【正文】 單片機(jī)控制的太陽能逆變電源研究 第２章太陽能電池板直流充電系統(tǒng) 太陽能逆變電源系統(tǒng)包括太陽能電池板直流充電系統(tǒng)和逆變系統(tǒng)兩大部分， 其中太陽能電池板直流充電效率的提高有以下兩點(diǎn)，一是通過實(shí)時(shí)調(diào)整太陽能電 池板工作點(diǎn)，使之始終工作在最大功率點(diǎn)附近，從而能最大限度地將太陽能轉(zhuǎn)化 為蓄電池的電能。 ２．１太陽能電池及其特－眭“?４１蚓 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用的首要問題是如何將太陽能轉(zhuǎn)換為電能。半導(dǎo)體材料通常是硅，太陽能電池除單晶硅太陽能電池和多晶硅太陽能 電池外，還有非晶硅太陽能電池和化合物（Ｃｄｓ，ｃ棚咀等）太陽能電池等很多種 類。 太陽能電池多數(shù)具有一個(gè)大面積的Ｐ．Ｎ結(jié)，當(dāng)光線照射時(shí)，就可以在電池內(nèi) 部產(chǎn)生直流電流。理想Ｐ－Ｎ 結(jié)太陽能電池的輸出特性用以下方程表示： ｌ＝ｌ＾一Ｉｏ（ｅｑＵ棚一１） 式中，Ｉ為太陽能電池輸出的負(fù)載電流、Ｕ。為 光生電流，正比于太陽能電池的面積和入射光的輻照度；Ｉ。１９Ｃ；Ｔ為絕對(duì)溫度；Ａ為Ｐ－Ｎ結(jié)的曲線常數(shù)。使得ｕ。又使ｕ。由此可見，在太陽光較弱時(shí)，硅型太陽能電池 ｑ １０ 的輸出電壓隨光的強(qiáng)度呈近似線性的變化，而當(dāng)太陽光較強(qiáng)時(shí)，Ｕ。 第２章太剛能電池板直流充電系統(tǒng) 太陽能電池輸出電流一電壓特性如圖２．１所示，是指在某一確定的日照強(qiáng)度和 溫度下，太陽能電池的輸出電壓和輸出電流之間的關(guān)系。 圖２．１太陽能電池的伏安特性曲線 Ｆ培．２．１ Ｖ－Ｉ ｃｈａ陽ｃｔｅ血ｎｃ ｃｕｎ，ｃ ｏｆ∞ｌ缸ｂａｔｔｃｆｙ 伏安特性曲線表明太陽能電池既非恒壓源，又非恒流源，是一種具有強(qiáng)烈非 線性的直流電源，輸出電流在大部分工作電壓范圍內(nèi)相當(dāng)恒定，最終在一個(gè)足夠 高的電壓之后，電流迅速下降為零。在實(shí)際的太陽能電池工作中，工作點(diǎn)與負(fù)載條件和輻射 條件有關(guān)，所以工作點(diǎn)偏離最佳功率點(diǎn)。：正負(fù)極間為短路狀態(tài)時(shí)流過的電流。 （３）最大輸出工作電流ｌ。 （４）最大輸出工作電壓、ｋ：在給定溫度照度下輸出最大功率時(shí)的工作電壓。 單體太陽能電池又稱為太陽能電池片（。在 ６ 基于肇琦輥接箭的太陽麓遵變電源研究 搜鼴太潮簸憊泡擻魄糖，太麓麓奄邀冀褰譬羧，ｊ、翰爨壤基只騫零患足鉸、簸爨 蜂馕功率逛熙霄ｌＷ表卷。 鞭此黌將凡脖，幾十片或見酉片單體太陽熊嗽池椴攢負(fù)載需要，經(jīng)過串、并聯(lián)連 接筵束褥成綴合梅，逶遘一怒翁辮裝方弼猿藏發(fā)毫緩鬻。工鬟上饅臻熬太羯畿壤洼投是太耀戇憋涎使翔熬熬零攀元，葵埝爨電壓～ 救在十豇至熙卡譙莊纛。一般來說，常用的 太鬻鼴邀漶綴饞黢模塊雨都標(biāo)準(zhǔn)率聯(lián)酶數(shù)蟹怒拍令域鈞令，每個(gè)炎蠲熊毫濾磚 簸密憊篷太縫０．４５Ｖ，經(jīng)｛睪禳邇奄逛大約楚１６～１８後，霹雙魏額定魄篷１２Ｖ懿蘩 激漶遴蠢鴦效鶼瓷邀。 ２．２薷電池及麒充電特性。掰見，豢魄漶是太閹憩光鉸鏈戇的核心器 件。蓍瞧涎囊孽經(jīng)鼴臻耩蠢： ∞容鬃襲零囂懣法襲態(tài)滿耄酌繁況下豹鎊纛多少，禳放電毫浚與墩電時(shí)愆 鮑黎積來襲承，雄位為安對(duì)（Ａｍ）?？梢杂梅咆烹娏骼醣碛溃?也爵戳用放嘏時(shí)閹柬襲示。３２５Ａ攀，羲茨 第２章太磁能電泡教簸漉充電系統(tǒng) 放電時(shí)間來表示則為２０ｈ放電率。攀往覆量蓄鬯淑愛耱繪窶豹功率 稱為比功率，單位為Ｗ／ｋｇ或ｋＷ／ｋｇ，ｌｊ：功率也是蓄電池重要的餓能指標(biāo)之一。例如對(duì)予６．５Ａ?ｈ的蓄電池，０．１Ｃ的放電電流的 實(shí)瓣袋為０．１６。 （５）放電孛止宅匿襲承蓄電洼不允許搏放出電熊時(shí)的電送，通常為１．７５Ｗ攀 格。 我國(guó)還沒有用于太陽姥光鉸發(fā)電系統(tǒng)黲專用蓄電灌，大多餿耀零援的鉛酸蓄 毫漶。下 面以錨酸蓄電池為例分析其充電特性，它在充電過程中表現(xiàn)出非常復(fù)雜的輸入特 性，以一定的電流充電時(shí)，其端電壓表示如下； ＵｌＥ＋Ａｔｐ．＋Ａ單一＋ｋＲ 蔑巾，ｕ為充毫辯囂壤泡的端電壓（Ｖ），矗吼為正援扳遭嘏鍵（Ｖ），Ａｑ，為 負(fù)極掇過電位（ｖ），ｌ為充電電流（Ａ）。 一般蓄電池的過電倪和內(nèi)阻很小，蓄電池的容量和壽命是蓄電池的主要參數(shù)， 它們受充電方法的影響緞犬。２： 從圖２．２中可以看淺，在充電開始對(duì)，電池電壓逐步上升，巍電池電壓達(dá)到設(shè) 定的恒定值時(shí)，充電電流逐漸減少而電壓值保持不變。 ８ 基于單片機(jī)控制的太陽能逆變電源研究 箍 Ⅲ 克 ｔ ｔ 鼉 Ｅ＾電● ’２０ ‘。 ｆ ｝ 擬 雌 競(jìng) ｅＯ鼉 ■ ．｜ｌ ｝ ｜ ．｜ ‘＼ 凳ｉｉ荔；囂；…’’’ 、 柏～ ｌ ｌ ｉ 競(jìng)電電ｌＥ ２０ 、＼． 競(jìng)毫片癬ｆ ｈ） 。鎳氫蓄電池、燃料電池以其無污染的特點(diǎn)將成 為未來太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要伙伴。和蓄電池 端電壓檢測(cè)信號(hào)Ｕ。 Ｂｏｏｓｔ主電路拓?fù)淙鐖D２．４所示，由太陽能電池組件、電感、開關(guān)管、二極管、 電容器和負(fù)載構(gòu)成。 圖２．４Ｂｏｏｓｔ電路拓?fù)鋱D Ｆ蟾２．４ｔｈｅｔｏｐｏｌｏｇｙｏｆｔｈｅＢｏｏｓｔｃｉｒｃｕｉｔ 工作原理：Ｂｏｏｓｔ電路以電感電流源方式向負(fù)載放電，實(shí)現(xiàn)負(fù)載電壓升高的目 的。線性增加，電能以 磁能形式儲(chǔ)存在電感線圈Ｌ中，此時(shí)負(fù)載Ｒ供電靠電容Ｃ放電，Ｒ上流過電流Ｉ。的極性為上正下負(fù)。的 負(fù)極，二極管承受反壓不導(dǎo)通，所以電容不能通過開關(guān)管放電。與電源Ｕ。有降低趨勢(shì)時(shí)，電容向負(fù) 載Ｒ放電，維持Ｕ。由于Ｕ，＋ＵＬ向負(fù)載Ｒ供電時(shí)，Ｕ。故稱它為升 壓變換器，工作中輸入電源供電的電流是連續(xù)的，但流經(jīng)二極管Ｄ，的電流卻是脈 １０ 基于單片機(jī)控制的太陽能逆變電源研究 動(dòng)鶼，由手有ｃ熬存在，負(fù)載Ｒ土毫滾ｌ。 廠一一 ｆ ｃ翻 秭 豳２．５Ｂｏｏｓｔ電路工作過程 Ｆｉｇ ２．５ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｂｏｏｓｔ ｃｉｒｃｕｉｔ 羚蘊(yùn)交換器竣邂表達(dá)式為 驢擊ｕ。 式中，ｔ為殲關(guān)控制周斕，ｔ時(shí)為每個(gè)羧颥周期內(nèi)＿開莢的持續(xù)關(guān)斷辯游，Ｄ為 開必管Ｔ導(dǎo)通的婀空比。如將太陽髓電泡板直接接到Ｂｏｏｓｔ電路輸入端，可以進(jìn)行太陽能 電池的最大功率點(diǎn)跟蹤。３，２蓄毫洼兗憊控裁策臻熬分磐｝ 在對(duì)蓄電池寬電設(shè)計(jì)時(shí)，即要考慮太陽能電池的輸出特性，又要考慮蓄電池 的特性。鬻電濁充電過程 分兔瓷器抉速寵龜過程、囊疆浮充除段： （１）當(dāng)蓄電池缺電的時(shí)候采用恒定電壓控制策略，調(diào)節(jié)開關(guān)鐐脈寬變化使得系 統(tǒng)成為一個(gè)穩(wěn)壓器，即電池扳的輸出工作點(diǎn)總穩(wěn)定在ｕ二附近。這囂侯蓍電遺黲受恕戇力魄較強(qiáng)，攀簽荔蒺蓼。 （２）為保護(hù)蓄電池不過充，在快速充電麓８０％～９０％容量后，轉(zhuǎn)為浮充階段即 恒壓寬電（電壓門限值為１１ｖ：浮充電壓值設(shè)為１４．４Ｖ），以適應(yīng)充電后期蓄電池可 接受寵電電流的減，ｊ、當(dāng)浮充電壓值與蓄電波螭泡壓扭等時(shí)自動(dòng)俸充。６囂示： ＥＡ ⅥＮ 嘲２．６蓄電池兩階段式慨廄充電特性 Ｆｉ９２．６ｄｏｕｂｌｅｐｈａｓｅｓｉｎｖａｒｉａｂｌｅｖｏｌｔａｇｅｃｈａｒｇｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆ ｓｔｏｒａｇｅｃｅｌｌ 蘩瞧縫充電挖裁凌程潮熱下： 基于單片機(jī)控制的太陽能逆變電源研究 圖２．７蓄電池充電控制流程 Ｆｉｇ ２．７ ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｃｈｆｌｔ ｏｆｓｔｏｒａｇｅ ｃｅｌｌ ｃｈａｒｇｅ 實(shí)際試驗(yàn)中Ｂｏｏｓｔ電路圖２．８如下所示：電路主體由太陽能電池板，功率 ＭＯＳＦＥＴ管Ｇ０，二極管Ｄ１，Ｌｌ，Ｃｌ，Ｒ和蓄電池構(gòu)成，即是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的升壓斬波 器。ｋ構(gòu)成功率ＭＯＳＦＥＴ的開通吸收回路； Ｒ７為限流電阻，為補(bǔ)救恒壓充電的缺點(diǎn)；Ｖｔ表示單片機(jī)輸出的ＰＷＭ脈沖電壓， 控制功率ＭＯＳＦＥＴ管開通和關(guān)斷對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。ｌ能電濁叛直流兗魄系綾 鼙 童 掣 簟 吁 托 嘲２．８實(shí)際充電電路圖 Ｆｉ９２．８ ｔｈｅａｃｔｕａｌ ｃｉｒｃｕｉｔｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｃｈａｒｇｅｒ １４ 基于葷片梳控制的太陽銹邋變電源研究 第３章逆變系統(tǒng) ３．１太陽能逆變電源的設(shè)計(jì)要求 逆變電源憝獨(dú)立太陽能光茯發(fā)電系統(tǒng)中重要的器件之一，太陽縫逆交系統(tǒng)對(duì) 逆變電源要求較高，主要有以下幾點(diǎn)： （１）要求具寅較癱的效率。 （２）要求其有較高的可熬徑。 移）要求慰囊瀛猿入電悉壽較寬豹適斑范溺，由予太靼熬電池扳壤癌端電壓隧 負(fù)簸＿和目照強(qiáng)度瓤變化，蓄電池綴然對(duì)太陽能電池板的輸爨電壓具肖籀使作用， 德由于管電池的端電壓隨鬻電池剩余容鬣和內(nèi)阻的變化而波動(dòng)，特別是渴蓄電池 纛純對(duì)莢潰電援豹交純蔻溪綴丈，鍘熱１２Ｖ熬蓉邀瀵，其漩毫壓哥褒１０＋５Ｖ一１５Ｖ 之聞變化，這裁要求逆變電源必須在較大約直流輸入魄聰范疆內(nèi)保誕能歪常工作， 并保證交流輸出電聰?shù)姆€(wěn)定。半耩績(jī)梅圭豢蘧予酶 聰電路；推挽淺電路需要大容量的功率ＭＯＳＦＥＴ管，而大容量的功率ＭＯＳＦＥＴ 管價(jià)格比較暴燮，并且需要設(shè)計(jì)瀨感渣放遴路。 ｉ駐過圖３．１我們可知，逆變電源主要婦全橋逆變電路、黼頻升愿變壓器、周波 交換嗽路及輸離ＬＣ濾波器謄每成。疰ｌ予逆交奄鼴翡稀式結(jié)擒， 鎪逆變器中的漏感能量具有了泄放通道，降低了功率ＭＯＳＦＥＴ管的電壓威力；嶄 第３章遂交襲絞 頻升膳畿聰器具有電氣隔離、調(diào)整電壓變比和儲(chǔ)黼的作用，把電聰提黼到系統(tǒng)需 要熊嘏雉等級(jí)；毫慧ｈ、彀容Ｑ穩(wěn)成輸窶ＩＸ：濾波器，其俸愛是濾豫逆燮輸爨ＳＰＷＭ 渡孛戇離凌港滾分量，麓徐邀憊基波形蓬弦緣；濾滾毫鑾毫援羧灝鑲號(hào)魏、濾渡 遣惑彀滋梭溺痿號(hào)ｌ送翔ＡＶＲ徽處理器迸簿模數(shù)轉(zhuǎn)羧勢(shì)霹遞交系纜避錘翔繇控弱。１遞交主邀黲輻棼黼 獠３，１ ｔｈｅ ｔｏｐｏｌｏｇｙｏｆｔｈｅ ｌｎｖｅａｅｒ ３．３邀巍控制方式瑚?齜刪 嬲予逆變電路要求輸淺啦愿先正弦波電聰。蕤藩遴交憊爨 控潮窮法露采霜ＳＰＷＭ按粼撬零，ＳＰＷＭ（Ｓｉｎｕｓｏｉｄａｌ ＰＷＭ）法怒～耱魄較裁熬 的、目前使用較廣泛的ＰＷＭ法．采樣控制壤論巾的肖一個(gè)重蒙絡(luò)論｛ｉ中鬣相等而 形狀不劂的窄脈沖加在其肖慣燃的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效聚基本相同。 ＳＰＷＭ波形的生成磷以掰攘攘邀子電鼯、數(shù)字瞧子電路或?qū)ｌ叩拇笙＜? 毫鼴蕊黲等疆｛擎實(shí)凌，毽掰塔趲徽墅謗霧撬逶澄敬耱釜或ＳＰＷＭ滾蓐。 本義采用蛇ＳＰＷＭ控俸４技術(shù)為單極性三角波對(duì)稱規(guī)則同步采櫸法，這是對(duì)規(guī) 翔采襻法豹算法改遴，冀采群效采接近自然采攆法，又不盛藏費(fèi)過多諍算囂溺。適渴調(diào)整各脈寬系數(shù)義研控制ＳＰＷＭ 波形孛豹諧波魏揠蓬分霉。這時(shí)，由于Ａ、Ｂ兩點(diǎn)座落在正弦調(diào)制波的兩側(cè)，因此減少了脈寬生成誤 差，掰褥斡ＳＰＷＭ波形也裁躉準(zhǔn)確７。√ 正臻奠 ≮／ ｔ２ ｊ 弋７ ｝ ∥ 目 ｌ 一船鏈 《 ■亍 圖３．２單極性三角波對(duì)稱規(guī)則同步采樣法 Ｆｉｇ．３．２ Ｒｅｇｕｌａｒ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｗｉｔｈ ｓｉｎｇＩｃ ｐｏｌｅ城黼ｇｋ ｗａｖｅ 全攜遞交控裁方式圭癸分兔雙援毪控裁方式秘單叛縫控翻方式。露攀投瞧控翎裁霹竣綴鮭縫鱔決這些蠡霉 題。因此本文采用的全橋逆變控制方式為單極性 第３章逆變系統(tǒng) ＳＰｗＭ控制。與關(guān)斷時(shí)湖ｔ。這就要求參考信號(hào)的幅值不能超過三角載波峰慎的某一百分 數(shù)（稼為藜要孬努數(shù)）．一般定義調(diào)裁凄（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｉｎｄｅｘ）為 Ｍ。釋Ｖ。 出援則采樣ｌｌ法定義和圖３．３所示計(jì)算： 第ｉ個(gè)矩形歉沖的寬度６．為 ６。 假設(shè)把半個(gè)謳弦波Ｎ等分，在半個(gè)周波內(nèi)有Ｎ個(gè)脈沖，各脈沖不等寬，但中 心瓣蓬是一樣熬，都為吾ｒ耐，等子三熱載波的蠲期? １８ 基予攀片輥控制的太陽轆瀵燮電源研究 令第ｉ個(gè)矩形脈沖的寬度為６ｉ ｊ其中心點(diǎn)相位角為０；，由圖上可以看出，０；角 可以霹像； 瓴：三卜三三：一２ｉ－１Ⅱ Ｎ ２ Ｎ （３．３） Ｎ 因輸出電壓波形ｕ（ｔ）謳、負(fù)半波及其左、右均對(duì)稱，是一個(gè)奇次周期函數(shù)，按 傅氏級(jí)數(shù)展開可表示為 啪。假設(shè)所需全橋逆變電路輸出的正弦波電聰幅值為Ｕ。豳ｅｔ 蔽第ｉ個(gè)矩形脈猙的寬發(fā)６。＝百２ｉ－１ｎ一爭(zhēng) 其終止相位角為 ９，＋三ｓ；＝ＺＮｉ－＿墜ｌ囂＋三ｓ； 將起始和終止相位角代入Ｕ。＝罷羹麟ｑ吣…州 。等167。騫正磁豹關(guān)系。計(jì)算結(jié)果還表明，這種ＳＰＷＭ輸出能夠有效地抑制ｋ＝２Ｎ－－１次以下的 低次滲波，夔存褒鑫次諧波龜疆。對(duì)于閉環(huán)控制的逆變電源，為了使輸出電壓的穩(wěn)定，要隨時(shí)調(diào)節(jié)調(diào)制度Ｍ， 然囂羧據(jù)上透公式實(shí)薅謗葵毽務(wù)令弒寬。因?yàn)?，只有高頻化才能小型他和輕量 仡。 ３．４．’高頻磁性材料 磁性奉｜辯，按矮辮頹力漿火小，可分為軟磁耪辯秘永磁（硬磁）毒孝料。衡量軟磁材料的指標(biāo)主要有飽和磁逶 密度、損耗、相對(duì)磁導(dǎo)率及溫度特性等。高頻鐵磁性材料按其制成品形態(tài)分類主要有 粉芯；｝ｎ帶繞鐵心兩類，其中粉芯類主要有：軟磁鐵氧俸、金屬磁粉芯（包括鐵粉 落、鍰戇韜耪芯、毫逶磁羧蕊穩(wěn)緩葵會(huì)金耪蕊）；豢繞鐵心類主簧蠢：緩莫合金、 菲晶及微晶合金。軟磁鐵氧體有錳鋅鐵 氧髂秘鐐鎊鐵氧俸秀大類。 ３．４．２高頻變壓器參數(shù)計(jì)算 程魄源設(shè)備中主要用鍰鎊類軟磁鐵氧俸，威滾足下列各項(xiàng)條傳： （１）