太阳能UPS供电系统设计.pdf-solarbe文库

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下载之后可以联系 QQ1074765680 索取图纸， PPT，翻译文档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Design of solar power supply system on UPSAbstract With the urbanization process of China s 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 system 目录1 绪论 . 31 2 系统结构 . 31 2.1 太阳能电池组 . 32 2.1.1 太阳能电池工作原理与要求 32 2.1.2 太阳能电池组选择 32 2.2 充电控制器 . 33 2.2.1 控制器电路结构 33 2.2.2 控制器工作原理 33 2.3 蓄电池的选择 . 34 2.4 逆变器 . 35 2.4.1 系统基本结构 35 2.4.2 关于 PIC16F73单片机 . 35 2.4.3 逆变主电路 36 2.4.4 SPWM波的形成 37 2.4.5 系统的控制结构 38 2.4.7 实验结果及波形 . 40 3 设计思路 . 44 3.1 负载的估算 . 44 3.2 逆变器功率的计算 . 44 3.3 蓄电池容量的计算 . 45 3.4 太阳能电池容量的计算 . 45 结束语 . 46 致谢 . 47 参考文献 . 48 附录 1 . 49 附录 2 . 50 附录 3 . 51 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，还需要配臵逆变器。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臵。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控制器太阳能电池组蓄电池组逆变器交流输出上，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 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 1.2A 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８ 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， LED ２发光指示充电， J1 动作，其接点 J１－１转换位臵，硅太阳电池组件通过Ｄ 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，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 适合于小功率装臵、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μ 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。GDC1V11V12 V22V21T1C2Uo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 PMODHL 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 PCTNHL 计数器计数到 PMODHL 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 PVALXHL 寄存器中，单片机将 PVALXHL 中的值与 PMODHL 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 2.5 μs ，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，就臵位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 1/10kPMODHL 1/8M 2 所以本系统须初始化 PMODHL ＄ 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。SU dzIPPWM 变压电路iK反馈电路SUsUPIC16F73 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, 设臵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 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 正负半波信号臵 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臵 1 计算 PWM占空比更新 PWM占空比中断返回查正弦表Y Y N N 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，死区时间的设臵是必不可少的，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。123U3A74HC86123U4A74HC86121311U3A74HC00121311U2A74HC00121311U5A74HC00121311U1A74HC00R21KR51K5VC26.8nF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PVALXHL 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PVALXHLPMODHL/2 ＋ M SINPTR 负半周期PVALXHLPMODHL/2 － M SINPTR 其中 PTR 为正弦表指针， SINPTR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。图 7 空载时输出电压波形图 8 时输出电压波形20mS 100V 0 20mS 0 100V 3 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 WH 21’ 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 324 3.2 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1.5 。逆变器容量 N G CC K nP PNC --逆变器容量；K 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；GP --系统中感性负载的功率；CP --系统中纯电阻性负载的功率。NC 1.2（ 2.5 6534） 281W 根据负载特性和要求，设计逆变器规格选取 300W 的正弦波逆变器。3.3 蓄电池容量的计算在家用 UPS 系统中，通常在确定了每天的用电量和市电供应不正常时的用电时间，就可以按以下公式计算电池容量。00E DCD D式中 C---蓄电池能量， W· h 0E --平均每天负荷用电量， W· h D 蓄电池自给天数；0D D--蓄电池放电深度；η 逆变器效率。对于该套系统，选用固定型密封式铅酸蓄电池，最大放电深度为 0.7，设计自给天数 1 天。C324 1/0.7 0.9514W· h 系统为 2 块组件充电，因而选用 12V 蓄电池，容量为 514W· h/24V21.4AH 选用容量为 25A· H 固定型密封式铅酸蓄电池 2 块。3.4 太阳能电池容量的计算在设计时得到的太阳能辐射数据一般为水平面上的年辐射总量，在进行计算时应该对其作单位换算，采用 kW· h/m2。为了计算简便，同样用电负荷也取一年用电量为计算量，在实际得到的用户用电需求为每日用电量，因为在实际使用过程中用户不可能每日都用，所以取一个同时率系数，一般取 0.9。因为家用电源的太阳组件一般功率不大，灰尘和温度对太阳能电池板的发电影响很大。在实验中测得的数据表明，太阳能电池表面的灰尘较多时，可使得太阳能电池组件的发电量下降 10-20，在设计时一般取影响值 10；对于温度，在设计时综合考虑，认为温度变化在实际中将会使得发电量降低 10；对于家用太阳能发电系统，由于大多太阳能电池板没有固定的支架，属人为摆放，因而也会使得太阳能电池组件发电下降；一般的家用太阳能发电系统的贮能系统蓄电池，在对能量贮存方面也有能量的损失，在设计时也应考虑。另外，对于交流系统，由于加入逆变器后有一个逆变效率，好的逆变器一般能达到 90以上的转换效率。综合考虑以上各因素，对于一个直流系统可以按以下方法计算。0HWQR1 2 3 4Fδ 年用电同时率，由于 UPS 系统用量较少，一般取 0.1；H 年理论总用电量，可以取 1000kW· h；Wo 太阳能电池容量计算值， kWp Q 水平面上太阳能年总辐射能量，约为 5000kW· h/m2R 太阳能电池组件表面受到的太阳能年总辐射量与水平面年总辐射量的比值 ,一般取值为 1.2 η 系统总效率 ; F 用户使用不当损失的效率 ,取 0.90; η 1 蓄电池充放电效率 ,取 0.85; η 2 温度损失因子 ,取 0.90; η 3 灰尘遮蔽损失因子 ,取 0.9; η 4 逆变器效率 ,根据所选逆变器取值 ,在设计时选取 0.9 作为设计值。由上数据计算得出 η 0.85 0.9 0.9 0.90.62Wo0.1 1000/5000 1.2 0.6226.9Wp 选用 40Wp 的太阳能电池组件，考虑成本，故选用多晶硅太阳能电池。结束语本来以为毕业设计太难，也学不到什么实质性的东西。但当我真正着手处理时，就不能有丝毫小瞧的意思了。一切的一切都需要我们用心去领悟并结合所学知识去操作。前面我们看到的是应用电子造行业其自身的发展。然而，作为社会发展的一个部分，它将和其它的行业有更广泛的结合。 21 世纪电子业的重要性表现在它的全球化，网络化，虚拟化，智能化以及环保协调的绿色制造等。它将使人类不仅要摆脱繁重的体力劳动，而且要从繁琐的计算，分析等脑力劳动中解放出来，以便有更多的精力从事高层次的创造性劳动，它使生产系统具有更完善的判断力与适应能力。当然这一切还需要我们大家进一步的努力。毕业设计，是一面很亮的镜子，能够通过它看出我们自身的缺点，能够通过它查找出自身缺乏的知识。通过这次设计，我明显感觉到 “ 书到用时方恨少 ” 。在毕业以后的生活中我会不断地学习充实自己。致谢本研究及学位论文是在我的导师的亲切关怀和悉心指导下完成的。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。两年多来，他不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，在此谨向导师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。本论文的所有研究工作从论文的选题、实现条件到论文的写作等阶段都是在导师指导下完成的。导师在作者学习期间在学术和生活等方面的给予了无微不至的关怀和指导。导师严谨的治学态度、渊博的学术知识、诲人不倦的敬业精神以及宽容的待人风范使作者获益颇多。谨向导师致以最衷心的感谢。其次要感谢所有曾经为 2005 级应教专业任课的老师，老师们教会我的不仅仅是专业知识，更多的是对待学习、对待生活的态度。在此，我还要感谢在一起愉快的度过大学生活的各位同门，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意参考文献[1] 刘宏，杨志刚，吴达成等 . 家用太阳能光伏电源系统 [M] 北京化学工业出版社， 2007 [2] 金成日，苏建徽，沈玉木梁等 . 基于 68HC908MR16单片机的光伏正弦波逆变电源 [J] 保存地点合肥大工业学能源所， 2003 [3] 黄俊，王兆安 . 电力电子变流技术 [M]. 北京机械工业出版社 ,1999. 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