逆变电源范文

逆变电源篇1

关键词：电力专用逆变电源；不间断；UPS

中图分类号：TP302 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）35-8172-02

逆变电源作为电力系统中提供电源的设备，为发电厂和变电所中的监控主机、备机、前置机、五防设备、通讯载波设备、视频监控设备和远动通讯设备提供不间断电源，在发电厂、变电所中具有重要地位。当系统检修或因故障临时或突然停电时，具有与UPS同样的功能，能够不间断为调度主站、集控站等提供厂站设备的实时监测信息，保证了数据的实时性、可靠性，为电力调度指挥提供了充分保证。在电力系统中是不可或缺的设备。

1 概述

本文所述的电力专用逆变电源采用16位微处理器和高可靠性的智能功率模块。设备结合现代数字化设计理念，采用了人性化的设计，面板用液晶来循环显示装置的输出电压和电流，且设备在旁路运行、逆变运行、逆变故障和直流异常时皆有指示灯来指示运行状态。电压变换部分用变压器隔离，具有响应速度快，抗冲击能力强，逆变、市电自动转换等特点，而且因为电源设计采用变压器隔离措施，使直流输入、交流输出相互隔离，使设备的电能质量和可靠性得到有效提高。此外模块采用智能设计，具有直流欠压、过流、过温保护及故障指示功能；电路的特殊设计，使得它的能量源直流电压输入无极性要求，避免因极性接错而损坏设备的事情发生，为用户提供了使用上的便利性。

2 技术参数

电力专用逆变电源可在环境温度0℃至+45℃、相对湿度≤90%、大气压力86kPa ～106kPa的环境使用，同时要求周围环境无强烈震动和冲击、无强电磁场干扰、无严重尘埃、无引起爆炸的危险介质、导电颗粒和严重霉菌，以保证其运行可靠，使用寿命达到预期。它的输入电源有两种：直流电源和市电交流，且对直流电的输入域度要求很宽。市电从旁路输入，输入电压允许范围 ：单相AC 220V±20% 。直流输入电压可以是220V或110V两种，220V电压输入的模块电压允许范围为187 V～275V，而110V电压输入的模块电压允许范围为94V～138V。输出额定容量可以是0.5kVA、1.0kVA、2.0kVA或根据用户需求定制。交流输出额定容量：0.5KVA 或1.0KVA 或2.0KVA 或根据用户需求定制。输出电压：AC220V±5%，输出频率：50Hz±1%。具有较强的带载能力，最高可达到9A以上，线性负载情况输出波形失真率（THD）小于5%，负载变化由空载到满载的动态响应也小于5%。

3 原理设计

电力专用逆变电源设备由输入缓启动单元，SPWM逆变单元，逆变、旁路切换单元，输出滤波单元，内置监控单元构成。它集合了微机测控、变压器技术于一体，具有精度高、响应快、可靠性好、无波形畸变等特点，可作为发电厂、变电站的专用UPS使用。它的直流输入220V或110V经过缓启动单元和滤波电路后，采用双极性正弦波脉宽调制方式（SPWM）对逆变器进行控制，将平稳直流变换为脉宽调制输出的交流，该交流基波频率为所需要的电源输出频率。逆变器输出的脉宽调制波经输出LC滤波电路滤波，变压器变压隔离后，输出所要求的正弦波交流电。SPWM脉宽调制电路根据电源和负载当直流母线电压处于正常范围时，经滤波、隔离后，经过逆变部分产生标准的220V正弦波电压向负载供电。逆变器供电状态时，输出为稳压、稳频状态。当逆变器故障或者直流系统故障时，将由逆变供电状态转向由旁路供电状态，此时输出为旁路输出状态，不稳压、不稳频。假如关掉后面板上的逆变输出的船形电源开关，也将转向由旁路供电的状态。设计时设备还充分考虑了输入输出过载等的保护情况，具有较强的过载能力。逆变运行时，负载功率超过额定的105%时，延时90±3s后关断逆变输出，超过额定的120%时，延时10±2s后关断逆变输出，需关机才能复位。此时由旁路电源供电；输出短路时，逆变电源输出将自动关闭，需关机才能复位，此时由旁路电源供电；当输入直流电压低于180V或90V时，装置的直流异常指示灯亮；当输入直流电压低于170V或85V时，逆变电源输出将自动关闭，需关机才能复位，此时由旁路电源供电。逆变时在阻性负载的情况下工作效率大于80%。

设备的各种运行状态在设计时都充分考虑到了，各种运行状态都有明确的指示灯指示。当旁路运行灯点亮时，说明设备的输出是由旁路电源输出的。当逆变运行灯点亮时，说明设备的输出为由逆变器输出。当直流异常灯点亮时，说明设备的输入直流电压已经低于180V或90V，当直流电压恢复至195V或98V时，该指示灯自动熄灭。当逆变故障灯点亮时，有以下几种情况：

1） 逆变输出短路时，该指示灯0.5s闪烁一次；

2） 逆变输出过载时，该指示灯0.2s闪烁一次；

3） 逆变输出过载保护后，该指示灯常亮。

为了能够保证变电站运行人员实时监视到设备的运行状态和运行参数，掌握设备的运行健康状况，设备还设计了软件通讯功能，它具有RS485A和RS485B两个通讯口，采用通用的CDT或MODBUS规约来将设备的运行参数和运行状态送到后台，方便远程监视和掌控。

4 结论

随着我国电力系统的不断发展，发电厂和变电站的建设越来越多，对设备的可靠性和实时性和不间断性的要求越来越高，必然的对电力专用逆变电源的需求也不断增多。随着该设备功能的不断完善和功能的增多，必将有广阔的市场应用前景。

参考文献：

[1] 何仰赞，温增银.电力系统分析[M].武汉：华中科技大学出版社，2002.

逆变电源篇2

【关键词】逆变电源 应用 技术革新

在现在的生产企业中，电源系统具有非常重要的作用，此系统质量的优劣，能够决定企业的生产效益，因此一定要引起相关工作者的重视。而在所有电源系统的性能方面，要数逆变电源最高，它诞生于上世纪的六十年代末，在问世以后，就占据了大部分的市场资源。与其他电源系统相比，逆变电源不但具有很强的稳定性，同时在质量方面也具有极强的优势，因此得到了很多企业的青睐，那么下面我们以逆变电源的发展历程为角度，来具体的讨论一下是如何对它进行技术革新的。

1 逆变电源的发展

电力电子器件的发展，推动了逆变电源的技术革新脚步。具体说来，一共分为三个阶段：

首代逆变电源的逆变器开关器件，选用的是晶闸管，因此又被叫做可控硅逆变电源，这种类型逆变电器的诞生，很好的代替了旋转型变流机组的地位，并在企业的生产过程中体现出了非常显著的作用。不过因为这代逆变电源并不具备自关断的功能，所以就只能通过加大换流电路来关断可控硅逆变电源。另外，换流电路的结构比较繁琐，而且体积也很大，还会发出很强的噪音，因此这些弊端，很大程度的影响了逆变电源的发展。

第二代逆变电源的逆变开关电器，考虑到上一代的弊端问题，因此选用了自关断器件。而进入到上世纪七十年代末以后，自关断器件得到大量的生产，这也因此大幅度的提升了逆变电源的质量，这也同时让其动态特性也得到了明显的加强。其中主要的产品有可关断晶闸管、电力晶体管等等。

第三代逆变电源则是在质量上取得了巨大的突破，其主要的原因在于利用了实时反馈控制技术。此项技术主要是根据第二代逆变电源中所存在的不足，所进行的具有针对性的改良，主要是让逆变电源增强了对非线性负载的适应能力。第三代逆变电源目前的发展势头良好，不过并不是特别的完善，仍需要进一步的发展。

2 应用

2.1 光伏发电

由于能源危机已经成为了一个无法回避的重要的问题，因此当今社会更加重视可持续发展战略。尤其是油气资源的进一步减少，和转变期过程当中对环境造成的破坏，让很多的国家意识到开发新能源的重要意义，而若想实现这个目标，关键在于如何对太阳能进行利用，并制定出实之有效的战略方案，而在此期间，光伏发电受到了很多的关注。太阳能是用不尽的，利用电池列阵，可以把太阳能转换成直流电，然后再利用逆变系统，转换成交流电，这样的话，就能够并入电网，从而让用户使用到电。而这就是光伏发电。

2.2 风力发电

风能对环境不会造成污染，而且还是再生资源，因此得到了很多国家的关注。而通常所说的风力发电，就是将风能转化为机械能，然后再将机械能转变为电能。而在运用期间，由于风力、风速 的关系，让交流电变的不是很稳定，因此很难并入电网，而这给风力发电的发展造成了十分不利的影响。不过若是采用逆变技术的话，那么就会得到极好的改善：首先要利用整流，让交流变的稳定一些，这样就会形成直流电；之后经过逆变，直流电就会变成交流，并且还会具有稳定性，如此一来，就可以并入电网，并最终让用户得以使用到。

3 技术革新

3.1 PWM软开关技术

此项技术，主要是通过采取输出电压的脉宽的方式，把直流电压转变为幅值相等的交流脉冲电压，这样的话就可以很好的对交流脉冲电压进行控制。想要让PWM软开关技术完成控制任务的方法有很多种，比如用电压或者电流来对PWM进行控制等等。同时，该项技术还能够加强开关器件的工作效率，尤其是能够达到20kHz的开关频率，在效果上会体现的更加明显。

此项技术的基本想法是：在传统的PWM变换器上安装一个谐振网络，并且这个谐振网络必须要由功率开关构成。当开关进行转变的时候，谐振网络就开始工作，因为谐振过程并不会消耗太长的时间，所以不会让PWM技术受到影响。但有一点需要明确的是，因为谐振网络的关系，势必会对谐振造成一定的消耗，同时让电路也会受到干扰，这样就会使得PWM软开发技术在应用方面具有一定的局限性。不过由于PWM软开发技术是目前完成电力电子高频化的最有效方式，因此该项技术一定会很好的加强逆变器的性能。

3.2 多电平技术

尽管PWM技术非常的重要，但是对谐振具有很大的消耗，这是该项技术的一个非常明显的弊端。在这种情况下，相关研究人员变研发出了多点平逆变技术，而且已经慢慢的变成了电力领域发展的主流。而此项技术的主要目标在于，让电路的拓扑结构得以改变，从而确保逆变开关能够在低频的环境下工作，这样的话，就可以很好的降低开关应力，并最终得以让逆变器的输出效果得到明显的提升。

3.3 并联技术

若想加强电源系统的稳定性，就一定要采用并联技术。而此项技术在得到推广以后，就取得了迅速的发展。它在改变系统工作效率方面取得了非常显著的效果。根据电网能量转换的特性来看，主要的拓扑结构包括独立以及交互式并联系统、独立直流电源和共同直流电源并联系统及电压源。此外，若想保证每个逆变器的电压幅值能够保持在正常的范围以内，并让频率之间维持同步，那么最好采取集中、分散、主从以及无互连线分散的电流控制方式。

4 结语

由于科技的进步，让电源技术得到了很大程度的发展，种类也逐渐的增多了起来，因此这也让逆变电源得到了极为广泛的运用。而逆变电源一共经历了三个阶段的发展历史，取得了非常显著的效果，目前，已经进入到了技术革新的阶段，并且在PWM软开关技术、多电平技术以及并联技术等方面的发展上都取得了很好的效果。因此，在今后的工作中，相关工作者更是要积极努力，开创崭新的技术革新工作，从而让我国的逆变电源的发展水平迈向一个新的高度。

参考文献：

[1]孙立军.逆变电源的发展与技术革新[J].农业科技与装备，2012，09：56-58.

[2]李瑞荣.PWM逆变器谐波分析及特定消谐法研究[D].太原科技大学，2015.

[3]赵飞.浅谈太阳能光伏系统中的逆变器（DC/AC）设计理念[J].山东工业技术，2015，22：69.

逆变电源篇3

【关键词】逆变电源 高效率 三电平

随着英国45型战舰和美国海军DDG1000战舰相继下水、服役，标志着世界军用舰船动力系统M入综合电力系统的全新时代。逆变电源作为主要的电能变换设备，是未来舰船综合电力系统里的关键技术装备。

逆变电源效率的提升意味着设备的体积可以更小、重量更轻、功率密度更高。更为重要的是，对于作为舰船电力系统中主供电电源的逆变电源设备而言，逆变电源效率的提高不仅减小了自身的热负荷，并且也大大减轻了全船空调及其他辅助系统的负荷，使得全船能量利用效率进一步提高。现代舰船综合电力系统中逆变电源容量往往高达MW级，逆变电源效率每提升一个点，相当于一方面减少了10kW以上的功率损耗，一方面减少10kW以上的空调热负荷，能有效的提升船舶的燃油经济性。

目前舰船逆变电源的变换效率已达到90%以上的高水平，要想进一步提高变换效率，需要在开关器件选型、逆变拓扑结构、功率母线、滤波电抗器和变压器磁性材料选择等各个环节全面设计优化，以进一步降低设备损耗，提高整机效率。

1 逆变拓扑设计优化

上世纪八十年代由日本学者提出了一种新颖的三电平逆变电路拓扑，通过集成更多的开关器件，产生更多的电平状态，从而达到更高的等效开关速度。

相对于传统两电平三相桥式逆变电源，三电平逆变电源具有一系列优点：

（1）单管只需承受一半的直流电压，可以采用低耐压等级、低损耗的IGBT运用在高压场合；

（2）单管只需要开通或者关断一半的直流电压，开关损耗更小；

（3）输出电压波形更接近于正弦，谐波含量小，所需滤波电感量小，有利于降低系统成本和功率损耗。三电平逆变电源非常适用于高直流电压、大功率的舰船电力系统。

为进一步提升三电平变换电路工作效率，可以让每个桥臂中间两个IGBT工作在电网周期频率，最上方和最下方的两个IGBT工作在高开关频率。另外，三电平逆变电路还可以采用多种不同特性IGBT组成混合器件结构。根据开关特点不同，每个桥臂上方和下方的两个开关器件选择低开关损耗的高速NPT型IGBT，每个桥臂中间的两个开关器件选择低通态损耗的Trench型IGBT，利用不同类型IGBT器件的开关特点，充分发挥器件优势，提升变换效率。

三电平电路虽然具有一系列优点，但也存在着通态损耗两倍于传统两电平三相桥的缺点。为了解决这一问题文献[3，4]提出了改进型NPC三电平逆变电路的解决方案，通过集成具有反向阻止能力的特殊规格IGBT，推出了实用化的改进型三电平IGBT模块。其主要改进在于将NPC型三电平电路中间的开关管和箝位二极管用两个具有反向阻止能力的特殊IGBT并联代替，通过控制此类反向阻止IGBT的导通以保证电流续流。

通过这样的改进后，每个开关管在开关过程中只有1/2直流电压的电压变换，因此其开关损耗大约只有两电平的一半；此外，任何时候电流仅流经一个半导体器件，其通态损耗相对于二极管箝位型三电平逆变电源而言进一步降低。

2 半导体开关器件择优

在逆变电源的设计中，IGBT是最常见的开关器件。因为IGBT导通压降的非线性特性使得其导通压降并不会随着电流的增加而显著增加，从而保证了逆变电源在大负载情况下，仍然可以保持较低的损耗和较高的效率。除IGB外，另一类电力电子开关器件是具有线性导通压降特性的MOSFET。MOSFET器件在小负载情况下具有更低的导通压降，并且可以通过多个并联以进一步降低。此外，考虑到MOSFET自身较低开关损耗和优秀高频工作能力，在小功率的应用场合中，利用MOSFET多管并联代替IGBT以降低导通损耗和开关损耗，是提高效率的有效途径。

近年来随着宽禁带SiC、GaN器件的不断发展，基于SiC基底的MOSFET器件导通损耗大幅低于现有器件。此外，SiC器件还具有高开关速度、低开关损耗、高阻断电压等一系列优点，除价格暂且价高、电流较小的限制外，几乎可以成为常规开关器件的最佳选择。由图1的对比可以看到，SiC器件的导通损耗要明显优于当前的常规MOSFET产品。可以预见，随着SiC开关器件的不断成熟和容量的不断扩大，将有力的推动逆变电源向着更高的效率发展。

开关器件是逆变电源中功率损耗的主要器件，因此逆变电源的设计之初就是觉得开关器件的选型。在SiC器件尚未大规模进入规模化应用的当前，对于大功率逆变电源场合首先是IGBT，而小功率器件一般则选用MOSFET更为理想。

3 功率电路连接优化

元器件之间的连接铜排虽然不是设备内主要的发热器件，但先进的电路连接方式对于设备整体的效率也有较大的影响。

对于大型电力电子设备而言，直流储能电容器和IGBT器件之间的母线上总会存在杂散的分布电感参数。在IGBT关断的瞬间，分布电感电感的两端会感应出很大的瞬态尖峰电压，电压的大小与分布电感呈正比。

杂散分布电感数量虽然较小，但由于现代IGBT器件的开关速度很快，开关过程的电流变化率较大，也会造成很大关断尖峰电压。因此，功率器件连接环节存在的分布电感，不仅会增大开关器件的动态损耗，还会造成极高的关断电压尖峰，增大了开关器件过压击穿的风险。

电力电子设备的功率单元设计上必须尽量减小连接铜排的长度和环路面积，以减小等效形成的分布电感参数。针对这一设计要求，最有效的解决措施就是采用叠层式复合母线，即复合母排技术。

采用复合母排连接方式后，从直流电容到开关器件总的分布电感量也可以控制在100nH以内。假设IGBT关断速度为250ns，关断电流为200A，100nH杂散电感引起关断电压尖峰仅为80V，完全可以在DC450V直流母线下采用600V的IGBT，相对于采用1200V器件，其整机的变换损耗可明显减少。

4 铁磁材料的设计优化

逆变电源滤波内最主要电磁元器件是电抗器和变压器，这也是逆变电源中除开关器件之外产生热损耗最大的部件。

电磁元器件的损耗分为铜耗和铁耗。铜耗可以通过在设计上加大线径等方法加以降低，而铁耗则与选择的磁芯材料紧密相关。目前电气工程领域常用的磁性材料主要有硅片、微晶合金、非晶合金、铁氧体磁材等，这些材料的性能参数见表1。

由于磁性材料的特性差异显著，不同场合有不同的应用特点，因而在滤波电感和变压器的设计上需要着重考虑。硅钢具有很高的居里温度和饱和磁感应强度，是最常见的变压器磁芯材料，但主要缺点是高频涡流损耗大、铁耗高，因而常运用于低频、大功率的场合。

由金属离子氧化物组成的铁氧体材料，具有相当高的电阻率，可有效抑制内部涡流，高频损耗很小，是高频变换领域的优良材料。铁氧体的缺点在于热稳定差，机械强度低，易于破碎，并且饱和磁感应强度小，一般用在小功率电源设备。

非晶合金材料是利用急冷技术将液态金属直接冷却形成的固体薄带。这种合金具有高硬度、高电阻率、耐蚀性等众多优异的特性，具有较高的饱和磁感应强度，是一种可替代硅钢的优良磁性材料。非晶合金材料主要不足在于，磁致伸缩系数较大，用其制造变压器、电抗器等器件的噪声大约为硅钢材料的120%。因此对于舱内布置的舰船逆变电源而言，其工作噪声较大，影响舱室的居住性。

微晶合金，也叫纳米晶合金，是含有铜和铌元素的铁基非晶合金通过退火处理而形成，晶粒尺寸通常在10nm左右。微晶合金具有初始磁导率高、饱和磁感应强度高、高频损耗低、矫顽力低的优异特点。用微晶合金作为铁芯的变压器，其效率能够达到99%以上。

从以上对比可见，微晶合金磁性材料集铁氧体、硅钢等材料的众多优点于一体，具备良好的综合磁性能，是舰船逆变电源中电磁部件的优选材料。只是由于当前铁基微晶合金的成本较贵，因此在对成本较为敏感的应用场合受到一定限制，但总体而言，是一种极具应用发展前景的磁性材料。

5 结论

逆变电源作为舰船综合电力系统中最重要的部件之一，电能变换效率不仅是评价逆变电源的关键性指标，也涉及到舰船综合电力系统的整体能效重要技术指标。针对舰船逆变电源对变换效率要求的持续提高，本文从半导体开关器件选型、电力变换拓扑结构设计、功率部件连接方式和磁性材料优化四个方面，提出了面向工程实用的设计方法和相关建议，对舰船逆变电源和大功率电力电子装置的合理优化设计，具有一定的指导意义。

参考文献

[1]马伟明.舰船动力发展的方向――综合电力系统[J].海军工程大学学报，2002，14（06）：1-6

[2]Nabae A，Takahashi I，Akagi H.A new neutral-point-clamped PWM inverter[J].IEEE Transactions on IndustryApplication，1981（17）：518-523.

[3]马琳，孙凯等.高效率中点钳位型光伏逆变电源拓扑比较[J].电工技术学报，2011，26（02）：109-114.

[4]Br lckner T，Bernet S，Steimer P K.The active NPC converter for medium-voltage applications[C].Proceedings of IEEE IAS，2005（01）：84-91.

[5]Fuji-Electric.2Mbi450U4E-060 Data sheet[EB/OL].http：///device.

[6]钱金川，于建兵，朱守敏.微晶合金磁芯材料在逆变电源中的应用[J].电工电气，2009（07）：59-62.

作者单位

1.海装装备采购中心 北京市 100190

逆变电源篇4

关键词：绝缘栅双极晶体管；中频逆变电源；驱动；正弦波脉宽调制

引言

400Hz中频电源在工业、国防、航海、航空等领域中应用非常广泛。目前在我国，400Hz中频供电系统大多为中频机组，体积大，噪音高，效率低，管理不便。我们研制了一台用绝缘栅双极晶体管（IGBT）做为主功率开关器件的400Hz正弦波中频逆变电源，它具有体积小，重量轻，噪音低，转换效率高，工作可靠，使用方便等优点，是中频机组的理想替代新产品。

IGBT是新一代复合型电力电子器件，它的控制级为绝缘栅控场效应晶体管，输出级为双极功率晶体管，因而它兼有两者的优点而克服了两者的缺点，如高的输入阻抗；高的开关频率；很小的驱动功率；通态压降小；电流密度大等。

图1

1系统组成及工作原理

1.1逆变电源主电路

正弦波中频逆变电源的主电路构成如图1中的上半部分所示，图中K1为空气开关。L为EMI滤波器，用以滤掉电网中的干扰和消除逆变电源对电网的干扰。K2，K3，K4为接触器，K2的作用是在系统启动时接通电源，在故障时切断主电源，其辅助触点K2′用来在停机或保护电路动作时使滤波电容C1及C2上贮存的能量通过电阻R2快速放掉，以便检修或避免掉电时电容C1及C2中聚积的能量还未放完，逆变桥中同桥臂上下主功率IGBT因驱动脉冲电平不确定发生同时导通而损坏。接触器K3和电阻R1构成软起动电路，其作用是在系统启动时，通过电阻R1缓慢地对电容C1及C2充电，防止直接启动时由于电容器C1及C2上初始电压为零，导致整流桥模块承受过大的电流冲击而损坏，当电容C1及C2上的电压充到一定值时，接触器K3动作，其触点将电阻R1短接。K4用于将电源输出与负载隔开，等系统启动成功后再将负载接通，以保证电源系统顺利启动及保护用电设备。滤波电容C1及C2用来对整流后的电压进行滤波，以保证提供给逆变桥的电压为平直的直流电压。R3及R4分别并于C1及C2两端，以保证C1及C2各承受主电路中直流电压的一半。S为霍尔电流传感器，对逆变电源的直通及短路保护提供一取样信号。V1～V4为4只IGBT，构成桥式逆变电路。C3及C4用来抑制IGBT通断过程中因电路中电感的存在引起的尖峰脉冲电压Ldi/dt，保证主功率开关器件IGBT不因承受过高的尖峰脉冲电压而击穿损坏。L1，L2，C5构成输出滤波器，把逆变桥输出的按正弦波规律变化脉宽的高频脉冲波还原成中频正弦波输出，并经变压器T1隔离后为负载提供合适幅值的电压。

逆变电源主电路的工作原理可归纳如下：三相（或单相）交流市电经EMI滤波器滤波后，由整流桥模块U整流，再经电容滤波，加至由IGBT构成的桥式逆变电路，该直流高压经逆变电路逆变为脉宽按正弦波规律变化的高频脉冲波，再由输出滤波器滤掉高频谐波，得到中频正弦波，最后由变压器隔离、变压（升压或降压）后提供给负载。SPWM脉冲波由主控制电路产生并根据输出反馈电压和反馈电流来改变脉冲波的宽度，从而保证输出电压的稳定。

1.2主控制电路

主控制部分的原理框图如图2所示。它采用INTEL公司的16位单片机87C196MC作为控制核心。该单片机主要用于控制和数据处理，并具有脉宽调制信号输出端口。在控制算法上采用模糊控制算法。单片机产生载频为20kHz的SPWM脉冲信号，由脉宽调制信号输出端口输出，通过驱动电路加到IGBT的栅极，控制逆变电路正确工作，同时，根据电压和电流的反馈值调整SPWM脉冲信号的脉宽以保持输出信号幅度的稳定。为了保证系统安全可靠地运行，充分发挥单片机的强大控制功能，由主控制电路对系统的关键器件和关键参数，例如过压、欠压、过流、过载、输出短路、过热等进行实时监控，实现对系统工作状态的自诊断并对故障进行相应的声光报警。由于采用了16位单片机作为系统的控制核心，控制快速准确，使系统具有响应快，运行稳定、可靠的特点。

1.3驱动电路

IGBT的栅极驱动电压可由不同的驱动电路提供，选择驱动电路时，应考虑驱动电路的电源要求，器件关断偏置的要求，栅极电荷的要求，耐固性要求，保护功能等因素。驱动电路的性能不仅直接关系到IGBT器件本身的工作性能和运行安全，而且影响到整个系统的性能和安全。

德国西门康（SEMIKRON）公司生产的SKM系列IGBT功率模块，在芯片制造工艺、内部布局、基板选择等方面有独到之处，不必使用RCD吸收电路，SOA（安全工作区）曲线为矩形，不必负压关断，并联时能自动均流，短路时电流自动抑制，开关损耗不随温度正比增加，正温度特性曲线。鉴于此，选用西门康公司的SKM系列IGBT作为逆变电源的主功率开关器件。为充分利用IGBT的优良性能，保证系统能安全可靠地工作，驱动电路也选用西门康公司的SKHI系列驱动器。该系列驱动器只需一个非隔离的＋15V电源；具有高dv/dt容量；保护功能完善；故障记忆，通过ERROR信号告知控制系统；上下互锁，避免同一桥臂两只IGBT同时开通；栅极电阻外部可调，使得使用不同功率容量的IGBT时都能工作于较高的开关频率，并得到高的转换效率。

作为电压型控制的IGBT不需要栅极驱动电流，但由于栅极输入端有一个大电容，使在驱动时形成一很窄的脉冲栅极驱动电流，且IGBT容量越大，该脉冲电流的峰值越大，例如，200A/1200V的IGBT的开通电流的脉冲峰值约达到1.5A。SKHI驱动器既能承受这种高峰值栅极电流又不降低VGE。为?高开通和关断速度，减少驱动器损耗，SKHI驱动器的输出级采用MOSFET对管以减少连接线路上的电阻。影响开关速度的另一个重要因素是栅极电阻RG，减小RG可以降低IGBT的开关损耗，但由于杂散电感的存在，使得IGBT关断时的集射极间的尖峰电压增大，SKHI驱动器将RG分成RGON和RGOFF（见图3），这样两个参数可分别控制，并可根据IGBT容量的不同，分别调整RGON和RGOFF，以获得最佳驱动效果。

过流保护是驱动电路具有的重要功能之一，SKHI采用监测IGBT集射极电压VCE来测控过流，原理图见图4。VCE测控电路同时监视栅极输入信号和集射极电压，当输入信号为高电位，并且在3～5μs后，VCE较正常饱和值（3.5～5.5V）高，则认为过流，关断脉冲信号，给出故障报警信号。这是一种较先进的过流测控方式。

SKHI驱动器是针对IGBT和MOS特性而设计的，是性能较为完善的一种驱动器。

1.4辅助控制电路

辅助控制电路的作用是根据主控电路发出的控制信号，依次控制接触器K2，K3，K4的吸合及分断，保证主电路依正确的顺序加电，在保护电路工作时切断主电路的供电电源。辅助控制电路还为风扇提供电源。

1.5显示及按键控制电路

显示及按键控制电路的功能是在主控电路的控制下，显示系统的工作状态，如电压、电流、频率等，并可通过按键改变输出电压的幅度（改变范围为额定输出电压的±10％）和输出电压的频率（400Hz±30Hz）。当系统出现故障时对故障进行显示和报警，报警信号包括过流、过载、短路、过热、输入过压欠压、驱动报警等。

1.6软件控制

在算法上采用SPWMT和PID算法以及模糊控制逻辑、动态查表法，使系统响应更快，保护功能更强，可靠性大大提高。

1.7其他

采用关键器件降额设计，软启动设计、自动保护设计等措施，保证电路在环境应力较大的情况下能可靠工作；采用可靠性热设计、三防处理、结构件加固处理等办法，保证产品在恶劣的气候应力和机械应力条件下的可靠性；对于舰载装备配套的本产品，采用复合型减震器和导向件结构，保证产品的抗冲击、抗振动性能。强化产品的绝缘设计，确保产品的安全性。

2实用效果

根据上述正弦波中频逆变电源方案，已成功开发出系列正弦波中频逆变电源，经实测在额定负载时输出正弦波的失真度<3％，MTBF>20000h，各项技术指标均达到设计要求。通过了海装电子部组织的专家鉴定，还通过了中国电子产品可靠性与环境试验研究所质量检测中心（即信息产为部五所）的可靠性和电磁兼容性鉴定、环境试验检测。电源经海军多个部队和基地、军工单位、研究所的实际使用，取得了令人满意的效果。

3结语

1）大功率IGBT因具有工作频率较高，驱动电路功率小，工作损耗小等优点，加之有专用的驱动电路可使驱动电路的设计简化，可靠性提高，因此，可方便地用于变频电源中。

2）在正弦波逆变电源系统中应用16位单片机87C196MC来产生系统所需的SPWM脉冲信号，是非常方便实用的，可使硬件电路大大简化，可靠性提高，同时可利用单片机的强大控制功能，实时地对系统的关键器件和关键参数进行监控，实现对系统工作状态的自诊断。

3）大功率IGBT逆变器的保护电路设计对其可靠工作具有非常重要的作用，应充分重视。IGBT模块的吸收电容C3及C4须选用低感电容，如聚丙烯电容或类似的低介电损耗膜的电容，安装时应尽可能地靠近模块。

4）正弦波逆变电源输出正弦波的失真度与输出滤波器的参数有密切关系，设计中应合理地选取滤波器的截止频率，并照顾逆变电源最高输出频率的需要，滤波电感及电容应满足

式中：fc为滤波器的截止频率，取值为最高输出频率的5～10倍。

逆变电源篇5

国内光伏逆变器龙头

阳光电源主营业务为太阳能光伏逆变器、风能变流器及其它电力电源的研发、生产、销售和服务。经过长期的技术积累，公司具备国际水平的成熟技术与产品。近年来受益于全球及中国新能源市场的爆发式启动，公司业绩取得快速成长。2008年至2010年，销售收入从10045.68万元增长至59883.14万元，复合增长率达144.15%；净利润从821.11万元上升至14803.30万元，复合增长率达324.60%。

光伏逆变器是太阳能光伏发电系统的关键设备，其作用是将太阳电池发出的直流电转化为符合电网电能质量要求的交流电（DC->AC），是公司的核心业务。2008-2011年上半年，光伏逆变器营收入占比分别为72%、68%、92%和88%，营业毛利占比分别达到72%、69%、94%和92%。

多优势打造龙头地位

公司太阳能光伏逆变器市场占有率多年来稳居国内市场第一位。根据中国资源综合利用协会可再生能源专业委员会统计数据，公司光伏逆变器2010年的国内市场占有率为42.8%，大幅领先于其它竞争者。同时，公司引领了太阳能光伏逆变器和风能变流器的技术方向，主持起草了光伏逆变器的国家标准。

公司是国内少数能够拿到IGBT长单供应的企业，同时在其他原材料采购方面也能享受到规模化带来的折扣。这种规模优势将伴随后期出货量的成长，逐步提升，有助于进一步降低制造成本。

目前公司积极开展售后服务的商业模式探索，尤其在国内市场的服务能力，是海外品牌及其他国产品牌无法相比的。进一步增强了品牌竞争力与同类产品溢价能力。此外，公司在人工、常规物料采购等方面非常显著，以较高的性价比与海外品牌竞争。值得一提的是，自2010年起，公司产品通过渠道商的形式，已经成功打入海外市场。凭借性价比优势，未来公司海外市场的出货量将稳步提升。

受益于国内市场启动

近年来，光伏技术的迅猛进步和政策的大力扶植带来了光伏发展的高峰，全球光伏装机量快速增长。欧洲光伏工业协会统计显示，近10年全球光伏装机量平均增速达到39.95%。2011 年，预计全球新增装机容量20-22GW。

国内光伏市场目前处在快速爆发之中，预计今年安装1.5个GW左右，国内的逆变器器企业面临需求的大规模启动。

本次登陆创业板，公司发行4480万股人民币普通股，募集资金拟投向年产100万千瓦太阳能光伏逆变器项目、研发中心建设项目、全球营销及服务平台建设项目以及其他与主营业务相关的营运资金项目。

逆变电源篇6

关键词：单片机；逆变电源；锁相；抗干扰

引言

本监控系统是为铁路用4kVA/25Hz主从热备份逆变电源系统设计的。

4kVA/25Hz主从逆变电源是电气化铁路区段信号系统的关键设备，有两相输出：110V/1.6kVA局部电压（A相）；220V/2.4kVA轨道电压（B相）；两相均为25Hz，且要求A相恒超前B相90°。由于逆变器是给重要负载供电，且负载不允许断电，故采用双机热备份系统，一旦主机发生故障，要求在规定时间内实现切换，因此，备份逆变器一直处于开机状态。由于逆变器经过了整流，逆变两级能量变换，功率较大，且指标要求较高，必须要采用先进的控制技术；同时为了安全实现主从切换，也必须要有完善的监控系统来实现锁相，保证整机的安全。

1监控系统总体设计要求

根据实际情况，本系统主要完成以下功能：

1）主从切换功能主从控制之间实现准确无误的切换，具有自动和手动两种功能，保证切换时电压同频率，同相位，同幅值；

2）锁相功能主从机组局部电压同频同相，同一机组内A相恒超前B相90°；

3）完善的保护功能具有软起动功能，以避免启动瞬间电压过冲对逆变器及负载的冲击，以及输出过压、过流保护，频率、相位超差保护，桥臂直通保护，过热保护等；

4）显示功能实时显示运行参数及工作状态并具有声光报警功能，以提示值班人员及时排除故障；

5）通信功能具有主从机组之间通信，与监控中心（上位机）通信等功能；

6）抗干扰功能系统具有良好的抗干扰能力。

2系统硬件电路设计

2.1DS80C320单片机简介

DS80C320是DALLAS公司的高速低功耗8位单片机。它与80C31/80C32兼容，使用标准8051指令集。与普通单片机相比有以下新特点：

1）为P1口定义了第二功能，从而共有13个中断源（其中外部中断6个），3个16位定时/计数器，两个全双工硬串行口；

2）高速性能，4个时钟周期/机器周期，最高振荡频率可达33MHz，双数据指针DPTR；

3）内置可编程看门狗定时器，掉电复位电路；

4）提供DIP，PLCC和TQFP三种封装。

2.2基于DS80C320的监控系统硬件电路设计

按照上述系统设计要求，设计了如图1所示的监控系统。监控系统采用模块化的设计思想，分为微处理器及外设模块，模拟量采集模块，开关量采集模块，频率及相差测量模块，控制量输出模块，人机接口模块，同步信号模块以及通信模块。

1）微处理器及外设模块微处理器采用DS80C320，非常适合于监控。本系统充分利用前面已提及的特点，简化了硬件设计与编程，从而提高了整个系统的可靠性。根据系统需要扩展了一片8255，一片E2PROM和一片8254。

2）模拟量采集模块根据采集精度要求以及被采集量变化缓慢的特点，采用AD公司的高速12位逐次逼近式模数转换器AD574A，其内部集成有转换时钟，参考电压源和三态输出锁存器，转换时间25μs，并通过ADG508A扩展模拟量输入通道。

3）开关量采集模块首先经光耦进行隔离后，再通过与门送入单片机的外部中断口，同时通过8255送入单片机，采取先中断后查询的方式。

4）频率及相差测量模块信号先经过具有迟滞特性的过零比较器转换为方波，然后通过双四选一开关4052送入单片机，通过定时器T0来计算频率和相差。

5）控制量输出模块通过光耦控制输出，实现可靠隔离。

6）人机接口模块包括按键和显示部分。通过简单的按键选择，实现电流、电压、频率及相差的显示。显示部分采用8279驱动8位七段LED显示，同时通过发光二极管和蜂鸣器提示运行状态。

7）同步信号模块本模块用来实现锁相。单片机控制8254产生局部同步脉冲和轨道同步脉冲，同步脉冲用来复位正弦基准。通过软件控制同步信号的频率，可实现主从锁相和局部及轨道的相位跟踪。具体实现过程将在下文详述。

8）通信模块采用了RS232和RS485两种通信方式。利用串口0采用RS232实现与另一机组监控单元的双机通信，获取对方机组状态信息；利用串口1采用RS485标准接口实现与上位机的通信，完成传输数据和远程报警等功能。

3系统软件设计

3.1系统软件流程

主程序流程图如图2所示。系统上电复位后，首先对单片机，芯片及控制状态进行初始化；然后读取AC/DC模块的工作状态，若正常则启动DC/AC模块，否则转故障处理；开启DC/AC后，读入其工作状态并判断输出电压是否满足要求，有故障转故障处理，正常则开启故障中断；接下来进行主从机组判断和相位跟踪，实现主从相位同步和局部及轨道电压的锁相；只有在实现锁相后，才采用查询方式处理键盘及测量显示。在软件编制中，键盘中断是关闭的。实验证明，对人机交互通道采用这种查询处理方法，完全可以满足系统的实时要求。开关量的输入采取先产生中断，后查询的方法，保证了响应的实时性和逆变系统的安全性。

3.2系统采用的主要算法和技术

3.2.1交流采样算法

测量显示大信号的交流量时，通过互感器得到适合A/D转换的交流小信号，然后对小信号进行采样，最后对采样数据采用一定的算法，得到正确的显示值。均方根法是目前常用的算法，其基本思想是依据周期连续函数的有效值定义，将连续函数离散化，从而得出电压的表达式

式中：n为每个周期均匀采样的点数；

ui为第i点的电压采样值。

3.2.2数字滤波算法

A/D转换时，被采样的信号可能受到干扰，从采样数据列中提取逼近真值数据时采用的软件算法，称为数字滤波算法。目前常用的方法有程序判断滤波、中值滤波、算术平均滤波、加权平均滤波、滑动平均滤波等。根据本系统对采集精度有较高要求以及被采集的模拟量变化缓慢的特点，采用程序判断滤波法和算术平均滤波法相结合的滤波方法，即进行多周期采样，取其算术平均值作为有效采样值。每次采样后和上次有效采样值比较，如果变化幅度不超过一定幅值，采样有效；否则视为无效放弃。

3.2.3单片机锁相技术

本监控系统一个很重要的功能是实现相位同步，即保证主从机组的相位同步和机组内局部电压相位恒超前轨道电压相位90°。本系统锁相的基本原理是，对于频率相同而相位不同步的两路信号，比如A路和B路，若A路为基准，B路超前（滞后）一定的相位，可以通过适当降低（增大）B路信号的频率来实现相位调整进而锁相，最后再把B路频率置为原频率值。

本系统中，单片机控制8254产生25Hz同步脉冲，同步脉冲用来复位正弦基准，使基准正弦波重新从零值开始。基准正弦波与三角波比较产生SPWM波，经逆变得到与基准正弦同频的交流输出，因此，通过调整同步脉冲的频率可改变正弦基准的频率，进而可改变被调整输出电压的相位。要实现系统的锁相要求，需要从机组局部电压跟踪主机组的局部电压，各机组轨道电压跟踪本机组的局部电压。因此，要有主从局部锁相和局部轨道相位跟踪两个子程序。

锁相的流程图如图3及图4所示。首先由多路开关选择要锁相的两路信号，由单片机测量相位差，并对所得相位差数据进行必要的运算和处理后，判断有无超差。倘若相位超差，则根据超差范围确定同步脉冲的频率值。如果是主从局部锁相，则应同时改变从机组局部和轨道的同步脉冲；否则，若为局部、轨道相位跟踪，则只改变本机组轨道的同步脉冲。通过调整同步脉冲，可实现相位调整。实现锁相后，同步脉冲的频率置为25Hz返回。

4抗干扰措施

由于该监控系统工作于强电环境，很容易受到各种干扰的影响。干扰一旦串入系统，轻则会引起误报，严重时就会导致整个系统瘫痪，甚至造成重大事故。本系统从硬件和软件两方面采取了抗干扰措施，保证了监控系统的可靠运行。

4.1硬件抗干扰措施

1）光电隔离在输入和输出通道上采用光耦合器件进行信息传输，在电气上将单片机与各种传感器、开关、执行机构隔离开来，可以较好地防止串模干扰。

2）加去耦电路在电源进线端加去耦电容，削弱各类高频干扰。

3）合理布置地线系统中的数字地与模拟地分开，最后在一点相连，避免了数字信号对模拟信号的干扰。

4）数字信号采用负逻辑传输骚扰源作用于高阻线路时易形成较大干扰，而在数字信号系统中，输出低电平时内阻要小些，因此，定义低电平为有效（使能）信号，高电平为无效信号，可减少干扰引起的误动作，提高控制信号的可靠性。

4.2软件抗干扰措施

1）利用可编程硬逻辑看门狗将单片机从死循环和跑飞状态中拉出，使单片机复位。而DS80C320提供了内部可编程硬逻辑看门狗，不须外加电路，就能够实现可靠的超时复位。同时，DS80C320还为一些重要的看门狗控制位提供了访问保护，防止单片机失控后对这些重要的控制位进行非法操作，进一步保证了程序的安全性。

2）对于数字信号采集，利用干扰信号多呈毛刺状且作用时间短这一特点，多次重复采集，直到连续两次或两次以上采集结果完全一致才认为有效。数字信号输出时，重复输出同一个数据，其重复周期尽可能短，使外部设备对干扰信号来不及作出有效反应。

3）对模拟量的采样和处理，采用数字滤波技术。

4）采用指令冗余和软件陷阱，防止程序跑飞。

5结语

逆变电源篇7

关键词：开关电源；IR2110；SG3525；高频变压器；MOSFET

1 绪论

电源是将各种能源转换成为用电设备所需要的装置，是所有靠电能工作的装置的动力源泉。随着电源在计算机、通信、家用电器等方面的广泛应用，人们对其需求量增长，效率、体积、重量及可靠性等方面也要求更高。开关电源的核心为电力电子开关电路，根据负载对电源提出的输出稳压或稳流特性的要求，利用反馈控制电路，采用占空比控制方法，对开关电路进行控制。

2 系统整体方案

1.电源的设计要求：

（1）输出电压：额定工作电压36V；

（2）输出电流：额定工作电流1A；

（3）输入条件：50Hz，交流220V；

（4）纹波电压 Vor为20mV[8]。

2.整个课题的设计，分为三部分：主电路的设计，包括整流输入滤波、半桥式逆变、高频变压输出、输出整流、输出滤波；开关管的驱动电路；控制电路的设计，包括控制逆变电路开关管工作的脉冲输出、调占空比。

3 系统电路设计

3.1主电路结构

半桥式开关电源主电路如图3-1所示。图中开关管V1、V2选用MOSFET开关管。半桥式逆变电路一个桥臂由开关管V1、V2组成，另一个桥臂由电容C1、C2组成。高频变压器初级一端接在C1、C2的中点，另一端接在V1、V2的公共连接端，V1、V2中点的电压等于整流后直流电压的一半，开关管V1、V2交替导通就在变压器的一次侧形成幅值为 的交流方波电压。通过调节开关管的占空比，就能改变变压器二次侧整流输出平均电压Vo。

图3-1 开关电源主电路结构图

3.2 MOSFET驱动电路的设计

半桥驱动芯片选用IR2110。其中自举电容的选为104无极性瓷片电容。快恢复二极管选为FR207。

3.3 开关电源控制电路的设计

设计电路的控制电路是整个电路的主要部分。目前实际产品应用中有各种典型的控制电路，鉴于对电源和驱动的要求，结合本次设计选择SG3525。

1.自激振荡电路

SG3525的自激振荡器输出的锯齿波送至PWM比较器，而输出的方波一方面送到PWM锁存器，另一个方面有4脚输出作为其他芯片的同步信号，另外振荡器可由3脚送来的脉冲信号控制，便于多个芯片同步使用。此次设计，取Ct=0.01uf，Rt=9K，Rd=200Ω，则由公式f=1/[Ct（0.67 Rt+1.3 Rd）]得，f=16k。

2.脉冲宽度调节

由于11脚14脚输出低电平时间取决于9脚电压，而9脚电压又取决于误差放大器输出电压，故人为改变SG3525 1脚或2脚电位，即可改变9脚电压，9脚电压变低时，A1提前输出“1”，使11脚或14脚输出脉冲宽度变窄，而9脚电压上升时则与上相反，完成对输出脉宽的控制。由图可知，1脚电位与输出脉冲宽度成反比，而2脚电位则与输出脉冲宽度成正比.在开关稳压电源设计中，反馈电压可加于1脚或2脚。本次设计使用2脚加一个可调电阻调占空比。

3.SG3525电路图：

图3-2 SG3525电路图

4 电路调试

控制电路调试主要测量SG3525的 9脚的电压是否在1.5V 至5.2V之间，5脚波形是否为锯齿波，16脚电压有无5.1V。最重要的是11脚与14脚的输出波形是不是方波，是否有足够的死区时间，调2脚电压时11脚14脚输出方波的占空比是否变化等。

在测试驱动电路时主要测IR2110的10脚与12脚的输入波形是否与SG3525的输出波形相对应，IR2110的1脚7脚的输出波形是否是漂亮的方波，自举电容两端的波形是否在比较稳定的范围内。

在测试IR2110的输出时发现调占空比时IR2110的占空比0-100%可调。后来发现限流电阻和下拉电阻的取值问题导致波形畸变，从而导致IR2110的输出出现不良情况。通过多次更换限流电阻和下拉电阻，波形畸变得到了一定的改善，不过还是不能达到完全的线性传输。为了得到更好的驱动效果，从SG3525加一电阻接在IR2110的输入端，经实际测试IR2110的输出波形0-45%可调，满足驱动要求。

对于主电路的调试，一定要一步一步调，先用示波器测试整流滤波电路再测变压器原边的波形，变压器副边的波形，输出电压等。

5 总结

本次设计完成的主要任务是制作占空比可调，输出36V的开关电源。通过搜集开关电源的相关资料，了解电源的相关制作方法，并通过控制电路与驱动电路的选择，针对任务提出了可行方案。在设计方案中，结合芯片SG3525和IR2110特点，用半桥的结构来设计开关电源。根据设计方案，详细地阐述了SG3525的控制原理和IR2110的驱动过程。设计了相应的硬件电路。虽然做了以上几方面工作，但由于时间和实验条件的限制等原因，所做工作还有很多需要完善的地方。SG3525没有过流保护电路，控制电路与驱动电路之间没有光隔离，半桥主电路前的热敏电阻在上电完成后没有用继电器隔离开而影响效率等。

作者简介：

巴深（1992-），男，汉族，湖北武汉，本科在读，湖北省 武汉市 武汉纺织大学 电子信息工程 430200

陈婷 1993- 女 汉 湖北恩施 硕士在读 武汉纺织大学电子与电气工程学院

逆变电源篇8

关键词: 全桥逆变，风光互补，正弦脉宽调制

[Abstract] wind energy and solar energy is the nature of renewable green energy, beautiful complementary sine wave inverter can put the two kinds of renewable energy power allocation, provide sine wave alternating current steady for the people. The article introduces the suitable for wind energy and solar energy complementary single-phase sine wave inverter hardware structure, working principle and the charge and discharge control design method.

[keyword] full bridge inverter, Wind-solar complementary, sinusoidal pulse width modulation

中图分类号：TM919文献标识码：A

一、风光互补型电源系统

（一）太阳能和风能在资源上的互补性：

太阳能是地球上一切能源的来源，风能是太阳能在地球表面的另外一种表现形式，太阳能与风能在时间上和地域上都有很强的互补性。图1.1为某地10月份的一天中太阳能和风能资源的分布。可以看出：白天太阳光最强时，风很小，晚上太阳落山后，光照很弱，地表温差变化大而风能加强；在夏季，太阳光强度大而风小，冬季，太阳光强度弱而风大。时间上的互补性使风光互补发电系统在资源上具有最佳的匹配性，风光互补发电系统是资源条件理想的独立电源系统。

图1.1 某地10月份风光互补资源图

（二）太阳能和风能在技术上的互补性

光电系统是利用光电板将太阳能转换成电能，然后通过控制器对蓄电池充电，最后通过逆变器对用电负荷供电的一套系统；风电系统是利用小型风力发电机，将风能转换成电能，然而通过控制器对蓄电池充电，最后通过逆变器对用电负荷供电的一套系统。他们都存在一个共同的缺陷，资源的不确定性导致发电与用电负荷的不平衡，两种系统都必须通过蓄电池储能才能稳定供电，而每天的发电量受天气的影响很大，会导致系统的蓄电池组长期处于亏电状态，这也是引起蓄电池组使用寿命降低的主要原因。

图1.2 风光互补电源系统

由于太阳能与风能的互补性强，风光互补发电系统在资源上弥补了风电和光电独立系统在资源上的缺陷。同时，风电和光电系统在蓄电池组和逆变环节是可以通用的，所以系统的造价可以降低，系统成本趋于合理。风光互补电源系统可以根据用户的用电负荷情况和资源条件进行系统容量的合理配置，既能保证供电的可靠性，又降低发电系统的成本。无论是怎样的环境和用电要求，风光互补发电系统都能做出最优化的系统设计方案来满足用户的要求。图1.2为基于MCU的风光互补电源系统结构简图。

二、风光互补型独立电源系统

（一）风光互补型独立电源系统的总体结构

一般小型户用风光互补独立电源系统由光电系统、风电系统、逆变系统、充放电控制系统等构成，如图2.1所示。

图2.1 风光互补电源系统框图

（二）风光互补正弦波逆变器吸收电路的设计

图2.2开关管截止电流吸收网络

在该电路中，开关管工作在截止状态的瞬间，为把存储时间减少到最低限度，一般采用加大反向门极电流的办法。但是如果Ig 过大，会造成发射结的雪崩，而损坏开关管。为了防止这种情况，可采用RC吸收回路。RC吸收回路并联在MOSFET的漏、源极（IGBT的集电极和发射极）之间，在开关管截止时给漏极分流，见图2.2。当Q截止时，电容C通过二极管VD1被充电到工作电源电压E；Q导通时，电容C通过电阻R放电。实际上，吸收回路消耗了一定量的功率，减轻了开关管的负担。如果没有吸收回路，这一部分功率就必须由开关管承担。在实际设计电路时，可用下面公式进行估算。在开关管Q截止时，其能量可用下式表示：

（2-1）

式中，Ic 为最大集电极电流（A）；Uce 为最大集电极-发射极电压（V）；tr 为集电极电压最大上升时间（s）；tf 为集电极电流最大下降时间（s）。由电容定义可求出：

（2-2）

由图2.2可知，电容C上的电压可以写成下式：

（2-3）

式中，ton 是开关管导通时间（这时C经过R放电）。

选取RC回路的参数值要保证以下条件：

1）在开关管截止时间（toff）内必须能使电容C充电到接近Uce 电压；

2）在开关管导通期间（ton）内必须能使电容C上的电荷经电阻R放完，所以应使表达式的值接近于1。

当ton =3RC时，，既可以认为经过3RC的延迟，电容C已基本上把电荷放完，R的取值可由决定。在开关管导通时，应把电容C通过开关管放电的电流限制在0.25A以下。

三、工频变压器的设计和平波电容器的选择

（一） 工频变压器的设计

工频变压器在风光互补正弦波逆变电源系统中起到升压和隔离的作用，它对逆变器的效率、工作可靠性和输出电气性能有着直接的影响，设计不合理会导致噪声、波形畸变、饱和等问题。

变压器变比的设定一般是按照逆变器直流侧输入电压最低值时也能保证输出达到所要求的最高值，而这时，逆变器工作在最大占空比上。取逆变器输入直流电压36V，输出为220V交流电压，设原、副边匝数分别为N1, N2，则变压器变比n为：

（3-1）

由于变压器的绕组内阻压降和前级滤波电感绕组压降，实际原、副边变比应比上述理论值小些，取：

（3-2）

（二） 直流侧平波电容器的选择

对于风光互补逆变器直流侧平波电容器的选择通常按C=（3～5）T/RL计算，其中，T为输入侧直流电压的脉动周期，RL为直流侧等效负载电阻，按本系统额定功率P=500W，电容上平均电压为VE=36V，则直流侧等效负载电阻：

（3-3）

若直流侧为交流电压(频率50Hz)经全波整流后的电压则，T = l 0 ms，则可得：

（3-4）

由于独立逆变时直流侧采用的是蓄电池电压，实际上，T应该小一些，则电容值也相应小一些，取：C≈6000μF，采用多个电解电容并联取值。

四、 风光互补正弦波逆变器的控制回路设计

本节主要讲风光互补逆变器的控制电路部分，主要内容包括：正弦波脉冲宽度调制（SPWM）信号生成电路的设计，功率开关管驱动电路的设计，辅助电源的设计和各种保护电路的设计。

（一）主回路功率开关管驱动电路的设计

由于正弦波脉冲宽度调制（SPWM）信号生成电路和辅助电源的设计，已经有较为成熟的设计电路，此处不做详细讲述。

对于主电路功率开关管MOSFET的驱动我们采用分立元件光电耦合隔离型驱动电路，隔离器件选用TOSHIBA公司生产的高速光耦TLP250，它包含一个GAALAS光发射二极管和一个集成光探测器，8脚双列封装结构，适合于IGBT或电力MOSFET栅极驱动电路。图4.1为TLP250的内部结构简图。

图4.1 TLP250内部结构简图

1．TLP250的使用特点（1）TLP250输出电流较小，对较大功率开关器件实施驱动时，需要外加功率放大电路。（2）由于流过MOSFET的电流是通过其它电路检测来完成的，而且仅仅检测流过MOSFET的电流，这就有可能对MOSFET的使用效率产生一定的影响，比如MOSFET在安全工作区时，有时出现的提前保护等。（3）要求控制电路和检测电路对于电流信号的响应要快，一般由过电流发生到MOSFET可靠关断应在10μS以内完成。（4）当过电流发生时，TLP250得到控制器发出的关断信号，对MOSFET的栅极施加一负电压，使MOSFET硬关断。造成了施加于MOSFET两端的电压升高很多，有时就可能造成MOSFET的击穿。（5）使用TLP250时应在管脚8和5间连接一个0.1μF的陶瓷电容来稳定高增益线性放大器的工作，提供的旁路作用失效会损坏开关性能，电容和光耦之间的引经长度不应超过1cm。

图4.2 主电路功率开关器件驱动电路

2．驱动原理如图4.2所示。当SPWM信号为低电平时，TLP250内部LED发光，推挽输出为高电平，三极管Q20导通Q24关断，则输出的驱动信号为正压信号；反之，三极管Q24导通Q20关断，输出的驱动信号在稳压管的作用下为反压关断信号。

（二）各种保护电路的设计

1. 过载保护

为了防止系统过载，设计了过载保护电路，即使输出短路，系统也能实现自动保护并锁定保护状态，过载保护指示灯(红色)亮起，直到负荷降低到规定限度以下，逆变器将会重新恢复工作。

2. 过压保护和欠压保护

1）过压保护 当蓄电池电压到达充电上界点时（36V上界点默认值为46.2V），控制器将自动进入浮充状态，此时观察到充电指示灯在闪亮，这个时候泄荷器将自动开启泄荷旁路，适量泄放多余的电量。待电压进入正常范围后，自动关闭过压泄荷旁路。。

2）欠压保护 逆变器工作过程中，如果蓄电池的电压逐步降低，当低于32.4V左右时，保护灯（红色）亮起，逆变器停止工作，蓄电池等待充电。

3.过热保护

当用电负荷较多、工作时间较长，或是气候炎热通风不良，逆变器温度升高到一定程度，温度警戒指示灯亮起，逆变器停止工作，并锁定保护状态。直到温度恢复到正常，再打开电源开关，逆变器自动恢复工作。

五、 风光互补智能充电控制

（一）充电控制原理

风光互补电源系统根据性能可分为充电状态、负载状态(放电状态)、保护状态。系统同时监测太阳能组件、风力发电机、负载和两组蓄电池的状况，在相应条件时，进入对应的状态。在每一状态中，系统不仅完成自身阶段的工作，还可根据用户需要设定相应的系统参数并显示系统状态。

（二）风光互补智能充电控制的软件实现

通过比较实用性和经济性，选择PIC16C711单片机，如图5.1所示，单片机PIC16C711通过第1路A/D接口RA0/AN0接电流采样信号，通过第2路A/D接口RA1/AN1接蓄电池采样电压信号，通过第4路A/D接口RA3/AN3接风机电压采样信号，根据检测结果实现风机泄荷和泄荷恢复的控制；实现对光伏阵列对蓄电池的过充和过充恢复的控制；也可实现对逆变输入直流电压的欠压和过压控制，并给出相应指示。单片机通过第3路A/D接口对温度进行检测，并根据检测结果适时修改蓄电池的充/放电保护点。用四个I/O口送外部扩展作显示与键盘操作控制，其中RB0/INT被设置成中断控制每50ms刷新LED显示。按键中断，轮寻检测电压、电流、温度状态，与阀值比较，判断进入相应的充电阶段，改变显示缓冲区内容，实现电池电压、充电电流、已充容量的显示切换。

图5.1 充电控制电路框图

六、结语总结与展望