微功耗清潔能源存貯系統(tǒng)

1傳統(tǒng)能源存貯系統(tǒng)

傳統(tǒng)貯能系統(tǒng)中，DC/DC、AC/DC、DC/AC三種功率變換器都采用PWM脈寬調(diào)制技術(shù)，無論是電能存貯側(cè)充電功率的獲得，還是電能釋放側(cè)的并網(wǎng)功率的獲得，都采用PWM脈寬調(diào)制，電路拓樸有橋式、半橋式、推挽式、正激式、反激式等等，還有Boost、Buck、Cuk等電路形式。其工作方式是，首先把輸入直流電壓全部變換成高頻方波，然后用大電容濾波，變成另一種直流或交流電壓。這種方法有以下弊端：

⑴ 采用脈寬調(diào)制的方法，高頻率、大功率方波的產(chǎn)生過程，也就是強(qiáng)烈EMI干擾產(chǎn)生的過程，大功率直流變換器相當(dāng)于一個(gè)高頻功率發(fā)射臺，可以想見，所產(chǎn)生的干擾何其嚴(yán)重。

⑵ 功率變換過程中，輸入功率的全部必須進(jìn)行實(shí)際的功率變換，所有變換的功率必須通過磁芯變壓器或電感傳遞才能到達(dá)輸出端，損耗大，效率低。

圖1是傳統(tǒng)能源存貯系統(tǒng)框圖，兩側(cè)功率總損耗接近30%，對于清潔能源來說，比如光伏發(fā)電，其效率本來就很低，好不容易花大成本把太陽能變換成電能，卻讓電能存貯系統(tǒng)兩側(cè)的功率變換器白白浪費(fèi)了這么多，實(shí)在可惜。

2 微功耗清潔能源存貯系統(tǒng)

圖1是微功耗清潔能源存貯系統(tǒng)的原理框圖，由3部份組成：充電側(cè)的微功耗充電、蓄電池、并網(wǎng)側(cè)的微功耗逆變。微功耗充電包括：產(chǎn)生恒流恒壓的直流穩(wěn)壓器、功率因數(shù)校正器、無損充電等。微功耗逆變包括：單相或三相逆變器。

在充電側(cè)，可接受來自電網(wǎng)谷電、風(fēng)力發(fā)電的交流電壓，也可以接受來自太陽能發(fā)電、潮汐發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電的直流電壓。對于交流電壓，首先要進(jìn)行功率因數(shù)校正，對于直流電壓，要獲得恒流、恒壓充電功率;在并網(wǎng)側(cè)，要進(jìn)行單相或三相逆變，由直流變換到交流，然后并入電網(wǎng);蓄電池可以是鋰離子動力蓄電池、千網(wǎng)水平蓄電池、普通鉛酸蓄電池、其他類型蓄電池。

圖1 微功耗清潔能源存貯系統(tǒng)框圖

微功耗充電，可以接受交流電壓，也可以接受直流電壓。如果輸入交流電壓，進(jìn)入功率因數(shù)校正器，如果輸入直流電壓，進(jìn)入直流穩(wěn)壓器，產(chǎn)生恒流恒壓充電功率。無論輸入的是交流電壓還是直流電壓，都采用無損充電方式。在并網(wǎng)側(cè)，對于單相交流輸出，有一個(gè)單相直流逆變器，對于三相交流輸出，有一個(gè)三相直流逆變器。

3直流穩(wěn)壓器

圖2是直流穩(wěn)壓器原理電路。設(shè)輸入電壓Vi=10.5V，要求輸出電壓Vo=12V，該電路產(chǎn)生一個(gè)補(bǔ)償電壓Vc=1.5V，疊加在輸入電壓之上，使得輸出電壓等于12V。V2是功率MOS管Q2的柵極100kHz的方波驅(qū)動信號，V1是輸入直流電壓。電路啟動后，Q2飽和導(dǎo)通，電池電壓V1通過Q2的漏源極向電感L1充電，電感電流線性增加，電感中存貯的能量不斷增多。與此同時(shí)，電容C2上的電壓向負(fù)載R2放電。半個(gè)周期后，Q2截止，存貯在電感L1中的電能通過Q1的體內(nèi)二極管向電容C1充電。C1上的電壓疊加在電池電壓V1之上，在向負(fù)載電阻R2供電的同時(shí)，也向電容C2充電。圖2右邊是各點(diǎn)電壓的仿真波形，從上到下依次是：輸出電壓Vo、輸入電壓Vi、補(bǔ)償電壓Vc。從圖可以看到，輸出電壓Vo(12V)是輸入電壓Vi(10.5V)和補(bǔ)償電壓Vc(1.5V)之和。

圖2 直流穩(wěn)壓器原理電路

功率MOS管Q1沒有驅(qū)動信號，只利用功率MOS管Q1體內(nèi)二極管的正向特性，其飽和壓降小，通過電流大。

與傳統(tǒng)直流功率變換不同的是，在這兒并不是不問青紅皂白地行把輸入電壓全部變換成方波電壓，而是根據(jù)情況，只把輸入電壓中的極小部份變換成方波電壓。例如：輸入電壓是10.5V，輸出電壓是12V，應(yīng)該在10.5V的輸入電壓之上補(bǔ)償1.5V。因此，僅僅只須把這應(yīng)該補(bǔ)償?shù)?.5V變換成方波電壓即可。圖2右邊是各點(diǎn)電壓的仿真波形，從上到下依次是：輸出電壓Vo，輸入電壓Vi，補(bǔ)償電壓Vc 。

圖3是引入U(xiǎn)C1825的直流穩(wěn)壓器實(shí)用電路，在控制芯片UC1825的右邊電路與圖2完全一樣，只是Q1的柵極驅(qū)動信號V2換成了UC1825輸出信號OUT_A，當(dāng)負(fù)載或輸入電壓變化時(shí)，由UC1825調(diào)節(jié)脈寬，保持輸出電壓Vo不變。

圖3 引入U(xiǎn)C1825的直流穩(wěn)壓器實(shí)用電路

調(diào)節(jié)UC1825輸出信號OUT_A的脈寬來控制輸出電壓Vo不變，只不過是調(diào)節(jié)由電感L1而來的極小部份的直流電壓，即電容C1上的補(bǔ)償電壓，而絕大部份直流電壓，即負(fù)載電阻R6上的絕大部份電壓是由輸入電壓直接而來，未經(jīng)任何功率變換。

圖3右邊是接UC1825芯片的電壓補(bǔ)償電路各點(diǎn)電壓仿真波形，與圖2的仿真波形相似。

4 功率因數(shù)校正器

功率因數(shù)校正器就是直流穩(wěn)壓電路，當(dāng)輸入電壓是交流時(shí)，就是功率因數(shù)校正電路，當(dāng)輸入電壓是直流時(shí)，就是直流穩(wěn)壓電路，

圖4是單相微功耗功率因數(shù)校正器的原理電路。把圖2直流穩(wěn)壓電路中的電池V2代之以整流后的饅頭波電壓Vd即可，要使輸出電壓Vo成為直流電壓，必須在饅頭波電壓Vd之上疊加波形如(1-SinX)的補(bǔ)償電壓。其結(jié)果正是我們?yōu)橹诖?，直流補(bǔ)償電路對饅頭波電壓進(jìn)行補(bǔ)償?shù)倪^程，正是功率因數(shù)校正的過程。

在此過程中，輸入饅頭波電壓Vd之所以成為直線輸出電壓Vo，那是因?yàn)樵谄渖席B加了補(bǔ)償電壓Vc 。補(bǔ)償電壓Vc是經(jīng)過功率變換而來，但輸入饅頭波電壓Vd不必經(jīng)過任何功率變換，直接到達(dá)輸出端，成為輸出功率。這正是微功耗功率因數(shù)校正器的最大特點(diǎn)：只要把輸入功率中極小部份(補(bǔ)償電壓的獲得)進(jìn)行功率變換，就可以得到全部輸出功率，即輸入功率中極大部份(整個(gè)饅頭波電壓)既不必進(jìn)行實(shí)際的功率變換，也不必通過磁芯變壓器或電感傳遞，直接到達(dá)輸出端，成為輸出功率。其變換效率可視為100%。

圖4 單相微功耗功率因數(shù)校正器

圖4電路中，V2是市電，通過由D3-D6組成的整流橋后，成為饅頭波電壓Vd(即電容C2上的電壓)，與電容C3并聯(lián)，饅頭波電壓補(bǔ)償?shù)倪^程與圖4直流電壓補(bǔ)償?shù)倪^程完全相同，圖4右邊是饅頭波電壓補(bǔ)償電路各點(diǎn)電壓、電流的仿真波形，從上到下依次是：輸入電壓Vi、補(bǔ)償電壓Vc、輸入電流Ii 。單從幾何圖形理解，補(bǔ)償電壓Vc是一個(gè)倒置的饅頭波，把這個(gè)倒置的饅頭波疊加在一個(gè)正向饅頭波之上，其結(jié)果當(dāng)然成為一條直線，因?yàn)榈怪玫酿z頭波和正向饅頭波在幾何圖形上是互補(bǔ)的，這其實(shí)是公式Vo=Vi+Vc=SinX+(1-SinX)=1的真諦。