部分的原理和功能，重点分析了电池三段式充电原理以及控制策略、BOOST升压电路拓扑、SPWM逆变控制策略以及PID闭环控制算法，在MATLAB中实现了SPWM逆变控制策略研究及其结果分析。

1前言

目前家用电器大多都是“50HZ 220V”交流电源，我国电网侧输入到用户住宅的家用电源类型都是交流“50HZ 220V”电源，当电网停电后，家用电器由于没有电源输入而停止工作，有些紧急情况下需要保障电器在停电后正常工作，这时需要使用备用电源。备用电源在电网正常供电时，备用电源处于电池充电模式，保障电池在需要工作时处于满额状态;备用电源检测到电网停电，备用电源系统电池开始供电，系统控制电池升压，再逆变输出稳定的“50HZ 220V”电压，保障家用电器在电网停电后正常工作。

2家用单相电源系统组成

家用单相逆变电源包括五个模块组成，电池模块、充电模块、辅源电源模块、升压模块以及逆变模块，五大模块协同作用实现家用单相逆变电源在电网电源断电给家用电器供电，保障家用电器的正常工作。

如图1所示为家用单相逆变电源系统框图，电网输入AC220V电压，电网供电正常时，辅助电源模块供电池充电，当电网断电后，电池通过升压电路完成DC/DC变换，电池输入电压经过升压电路后输出直流电压为310V，升压之后的直流电压经过逆变电路后输出“50HZ 220V”的交流电。

电池模块，电池类型包括蓄电池、锂电池以及铅酸电池，根据安全性以及实用性，选用铅酸电池作为家用单相逆变电源系统电池模块，选用12V 12AH电池。

铅酸电池的氧循环原理在充电的情况下：

铅酸电池充电采用负极过量的原理，当正极板充饱电的时候由于负极板过量，负极板还处于没有充饱电状态，因此，没有氢气溢出。正极板充饱电的时候电解水产生的氧气通和负极板的铅反应生成PbO，PbO再跟硫酸反应，变成水和硫酸铅，水又回到电解液中，形成一种循环。产生的气体在电池内部循环，从而实现密闭。

辅助电源模块主要完成电池充电功能，将电网输入交流电变换为直流电，输入电压为交流220V电源，整流电路输出310V直流电压，由于电池电压满电状态下为54V，对于充电输入电压的要求不宜过高，因此需要将310V的直流电降压输出75V，供电池充电。

充电模块主要完成电池充电功能。包括反激电路和BUCK两种方案，家用单相逆变电源系统使用BUCK电路，通过PWM控制技术实现电池三段式充电。

升压模块主要完成电池电压升压为逆变模块需要的输入直流电压，包括BOOST升压和推挽升压两种方案，家用单相逆变电源系统使用BOOST升压电路，实现将50V左右的电池电压升压至310V直流电输出。

逆变模块主要完成直流电变换为交流电的功能，家用单相逆变电源系统使用H桥电路实现，将310V直流电变换为交流220V输出。

3充电电路

家用单相逆变电源系统使用BUCK电路实现电池充电，BUCK电路拓扑电路如图3所示。

BUCK变换器的构成分为几个主要的部分，电路主控制集成电路分为开关二极管Q1和续流电感二极管C、D及储能控制单元的续流电感A和L、电容B和C等三个部分串联组成的一个高频滤波控制电路。这种转换电路可以用来把较高的直流电压输入输出电压换成Us，或者可说是更低的直流电压输出输入电压换成Uo。

家用单相逆变电源系统使用三段式充电算法实现电池充电，主要包括恒流充电、恒压充电以及浮充充电，电池充电曲线图如图4所示。

如图4为铅酸电池充电曲线，图中对应的充电电压为每个单元的，铅酸电池每节电池有6个单元组成，第一阶段，恒定电流I1充电直至电池电压达到U1;电流I1要求≤0.3C，即恒流充充电电流小于3.6A，一般设置为1.2-2.4A之间。第二阶段恒定电压U1充电至电流下降至I2，恒压充电电压为57V，电流I2一般为0.24-0.36A之间;第三阶段恒定电压U2进入浮充充电阶段，浮充电压为55V。

4升压电路

家用单相逆变电源系统使用BOOST升压电路实现升压功能，BOOST升压电路如图5所示。

其中前半部分的拓扑结构主要是由启动升波降压整流电感电路L与r及启动滤波开关二极管S两个小部分共同组成，而后由启动滤波升压二极管D与启动滤波升压电容电路C及启动负载电路R两个小部分共同构成了后半段的部分。在对它们的实际工作量和原理功能进行了详细分析之前，先需要确认一个假定全部的整流元器件都必须是一种理想整流类型，且整流升压器的电感和整流滤波器的电容都通常是巨大。在整个S导体接通期间，电源向感应负载的整个感应电路充满电能并且其中的充电电流连续，同时充电过滤器和滤波后的整流电容为整个负载感应提供最大电力，由于它们的电容值很高，故我们通常可以将它们直接看成不只是一个恒压源，因此它们可以直接使得进入输出平衡。

5逆变电路

主要由功率半导体器件、控制电路以及驱动电路三部分组成，主要实现将直流电压转换为交流电输出，单相逆变器的主电路拓扑结构，功率器件为A、B两组桥臂组成H桥，控制电路通过控制四个功率开关管导通与关断从而实现直流电压转换为交流电压输出的过程。逆变器的六个功率开关管何时导通与关断需要采取相应的控制策略，这样才能保证逆变器输出的波形谐波小，直流侧电压的利用率高。目前，逆变器采用矢量控制的策略控制开关管波形的调制，从而保证逆变器工作效率。

單相逆变电路一般使用SPWM（Sinusoidal PWM）调制策略，SPWM法是一种比较成熟的、使用较广泛的PWM法。冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。SPWM法就是以该结论为理论基础，用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。SPWM调制策略主要分为单极性和双极性，调制波和载波：曲线①是正弦调制波，其周期决定于需要的调频比kf，振幅值决定于ku，曲线②是采用等腰三角波的载波，其周期决定于载波频率，振幅不变，等于ku=1时正弦调制波的振幅值，每半周期内所有三角波的极性均相同（即单极性）。调制波和载波的交点，决定了SPWM脉冲系列的宽度和脉冲音的间隔宽度，每半周期内的脉冲系列也是单极性的。单极性调制的工作特点：每半个周期内，逆变桥同一桥臂的两个逆变器件中，只有一个器件按脉冲系列的规律时通时断地工作，另一个完全截止;而在另半个周期内，两个器件的工况正好相反，流经负载ZL的便是正、负交替的交变电流。

家用单相逆变电源为了稳定输出电压，使用PID闭环控制实现逆变控制，系统自动采集输出电路，使用滑动滤波算法自动计算输出电压的有效值，利用PID控制输出电压有效值稳定在220V。系统采用增量式PID控制器实现对逆变电路的控制，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）：上个周期控制量的偏差;

e（k-2）：上上個周期控制量的偏差;

Pwm代表PID控制器一个周期计算的输出量。本文设计的速度控制只用到了PI控制，因此将PID控制器简化为如下式所示。

e（k）表示速PI控制器的偏差，有效值电压偏差由反馈电压与指令电压的差得到，Kp以及Ki为电压PI控制器的PI参数。当反馈电压有效值与220V指令值的偏差比较大的时候，电压PI控制器计算得到的占空比值比较大，使实际输出电压增大，当反馈电压有效值与220V指令值偏差比较小时， PI控制器计算得到的占空比值较小，输出比较小的占空比PWM波，使输出电压不再增大。

6仿真结果及验证

在MATLAB/SIMULINK中搭建仿真模型，完成家用单相逆变电源逆变模块的仿真验证。

如图7为家用单相逆变电源仿真模型，输入直流电压，H桥变换后输出交流220V，控制部分调制波为正弦波，使用PI调节实现系统闭环控制，仿真系统在输出过程中接入负载，验证系统在突加载时系统输出的220V电压是否稳定。

如图8所示，为家用单相逆变电源系统仿真结果图，两个波形分析对应输出电压以及输出电流，系统输出后输出电压有效值为220V，频率为50HZ，在时间为0.08s时刻系统突加载，输出电流增大，系统输出电压稳定输出220V，验证了系统输出电压的稳定性。

作者简介：

个人简介：冯骁驰（2002-），男，汉族，籍贯河南省焦作市沁阳市，毕业于河南省沁阳市永威高中，现就读于郑州大学，中学学习阶段，曾荣获全国青少年科技创新大赛省级一等奖，数学、物理奥林匹克竞赛省级三等奖、全国英语能力竞赛二等奖等奖项，常年担任班长、课代表、学习委员等职务，曾多次被评为市级三好学生、优秀班干部，主要研究方向：电力电子。

冯璇（1995-），女，汉族，籍贯河南省焦作市沁阳市，毕业于河南科技学院，国网河南省电力公司原阳县供电公司，学习期间曾多次荣获市级三好学生，工作期间被评为优秀员工，主要研究方向：电力电子技术。