太阳能逆变器（精选7篇）
太阳能逆变器 篇1
太阳能逆变器是将直流电转换成交流电的设备。
逆变器按运行方式可分为独立运行逆变器和并网逆变器。a) 独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统, 为独立负载供电;b) 并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统。
逆变器按输出波型可分为方波逆变器和正弦波逆变器。a) 方波逆变器电路简单, 造价低, 但谐波分量大, 一般用于几百瓦以下和对谐波要求不高的系统;b) 正弦波逆变器成本高, 但可以适用于各种负载。逆变器保护功能:过载保护、短路保护、接反保护、欠压保护、过压保护、过热保护。
太阳能逆变器 篇2
另一款高速光电耦合器PS9924, 它在提供14.5mm的长爬电距离的同时, 还支持10Mb/s的内部系统通信速度。在那些爬电距离超过10mm的产品之中, 它提供了低功耗特性, 使其成为那些需要高绝缘电压和低功耗的应用的理想之选。
随着大家越来越努力减少CO2排放量和降低能耗以便保护环境, 在工业应用和太阳能发电系统内使用逆变器就迅速发展为一种实现低功耗电机控制和降低功率转换损耗的方法。这些逆变器由采用功率器件 (例如IGBT) 的高压电路模块和采用微控制器 (MCU) 等器件的控制电路箱组成。需要光电耦合器, 以便在为2个电路模块实现电绝缘的同时, 驱动功率半导体器件 (例如IGBT) 。
便携式太阳能逆变电源的设计 篇3
逆变电路是指将直流电能变换为交流电能的变换电路, 可用于构成各种交流电源, 在工业中得到广泛应用。但在很多情况下, 尤其是野外作业的场合, 需要现场提供交流电源, 但手中并无直流电源可以逆变, 此时需要一种取之方便、便于携带的小型能源设备。
2 解决方案
针对提出的问题, 设计思路为采用太阳能电源提供直流电, 经逆变电路转换成交流电, 整个系统设计为便携式。
2.1 太阳能电源系统
该系统由太阳能电池板、太阳能控制器、蓄电池 (组) 组成, 各部分的作用为:
2.1.1 太阳能电池板
太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分, 也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能, 或送往蓄电池中存储起来, 或推动负载工作。太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。
2.1.2 太阳能控制器
太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态, 并对蓄电池起到过充电、过放电保护的作用。
2.1.3 蓄电池
一般为铅酸电池, 小型系统中, 也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。它的主要功能是把太阳能电池板发的电能及时储存起来, 以供用电设备使用, 蓄电池具有储存电能和稳定电压的作用。用太阳能电池给蓄电池充电时, 太阳能电池的电压要超过蓄电池的工作电压20%～30%, 才能保证给蓄电池正常充电, 给12 V蓄电池充电通常需要用15～18 V的太阳能电池。
2.1.4 电路结构
如图1所示, 双电压比较器LM393 2个反相输入端2脚和6脚连接在一起, 并由稳压管ZD1提供6.2 V的基准电压做比较电压, 2个输出端1脚和7脚分别接反馈电阻, 将部分输出信号反馈到同相输入端3脚和5脚, 这样就把双电压比较器变成了双迟滞电压比较器, 可使电路在比较电压的临界点附近不会产生振荡。R1、RP1、C1、A1、Q1、Q2和J1组成过充电压检测比较控制电路;R3、RP2、C2、A2、Q3、Q4和J2组成过放电压检测比较控制电路。电位器RP1和RP2起调节设定过充、过放电压的作用。可调三端稳压器LM317提供给LM393稳定的8 V工作电压。被充电电池为12 V、65 Ah全密封免维护铅酸蓄电池;太阳电池用一块40W硅太阳电池组件, 在标准光照下输出17 V、2.3A左右的直流工作电压和电流;D1是防反充二极管, 防止硅太阳电池在太阳光较弱时成为耗电器。2.1.5工作原理当太阳光照射的时候, 硅太阳电池组件产生的直流电流经过J1-1常闭触点和R1, 使LED1发光, 等待对蓄电池进行充电;K闭合, 三端稳压器输出8 V电压, 电路开始工作, 过充电压检测比较控制电路和过放电压检测比较控制电路同时对蓄电池端电压进行检测比较。当蓄电池端电压小于预先设定的过充电压值时, A1的6脚电位高于5脚电位, 7脚输出低电位使Q1截止, Q2导通, LED2发光指示充电, J1动作, 其接点J1-1转换位置, 硅太阳电池组件通过D1对蓄电池充电。蓄电池逐渐被充满, 当其端电压大于预先设定的过充电压值时, A1的6脚电位低于5脚电位, 7脚输出高电位使Q1导通, Q2截止, LED2熄灭, J1释放, J1-1断开充电回路, LED1发光, 指示停止充电。
当蓄电池端电压大于预先设定的过放电压值时, A2的3脚电位高于2脚电位, 1脚输出高电位使Q3导通, Q4截止, LED3熄灭, J2释放。其常闭触点J2-1闭合, LED4发光, 指示负载工作正常;蓄电池对负载放电时端电压会逐渐降低, 当端电压降低到小于预先设定的过放电压值时, A2的3脚电位低于2脚电位, 1脚输出低电位使Q3截止, Q4导通, LED3发光指示过放电, J2动作, 其接点J2-1断开, 正常指示灯LED4熄灭。另一常闭接点J2-2 (图中未画出) 也断开, 切断负载回路, 避免蓄电池继续放电。闭合K, 蓄电池又进行充电。
2.2 逆变系统
逆变系统主要由方波信号发生器、MOS管电路和普通电源变压器构成, 如图2所示。
2.2.1 方波信号发生器
本设计采用六反相器CD4069构成方波信号发生器 (图2中实线框部分) 。电路中R1是补偿电阻, 用于改善由于电源电压的变化而引起的振荡频率不稳。电路的振荡是通过电容C1充放电完成的, 其振荡频率为。图2电路的最大频率, 最小频率。由于元件的误差, 实际值会略有差异。其它多余的反相器, 将输入端接地避免影响其它电路。
2.2.2 MOS管电路
由于方波信号发生器输出的振荡信号电压的幅值5 V, 为驱动由MOS管构成的电源开关电路工作, 这里用三极管V1、V2将振荡信号电压放大至12 V。
V3 (V5) 和V4 (V6) 构成互补型CMOS开关电路。当IC1的2脚输出为高电平时, 三极管V1由于输入为高电平导通, 输出低电平, 所以PMOS管V3导通, NMOS管V4截止。此时由于非门的作用, IC1的4脚输出为低电平, 三极管V2截止, 输出为高电平, 所以PMOS管V5截止, NMOS管V6导通, 电流经过自上而下流过变压器T1的初级线圈。当IC1的2脚输出为低电平时, 三极管V1截止, 输出为高电平, 所以PMOS管V3截止, NMOS管V4导通。同样由于非门的作用, IC1的4脚输出为高电平, 三极管V2输入为高电平而导通, 所以PMOS管V5导通, NMOS管V6截止, 电流自下而上流过变压器T1的初级线圈。只要合理选择变压器的匝数, 在一个信号周期内便可以在T1的次级得到220 V的交流电压。
逆变器用的变压器采用次级为12V、电流为10A、初级电压为220 V的成品电源变压器。PMOS管的型号为2SJ471, 最大漏极电流为30 A, 导通时漏-源极间的电阻为25 mΩ。此时如果通过10 A电流时会有2.5 W的功率消耗。NMOS管的型号为2SK2956, 最大漏极电流为50 A, 场效应管导通时, 漏-源极间电阻为7 mΩ, 此时如果通过10 A电流时消耗的功率为0.7 W。由此可知, 在同样的工作电流情况下, 2SJ471的发热量约为2SK2956的4倍。尽管场效应管工作于开关状态时发热量不会很大, 出于安全考虑需加装散热器。
这种低电压、大电流、频率为50 Hz的交变信号通过变压器的低压绕组时, 会在变压器的高压侧感应出高压交流电压, 完成直流到交流的转换。这里需要注意的是, 在某些情况下, 如振荡部分停止工作瞬间, 变压器的低压侧有时会有很大的电流通过, 所以该电路的保险丝不能省略或短接。
为了使电路获得良好的稳定性, 由三端集成稳压器78L05提供稳定的5 V电压作为六非门CD4069的工作电压。
摘要：野外作业场合常常需要现场提供交流电源, 同时还应便于携带。提出了一种由太阳能转变为电能并逆变成交流电的设计方法, 该设计能满足小功率用电器的需要。
关键词：太阳能电源,逆变,设计方法,便携式
参考文献
[1]俞志根.小功率太阳能电源逆变装置的设计[J].电力电子技术, 2009 (7) .
太阳能逆变器 篇4
1 太阳能光伏控制逆变一体机
图1是本系统的结构图, 主要组成部分是:太阳能电池、蓄电池、充放电控制器、纯正弦波逆变电路、太阳能市电切换电路。
在本系统中, 主控芯片为单片机ATMEGA16, 通过单片机及其外围电路完成对蓄电池的充放电的控制、逆变的控制、市电切换的控制。具体功能如下:
(1) 本系统是根据家庭、通信、电力系统的电源管理模式而设计的电源系统, 额定输出功率300W, 具有太阳能逆变、市电超短时间自动切换功能, 为用户提供稳定不间断的交流供电。
(2) 本系统采用正弦波逆变器, 纯正弦波输出 (失真率<2%) , 适用范围广泛。
(3) 本系统具有太阳能电池反接、夜间防反充电、蓄电池过充电、蓄电池过放电、过载、短路等保护和报警功能。
(4) 蓄电池电压过低, 转为市电输出, 逆变优先;负载过载, 逆变电源关断并切换市电输出。
(5) 采用LCD中文液晶显示, 让用户清楚看到一体机工作状态。
(6) 采用现代电子技术, 运用高频电子技术, 采用高频变换正弦波, 使逆变器的重量与体积与以往的逆变器大大减小, 使产品便于小型化, 轻便化。
2 系统硬件电路设计
在本系统中, 硬件电路设计是关键, 主要包括三个部分:太阳能充放电控制电路设计;逆变电路设计;太阳能发电与市电切换电路设计。
2.1 太阳能充放电控制电路
如图2所示, 在本系统的充电控制电路中, 太阳能电池正极与蓄电池正极直接相连, 它们的负极作为接通控制端。当太阳能电池电压大于蓄电池的端电压时, 由单片机通过驱动电路光耦U2、U4控制两个场效应管Q4、Q10导通, 充电回路接通, 太阳能电池对蓄电池充电。其中Q4、Q10这种连接方式能使此电路有防反充及防反接的功能, 选用的型号为P75N75与一般的防反充二极管电路相比, 此电路工作时压降低、损耗小、发热小, 长期工作稳定性好。
太阳电池端电压经过R12、R13组成的分压电路后, 接入单片机模数转换输入引脚, D7是防止太阳电池反接而损坏单片机, 同样, 蓄电池端电压经过R25、R26组成的分压电路接入单片机模数转换输入引脚, D12是防止蓄电池反接而损坏单片机。
TL431及其周边元件构成了精密稳压电路, 为单片机提供+5V工作电源, 并提供了采样的基准电压。二极管D14从稳压电源端接到蓄电池端的场效应管上, 当蓄电池反接时, 控制回路无工作电源, 可防止太阳能电池板及蓄电池反接对电路的损坏。采用光耦pc817强电与弱电之间的隔离, 有效防止大电流对单片机侧的EMI电磁干扰而引起单片机的死机或复位。
2.3 逆变电路设计
由于高频开关变换技术的成熟和廉价化, 现在, 逆变器的主要电路形式已经转变为直-交-直-交功率变换形式。即先将直流电转化为高频交流电, 以利于减小变压器的体积;经过变压器的电压转换和隔离, 从而获得到所需要的电压等级和隔离要求;由于输出要求是50Hz正弦交流电, 需要将高频交流电转化为50Hz交流电, 所以通常的方法是将高频交流电整流成直流电;再利用50Hz逆变技术将直流电转换为所需要的50Hz正弦交流电。直-交-直-交功率变换形式的原理框图如图3。
从图3中看到似乎这种解决方案过于复杂, 但是由于每个功能单元的体积与成本均很低, 而且技术成熟、效率非常高。
DC/DC电路由PWM控制芯片SG3525、大电流MOS管、高频变压器、整流滤波电路等组成。如图4所示。利用SG3525芯片输出的高频PWM信号通过两个三极管构成的图腾式驱动电路去控制大电流MOS管IRF3205, 2只大电流MOS管交替工作, 把24V直流电转化成高频率大电流方形波交流电。再通过高频升压变压器把高频率大电流方形波交流电转化为350V的高频率方形波交流电。最后通过整流滤波使350V的高频率方形波交流电转化为350V直流电, 提供给正弦波逆变电路。
图4中继电器J1是控制是否进行DC-DC转换的, 当蓄电池正常对外供电时, 单片机输出高电平信号, 使继电器J1得电, 触点J1吸合, 进行DC-DC转换, 给正弦逆变器提供350V的直流电压, 从而正弦波逆变电路工作;当蓄电池电压低于最低放电值时, 单片机输出低电平信号, 使继电器触点J1断开, 停止DC-DC转换, 无350V直流输出, 从而正弦波逆变电路停止工作。
图4电路中高频变压器为手工绕制, 先绕输出线圈, 采用分层绕制, 第一层绕好, 然后裹上绝缘胶带一层。然后继续绕第2层, 以此绕到190匝, 绕好后, 裹3层绝缘胶带, 开始绕初级, 初级是12匝×2, 带中心抽头, 采用双线并绕, 保证高频下双线内阻平衡, 同时, 产生正负磁场一致。输入侧采用7根0.45mm导线合并为一根, 目的是防止大电流高频情况下, 线自身会产生趋肤效应而发热。变压器磁体采用EE40, 中间气隙为0.1mm~0.25mm, 范围调整, 防止磁饱和。
DC/AC电路由高电压MOS管、专用的EG8010-SPWM纯正弦逆变器控制芯片及驱动电路、LC滤波电路等组成。如图5所示。专用的EG8010-SPWM纯正弦逆变器控制芯片产生用于SPWM调制控制的调制波并由IR2110S驱动MOS管IRF840工作, 使350V直流电通过MOS管调制出220V/50Hz纯正弦波, 完成整体的逆变工作。最后在输出的220V/50Hz正弦交流电中取电压、电流反馈回EG8010-SPWM纯正弦逆变器控制芯片对输出电压比较, 起到过压保护和输出电压稳定控制。
EG8010是一款数字化的、功能很完善的自带死区控制的纯正弦波逆变发生器芯片, 应用于DC-DC-AC两级功率变换架构或DC-AC单级工频变压器升压变换架构, 外接12MHz晶体振荡器, 能实现高精度、失真和谐波都很小的纯正弦波50Hz或60Hz逆变器专用芯片。该芯片采用CMOS工艺, 内部集成SPWM正弦发生器、死区时间控制电路、幅度因子乘法器、软启动电路、保护电路等功能。主要应用于:单相纯正弦波逆变器、光伏发电逆变器、风力发电逆变器等领域。
2.3 太阳能、市电切换电路
图6中, R50、D21、C38、R52及IC2构成了正弦波输出检测电路, 当逆变电路正常工作有输出的时候, 光耦IC2导通, LOST_AC口高电平信号送到单片机, 单片机控制J2继电器得电, 开关J2吸合, 继电器J3得电, 开关J3打到逆变器输出端, 此时逆变器向负载供电。否则, 当逆变器电路没有输出的时候, J2继电器失电, 开关J2断开, 此时由市电供电。
电流互感器L3及外围电路从端口CURRENT_L送出的电压接到单片机A/D口, 当输出负载端出现过载时, 单片机接收到的电压大于3V, 则控制继电器J2失电, 开关J2断开, 继电器J3失电, 开关J3打到市电端, 此时市电向负载供电。单片机循环测试电流互感器输出的电压, 当输出负载没出现过载时, 则接通逆变器向负载供电。
3 系统软件设计
如图7为本系统的程序流程, 软件采用C语言设计, C语言具有应用广泛、数据处理能力强的特点。在软件控制上主要是实现以下几个功能:
(1) 对系统的初始化, 包括AD转换器的设置, LCD液晶屏的设置, PA0、PA1、PA4设为输入口, PA7-PA5、PC口全部、PB口全部设为输出, PD3设为输入, 其它PD口设为输出。
(2) 对蓄电池的充放电控制。单片机一直对蓄电池电压检测值进行采样, 当蓄电池电压大于28.5V时, 停止充电;当低于28.5V时, 则接通充电电路;当蓄电池电压低于21.5V时, 切断蓄电池对逆变电路的输出, 否则将影响蓄电池使用寿命。
(3) 太阳能、市电切换控制。蓄电池电压正常工作值为21.5V~28.5V, 蓄电池在正常工作电压范围内, 逆变器工作, 单片机检测到逆变器有220V的交流输出, 则继电器J3接通逆变器输出端;当出现蓄电池处于欠压状态逆变器不工作和负载电流超过逆变器提供的最大电流两种情况时, 继电器J3切换到市电供电。
(4) 控制LCD显示器的显示。显示器采用LCD12232中文显示, 显示内容包括蓄电池的电压值及充满、正常和欠压的状态, 是市电或是太阳能逆变输出供电的状态, 负载电流是否过流的状态。LCD的显示能清楚指示一体机的工作状态
4 系统测试
系统测试主要是在负载连续工作的情况下对蓄电池电压和电路过流保护状态的检查, 在一体机连接好太阳能电池板后, 在自然条件下进行测试。
当蓄电池电压大于28.5V时, 充电回路断开, LCD显示蓄电池池电压及充满状态;当蓄电池电压在21.5~V28.5V内时, 蓄电池充电回路接通, LCD显示蓄电池电压及正常状态。在这两种情况下, 正弦波逆变电路接通, 输出220V50Hz正弦波电压, 输出继电器J3接通逆变器, 由逆变器供电。当蓄电池电压低于最低放电电压21.5V时, LCD显示蓄电池电压并提示欠压状态, 输出继电器J3切换为市电输出, 逆变电路停止工作。当负载功率超过300W时, 切换到市电供电, 逆变器停止工作。LCD显示过载状态。当负载功率低于300W时, 逆变器恢复工作, 切换到逆变器供电。
结语
本一体机的优点是可以实现太阳能、市电双路自动切换供电, 保证供电的连续性, 并能根据负载的大小切换两路输出, 节约了电能及提高了使用的灵活性。一体机逆变输出为纯正弦波, 满足了用电器的使用要求。
参考文献
[1]杨金焕, 于化丛, 葛亮.太阳能光伏发电实用技术[M].北京:电子工业出版社, 2010.
[2]张兴, 曹仁贵.太阳能光伏并网发电及其逆变控制[M].北京:机械工业出版社, 2011.
[3]徐远根, 刘敏, 乔恩明.现代电力电子元器件识别、检测及应用[M].北京:北京电力出版社, 2010.
太阳能逆变器 篇5
三相桥式逆变电路的基本原理
太阳能电池和燃料电池等输出为直流电, 而电网电压为定频的交流电, 因此, 并网逆变器是分布式发电系统的重要组成部分。首先介绍三相桥式逆变电路的基本原理。
三相桥式逆变电路 (图1) 中可控硅T1——T6相当于六个开关, 按1、2、3、4、5、6、1、2…的顺序导通, 在任意瞬间都有三个可控硅同时导通 (180°导通型) 。通过PWM调制, 可以得到6个脉冲电压分别控制可控硅T1——T6, 如图2。则各时段的负载电压如表1, 三相逆变器的电压波形如图3。
基于boost变换器的非隔离型光伏并网逆变器
由于光照强度的变化, 电池板产生的直流电压就会发生变化, 所以需要调节电压。一般使用变压器调压, 然而与带有工频变压器的隔离性光伏并网逆变器相比, 非隔离型光伏并网逆变器具有体积小、质量轻、效率高、成本低等优点。为了使光伏阵列工作在一个宽泛的电压范围内, 直流侧电池组件的电压配置更加灵活, 采用boost变换器先调压再逆变。主电路拓扑如图4。
Boost变换器的工作原理:令IGBT的开关周期为ST, 占空比为D。当时, IGBT导通, , 向电感充电;当时, 向电容充电。所以boost变换器输入输出电压关系为:。Boost变换器输入输出电压仿真结果如图5。对输出波形进行频域分析, 结果如图6, 输出电压变得复杂。
电容支路串联电阻的LCL滤波器
与单L滤波的三相并网逆变器相比, 基于LCL滤波的三相并网逆变器由于具有动态响应速度快、进网电流THD低、滤波器体积小和重量轻等优点在中大功率场合得到广泛应用。但LCL滤波器为三阶系统, 在其谐振频率处易引起谐振。为了抑制LCL滤波器的谐振特性, 提高系统稳定性, 采用电容支路串电阻来增加系统的阻尼, 如图4所示。
电容支路串电阻的LCL滤波器的传递特性为:
并入电网的三相电压电流如图7、8。
对并入电网的三相交流电流进行频谱分析, 结果如图9-11可以看出, 经过电容支路串联电阻的LCL滤波器的作用, 并入电网的三相交流电流的较高频率基本被滤除掉, 仅剩下基波和直流分量, 并且三相交流电流的THD (谐波畸变率) 分别降到1.84%、1.42%、1.03%, 完全符合规定的5%的要求。
太阳能逆变器 篇6
太阳能的利用在目前能源越来越紧张的情况下已经是迫在眉睫的任务,而如何做到在成本控制的前提下实现太阳能的高效利用则是很多太阳能产品设计的宗旨[1]。本项目是针对户外和公园里普遍使用的路灯实现太阳能光伏控制,利用单片机控制电路实现对路灯太阳能供电和市电供电两种方式,既能解决路灯的能耗问题,又实现了在光照不足的情况下由普通220V市电保障路灯的正常供电。
1 太阳能路灯光伏控制系统结构
图1是本项目的结构框图,核心是单片机,主要组成部分是:太阳能电池控制电路、蓄电池充放电电路、逆变电路、单片机控制电路。
在本控制系统中,通过单片机对TL494脉宽调制(PWM)电路输出的控制,改变PWM占空比从而实现对逆变电路输出电压的调节。当太阳能电池板正常工作时,蓄电池处于充电状态,负载工作所需电压由蓄电池输出经逆变后得到,若外界光照不足而蓄电池充电电压低于设定低值时,控制器直接接通220V交流电供负载使用,确保在任何情况下都不会出现路灯不亮的情况。
2 系统硬件电路设计
在本控制器中,硬件电路设计是关键,主要包括四个部分:太阳能电池板控制电路设计;蓄电池检测电路设计;逆变电路设计和单片机控制电路设计。
2.1 太阳能电池板控制电路
太阳能电池板控制电路是实现对路灯太阳能供电的核心,当有光照时通过太阳能电池板实现对蓄电池的充电,在蓄电池可工作的情况下,路灯的照明由蓄电池提供。
2.2 蓄电池检测电路设计
蓄电池在太阳能电池板工作的情况下由电池板提供充电,当路灯需要点亮时,蓄电池的直流电经过逆变器逆变后变为负载所需的等量交流电供负载使用[2]。每组蓄电池的供电电压为12V,根据路灯功率的大小可有多组蓄电池组成,蓄电池之间采用串联的方式。充电控制电路具备电池电压检测功能,当蓄电池组电池电压低于预定值时,由太阳能电池板开始对蓄电池充电,当充电饱和后实现恒压恒流维持蓄电池的动态稳定状态[3]。当负载需要供电时,蓄电池形成的直流电经过逆变电路逆变后变为交流电供负载使用。
2.3 逆变电路设计
逆变电路是把直流电再逆变成各种频率的交流电,具有高效清洁的特点[4]。在本项目中逆变电路主要是把蓄电池传送过来的直流电逆变成负载所需的交流电,采用的是半桥逆变方式,所使用的逆变电路开关器件为IRF3205 MOSFET场效应管,对逆变电路的控制方式是PWM技术,PWM调制波由TL494专用正弦波脉宽调制电路产生。
2.4 单片机控制电路设计
单片机是整个控制器的核心,主要用于对太阳能电池板控制电路的管理,对蓄电池充放电路的控制,产生逆变器件所需的PWM调制波,同时还承担了对蓄电池的状态检测,以及对电路中出现的过流、过载实现保护,另外还具备声光报警功能,图5是单片机控制电路部分原理图。本控制器中所使用的单片机为三星公司生产的S3C9454系列单片机,该型单片机具有体积小,价格便宜且功能全面的特点,比较适合大规模的产品生产使用。
2.5 保护电路
保护电路是在控制器出现负载短路或者过流时对电路进行强制性限流的作用,在本控制器中当蓄电池电压低于10.5V或者输出电流大于10A时电路进入自保护状态。图6是保护电路的部分原理图。
在保护电路中需要对蓄电池电压和输出端电流进行采样比较,通过基准值的设定到电压低于设定要求时就自动切换负载供电方式,由蓄电池供电改为外部市电供电,从而起到保护蓄电池的作用,另外,一旦负载出现短路过流现象,电路即进入保护模式,切断外部供电以免过流造成电路器件损坏。
3 系统软件设计
本系统的软件采用C语言设计,C语言具有应用广泛、数据处理能力强的特点[5]。在软件控制上主要是实现以下几个功能:
(1)对PWM输出的控制。利用单片机实现对TL494芯片输出的PWM调制信号的控制,当负载变化或者出现保护状态时,单片机发出信号(220V_OFF)关断TL494输出,切断逆变电路输入,保证逆变输出电压为零,由此要求在软件设计上应确保单片机一直采样输出端信号状态。
(2)对蓄电池电压的检测控制。蓄电池电压正常工作值为12±1V,当电池电压低于11V时就要求电路立即停止蓄电池对负载输出供电,否则将影响电池使用寿命,在系统中有专门的电池检测电路,而单片机则一直对电池电压检测值进行采样,即电路中的Batter_Adin信号。一旦发现电压偏低时由单片机输出控制信号(RY1)及时切换继电器1使得负载灯泡供电由电池转为市电。
(3)显示及键盘输入功能。在本系统中显示功能分为两个部分:一个是数码管显示,主要是用来显示系统工作时间;另一个是LED显示,LED的状态变化代表了电路的工作状态,其中绿灯代表正常运行,红灯代表故障。系统的显示功能主要由单片机软件实现。另外,在电路中考虑到需要对电路进行模式设定,因此增加了键盘输入电路,在本控制器中有三个拨码开关,用来实现对路灯的三路遥控输出。
图7是本控制器的主程序流程图。
4 系统测试
系统测试主要是在负载连续工作的情况下对蓄电池电压和电路过流保护状态的检查,在本控制器连接好太阳能电池板后,通过光电阻实现路灯开启关闭的自动切换,当光照度低于设定点时路灯将自行开启,如果光照度高于设定点时路灯也会自动关闭。考虑到一些突发情况在系统中设置了手动操作模式,如果出现短暂雷雨天气当光照度下降时通过人工操作防止路灯自动开启。
4.1 蓄电池放电保护测试
蓄电池在对负载进行供电时,其电池电压将随着放电时间不断下降,当电池电压为10.5V时,控制器将切断蓄电池对负载的供电,而改为外部市电220V供电,当白天有光照时通过太阳能电池板对蓄电池进行充电,电压回到12.5V时,控制器将自动切断市电供电重新改为蓄电池供电模式。
4.2 蓄电池过充保护测试
当太阳能电池板一直对蓄电池进行充电时,如果电池电压充电达到14.3V时,控制器关闭充电电路,而当电压下降到13.6V时,再次打开充电电路。
4.3 负载短路保护测试
当负载功率为大于50W时,控制器关闭负载,并且在延时10s后,能够再次自动打开负载,而对于30W的负载能够正常工作(本控制器设计的负载额定功率为35W)。
5 结论
本控制器最大的优点就是实现了双路供电的功能,避免了蓄电池电压不足时路灯无法正常工作的情况,通过单片机的优化控制,保证了系统的稳定工作。
摘要：设计了一种实用的公园景观路灯太阳能光伏控制器,以单片机为控制核心,实现了对路灯进行太阳能和普通市电自动双路切换供电的功能。其中逆变器具备电路过流和过载保护功能,并可以根据负载变化选择供电模式。
关键词：太阳能,光伏系统,逆变器,单片机,蓄电池
参考文献
[1]陈维,沈辉,邓幼俊.太阳能光伏应用中的储能系统研究[J].蓄电池,2006,43(1):22-28.
[2]张艳红,张崇巍,吕绍勤,等.新型太阳能控制器的研制[J].节能,2006,25(2):30-32.
[3]孙荣高.基于STC单片机的太阳能光伏控制器设计与实现[J].测控技术,2009,28(11):34-36.
[4]李安定.太阳能光伏发电技术[M].北京:北京工业大学出版社,2001,12.
太阳能逆变器 篇7
不间断电源是一种在主供电电源失电或异常时能够提供持续电能供应的电源,在实时性很强、对电能质量要求较高的用电场合具有重要的实用价值。但早期的技术方案存在耗能高、对电网谐波污染大、断电后持续工作时间有限等问题[1,2,3]。随着可再生能源发电技术的发展,将其与传统电能变换技术相结合,在获得系统优良控制性能的同时,还可以起到显著的节能作用[4,5]。太阳能发电在各种可再生能源发电技术中因其优良的清洁特性而具有广泛的发展前景[4,5,6,7]。而将太阳能发电与不间断逆变电源相结合的混合式发电技术,不仅能够起到节能作用,还能够延长电网失电后的运行时间,成为当前的研究热点。现有混合式供电技术主要有3种方案。
a.方案1:太阳能电池和蓄电池联合供电[8]。
b.方案2:太阳能电池为蓄电池充电,再由电网和蓄电池共同为负载供电[9]。
c.方案3:太阳能电池、电网和蓄电池通过交流母线连接后共同为负载供电[10]。
方案1由于受光照、环境等因素的影响,电能的持续输出难以保证,只适合于负载恒定、功率较小的场合。方案2能够长期输出稳定电能,但是没有考虑太阳能的最大化利用问题,在蓄电池充满电后,太阳能电池处于开路或弱发电状态,系统总体效率没有达到最优。方案3能够保证系统的长期运行,但是由于各个发电源基于交流母线并联,需要增加直流-交流逆变器以及相应的同步均流算法,系统复杂,成本较高,同时由于输出电压相角、幅值等误差产生的环流使系统效率降低,可靠性下降。
本文将PWM整流技术以及太阳能发电技术用于不间断电源,采用共用直流母线实现能量耦合,无需复杂的同步均流并联技术;通过对网侧电能、光伏电能以及蓄电池的电能进行协调控制,在实现不间断电源的长期持续运行的同时还可以将多余电能回馈到电网,以达到充分利用太阳能、提高系统运行效率的目的。网侧输入端采用PWM控制技术还可以实现网侧输入电流正弦化运行[11],最大限度地降低对电网的谐波污染。
1 逆变电源系统结构及电能协调控制策略
所提出的电网功率可控型太阳能电池-电网-蓄电池混合供电不间断逆变电源的系统结构如图1所示,各个模块通过直流母线连接进行电能的传递。输入侧的PWM整流器用于控制电网功率、输入电流波形以及网侧功率因数;升压电路用于控制太阳能电池的输出功率并具有最大功率跟踪功能;储能电容用于缓冲直流母线的电能;充放电控制模块用于蓄电池的充放电控制;能量管理模块用于整个系统的电能协调管理与控制。
电能协调控制策略的流程图如图2所示。下面对电网正常和电网异常2种情况进行分析。
1.1 电网正常
电网正常时的稳态功率模型为
其中,Ppv为太阳能电池输出功率;Pgrid为电网输出功率,当电网提供电能时大于零,回馈电能时小于零;Pbt为蓄电池输出电能,处于充电模式时大于零,处于放电模式时小于零;Pload为负载消耗的功率。
电网正常时的控制原则是,太阳能电池处于最大功率输出模式,PWM整流器工作于直流电压恒定控制模式,若蓄电池电压低于充电允许值,则充放电控制电路工作于充电模式,充电完成后,停止工作,不输出电能。
下面分析电能流动过程。
光线不足时,即Ppv
光线充足或轻载运行时,即Ppv>Pbt+Pload,则有Pgrid<0,此时系统向电网回馈电能,同时保持直流电压恒定。在整个过程中,太阳能电池始终处于最大功率输出模式,进而充分利用了太阳能。
1.2 电网异常
电网异常时PWM整流器停止工作,由蓄电池和太阳能电池共同为负载供电,其稳态功率模型为
光线不足时,即Ppv
光线充足或轻载运行时,即Ppv>Pload,同样由式(2)可知,Pbt>0,即允许对蓄电池进行充电,若蓄电池未充满,则太阳能电池仍然工作于最大功率输出模式,充放电控制电路在对蓄电池进行充电的同时,保持直流母线电压恒定。若蓄电池已充满,则充放电控制电路停止工作,Pbt=0,多余电能将存储在储能电容中,此时的动态功率模型为
其中,CSE为储能电容值;UDC为直流电压正常工作值;uDC(t)为直流电压瞬时值。
由式(3)可知,直流电压uDC(t)将上升,设定略高于直流电压正常工作值的直流电压限定值,若直流电压达到直流电压限定值,升压电路工作于直流电压限压控制模式,此时太阳能电池的实际输出功率Ppv1为
Ppv1将小于最大输出功率。通过这种方式,可以解决在蓄电池和太阳能电池共同为负载供电时的电能耦合以及蓄电池的投入与退出的控制问题。
2 各模块的控制策略
根据上述电能协调控制策略对各个模块的功能要求,各个模块采用了下述相应的控制策略。PWM整流器的结构原理图如图3所示。采用直流电压外环、输入电流内环的双闭环控制结构[12]。
输入电流内环采用电流前馈解耦电压定向矢量控制VOC(Voltage Oriented Control)策略,控制器的表达式为
其中,Kd P、Kd I、Kq P、Kq I分别为d、q轴电流调节器比例、积分系数;Ud*、Uq*为逆变电压d、q轴分量给定值;id*、id、iq*、iq为网侧电流d、q轴分量的给定值与实际值;ω为电网角频率。这样d、q轴电流可以实现解耦独立控制。
直流电压外环用于直流母线电压恒定控制,采用PI调节方式,调节器输出作为q轴电流给定,d轴电流给定为零,以实现单位功率因数运行。在电网输出电能时,q轴电流为正值,而向电网馈入电能时,q轴电流为负值,这样在保持直流电压恒定的同时,能够实现电能的自动双向流动。
升压电路原理图如图4所示,包括采用电导增量法的最大功率点跟踪MPPT(Maximum Power Point Tracking)控制[13]和采用PI调节器的直流电压限压控制2种模式,直流电压限定值略大于直流电压正常工作值,用于在电网异常且太阳能电池发电功率大于负载功率时保持直流电压稳定,以保证系统可靠运行。本文采用2路控制器的占空比加和的方式来获得最终的占空比,在直流电压低于限定值时,直流电压环输出值为零,功率器件的占空比等于最大功率点跟踪控制环的输出,在直流电压达到限定值时,占空比的值为2个控制环的和dsum,由于直流电压控制环的输出占空比值为负值,因此直流电压瞬时变化越高,则dsum越小,进而可以实现太阳能电池输出功率的控制。该方案与传统设置滞环控制器的方法[6]相比,可以实现2种模式的柔性切换,并减小直流电压的波动。
充放电控制电路原理图如图5所示,采用双向变换器结构,有升压和降压2种工作模式,降压模式用于实现蓄电池的充电控制,采用先恒流后恒压的控制方式[14]。升压模式用于对蓄电池输出功率进行控制,通过采用直流电压恒定控制来实现。根据当前直流电压值、电网是否正常和蓄电池的电压来决定充放电控制电路的工作模式。
直流-交流逆变电路采用三相结构,采用输出电压外环、电感电流内环的双闭环电压定向矢量控制策略,以产生对称的三相输出交流电压[15]。
能量管理模块接收PWM整流器传送的电网状态信号,以及升压电路、充放电控制电路和输出侧的直流-交流逆变电路的状态,并采用图2的协调控制策略,向各个模块发出相应的控制命令。
3 系统性能仿真
根据所提出的逆变电源系统及电能协调控制策略,采用PSIM仿真软件根据图1搭建了仿真模型,对其性能进行仿真。仿真参数为:系统额定功率10 k W,电网输入电压为三相380 V,直流电压正常工作值600 V,限定值620 V,输出电压为三相380 V,频率50Hz。为分析方便,系统带动三相额定对称电阻负载。
下面首先分析电网正常时的系统工作情况。在初始时刻,太阳能电池输出功率为零,此时完全由电网提供电能;在0.25 s将太阳能电池最大可输出功率变为5 k W,此时由电网和太阳能电池共同为负载供电;在0.3 s将太阳能电池最大可输出功率变为10 k W,此时由太阳能电池单独为负载供电;在0.35 s将太阳能电池最大可输出功率变为15 k W,此时太阳能电池的发电电能一部分向负载供电,另一部分回馈到电网。仿真结果如图6所示,由图可见,网侧输入电流为正弦波形,谐波含量较低,其幅值随着供电功率的变化而变化,各个模块的输出功率随着太阳能电池的变化而变化,在0.35 s之后,网侧电流相位与电网电压相位相反,电能回馈到电网。在整个变化过程中,直流电压处于给定值,其误差小于0.25%。在整个过程中,输出电压、电流为正弦波形,幅值保持恒定。
下面分析蓄电池和太阳能电池共同为负载供电时的控制性能,以模拟电网异常的情况。直流电压正常工作给定值为600 V,限定值给定为620 V。在初始时刻太阳能电池不输出电能,负载由蓄电池单独供电;在0.25 s将太阳能电池最大可输出功率变为5 k W,此时由蓄电池和太阳能电池共同为负载供电;在0.3 s将太阳能电池最大可输出功率变为10 k W,此时由太阳能电池单独为负载供电;在0.35 s将太阳能电池最大可输出功率变为15 k W,此时升压电路工作于限压控制模式,太阳能电池发出一部分电能。仿真结果如图7所示,由图可见,各个模块很好地跟随功率的变化,直流电压保持平稳,在0.35 s之后,升压电路工作于限压模式,直流电压维持在限定值。
4 实验验证
搭建了小功率实验平台,参数如下:三相交流输入相电压50 V,直流母线电压150 V,三相输出相电压48 V,频率50 Hz。带动三相对称阻性负载,阻值为15Ω,太阳能电池采用可调直流电压源串联电阻的方式模拟。图8为电网和太阳能电池共同供电时的稳态实验波形,由图可知,输入电流为正弦波形,输出电压幅值恒定,具有较好的正弦性。
图9给出了突变太阳能电池输出功率时的直流电压和网侧输入电流波形,由图可知,在太阳能电池功率突增时,直流电压上升,网侧电流下降,电网输出功率下降;太阳能电池功率突减时,直流电压下降,网侧电流上升,电网输出功率上升。2种情况下均最终使直流电压保持平稳。
5 结论