蓄电池供电的单相逆变电源的研制

电源技术

蓄电池供电的单相逆变电源的研制

Theresearchofsingle-phaseinverterpowersupplyBasedonrenewableenergy-powered

(1.华南理工大学;2.中国科学院广州能源研究所)

肖石伟

1

文生平

1

张先勇

2

舒杰

2

XIAOShi-weiWENSheng-pingZHANGXian-yongSHUJie

摘要:风力发电以及太阳能发电等新能源技术近年来得到了高度重视和迅速发展,其中逆变电源供电质量的好坏对其推广应用起着至关重要的作用。本文基于AVR单片机与IGBT模块进行了蓄电池供电的单相逆变电源的设计,采用单极性正弦波脉宽调制算法对逆变电源进行了闭环控制,实验结果表明,该电源性能优良,能够满足新能源供电中的电能质量要求。关键词:新能源;逆变;电源;控制;脉宽调制

文献标识码:B中图分类号:TM919

Abstract:Windpowerandsolarpowerandothernewenergytechnologiesinrecentyearshasbeenahighdegreeofattentionandrapiddevelopment,inwhichthequalityoftheinverterpowersupplyforitspopularizationandapplicationofqualityplaysavitalrole.BasedontheAVRMCUandIGBTmodulesonrenewableenergy-poweredsingle-phaseinverterpowersupplydesign,theuseofunipolarsinusoidalpulsewidthmodulationalgorithmforinverterpowersourcefortheclosed-loopcontrol,experimentalresultsshowthatthepowerperformance,beabletomeetthenewenergysupplyinthepowerqualityrequirements.Keywords:Newenergy;Inverter;Power;Control;PulseWidthModulation

1前言

近年来,具有环境友好特性的可再生能源及新能源技术得到了高度重视和迅速发展。其中,又以太阳能和风能的应用最为成熟与普遍。由于太阳辐照以及风力资源的随机可变性,其能量生成也是可变的,为了给终端用户提供高质量的电能供应,电力

非并网型太阳能/风能发出电子装置起着至关重要的作用。

的电能经过整流控制成为直流电存储在蓄电池中,然后蓄电池的直流电经过逆变成为标准正弦波电压提供给终端用户。本文对其中的逆变环节进行了研究,基于IGBT模块与AVR单片机开发了单相逆变电源,以实现在蓄电池电压波动情况下稳定高质量的正弦波交流电压输出。

以及具有良好的动态响应性能等许多优点。升压电路中的控制芯片采用Unitorde公司推出的电流型脉宽调制器UC3842,该调制器单端输出,可以直接驱动双极型功率管或场效应管,并且电流控制型具有快速的瞬态响应和高度的稳定性。当电源输入电压或负载发生变化时,反馈的电感电流变换率能直接跟随输入电压和输出电压变换,只要开关管电流脉冲一达到设定的幅值,脉宽比较器就动作,开关管关断,保证了输出电压的稳定。直接采样输出电压经分压后送给误差调节器TL431。TL431输出的误差信号经过线性光藕PC817后转化为电流信号直接输入给UC3842的控制端,通过检测控制端电流的变化来改变占空比,从而实现电压的调制。

技术创新

2单相逆变电源系统

本文设计的单相逆变电源系统如图1所示,蓄电池输入的直流信号经过直流升压后滤波,得到高压直流,再经过逆变电路输出交流。整个系统电路主要包括三个部分:升压电路,逆变电路以及反馈控制电路。

图1单相逆变电源系统结构图

2.1升压电路拓扑结构

升压电路拓扑结构采用单端反激式电路(图2)。单端反激开关电源具有输出纹波小、输出稳定、输入输出电气隔离、效率高

肖石伟:硕士研究生

图2单端反激式升压电路

2.2逆变电路

逆变电路的设计包括功率逆变桥电路,控制电路和保护电路的设计。直-交逆变部分采用了单相全桥结构,逆变器选用

利用IGBT开关频率较高的优点,采用单IGBT作为主开关元件。

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《PLC技术应用200例》

电源技术

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,该交流基波频率即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,变压器变压隔离后,输出所要求的正弦波交流电。如图3所示为全桥逆变环节主电路图:

《微计算机信息》(测控自动化)2010年第26卷第3-1期

SPWM脉冲的产生,故障信号处理,电压采样控制及反馈算法的实现。

技术创新

图3单相全桥逆变电路

UC3842自身可实现两种保护,一是输人欠压保护,主要是靠UC3842内部固有的欠压锁定电路实现,当提供给UC3842的工作电压低于低位门槛电压时,欠压锁定电路将封锁输出驱动脉冲信号,开关管关断;另一保护功能是峰值电流功能,可实

在某一周期开关管开通期间,输人到现逐个脉冲峰值电流。

端3的电压信号(正比于流经开关管的峰值电流)得到1V时,电流检测比较器输出高电平,输出驱动脉冲,开关管关断,直到下一个开通周期到来。利用这一峰值电流可实现开关电源的输出过流或短路保护。

2.3反馈控制电路

本系统的输出电压的主要变化是由负载变化所引起的,所以后级逆变环节的控制可以选择较简单的控制算法。综合考虑性能要求,价格成本,开发能力各方面的因素,本系统选择采用8位AVR单片机来实现控制。本系统电路为单相全桥逆变电路,主电路是典型的DC-AC逆变电路。由单片机对逆变器直流侧电压进行A/D采样,采样所得的数据输入ATmega8芯片,由ATmega8芯片对数据进行计算处理,并输出相应的SPWM信号给驱动电路,控制逆变器的输出。此系统的控制核心电路是ATmega8单片机电路,主要完成以下三个方面的工作:1、输出

对直流SPWM波控制信号到驱动电路,控制逆变桥的通/断;2、

侧电压进行A/D采样,将数据输入单片机进行处理,调节输出,实现简单闭环控制;3、实时监控蓄电池电压,负载电压,对欠压,过流等异常现象进行处理。

图5产生SPWM波程序示意图

4实验结果及结论

基于以上设计分析,制作了一台100W的样机,并进行了阻性负载下的实验研究。图7为单片机输出的SPWM实验波形,图8为输出电压的波形。实验结果表明,该系统电路简单,控制方案合理可行,是一款高性能的式逆变电源。

图6SPWM实验波形

3系统软件设计

图4程序基本流程图

系统的软件设计是整个控制系统的关键部分,主要实现的功能是保证输出的交流电压稳定,输入电压的监控和故障保护功能。控制系统软件由主程序、PWM输出子程序、PID调节子程序、数字滤波子程序、以及其它中断服务子程序组成。所有的外部时间都以中断方式进入控制器来操作。中断服务程序负责

-158-360元/年邮局订阅号：82-946图7输出电压波形图

本文作者创新点:根据项目的实际需要,设计了一款基于AVR单片机与IGBT模块的单相逆变电源,采用了SPWM控制技术,结构简单,性能优良,实用性比较强。参考文献

[1]马潮,詹卫前,耿德根.ATmega8原理及应用手册[M].北京:清华大学出版社,2003.

[2]吴云亚.电流控制型反激变换器控制电路的设计[J].盐城工学院学报,2007,9(3):18-24.

[3]应建平,林渭勋,黄敏超.电力电子技术基础[M].机械工业出版社,2003.(下转第221页)《现场总线技术应用200例》

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Province,Troop91095,PLA,Assistantengineer,majorinAutomaticControlandComputerSimulation.(125001辽宁省葫芦岛市91065)张玉宪

通讯地址:(125001辽宁省葫芦岛市兴工大街51号91065教保处)张玉宪

(收稿日期:2009.05.06)(修稿日期:2009.08.06)

图4UKF下的均方误差图5UKF下的均方误差从图4可以看出,不敏卡尔曼滤波,在25s之后,滤波后的均方误差都小于滤波前的均方误差,这说明在25s之后滤波的效果比较好。与图2比较,30-80s图4的的均方误差都小一点,但图4滤波的起始时间在25s,这有点太迟,因此从全程上看图2的滤波效果还是要好一些。

从图5可以看出,不敏卡尔曼滤波,在10s之后,滤波后的均方误差基本都小于滤波前的均方误差,这说明在10s之后滤波效果比较好。与图3比较,10s之后图5的差值的均方误差大部分时间里都小一点,但是在40s时由于目标处在正高点处,运动模型出现变化,所以会滤波会出现一个阶跃,这将可能使雷达丢失跟踪目标,因此从全程滤波稳定性来看,图3的整体滤波效果还是要好一些。

在仿真过程中,虽然不敏卡尔曼滤波滤波后的均方误差有时候要比线性卡尔曼滤波滤波后的均方误差小一些,但是总体上看,不敏卡尔曼滤波存在起始时间晚,滤波过程不稳定等不足,总体而言不如线性卡尔曼滤波滤波稳定。因此认为在本系统线性误差不是很大的情况下采用线性卡尔曼滤波效果更加好一些。

(上接第158页)[4]王春侠,聂翔.基于面积等效法的SPWM发生器的设计[J].微计算机信息,2008,24(1-2):214-217.

作者简介:肖石伟(1983-),男(汉),华南理工大学机械与汽车工程学院硕士二年级学生,研究方向为工业装备的智能控制与网络化技术研究;文生平(1966-),男(汉),工学博士,教授,主要从事工业装备的智能控制与网络化技术研究。

Biography:XIAOShi-wei(1983-),male(theHannationality),thegraduatestudentsofMechanical&AutomotiveEngineering.SCUT,researchdirectionsforintelligentcontrolofindustrialequipmentandnetworktechnologyresearch.(5100广州华南理工大学聚合物新型成型装备国家工程研究中心,聚合物成型加工工程教育部重点实验室)肖石伟文生平(5101广州中国科学院广州能源研究所)张先勇舒杰

(TheKeyLaboratoryofPolymerProcessingEngineeringofMinistryofEducation,NationalEngineeringResearchCenterofNovelEquipmentforPolymerProcessing,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou5100,China)XIAOShi-weiWENSheng-ping

(GuangzhouInstitudeofEnergyConversion,ChineseAcademyofSciences,Guangzhou5100,China)ZHANGXian-yongSHUJie

通讯地址:(5100华南理工大学聚合物成型加工工程教育部重点实验室)肖石伟

(收稿日期:2009.03.24)(修稿日期:2009.06.24)

5总结

针对雷达对导弹进行跟踪滤波中存在的量测方程非线性化问题,本文提出将量测信号进行非线性化转化然后进行线性卡尔曼滤波,和直接采用适于非线性系统的不敏卡尔曼滤波两

通过仿真比较,发现在本系统线性误差不是很大的情况种方法。

下,不敏卡尔曼滤波虽然在一些时间段里滤波性能更好一些,但总体来讲,采用线性卡尔曼滤波滤波性能更加稳定一些,而整体效果也更好一些。

创新点:对于非线性跟踪滤波问题,本文采用将观测变量做非线性化转换然后进行线性滤波,和非线性不敏卡尔曼滤波两种方法。仿真显示,线性误差不大时,线性卡尔曼滤波性能更稳定,整体效果也更好。参考文献

[1]何友等.雷达数据处理及应用.北京:电子工业出版社[M],2006,21-27,31,46-48.

[2]熊伟,张晶炜,何友.分布式不敏卡尔曼滤波状态估计技术[J].吉首大学学报(自然科学版),2005,26(4):15-20.

[3]Suchomski,P.ExplicitExpressionsforDebiasedStatisticsof3DConvertedMeasurements[J],IEEETrans.AerospaceandElectronicSystems,1999,35(1):368-370.

[4]张光义,赵玉洁.相控阵雷达技术.北京:电子工业出版社[M],2006,19-21,92-96.

[5]朱铮涛,曾江翔,王志萍.基于卡尔曼滤波的背景估计及其算法实现[J].微计算机信息,2007,(28).

作者简介:张玉宪(1981-),男(汉族),河南人,91065,助工,主要研究方向为自动控制与计算机仿真。

Biography:ZHANGYu-xian(1981-),Male(Han),Henan《PLC技术应用200例》

技术创新

(上接第167页)在空速测量系统中使用仿真,降低了成本,提高了效率。

本文作者创新点:在无人机空速测量系统设计中,使用Proteus软件进行设计方案的验证和优化,测试系统性能,为系统的开发提出了一种很好的方法。极大的提高了效率,缩短了开发周期。参考文献

[1]岳大为裴志远等.Proteus在剩余电流动作保护器开发中的应用[J].电器制造,2008.3

[2]周润景等.基于PROTEUS的电路及单片机系统设计与仿真[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006

[3]殷苏民邓英杰等.基于Proteus的ARM虚拟开发[J].微计算机信息,2008.5-2.127-129

作者简介:孟洪兵(1967-),男(汉族),硕士,副教授,主要从事智能传感器技术的研究。

Biography:MENGHong-bing(1967-),male,(Han),Graduate,AssociateProfessor,Researcharea:Intelligentsensorsystem.(710072西安西北工业大学)孟洪兵严家明(843300阿拉尔塔里木大学)孟洪兵

通讯地址:(210098南京东南大学成园研究生公寓326#)孟洪兵

(收稿日期:2009.03.19)(修稿日期:2009.06.19)

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