薛家祥，張?zhí)煜?，鄭照紅

（華南理工大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640）

基于DSP的光伏UPS離網(wǎng)逆變器雙向切換控制策略研究

薛家祥，張?zhí)煜模嵳占t

（華南理工大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640）

針對市面普遍的UPS光伏離網(wǎng)逆變器切換速度較慢的問題，提出一種用于UPS光伏離網(wǎng)逆變器中整流和逆變兩個不同模式的快速切換方法，分析雙向變換器的拓撲結(jié)構(gòu)及其工作原理。雙向變換器硬件電路拓撲采用全橋4個開關(guān)管的拓撲結(jié)構(gòu)，軟件部分采用基于PI的改進算法以及精確的電網(wǎng)有效值計算算法進行閉環(huán)控制，實現(xiàn)逆變整流不同模式之間的自動切換，達到UPS功能。將控制算法應(yīng)用在實驗室的硬件平臺上，并且進行相應(yīng)的測試實驗，逆變整流波形均滿足要求，模式切換時間小于同類UPS產(chǎn)品。如果要實現(xiàn)更大功率的輸出以及更高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可以進行離網(wǎng)逆變器的并聯(lián)。

自動控制技術(shù)；雙模式切換；PI算法；UPS離網(wǎng)逆變器

0 引 言

在傳統(tǒng)的光伏離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，由光伏太陽能板給蓄電池進行充電，蓄電池電壓經(jīng)過升壓逆變給負載供電，或者由太陽能板輸出電壓通過BUCK電路降壓再通過升壓逆變后給負載進行供電。在整個逆變器系統(tǒng)中，雙向變換器是一個核心的控制拓撲結(jié)構(gòu)，其控制算法也是目前研究的主要方向。輸出電壓波形的畸變率是衡量整個控制算法的重要指標。目前主要的控制算法有PI控制、滑膜控制、重復(fù)控制、智能控制等，其中應(yīng)用最廣的是PI控制算法。但目前市面上普遍的不間斷電源系統(tǒng)（UPS）離網(wǎng)逆變器的逆變和整流模式的切換過程時間較長，會出現(xiàn)市電丟失時負載掉電的情況。本文設(shè)計研究了一種UPS光伏離網(wǎng)逆變器，該逆變器在光伏可用時，由太陽能板給電池進行充電，電池電壓經(jīng)過升壓逆變后給負載進行供電。當太陽能板電壓不足且逆變器檢測到電網(wǎng)接入時，可以切換到電網(wǎng)給負載供電，并且電網(wǎng)可以通過電路拓撲給蓄電池充電。如果電網(wǎng)掉電，也可以立刻切換到蓄電池給負載供電，從而達到了UPS的功能。本文主要研究了切換部分的電路拓撲結(jié)構(gòu)以及切換過程的控制策略，并在硬件平臺上進行驗證。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的UPS光伏離網(wǎng)逆變器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由光伏太陽能板、DC/DC變換器、蓄電池、雙向變換器構(gòu)成[1]。

圖1 UPS光伏發(fā)電系統(tǒng)

該逆變器的設(shè)計以光伏作為優(yōu)先，當光伏輸出電壓處在合適的范圍時，即便系統(tǒng)檢測到電網(wǎng)的接入，依然由光伏供電[2]。

整個逆變器的工作流程為：當光伏輸出處在正常范圍時，該直流電壓經(jīng)過一個同步BUCK電路給蓄電池進行充電（這里要考慮到MPPT的問題，本論文不做研究），蓄電池電壓經(jīng)過全橋升壓再同步整流后達到母線電壓400V，母線電壓經(jīng)過全橋逆變后給負載供電。當系統(tǒng)檢測到正常電網(wǎng)接入并且光伏輸出不足時，負載切換為由電網(wǎng)進行供電，并且電網(wǎng)通過整流降壓后給蓄電池充電。當檢測到電網(wǎng)以及光伏輸出都不正常時，系統(tǒng)迅速切換為蓄電池供電。

2 雙向變換器拓撲結(jié)構(gòu)

雙向變換器基本拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示，每個橋臂由一個N型IGBT和反并聯(lián)的續(xù)流二極管組成。L為交流側(cè)附加的電抗器，是雙向切換過程中的元件，起到平衡電壓、濾波、支撐無功功率和儲存能量的作用[3-4]。

本文的離網(wǎng)逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)也是從圖2的拓撲結(jié)構(gòu)演變而來，如圖3所示。

圖2 雙向變換器基本拓撲結(jié)構(gòu)

圖3 UPS離網(wǎng)逆變器拓撲

蓄電池必須接入系統(tǒng)，否則系統(tǒng)設(shè)定整個逆變器不工作，打開逆變器開關(guān)后，若沒有電網(wǎng)接入時整個輔助電源由蓄電池供電，蓄電池經(jīng)過升壓后得到母線電壓400V,母線電壓經(jīng)過全橋逆變后輸出220 V正弦電壓，此時閉合圖3中K1，K2繼電器，從而給負載供電。當有電網(wǎng)接入時，先斷開K1，電網(wǎng)檢測正常時閉合K3，K2，K1。此時負載由電網(wǎng)供電，電網(wǎng)電壓經(jīng)過整流后給蓄電池充電。需要注意的是，當檢測到電網(wǎng)斷開時，系統(tǒng)需要快速切換到由蓄電池供電，切換時間要小于負載的復(fù)位時間，從而保證負載的不間斷供電，而這項技術(shù)也是整個離網(wǎng)逆變器關(guān)鍵技術(shù)之一。

3 變換器的控制策略

3.1 逆變控制策略

離網(wǎng)逆變器中逆變環(huán)節(jié)采用單極性調(diào)節(jié)。單極性SPWM調(diào)制的原理如圖4所示，調(diào)制信號為正弦信號Ug，載波信號為Uc，載波信號幅值為Ucm。

電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示，Q1，Q2組成的臂稱為高頻臂，其控制信號由調(diào)制信號Ug和載波信號Uc比較得到。高頻管的工作頻率為載波的頻率。

Q3，Q4是低頻管，開關(guān)頻率與電網(wǎng)頻率相同，為50Hz。

工作過程：當調(diào)制信號Ug＞0時：Ug3=Ucm，Ug4=0；當Ug＜0時：Ug3=0，Ug4=Ucm；單極性SPWM逆變?nèi)珮虻妮敵鲭妷篣output分為3種情況：

1）當Q1、Q3導(dǎo)通時，Uoutput=+E；

2）當Q1和Q4導(dǎo)通或者 Q2和Q3導(dǎo)通時，Uoutput=0；

3)當Q2、Q4導(dǎo)通，Uoutput=-E[5]。

圖4 單極性SPWM調(diào)制原理

本文采用單極性控制方式，高頻管功率為20kHz，低頻管功率為50Hz，所以正弦表取400個點。如圖5所示，HY50-P是電流傳感器，逆變電壓由傳感器的5腳輸入，3引腳輸出用于電流的采樣，6腳與5腳相同，為逆變后的電壓。CN9-9，CN9-10為逆變后電壓采樣電路的輸入端，采樣端經(jīng)過運放電路處理后將輸出的信號輸入到圖6的DSP采樣引腳A3。由于逆變后為正弦波，所以最終A3點采樣到的波形也為正弦，選取A3點波形的一個周期，找到最高點以及最低點，便可以得到400個點的正弦表。所以整個逆變的控制思路為：經(jīng)過全橋得到的逆變電壓的每個周期共400個采樣點與上面得到的400個點的正弦表進行逐一比較，通過PI調(diào)節(jié)不斷矯正兩個高頻管的占空比，從而保證逆變得到的電壓為220V交流電壓。需要說明的是，圖5以及圖6中的電阻起到的作用是分壓，由于系統(tǒng)是交流電輸出，反向串聯(lián)的穩(wěn)壓二極管是為了保證雙向穩(wěn)壓。

3.2 整流控制策略

圖5 電流傳感器逆變輸出采樣電路

圖6 逆變采樣處理電路

圖7 整流拓撲

本系統(tǒng)采用的整流拓撲為PWM全橋整流拓撲，如圖7所示，圖中的負載即為蓄電池。當系統(tǒng)檢測到有正常的電網(wǎng)接入，并且此時的光伏輸入較低時，整個逆變器將進入整流環(huán)節(jié)。整流部分與逆變部分采用的同一電路，并且采用跟逆變相似的方法，圖中 Us，Is分別代表交流電網(wǎng)有效電壓值及交流電流有效值。將三角波和正弦波進行調(diào)制后產(chǎn)生的SPWM控制V1～V4，從而在a、b兩端產(chǎn)生SPWM波Uab，Uab中含有與正弦信號波幅值成正比以及頻率相同的基波分量，還含有跟開關(guān)頻率有關(guān)的高次諧波，但沒有低次諧波。在電路中由于電感L的存在，高次諧波的電壓對交流電流Is影響不大，可忽略，Is是跟電網(wǎng)頻率相同的正弦波，在電網(wǎng)端交流電壓Us一定時，Is的幅值及相位是由Uab中的基波分量的幅值及其與Us的相位差決定的；因此，控制Uab即可獲得相應(yīng)的 Is[6]。

L在電路中承擔了平衡電壓的作用,其兩端電壓UL=LdIs/dt，可得UL=jωLIs=Us-Uab，其矢量關(guān)系如圖8所示，圖中δ=arctanωLIs/Us[7]。

圖8（a）中，Is與Us同相,電路運行在整流狀態(tài),功率因數(shù)為1；圖8（b）中Is與Us反相,電路運行在逆變狀態(tài)。

圖8 PWM整流電路運行方式向量圖

這說明PWM整流電路可以實現(xiàn)能量正反兩個方向的流動。在控制全橋PWM整流的方法中，一般采用雙閉環(huán)的控制思想，外環(huán)為電壓環(huán)，通過PI調(diào)節(jié)穩(wěn)定母線電壓產(chǎn)生一個電流幅值輸出量，該輸出量跟電網(wǎng)電壓同頻同相的單位正弦向量表相乘后得到一個電流指令，通過電流傳感器采樣到的電流與該電流指令進行PI運算從而實現(xiàn)電流閉環(huán)，實現(xiàn)單位功率因數(shù)電流控制[8-9]。圖9為母線電壓采樣電路。

圖9 母線電壓采樣處理電路

3.3 切換控制策略

整個系統(tǒng)存在兩個重要的切換過程：1）當整個系統(tǒng)處在逆變環(huán)節(jié)時，電網(wǎng)接入，并且光伏輸出不足時，負載切換為由電網(wǎng)進行供電；2）當系統(tǒng)由電網(wǎng)進行供電時，若當電網(wǎng)突然掉電，系統(tǒng)應(yīng)該立刻切換為由蓄電池進行供電，從而達到UPS的功能[10-12]。

1）逆變向整流的切換。該切換中最關(guān)鍵步驟是對電網(wǎng)電壓進行檢測。電網(wǎng)的采樣及捕獲電路如圖10所示。

CN9-1，CN9-2為電網(wǎng)電壓經(jīng)過分壓電阻后的兩個采樣點，經(jīng)過運放電路后A0為DSP的采樣口，通過A0口的采樣值可以對電網(wǎng)電壓的有效值進行計算。A0口下方的電路為電網(wǎng)捕獲電路。當捕獲到電網(wǎng)接入并且電網(wǎng)電壓處于正常范圍時，程序段跳入整流環(huán)節(jié)，打開電網(wǎng)端繼電器，這時負載由電網(wǎng)供電，電網(wǎng)整流降壓后給蓄電池充電。圖11所示為逆變切換到整流狀態(tài)的程序流程圖。

圖10 電網(wǎng)電壓采樣及捕獲處理電路

圖11 逆變到整流過程流程圖

2）整流向逆變的切換。當檢測到市電丟失或者市電處在不正常狀態(tài)時，負載立刻切換為由蓄電池供電。在這個過程中，最重要需保證當市電不正常時，負載切換不可斷電，即負載的復(fù)位時間要大于切換時間。本文所述的逆變器可以保證切換時間在10ms，即切換時間為1/2個電網(wǎng)周期。為了保證切換時間為10ms，本文采用算法是計算電網(wǎng)的有效值，將電網(wǎng)的的一個周期分為離散的400個點，所以只需計算其中的任意200個點即可算出電網(wǎng)的有效值，從而決定進行整流到逆變的切換。圖12為整流到逆變的程序流程圖。

4 實驗結(jié)果及分析

當蓄電池電壓通過升壓后得到母線電壓，母線電壓一般為380～400V，差別是由蓄電池電壓的不同所引起的。母線電壓測試圖如圖13所示。

母線電壓經(jīng)過全橋逆變后得到220 V交流電壓，諧波失真小于1%。圖14為220V交流電壓空載波形。

圖12 整流到逆變過程流程圖

圖13 母線電壓圖

在負載端加上1000W燈泡負載后，波形如圖15所示。

當系統(tǒng)檢測到光伏太陽能板輸出電壓不足，并且同時檢測到正常電網(wǎng)的接入時，系統(tǒng)將由逆變切換到整流狀態(tài)。切換間的波形如圖16所示。

圖14 逆變空載圖

圖15 逆變帶載圖

圖16 逆變整流切換圖

當檢測到電網(wǎng)電壓處在不正常的狀態(tài)，或者蓄電池電壓和太陽能板電壓輸出正常時，系統(tǒng)將由整流切換到逆變狀態(tài)。切換間的波形如圖17所示。由圖中a、b兩點之間的間隔可知切換時間為9.2 ms，小于負載的復(fù)位時間，從而實現(xiàn)UPS功能。

圖17 整流逆變切換圖

5 結(jié)束語

本文主要介紹了UPS光伏離網(wǎng)逆變器分別工作在逆變和整流過程中的控制方法，以及兩種狀態(tài)下相互切換的方法。當系統(tǒng)工作在逆變狀態(tài)時，通過捕獲并檢測電網(wǎng)電壓，實現(xiàn)了逆變狀態(tài)向整流狀態(tài)的切換；當系統(tǒng)工作在整流狀態(tài)時，通過檢測到電網(wǎng)處在不正常狀態(tài)或有正常的光伏太陽能電壓輸入時，系統(tǒng)將完成整流到逆變狀態(tài)的切換，并且切換時間在10ms左右，從而實現(xiàn)了UPS的功能。最后整個控制方法通過實驗室的硬件平臺進行了驗證，各項功能指標均處在正常范圍之內(nèi)。

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（編輯：莫婕）

Research on the control strategy of bi-directional switching for UPS photovoltaic off-grid inverter based on DSP

XUE Jiaxiang，ZHANG Tianxia，ZHENG Zhaohong
（School of Mechanical and Automotive Engineering，South China University of Technology, Guangzhou 510640，China）

In order to solve the low switching speed of UPS photovoltaic off-grid inverter，a switching method for rectified mode and inverting mode in UPS PV inverter has been proposed.The topological structure and working principle of bidirectional inverter has been analyzed.The hardware of this bidirectional converter uses the full-bridge topology，the software uses improved closed-loop control method based on PI algorithm and algorithm for calculating the effective value of power grid.Thus the dual mode switching can be achieved.Lastly，the control algorithm has been already used on the hardware platform and corresponding tests have been opreated.Rusults show that the switching time is less than the similar UPS products and waves of rectified mode and inverting mode can both meet the requirements.If the higher output and system stability are required，the inverter can be carried out in a paralleled mode.

automatic control；dual mode switching；PI algorithm；UPS photovoltaic off-grid inverter

A

：1674-5124（2017）02-0087-06

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.02.018

2016-06-15；

：2016-08-10

廣州市產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新重大專項（201604010111）；廣東省協(xié)同創(chuàng)新與平臺環(huán)境建設(shè)專項資金（2016B090918067）；廣東省自然科學(xué)基金項目（S2013010015875）

薛家祥（1963-），男，江蘇徐州市人，教授，博導(dǎo)，主要從事光伏離網(wǎng)、并網(wǎng)逆變器及其分布式發(fā)電系統(tǒng)、數(shù)字化開關(guān)電源及智能控制的研究。