一種新型家用太陽能交流電源的設(shè)計

孫春虎 王 靜 凌 景

（巢湖學(xué)院機械與電子工程學(xué)院 安徽巢湖 238000）

一、太陽能交流電源原理

太陽能交流電源原理[1]框圖如圖1所示。

太陽能交流電源主要由太陽能板、DC/DC電路、充電電路、控制電路、48V蓄電池、48V逆變器組成。

圖1 太陽能交流電源原理框圖

DC/DC電路的作用是實現(xiàn)太陽能板的最大功率輸出；充電電路的作用是給48V的蓄電池充電；控制電路實現(xiàn)對DC/DC電路和充電電路的驅(qū)動控制；48V逆變器的主要作用是將48V直流電逆變成220V交流電。

由圖原理可知：白天時，蓄電池可以一邊充電，一邊對交流負(fù)載放電；晚上時，蓄電池可以帶交流負(fù)載，也可以不經(jīng)48V逆變器，直接帶直流負(fù)載。可見，該太陽能交流電源不像普通的太陽能電源只能白天充電，晚上放電。

二、太陽能交流電源硬件設(shè)計

太陽能交流電源硬件設(shè)計主要包括：DC/DC電路設(shè)計、充電電路設(shè)計、控制電路設(shè)計以及48V逆變器設(shè)計。

（一）DC/DC電路設(shè)計。本文選用的太陽能板為200W，額定工作電壓36.1V，額定工作電流5.58A。DC/DC電路設(shè)計的主要目的是使太陽能板能實時的最大功率輸出。

常用的DC/DC電路為Boost電路[2]和Buck電路，由于Boost較Buck電路具有轉(zhuǎn)換效率高、能提升電壓、受占空比影響小等優(yōu)點[3]，實際應(yīng)用中以Boost電路居多。Boost電路如圖2所示。

圖2 Boost電路原理圖

最大功率點跟蹤常用的方法有增量電導(dǎo)法、干擾觀察法和占空比擾動法。由于前兩種控制方法都較復(fù)雜，本文采用改進(jìn)的占空比擾動法，即：變步長的占空比擾動法。當(dāng)dP/dD大于0且很大時，大步長占空比擾動；當(dāng)dP/dD大于0且很小時，小步長占空比擾動。

由于一般最大功率點出現(xiàn)在占空比D大于0.5的范圍內(nèi)，因而初始占空比可設(shè)置為0.5，這樣可以大大提高跟蹤的快速性和精確性。直接以占空比作為控制參數(shù)，從而大大簡化了控制系統(tǒng)的設(shè)計。

太陽能板正常工作時輸出為36V，最大功率點占空比大于0.5，故Boost電路輸出電壓大于72V，故可給60V及以下的蓄電池充電。

（二）充電電路設(shè)計。常規(guī)的蓄電池充電方法采用三段式：恒流階段、恒壓階段、浮充階段，但是這種充電方法較慢。本文采用了一種新的三段恒流充電方法，即：大電流階段、小電流階段、浮充電流階段。

傳統(tǒng)的充電電路主電路采用AC/DC/AC/DC的組合形式，借助復(fù)雜的模擬控制系統(tǒng)實現(xiàn)恒流、恒壓充電，充電電路復(fù)雜，為此，本文提出了一種新型的Buck恒流充電電路，如圖3所示，由該電路輸入、輸出關(guān)系可得到公式（1）。

式中：V2—Buck電路輸入電壓；

D—開關(guān)S2的占空比；

E—蓄電池電壓；

I—蓄電池充電電流；

R—蓄電池充電回路總電阻。由公式（1）知：即使R、E、V2變化，但只要選擇合適的占空比D即可保持以恒定的電流I充電，這就是恒流充電的基本原理。

太陽能板正常工作時，Boost電路的輸出電壓為72V，采用Buck電路給蓄電池充電時，考慮到壓降，蓄電池的電壓規(guī)格只能是48V及以下，本文蓄電池采用4節(jié)12V/100AH的容量規(guī)格。充電策略如下：第一階段采用10A的恒流充電；當(dāng)蓄電池電壓大于50V時進(jìn)入第二階段的5A的恒流充電；當(dāng)蓄電池電壓大于53V時進(jìn)入第三階段的1A的浮充恒流充電。

圖3 Buck恒流充電電路

（三）控制電路設(shè)計?？刂齐娐返闹饕δ苁菍崿F(xiàn)Boost電路的MPPT跟蹤控制和Buck電路的三段恒流充電控制。為了滿足控制的實時性、精確性這里選用美國TI公司的16位低功耗單片機MSP430F149[4]。MSP430F149有兩個16位的定時器A和B，通過比較器可分別產(chǎn)生2路和6路PWM波。

本文利用定時器A產(chǎn)生2路PWM波，一路用于控制Boost電路，另一路用于控制Buck電路。定時器A中的TACCRO設(shè)置PWM波的頻率；TACCR1和TACCR2分別設(shè)置Boost電路和Buck電路的占空比；TACCTL1和TACCTL2設(shè)置兩路PWM波的輸出方式，通常為7；TACTL設(shè)置定時器A四種計數(shù)方式，通常為方式1。控制電路如圖4所示。

圖4 MSP430F149控制電路圖

由圖4可知：利用P1.2、P1.3口產(chǎn)生PWM1、PWM2分別控制Boost電路和Buck電路；P6.3～P6.6口為4路12位的模擬信號采樣口；P6.3、P6.4口實現(xiàn)MPPT跟蹤控制；P6.5、P6.6口實現(xiàn)三段恒流充電控制，4路模擬信號由4個霍爾傳感器采樣而來，這里不再詳述。

（四）48V逆變器設(shè)計。通常單相逆變器直流側(cè)電壓理論最小值為311V，若考慮調(diào)制比，實際電壓至少在350V以上，本設(shè)計選定為380V。顯然蓄電池的48V電壓需要先升到380V，然后才能進(jìn)行逆變輸出。

直流升壓電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有Boost電路、雙管正勵變換器、推挽電路。Boost電路由于效率受到占空比的影響，占空比越大，效率越低，因而通常電壓增益小于5；雙管正勵變換器由于變壓器磁通只能在單方向變化，故體積較大且整流輸出電壓和電流的脈動大、輸出端濾波器的體積大；推挽電路很好的克服了以上缺點。

本文采用推挽電路，推挽電路如圖5所示。該升壓控制電路以SG3525[5]為核心，產(chǎn)生2路帶死區(qū)的PWM波，經(jīng)TLP250驅(qū)動實現(xiàn)推挽電路的380V升壓控制。

圖5 推挽式直流升壓變換器

逆變輸出電路采用全橋變換器，如圖6所示?？刂葡到y(tǒng)以雙極性的SPWM集成控制芯片TDS2285[6]為控制核心，利用其外圍電路產(chǎn)生2路SPWM波，經(jīng)過非門、RC電路、與非門形成帶死區(qū)的4路PWM波，最后通過4個TLP250驅(qū)動電路驅(qū)動全橋逆變，產(chǎn)生220V交流電。

圖6 單相全橋逆變器

三、太陽能交流電源軟件設(shè)計

太陽能交流電源軟件設(shè)計目標(biāo)是實現(xiàn)Boost電路MPPT跟蹤和Buck電路恒流充電控制，因而軟件設(shè)計包括：改進(jìn)的MPPT占空比擾動法程序設(shè)計、Buck恒流充電程序設(shè)計、PWM波程序設(shè)計。

（一）改進(jìn)的MPPT占空比擾動法程序設(shè)計。常規(guī)的占空比擾動法以爬坡形式尋找最大功率點，因而尋找過程較慢；尋找過程中以固定的占空比步長尋找，若步長較大則會導(dǎo)致跟蹤誤差較大，若步長較小又會造成跟蹤速度較慢，當(dāng)外界環(huán)境變化較快時將無法實現(xiàn)MPPT的跟蹤。

由于一般最大功率點出現(xiàn)在占空比D大于0.5的范圍內(nèi)，因而可將初始占空比設(shè)為0.5，這樣可以加速MPPT跟蹤的速度。改進(jìn)的占空比擾動法流程圖如圖7所示，它采用變步長形式跟蹤最大功率點，且每次保存D(k)、p(k)、D(k+1)值。算法如下：當(dāng)Δp(k)/ΔD(k)絕對值大于λ時，以大步長λ2跟蹤；當(dāng)Δp(k)/ΔD(k)絕對值小于λ時，以小步長λ1跟蹤[7]。

MSP430F149單片機根據(jù)D(k+1)產(chǎn)生1路PWM信號，從而實現(xiàn)Boost電路的MPPT跟蹤。

圖7 改進(jìn)的占空比擾動法流程圖

（二）Buck恒流充電程序設(shè)計。Buck恒流充電程序流程圖如圖8所示，首先測量蓄電池電壓，若電壓小于50V，則以10A的電流恒流充電；若電壓在50V和53V之間，則以5A的電流恒流充電；若電壓大于53V，則以1A的電流恒流充電。

流程圖利用數(shù)字PID對電流誤差進(jìn)行運算得出占空比控制量D2，MSP430F149單片機再根據(jù)D2產(chǎn)生1路PWM波驅(qū)動Buck電路，以實現(xiàn)三段恒流充電控制。

圖8 Buck恒流充電流程圖

（三）PWM波程序設(shè)計。本系統(tǒng)利用定時器A在腳P1.2、腳P1.3產(chǎn)生2路PWM信號分別驅(qū)動Boost電路和Buck電路。設(shè)D1、D2分別為某一時刻Boost電路和Buck電路所需控制的占空比，PWM波程序流程圖如圖9所示。

P1SEL、P1DIR設(shè)置腳P1.2、腳P1.3為PWM輸出口；OUTMOD_7為PWM輸出模式7；FACTL設(shè)置定時器計數(shù)模式為增加模式；TACCR0設(shè)置 PWM波頻率；TACCR1、TACCR2設(shè)置占空比。

圖9 PWM程序流程圖

四、結(jié)語

該太陽能交流電源白天、晚上都能放電，滿足了白天的用電需求；MPPT跟蹤速度與精度有所提高；Buck恒流充電電路簡化了充電電路設(shè)計、效率高、可靠性高；具有一定的參考與應(yīng)用價值。

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