馮驍馳 馮璇

摘 要：家用電器在電網(wǎng)側(cè)停電后停止工作，有些緊急情況在停電后需要使用家用電器使用備用電源供電，因此研究家用單相逆變電源系統(tǒng)具有很大的實際應(yīng)用意義。本文基于單相逆變電源系統(tǒng)詳細闡述了其組成部分，分析了每個部分的原理和功能，重點分析了電池三段式充電原理以及控制策略、BOOST升壓電路拓撲、SPWM逆變控制策略以及PID閉環(huán)控制算法，在MATLAB中實現(xiàn)了SPWM逆變控制策略研究及其結(jié)果分析。

1前言

目前家用電器大多都是“50HZ 220V”交流電源，我國電網(wǎng)側(cè)輸入到用戶住宅的家用電源類型都是交流“50HZ 220V”電源，當(dāng)電網(wǎng)停電后，家用電器由于沒有電源輸入而停止工作，有些緊急情況下需要保障電器在停電后正常工作，這時需要使用備用電源。備用電源在電網(wǎng)正常供電時，備用電源處于電池充電模式，保障電池在需要工作時處于滿額狀態(tài);備用電源檢測到電網(wǎng)停電，備用電源系統(tǒng)電池開始供電，系統(tǒng)控制電池升壓，再逆變輸出穩(wěn)定的“50HZ 220V”電壓，保障家用電器在電網(wǎng)停電后正常工作。

2家用單相電源系統(tǒng)組成

家用單相逆變電源包括五個模塊組成，電池模塊、充電模塊、輔源電源模塊、升壓模塊以及逆變模塊，五大模塊協(xié)同作用實現(xiàn)家用單相逆變電源在電網(wǎng)電源斷電給家用電器供電，保障家用電器的正常工作。

如圖1所示為家用單相逆變電源系統(tǒng)框圖，電網(wǎng)輸入AC220V電壓，電網(wǎng)供電正常時，輔助電源模塊供電池充電，當(dāng)電網(wǎng)斷電后，電池通過升壓電路完成DC/DC變換，電池輸入電壓經(jīng)過升壓電路后輸出直流電壓為310V，升壓之后的直流電壓經(jīng)過逆變電路后輸出“50HZ 220V”的交流電。

電池模塊，電池類型包括蓄電池、鋰電池以及鉛酸電池，根據(jù)安全性以及實用性，選用鉛酸電池作為家用單相逆變電源系統(tǒng)電池模塊，選用12V 12AH電池。

鉛酸電池的氧循環(huán)原理在充電的情況下：

鉛酸電池充電采用負極過量的原理，當(dāng)正極板充飽電的時候由于負極板過量，負極板還處于沒有充飽電狀態(tài)，因此，沒有氫氣溢出。正極板充飽電的時候電解水產(chǎn)生的氧氣通和負極板的鉛反應(yīng)生成PbO，PbO再跟硫酸反應(yīng)，變成水和硫酸鉛，水又回到電解液中，形成一種循環(huán)。產(chǎn)生的氣體在電池內(nèi)部循環(huán)，從而實現(xiàn)密閉。

輔助電源模塊主要完成電池充電功能，將電網(wǎng)輸入交流電變換為直流電，輸入電壓為交流220V電源，整流電路輸出310V直流電壓，由于電池電壓滿電狀態(tài)下為54V，對于充電輸入電壓的要求不宜過高，因此需要將310V的直流電降壓輸出75V，供電池充電。

充電模塊主要完成電池充電功能。包括反激電路和BUCK兩種方案，家用單相逆變電源系統(tǒng)使用BUCK電路，通過PWM控制技術(shù)實現(xiàn)電池三段式充電。

升壓模塊主要完成電池電壓升壓為逆變模塊需要的輸入直流電壓，包括BOOST升壓和推挽升壓兩種方案，家用單相逆變電源系統(tǒng)使用BOOST升壓電路，實現(xiàn)將50V左右的電池電壓升壓至310V直流電輸出。

逆變模塊主要完成直流電變換為交流電的功能，家用單相逆變電源系統(tǒng)使用H橋電路實現(xiàn)，將310V直流電變換為交流220V輸出。

3充電電路

家用單相逆變電源系統(tǒng)使用BUCK電路實現(xiàn)電池充電，BUCK電路拓撲電路如圖3所示。

BUCK變換器的構(gòu)成分為幾個主要的部分，電路主控制集成電路分為開關(guān)二極管Q1和續(xù)流電感二極管C、D及儲能控制單元的續(xù)流電感A和L、電容B和C等三個部分串聯(lián)組成的一個高頻濾波控制電路。這種轉(zhuǎn)換電路可以用來把較高的直流電壓輸入輸出電壓換成Us，或者可說是更低的直流電壓輸出輸入電壓換成Uo。

家用單相逆變電源系統(tǒng)使用三段式充電算法實現(xiàn)電池充電，主要包括恒流充電、恒壓充電以及浮充充電，電池充電曲線圖如圖4所示。

如圖4為鉛酸電池充電曲線，圖中對應(yīng)的充電電壓為每個單元的，鉛酸電池每節(jié)電池有6個單元組成，第一階段，恒定電流I1充電直至電池電壓達到U1;電流I1要求≤0.3C，即恒流充充電電流小于3.6A，一般設(shè)置為1.2-2.4A之間。第二階段恒定電壓U1充電至電流下降至I2，恒壓充電電壓為57V，電流I2一般為0.24-0.36A之間;第三階段恒定電壓U2進入浮充充電階段，浮充電壓為55V。

4升壓電路

家用單相逆變電源系統(tǒng)使用BOOST升壓電路實現(xiàn)升壓功能，BOOST升壓電路如圖5所示。

其中前半部分的拓撲結(jié)構(gòu)主要是由啟動升波降壓整流電感電路L與r及啟動濾波開關(guān)二極管S兩個小部分共同組成，而后由啟動濾波升壓二極管D與啟動濾波升壓電容電路C及啟動負載電路R兩個小部分共同構(gòu)成了后半段的部分。在對它們的實際工作量和原理功能進行了詳細分析之前，先需要確認一個假定全部的整流元器件都必須是一種理想整流類型，且整流升壓器的電感和整流濾波器的電容都通常是巨大。在整個S導(dǎo)體接通期間，電源向感應(yīng)負載的整個感應(yīng)電路充滿電能并且其中的充電電流連續(xù)，同時充電過濾器和濾波后的整流電容為整個負載感應(yīng)提供最大電力，由于它們的電容值很高，故我們通?？梢詫⑺鼈冎苯涌闯刹恢皇且粋€恒壓源，因此它們可以直接使得進入輸出平衡。

5逆變電路

主要由功率半導(dǎo)體器件、控制電路以及驅(qū)動電路三部分組成，主要實現(xiàn)將直流電壓轉(zhuǎn)換為交流電輸出，單相逆變器的主電路拓撲結(jié)構(gòu)，功率器件為A、B兩組橋臂組成H橋，控制電路通過控制四個功率開關(guān)管導(dǎo)通與關(guān)斷從而實現(xiàn)直流電壓轉(zhuǎn)換為交流電壓輸出的過程。逆變器的六個功率開關(guān)管何時導(dǎo)通與關(guān)斷需要采取相應(yīng)的控制策略，這樣才能保證逆變器輸出的波形諧波小，直流側(cè)電壓的利用率高。目前，逆變器采用矢量控制的策略控制開關(guān)管波形的調(diào)制，從而保證逆變器工作效率。

單相逆變電路一般使用SPWM（Sinusoidal PWM）調(diào)制策略，SPWM法是一種比較成熟的、使用較廣泛的PWM法。沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。SPWM法就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆變電路中開關(guān)器件的通斷，使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等，通過改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。SPWM調(diào)制策略主要分為單極性和雙極性，調(diào)制波和載波：曲線①是正弦調(diào)制波，其周期決定于需要的調(diào)頻比kf，振幅值決定于ku，曲線②是采用等腰三角波的載波，其周期決定于載波頻率，振幅不變，等于ku=1時正弦調(diào)制波的振幅值，每半周期內(nèi)所有三角波的極性均相同（即單極性）。調(diào)制波和載波的交點，決定了SPWM脈沖系列的寬度和脈沖音的間隔寬度，每半周期內(nèi)的脈沖系列也是單極性的。單極性調(diào)制的工作特點：每半個周期內(nèi)，逆變橋同一橋臂的兩個逆變器件中，只有一個器件按脈沖系列的規(guī)律時通時斷地工作，另一個完全截止;而在另半個周期內(nèi)，兩個器件的工況正好相反，流經(jīng)負載ZL的便是正、負交替的交變電流。

家用單相逆變電源為了穩(wěn)定輸出電壓，使用PID閉環(huán)控制實現(xiàn)逆變控制，系統(tǒng)自動采集輸出電路，使用滑動濾波算法自動計算輸出電壓的有效值，利用PID控制輸出電壓有效值穩(wěn)定在220V。系統(tǒng)采用增量式PID控制器實現(xiàn)對逆變電路的控制，增量式PID的控制原理如式3.1所示。

其中式中e（k）：本周期控制量的偏差;

e（k-1）：上個周期控制量的偏差;

e（k-2）：上上個周期控制量的偏差;

Pwm代表PID控制器一個周期計算的輸出量。本文設(shè)計的速度控制只用到了PI控制，因此將PID控制器簡化為如下式所示。

e（k）表示速PI控制器的偏差，有效值電壓偏差由反饋電壓與指令電壓的差得到，Kp以及Ki為電壓PI控制器的PI參數(shù)。當(dāng)反饋電壓有效值與220V指令值的偏差比較大的時候，電壓PI控制器計算得到的占空比值比較大，使實際輸出電壓增大，當(dāng)反饋電壓有效值與220V指令值偏差比較小時， PI控制器計算得到的占空比值較小，輸出比較小的占空比PWM波，使輸出電壓不再增大。

6仿真結(jié)果及驗證

在MATLAB/SIMULINK中搭建仿真模型，完成家用單相逆變電源逆變模塊的仿真驗證。

如圖7為家用單相逆變電源仿真模型，輸入直流電壓，H橋變換后輸出交流220V，控制部分調(diào)制波為正弦波，使用PI調(diào)節(jié)實現(xiàn)系統(tǒng)閉環(huán)控制，仿真系統(tǒng)在輸出過程中接入負載，驗證系統(tǒng)在突加載時系統(tǒng)輸出的220V電壓是否穩(wěn)定。

如圖8所示，為家用單相逆變電源系統(tǒng)仿真結(jié)果圖，兩個波形分析對應(yīng)輸出電壓以及輸出電流，系統(tǒng)輸出后輸出電壓有效值為220V，頻率為50HZ，在時間為0.08s時刻系統(tǒng)突加載，輸出電流增大，系統(tǒng)輸出電壓穩(wěn)定輸出220V，驗證了系統(tǒng)輸出電壓的穩(wěn)定性。

作者簡介：

個人簡介：馮驍馳（2002-），男，漢族，籍貫河南省焦作市沁陽市，畢業(yè)于河南省沁陽市永威高中，現(xiàn)就讀于鄭州大學(xué)，中學(xué)學(xué)習(xí)階段，曾榮獲全國青少年科技創(chuàng)新大賽省級一等獎，數(shù)學(xué)、物理奧林匹克競賽省級三等獎、全國英語能力競賽二等獎等獎項，常年擔(dān)任班長、課代表、學(xué)習(xí)委員等職務(wù)，曾多次被評為市級三好學(xué)生、優(yōu)秀班干部，主要研究方向：電力電子。

馮璇（1995-），女，漢族，籍貫河南省焦作市沁陽市，畢業(yè)于河南科技學(xué)院，國網(wǎng)河南省電力公司原陽縣供電公司，學(xué)習(xí)期間曾多次榮獲市級三好學(xué)生，工作期間被評為優(yōu)秀員工，主要研究方向：電力電子技術(shù)。