太阳能UPS供电系统设计

摘 要随 着 我 国 城 镇 化 进 程 的 不 断 推 进 ，能 源 需 求 持 续 增 长 ，开 发 新 能 源 和 可再 生 能 源 是 能 源 可 持 续 发 展 的 应 有 之 义 。太 阳 能 既 是 一 次 能 源 ，又 是 可 再 生能 源 。它 资 源 丰 富 ，既 可 免 费 使 用 ，又 无 需 运 输 ，对 环 境 无 任 何 污 染 。太 阳 能发 电 是 根 据 光 生 伏 打 效 应 原 理 ，利 用 太 阳 电 池 将 太 阳 光 能 直 接 转 化 为 电 能 ，再 由 独 立 的 控 制 器 为 铅 蓄 电 池 进 行 充 电 控 制 。文 中 介 绍 了 基 于 PIC16F73 单 片 机 产 生 SPWM 控 制 波 形 ，驱 动 全 桥 逆变 电 路 组 成 的 在 线 式 正 弦 波 UPS 电 源 系 统 ，采 用 电 压 闭 环 反 馈 ，提 高 系 统控 制 精 度 ，给 出 软 件 流 程 图 及 部 分 实 验 波 形 。关 键 词 ：太 阳 能 ，逆 变 器 ，控 制 器 ，SPWM 波 ，UPS 电 源 系 统1Design of solar power supply system on UPSAbstractWith the urbanization process of Chinas continuous advance of the demand for energy continued to grow, to develop new and renewable sources of energy for sustainable development of energy due. Solar energy is the onetime, but also renewable energy. It is rich in resources, can be used free of charge, and without transportation, without any pollution to the environment. Solar power generation is based on photovoltaic effect principle, according to solar cells bettery conveter solar energy directly into electricity, and then charge for the batteries by an independent lead-acid controller . In this paper, single-chip based on the PIC16F73 generate SPWM control waveform, driving full-bridge inverter circuit composed of power-line sine wave UPS systems, voltage closed-loop feedback control to improve system accuracy, the software flow chart is given and some experimental waveforms.Key words: Solar, Inverter, Controller, SPWM wave, UPS power supply system2目 录1 绪论 .12 系统结构 .12.1 太阳能电池组 .22.1.1 太阳能电池工作原理与要求 .22.1.2 太阳能电池组选择 .22.2 充电控制器 .32.2.1 控制器电路结构 .32.2.2 控制器工作原理 .32.3 蓄电池的选择 .42.4 逆变器 .52.4.1系统基本结构 .52.4.2关于 PIC16F73 单片机 .52.4.3逆变主电路 .62.4.4SPWM 波的形成 .72.4.5系统的控制结构 .82.4.7 实验结果及波形 .103 设计思路 .143.1 负载的估算 .143.2 逆变器功率的计算 .143.3 蓄电池容量的计算 .153.4 太阳能电池容量的计算 .15结束语 .16致谢 .17参考文献 .18附录 1.19附录 2.20附录 3.2031 绪论随着能源危机的日益加剧和人类环保意识的提高，新能源的开发利用越来越受到人们的重视。而太阳能作为取之不尽用之不竭的高效无污染的能源近来更受人们的青睐。UPS 使供电系统的可靠性和质量大大提高，同时使投资和运行费用降低，是信息时代不可缺少的能源系统。在很多由于计算机系统停电而使计算机丢失数据的行业，UPS 起着不可替代的作用，如银行、证券、通信、航空管理、生产监控系统等。本文介绍 的太阳能 UPS 电源系统正是一种适于家庭户用的、特别适于无电少电的西部边远地区用户的一种家用电源系统，随着我国西部大开发的进行其市场前景必将越来越广阔 。 2 系统结构整套太阳能供电系统必要部件介绍：太阳能供电系统由太阳能电池组件、太阳能充放电控制器、蓄电池（组）组成。由于输出电源为交流 220V，还需要配置逆变器。各部分的作用为：（一）太阳能电池组件：太阳能电池组件是太阳能供电系统中的核心部分，也是太阳能供电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能量转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。太阳能电池组件的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。（二）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保护、过 放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、 时控开关都应当是控制器的可选项。（三）蓄电池：一般为铅酸电池，小微型系统中，也可用镍氢电池、 镍镉电池或锂电池。其作用是在有光照 时将太阳能电池组件所供出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。（四）逆变器：在很多场合，都需要提供 220VAC、110VAC 的交流电源。由于太阳能的直接输出一般都是 12VDC、24VDC、48VDC。为能向 220VAC 的电器提供电能，需要将太阳能供 电系统所供出的直流电能转换成交流电能，因此需要使用 DC-AC 逆变器。在某些 场合，需要使用多种 电压 的负载时，也要用到 DC-DC 逆变 器，如将 24VDC 的电能转换成 5VDC 的电能（注意，不是简单的降压）。原理图如下：4图 1 太阳能 UPS 系统组成框 图2.1 太阳能电池组2.1.1 太阳能电池工作原理与要求太 阳 能 电 池 是 通 过 光 电 效 应 或 者 光 化 学 效 应 直 接 把 光 能 转 化 成 电 能的 装 置 。以 光 电 效 应 工 作 的 薄 膜 式 太 阳 能 电 池 为 主 流 ，而 以 光 化 学 效 应 原 理工 作 的 太 阳 能 电 池 则 还 处 于 萌 芽 阶 段 。太 阳 光 照 在 半 导 体 上 时 ，能 量 大 于 硅禁 带 宽 度 在 光 子 穿 过 减 反 射 膜 进 入 硅 中 ，在 n 区 、耗 尽 区 和 P 区 激 发 出 电 子-空 穴 对 （光 生 载 流 子 ）。光 生 电 子 -空 穴 对 在 耗 尽 区 中 产 生 后 ，立 即 被 内 建 电场 分 离 ，光 生 电 子 被 送 进 N 区 ，光 生 空 穴 则 被 推 进 P 区 。在 N 区 ，光 生 电 子-空 穴 对 产 生 后 ，光 生 空 穴 便 向 P-N 结 边 界 扩 散 ，一 旦 到 达 P-N 边 界 ，在 自建 电 场 的 作 用 下 被 电 场 力 牵 引 做 漂 移 运 动 ，越 过 耗 尽 区 进 入 P 区 ，光 生 电 子则 被 留 在 N 区 。P 区 中 的 光 生 电 子 同 样 的 先 因 扩 散 ，后 因 漂 移 进 入 N 区 ，光生 空 穴 留 在 P 区 。光 生 载 流 子 在 P-N 结 两 侧 的 积 聚 形 成 电 动 势 ，即 产 生 “光生 电 压 ”，这 就 是 “光 生 伏 打 效 应 ”。当 电 池 接 上 一 个 负 载 后 ，光 电 流 就 从 P 区经 负 载 到 N 区 ，负 载 中 即 得 到 功 率 输 出 。2.1.2 太阳能电池组选择太 阳 能 光 伏 电 池 （简 称 光 伏 电 池 ）用 于 把 太 阳 的 光 能 直 接 转 化 为 电 能 。目 前 地 面 光 伏 系 统 大 量 使 用 的 是 以 硅 为 基 底 的 硅 太 阳 能 电 池 ，可 分 为 单 晶硅 、多 晶 硅 、非 晶 硅 太 阳 能 电 池 。在 能 量 转 换 效 率 和 使 用 寿 命 等 综 合 性 能 方面 ，单 晶 硅 和 多 晶 硅 电 池 优 于 非 晶 硅 电 池 。多 晶 硅 比 单 晶 硅 转 换 效 率 低 ，但价 格 更 便 宜 。处 于 设 计 实 用 性 考 虑 ，本 文 选 择 单 晶 硅 电 池 。按 照 应 用 需 求 ，太 阳 能 电 池 经 过 一 定 的 组 合 ，达 到 一 定 的 额 定 输 出 功 率和 输 出 的 电 压 的 一 组 光 伏 电 池 ，叫 光 伏 组 件 。根 据 光 伏 电 站 大 小 和 规 模 ，由光 伏 组 件 可 组 成 各 种 大 小 不 同 的 阵 列 。太 阳 能 电 池 方 阵 可 以 安 装 在 屋 顶 上 ，控制器太阳能电池组 蓄电池组逆变器交流输出5但 方 阵 支 架 必 须 与建筑物的主体结构相连接，而不能连接在屋顶材料上。对于地面安装的太阳能电池方阵，太阳能电池组件与地面之间的最小间距推荐在0.3m 以上，以降低风阻并减少泥 污溅上组件及增加散 热。立柱的底部必须牢固地连接在基础上，以便能够承受太阳能电池方阵的 重 量 并 能 承 受 设 计 风 速 。参考 3.1 小节计算结果可以选择太阳能电池板技术参数如下：表 1 太阳能电池板参数标称功率 nominal peak 40WP峰值电压 voltage power 34 V峰值电流 peak current 2.33A开路电压 open-circuit voltage 27.2V短路电流 Short-circuit current 1.2A2.2 充电控制器2.2.1 控制器电路结构电 路 结 构 电 路 如 附 图 所 示 。双 电 压 比 较 器 LM393 两 个 反 相 输 入 端 脚和 脚 连 接 在 一 起 ，并 由 稳 压 管 ZD1 提 供 6.2V 的 基 准 电 压 做 比 较 电 压 ，两个 输 出 端 脚 和 脚 分 别 接 反 馈 电 阻 ，将 部 分 输 出 信 号 反 馈 到 同 相 输 入 端脚 和 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 工 作 电 压 。被 充 电 电池 为 24V25Ah 全 密 封 免 维 护 铅 酸 蓄 电 池 ；太 阳 电 池 用 一 块 40Wp 硅 太 阳 电池 组 件 ，在 标 准 光 照 下 输 出 27V、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 。2.2.2 控制器工作原理工 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 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6压 小 于 预 先 设 定 的 过 充 电 压 值 时 ，A1 的 脚 电 位 高 于 脚 电 位 ，脚 输 出低 电 位 使 Q1 截 止 ，Q导 通 ，LED发 光 指 示 充 电 ，J1 动 作 ，其 接 点 J 转 换 位 置 ，硅 太 阳 电 池 组 件 通 过 1 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 ，的 脚 电 位 低 于 脚 电 位 ，脚 输 出 高 电 位 使 Q1 导 通 ，Q2 截 止 ，LED2 熄 灭 ，J1 释 放 ，J 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 脚 电 位 高 于 脚 电 位 ，脚 输 出 高 电 位 使 Q3 导 通 ，Q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 脚 电 位 低 于 脚 电 位 ，脚 输 出 低 电 位 使 A3 截 止 ，A4 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 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 充 电 。2.3 蓄电池的选择蓄 电 池 组 可 以 由 一 只 或 多 只 蓄 电 池 串 /并 联 组 成 ，但 并 联 的 蓄 电 池 不 要超 过 4 只 。适 合 家 用 太 阳 能 光 伏 电 源 系 统 使 用 的 蓄 电 池 类 型 包 括 深 循 环 型铅 酸 蓄 电 池 、密 封 型 铅 酸 蓄 电 池 、普 通 开 口 铅 酸 蓄 电 池 和 碱 性 镉 镍 蓄 电 池 等 。深 循 环 型 铅 酸 蓄 电 池 是 首 选 产 品 。蓄 电 池 的 最 小 容 量 应 根 据 当 地 的 连 续 阴雨 天 情 况 设 计 。深 循 环 铅 酸 蓄 电 池 的 设 计 放 电 深 度 (DOD) 为 80%，浅 循 环铅 酸 蓄 电 池 的 设 计 放 电 深 度 (DOD) 为 50%。蓄 电 池 间 的 相 互 连 接 应 使 用 铜 镀 铅 连 条 或 铜 带 。蓄 电 池 必 须 提 供 便 于螺 栓 连 接 的 极 柱 。蓄 电 池 电 极 端 应 涂 上 防 锈 油 或 防 锈 膏 以 减 少 电 极 端 的 腐蚀 。蓄 电 池 的 正 负 极 性 要 清 楚 地 标 明 ，该 标 识 的 寿 命 应 不 小 于 蓄 电 池 的 使 用寿 命 。蓄 电 池 可 以 是 带 液 充 满 电 的 ，也 可 以 是 干 荷 电 的 。如 果 是 干 荷 电 的 ，灌 液 时 所 有 化 学 药 剂 和 电 解 质 必 须 满 足 蓄 电 池 的 技 术 参 数 要 求 。表 2 蓄电池参数额定电压 12V额定容量 25AH电压范围 10.5V-14.5V电池数量 2 块72.4 逆变器2.4.1系统基本结构系 统 硬 件 基 本 结 构 框 图 如 图 2 所 示 。蓄 电 池 输 出 的 24V 直流电经过桥式逆变电路逆变后，再经升压电 路变成 220V、50HZ 纯正弦波交流电，供给负载。输出的交流电经 过 滤 闭 环 反 馈 电 路 后 反 馈 到 单 片 机 ，及 时 矫 正 电 压 波 形 控 制输 出 的 电 压 波 形 稳 定 在 较 小 的 范 围 内 。蓄电池升压电路 输出滤波反馈电路逆变电路驱动电路硬件保护电路PIC16F73输出图 2 系统基本结构2.4.2关于 PIC16F73 单片机控 制 电 路 以 Microchip 公 司 的 PIC16F73 单 片 机 为 核 心 。PIC16F73 单片 机 是 一 种 低 成 本 、高 性 能 的 八 位 单 片 机 。PIC 单 片 机 是 采 用 RISC 结 构 的高 性 价 比 嵌 入 式 控 制 器 ，采 取 数 据 总 线 和 地 址 总 线 分 离 的 Harvard 双 总 线结 构 ，具 有 很 高 的 流 水 处 理 速 度 。它 具 有 32k 字 节 的 可 擦 写 的 片 内 闪 速 存 储器 FLASH，具 有 768 字 节 的 RAM，对 于 本 系 统 来 说 完 全 够 用 ；具 有 一 个 专门 用 于 电 机 控 制 的 6 路 PWM 输 出 的 PWMMC 模 块 ，适 合 于 单 相 、三 相 逆变 ，同 时 该 模 块 还 有 专 门 用 于 故 障 保 护 的 4 路 FAULT 引 脚 ，当 故 障 发 生 时可 在 不 引 起 中 断 的 情 况 下 快 速 封 锁 PWM 输 出 达 到 保 护 的 目 的 ；具 有 可 选 择外 部 晶 振 时 钟 或 内 部 锁 相 环 时 钟 的 时 钟 发 生 器 模 块 ，PIC16F73 最 高 时 钟 频率 为 20MHZ，每 条 指 令 执 行 周 期 200ns，由 于 大 多 数 指 令 执 行 时 间 为 一 个 周期 ，因 此 速 度 相 当 快 。其 内 含 192 字 节 的 RAM ，4K 程 序 存 储 器 、5 路 A/D8转 换 及 2 路 PWM 波 发 生 器 ，应 用 时 外 围 电 路 极 其 简 单 ，是 理 想 的 单 相 逆 变电 源 数 字 控 制 器 。单 片 机 通 过 内 部 软 件 产 生 一 路 SPWM 控 制 信 号 ，然 后 经 过 逻 辑 门 变 换电 路 变 换 成 逆 变 全 桥 所 需 的 四 路 驱 动 信 号 ，再 经 专 用 驱 动 芯 片 IR2110 隔 离放 大 后 ，分 别 加 到 逆 变 全 桥 四 个 IGBT 的 栅 极 ，进 行 驱 动 控 制 。为 了 提 高 输 出 电 压 的 稳 定 性 ，本 系 统 中 采 用 了 电 压 反 馈 闭 环 。输 出 电 压经 电 阻 分 压 取 样 后 ，将 电 平 转 换 为 单 片 机 A/D 转 换 口 所 能 接 受 的 0 5V 电压 信 号 ，送 入 单 片 机 A/D 转 换 口 。软 件 在 运 行 过 程 中 ，会 每 隔 一 段 时 间 进 行一 次 A/D 转 换 ，得 到 反 馈 电 压 值 ，调 整 SPWM 信 号 的 脉 宽 ，保 证 输 出 电 压的 稳 定 。2.4.3逆变主电路系 统 主 电 路 采 用 单 相 全 桥 逆 变 电 路 如 图 2 所 示 。其 中 开 关 器 件 采 用 的功 率 MOSFET 适 合 于 小 功 率 装 置 、具 有 开 关 速 度 快 、工 作 频 率 高 等 特 性 。开关 管 的 栅 极 驱 动 信 号 来 源 于 PIC16F73 单 片 机 产 生 的 SPWM 波 经 驱 动 电 路后 的 信 号 。全 桥 逆 变 的 输 出 为 高 频 SPWM 波 ，经 变 压 器 升 压 及 滤 波 后 即 得到 220V、50Hz 的 标 准 正 弦 交 流 电 压 。在 逆 变 主 电 路 （如 图 7 所 示 ）中 ，为 防止 同 一 桥 臂 的 两 个 功 率 开 关 管 出 现 直 通 现 象 ，往 往 采 取 关 断 一 功 率 管 后 延时 一 段 时 间 再 开 通 另 一 功 率 管 的 方 法 ，这 中 间 延 时 的 时 间 （通 常 为 几 s）就形 成 了 死 区 ，死 区 的 存 在 （尽 管 很 小 ）势 必 会 造 成 输 出 电 压 波 形 的 畸 变 ，尤 其对 零 点 附 近 波 形 的 影 响 ，本 系 统 采 取 优 化 存 储 在 PIC16F73 单 片 机 ROM 中的 正 弦 表 值 的 方 法 对 死 区 进 行 补 偿 ，以 实 现 平 滑 的 正 弦 电 压 波 形 输 出 。本 系 统 中 ，4 个 主 功 率 开 关 器 件 采 用 的 是 单 极 性 倍 频 工 作 方 式 而 不 是 双极 性 方 式 ，因 为 与 双 极 性 相 比 ，单 极 性 倍 频 方 式 具 有 等 效 “加 倍 ”开 关 频 率 的优 点 ，开 关 频 率 的 “加 倍 ”体 现 在 输 出 电 压 波 形 的 频 谱 中 。若 选 择 频 率 调 制 比为 偶 数 ，则 最 低 次 谐 波 将 出 现 在 二 倍 于 开 关 频 率 的 边 带 上 。系 统 软 件 主 要 分为 主 程 序 和 中 断 服 务 子 程 序 两 部 分 。主 程 序 由 初 始 化 模 块 、开 机 延 时 模 块 、采 样 保 护 模 块 、调 节 器 模 块 等 几 个 部 分 组 成 ，另 外 主 程 序 中 还 有 对 一 些 数 据进 行 处 理 程 序 以 及 前 面 切 换 部 分 所 述 的 超 时 切 换 程 序 ，数 据 处 理 程 序 包 括为 了 节 省 中 断 资 源 ，对 中 断 中 AD 采 样 的 数 据 的 处 理 计 算 和 对 通 信 接 收 数据 的 处 理 。9GDC1V11V12 V22V21T1C2Uo图 3 逆变器主电路原理图2.4.4SPWM 波的形成PIC16F73 单 片 机 具 有 一 个 专 门 用 于 电 机 控 制 的 可 工 作 于 3 对 互 补 模 式或 独 立 模 式 的 包 括 6 路 PWM 输 出 的 PWMMC 模 块 。在 本 系 统 中 初 始 化 使其 工 作 于 3 对 互 补 模 式 即 同 一 桥 臂 2 个 PWM 信 号 是 为 互 补 的 ，在 初 始 化中 写 一 计 数 值 到 PMOD(H:L)中 以 决 定 载 波 频 率 即 开 关 频 率 。PWM 波 的 实时 脉 宽 计 算 是 由 中 断 程 序 完 成 的 ，每 次 PWMMC 模 块 中 的 PCTN(H:L)计 数器 计 数 到 PMOD(H:L)中 的 值 时 就 引 起 中 断 。预 先 将 0 360的 正 弦 值 制 成表 格 存 于 FLASH 某 一 区 域 中 ，每 次 中 断 时 从 中 取 一 正 弦 值 ，经 过 一 定 计 算后 得 一 数 值 ，将 其 送 入 PVALX(H:L)寄 存 器 中 ，单 片 机 将 PVALX(H:L)中 的值 与 PMOD(H:L)中 的 值 比 较 后 自 动 生 成 SPWM 信 号 并 由 PWM 引 脚 发 出 。为 了 防 止 同 一 桥 臂 两 个 管 子 同 时 导 通 的 现 象 发 生 ，在 无 信 号 发 生 器DEADTIME 中 的 寄 存 器 DEADTM 中 写 入 一 数 值 以 确 定 死 区 时 间 。本 系 统设 计 死 区 时 间 为 2.5s，载 波 频 率 为 10kHz，制 成 包 括 200 个 放 大 的 正 弦 值的 正 弦 表 。PWMMC 模 块 还 有 4 路 故 障 保 护 端 口 FAULT1 FAULT4，当 端口 为 高 电 平 时 ，PWMMC 就 能 根 据 初 始 化 设 定 来 封 锁 相 应 的 PWM 输 出 ，本 系 统 中 的 过 流 保 护 正 是 利 用 了 这 个 功 能 ，当 发 生 过 电 流 时 ，就 置 位FAULT1 端 口 从 而 封 锁 全 部 六 路 PWM 端 口 。本 系 统 使 PWMMC 工 作 在 中心 对 齐 模 式 ，在 PWM 时 钟 频 率 为 8MHz 下 其 载 波 周 期 计 算 公 式 为载 波 周 期 =1/10k=PMOD(H:L)(1/8M)2所 以 本 系 统 须 初 始 化 PMOD(H:L)= 0190(注 ： 为 PIC16F73 中 十六 进 制 符 号 )102.4.5系统的控制结构本 系 统 通 过 数 字 式 PI 调 节 器 实 现 稳 压 控 制 。系 统 的 控 制 框 图 如 图 3 所示 。反 馈 信 号 来 自 交 流 电 压 的 AD 采 样 ，为 了 保 证 精 度 ，本 系 统 利 用 变 压 器进 行 电 压 采 样 。刚 启 动 时 给 定 电 压 取 自 软 启 动 输 出 ，软 启 动 是 为 了 避 免 启 动时 产 生 大 的 峰 值 电 流 ，软 启 动 采 用 逐 次 递 增 到 所 需 电 压 的 方 法 ，软 启 动 结 束后 给 定 电 压 就 是 对 应 于 220V 电 压 的 数 值 。为 了 加 强 快 速 性 ，本 系 统 采 用 前馈 控 制 与 反 馈 控 制 相 结 合 的 控 制 方 式 。为 了 增 强 系 统 的 动 态 输 出 特 性 ，本 系统 采 用 根 据 偏 差 大 小 改 变 比 例 系 数 和 积 分 系 数 的 模 糊 控 制 方 法 ，当 偏 差 较大 时 ，比 例 系 数 和 积 分 系 数 也 较 大 ，当 偏 差 较 小 时 比 例 系 数 和 积 分 系 数 也 较小 ，从 而 大 大 减 少 了 超 调 量 ，很 容 易 使 系 统 稳 定 ，完 全 消 除 了 积 分 饱 和 现 象 ，也 增 强 了 系 统 的 适 应 能 力 。SUdzIPPWM 变压电路iK反馈电路S sU图 4 系统控制框图2.4.6 系统的软件设计PTC0、PTC6 两路端口就是单片机发送的开关控制信号，经光耦隔离送到由或非门组成的基本 RS 触 发器电路中， RS 触发器输 出的两路信号是互锁的，两者只能同时为低电平（关断信号），不能同时为高电平（开通信号），从而增强了系统的安全性。由 555 定时器组 成的自激振荡器的作用是定时地发送触发脉冲，脉冲有效宽度应不小于晶闸管的开通时间，其输出信号与 RS 触发器的输出相与送到门极驱动电路中。另外，采用两个 LED 管用于显示负载采用的供电方式。PIC16F73 单片机通过对市 电故障及故复的判断来切断市 电或 UPS 的逆变器。切断市电或逆变器后，负载电 流衰减到零需要有一过程，然后再切入逆变器或市电，为保证切换操作的可靠性，本系统在零电流切入方式的基础上，在主程序中加入了如果在切断市电（或逆变器）后延时 3ms 没有进行切入操作，就不管是否检测到零电流直接进行相应的切入操作，从而保证了 UPS 供电的可靠性。PIC16F7311单片机内部含有两个 CCP 模块，都可以用来产生 PWM 波。对于 PWM 信号来说，周期和脉宽是两个必不可少的参数，PIC16F73 单片机将 PWM 周期储存在 PR2寄存器中，而将 PWM 信号高电平时间值即脉宽值储存在 CCPR1L 或 CCPR2L寄存器中。内部定时器在计数过程中不断与这两个寄存器的值相比较，达到设定时间时输出电平产生相应的变化，从而控制 PWM 信号的周期和占空比。SPWM信号要求脉宽按正弦规律变化，因此每一个 PWM 周期脉宽都要改变，由单片机产生 SPWM 波的基本思想就是在初始化时将 PWM 周期值设定，然后用定时器定时，每个周期产生一次中断，来调整脉宽，从而得到脉宽不断变化的 SPWM 波。但实际上，SPWM 频率一般都很高，周期很短，要在每一个周期内都完成脉 宽的调整比较困难。本系统中，SPWM 周期为 20KHZ,设置每六个周期改变一次脉宽，实际输出 SPWM 信号经滤波后所得正弦波如波形光滑无畸变，满足精度要求。在软件设计中，将 CCP2 模块作为 PWM 输出口，CCP1 模块采用比较功能， 单片机时钟为 20MHZ,计时步阶 0.2us。首先建立正弦表，在一个完整正弦周期中，采样 64 个点，采样点正弦值与正弦波峰值的比值就是该点 SPWM 信号的占空比。然后根据 SPWM 周期计算出各点的脉宽值， 转换成计时步阶，做成正弦表，供CCP1 中断子程序调用。这 64 个点之间的时间间隔也转换成计时步阶储存到 CCPR1H 和 CCPR1L 寄存器中，程序运行过程中， 计数器 TIMER1 不断和这个寄存器的值相比较，达到设定值时 CCP1 产生中断，TIMER1 重新计时。中断服务子程序用来修改 SPWM 信号的占空比，其流程 图如图 5 所示。主程序为一个无穷循环，等待中断发生。本程序中共用到了三个中断：CCP1比较中断，用来调整 SPWM 脉宽，中断周期 为 306us；T0 定时中断，每隔一段固定的时间进行一次输出电压反馈采样值的 A/D 转换 ,在单片机初始化时，将 T0的中断周期设为 153us,产生一次中断后，将周期改为 306us；A/D 转换中断，A/D转换完成产生中断，处理转换值，中断周期 为 20us。在程序开始运行后，首先 发生 CCP1 中断，使单片机按正弦表的第一个脉宽值输出 SPWM 波，153us 后，产生 T0 中断，进 行 A/D 转换，并将 T0 中断周期改 306us。 20us 后转换完成，产生A/D 中断。然后又是 CCP1 中断，读取 A/D 转换值和正弦表来调整脉宽。这样周而复始，产生连续不断的 SPWM 控制信号。12图 5 CCPI 中断服务子程序2.4.7 实验结果及波形由单片机 CCP2 口输出的 SPWM 波形为方波，由于频率为 20KHZ，脉宽很窄，只截取了其中的一段，看不到脉宽从最小变到最大的过程，但可以看出 这段波形中脉宽逐渐变窄，符合 SPWM 的变化规律。经 RC 滤波后得到接近 标准的正弦波， 频率为 49.6HZ，与设计的 50HZ 基本吻合，波形平滑无畸变，满足设计要求。开始清中断标志位清定时器 1调节时间到否表指针加 1正负半波信号置 0读取 A/D 转换值计算输出电压偏差返回表头正半波？ 正负半波信号置 1计算 PWM 占空比更新 PWM 占空比中断返回查正弦表YYNN13本 UPS 系统中，采用的是全桥逆变电路，控制方式是一个桥臂上的两个IGBT 互 补导 通，另一 桥臂的两个一个常开，一个常闭。 负半波时，换到另一桥臂的两个 IGBT 互补导通，原 桥臂变为一个常开，一个常闭。因此需要将 单片机产生的一路 SPWM 信号变换 成四路，分 别驱动四个 IGBT。具体 实现电路如图 6 所示。图 6 SPWM 波形变换电路单片机输出的 SPWM 信号和正负半波信号分别加到 U3D 的 12 和 13 脚，此图只画出了同一个桥臂的两个 IGBT 的驱动波形产生电路，另一桥臂的产生电路与此电路完全相同，只是在 输入的正负半波信号前加了一个反相电路，使得不论是正半波还是负半波，桥臂 1 和桥臂 2 的 U3D 的 11 脚总是一个为 SPWM 信号，另一个为低电平。经过后面的 电路变换后， 为 SPWM 信号的桥臂得到两路互补输出的 SPWM 波形，为低电平的桥臂则得到一个持 续的高电平和一个持续的低电平，从而实现逆变全桥的 驱动。由于同一 桥臂的两个 IGBT 互补导通，死区 时间的设置是必不可少的，否 则可能出现桥臂直通现象，导致器件甚至整个电损坏。图 6 中的 R2、C2 就是用来 设定死区时间的，通过 RC 电路的冲放电得到一个时间的延迟，再经过门电路的 处理加到 SPWM 信号波形中。通过改变 R、C 的大小就可以调整死区时间的长短，本电路中电阻取 1000 欧姆,电容取 6.8nF，得到 5us的死区时间，在同一桥臂上下两个 IGBT 驱动波形中，从一个驱动波形的低电平变到另一个驱动波形低电平时，有一段两个信号都为高电平的时间，也就是两个IGBT 都不通的死区时间，防止了逆变桥的直通。保护模块根据电压电流采样值进行故障判断，并在故障发生时封锁 PWM 的输出。保 护包括蓄电池欠压 、蓄 电池过压、系统过载 、过热保护等，其中蓄电池欠压、过压 保护能够实现自恢复，即在检测到蓄电池电压 又恢复正常时，系 统重新软启动并恢复正常工作。过 流保护由于需要快速反应故采用硬件保护，当过流发生时就立即封锁全 部 PWM 输出，也立即封 锁全部 驱动电路，只有重新复位时123U3A74HC86123U4A74HC86121311U3A74HC00121311U2A74HC00121311U5A74HC00121311U1A74HC00R21KR51K +5VC26.8nF14才能恢复工作，软件可判断出是否发生过流保护。调节器模块完成对系统输出电压稳压的 PI 调节，使输出电压稳定在 220V，同时软启动也放在其中。其入口参数为软启动输出，出口参数 M 送到中断模块中参 与 PWM 脉宽的计算。通 过实时调节该参数的值就能改变脉宽值从而使输出跟随给定。中断程序模块完成 SPWM 波形的发出、交流 电压、交流电流参数的采样。中断的入口参数为 PI 调节器的输出参数 M，该参数参与脉 宽的计算 即PVALX(H:L)值的计算，从而改变了占空比也即调节了输出电压。按照 SPWM 的规则 2 采样的方法，结合初始化中对 PWMMC 的设 定得脉宽的实时计算公式为正半周期：PVALX(H:L)=PMOD(H:L)/2MSIN(PTR)负半周期：PVALX(H:L)=PMOD(H:L)/2MSIN(PTR)其中 PTR 为 正弦表指针，SIN(PTR)为对应 PTR 指 针的正弦值。按照以上设计思想试验仿真，最后能得到比较标准的 220V、50Hz 正弦电压，软启动也很平稳，其频率误 差0.1,输出电压误差0.5。由于采用 10kHz 的载波频率，在 变压器原边得到 20kHz 高频信号，无噪声。在上述控制方式下，能保证系统在突然加载或减载时输出电压快速地保持稳定。并且与外界键盘监控系统的串行通信良好，有较强 的实用性和可靠性。其空载和负载时的输出电压波形如图 7 和图 8 所示。1520mS0图 7 空载时输出电压波形20mS100V0图 8 时输出电压波形100V163 设计思路太阳能 UPS 电源系统发电得依靠太阳能辐射，所以要尽可能掌握当地的气象、环境情况。其次，要考 虑用户的用电需求情况。然后在这两者的基础上，需要对几十个相关参数做出综合考虑和计算，才能最大限度地发挥系统各部件的性能，做到尽可能的最优设计 。所以从理想状 态来讲， 对于每一个特定地点的太阳能 UPS 系统，设计者就需根据具体情况进行一次专门的计算，以求设计结果与实用情况能够最大限度地吻合。但是，除了个别功率 较大的家用太阳能 UPS 系统外，大多数型号的家用太阳能 UPS 系统产品在工厂通过系列化、工业化批量生产。这 就要求设计与生产实际相结合，找出 产品共性，与规模化工厂生产配套。简单的来说，太阳能 UPS 系统的容量是由设备安装场所的日照量、负荷的消费电力两大因素决定。还 需考虑若干安全因素， 设备 的效率等因素。3.1 负载的估算随着生活水平的提高，用户需求发生了变化，用 户需要使用更多的用电器。很多家庭用户还安装使用了电视机。还有其他的一些家用电器也是交流电器，所以要求 UPS 系统能够提供交流电。表 3 为用户用电需求一览表。表 3 用户用电需求一览表负载类型 功率/W 数量 日工作时间/H 日用电量 WH21彩色电视机 65 1 3 195日光灯 25 1 1 75节能灯 9 1 3 54总计 3243.2 逆变器功率的计算该系统中因要使用交流用电器，所以需要配备逆变器。负载中有感性负载，所以在计算逆变器时考虑到感性负载在启动时会产生反电动势电压，这里取 2.5倍。所以要求逆变器必须能 够承受瞬间的大负荷，另外增加一个安全系数，取 值171.5。逆变器容量： ()NGCKnP-逆变器容量；NCK安全系数，一般取 1.21.5；N感性负载启动时的反电动势电压为额定电压的倍数，这里取 2.5