太阳能UPS供电系统设计.docx

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太阳能UPS供电系统设计

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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

DesignofsolarpowersupplysystemonUPS

Abstract

WiththeurbanizationprocessofChina'scontinuousadvanceofthedemandforenergycontinuedtogrow,todevelopnewandrenewablesourcesofenergyforsustainabledevelopmentofenergydue.Solarenergyistheonetime,butalsorenewableenergy.Itisrichinresources,canbeusedfreeofcharge,andwithouttransportation,withoutanypollutiontotheenvironment.Solarpowergenerationisbasedonphotovoltaiceffectprinciple,accordingtosolarcellsbetteryconvetersolarenergydirectlyintoelectricity,andthenchargeforthebatteriesbyanindependentlead-acidcontroller.

Inthispaper,single-chipbasedonthePIC16F73generateSPWMcontrolwaveform,drivingfull-bridgeinvertercircuitcomposedofpower-linesinewaveUPSsystems,voltageclosed-loopfeedbackcontroltoimprovesystemaccuracy,thesoftwareflowchartisgivenandsomeexperimentalwaveforms.

Keywords:

Solar,Inverter,Controller,SPWMwave,UPSpowersupplysystem

1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：

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，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nominalpeak

40WP

峰值电压voltagepower

34V

峰值电流peakcurrent

2.33A

开路电压open-circuitvoltage

27.2V

短路电流Short-circuitcurrent

1.2A

2.2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②脚和⑥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８Ｖ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８V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

2.4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。

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/D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μs）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。

图3逆变器主电路原理图

2.4.4　SPWM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2.5μs，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）

　2.4.5　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。

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。

PIC16F73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。

图5CCPI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。

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6SPWM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）/2＋M×SIN（PTR）

负半周期