基于DSP的光伏UPS離網逆變器雙向切換控制策略研究

薛家祥，張天夏，鄭照紅

（華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510640）

基于DSP的光伏UPS離網逆變器雙向切換控制策略研究

薛家祥，張天夏，鄭照紅

（華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510640）

針對市面普遍的UPS光伏離網逆變器切換速度較慢的問題，提出一種用于UPS光伏離網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構及其工作原理。雙向變換器硬件電路拓撲采用全橋4個開關管的拓撲結構，軟件部分采用基于PI的改進算法以及精確的電網有效值計算算法進行閉環控制，實現逆變整流不同模式之間的自動切換，達到UPS功能。將控制算法應用在實驗室的硬件平臺上，并且進行相應的測試實驗，逆變整流波形均滿足要求，模式切換時間小于同類UPS產品。如果要實現更大功率的輸出以及更高系統的穩定性，可以進行離網逆變器的并聯。

自動控制技術；雙模式切換；PI算法；UPS離網逆變器

0 引 言

在傳統的光伏離網發電系統中，由光伏太陽能板給蓄電池進行充電，蓄電池電壓經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。在整個逆變器系統中，雙向變換器是一個核心的控制拓撲結構，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、重復控制、智能控制等，其中應用最廣的是PI控制算法。但目前市面上普遍的不間斷電源系統（UPS）離網逆變器的逆變和整流模式的切換過程時間較長，會出現市電丟失時負載掉電的情況。本文設計研究了一種UPS光伏離網逆變器，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接入時，可以切換到電網給負載供電，并且電網可以通過電路拓撲給蓄電池充電。如果電網掉電，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構以及切換過程的控制策略，并在硬件平臺上進行驗證。

1 系統結構

本文設計的UPS光伏離網逆變器的系統結構如圖1所示，主要由光伏太陽能板、DC/DC變換器、蓄電池、雙向變換器構成[1]。

圖1 UPS光伏發電系統

該逆變器的設計以光伏作為優先，當光伏輸出電壓處在合適的范圍時，即便系統檢測到電網的接入，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），蓄電池電壓經過全橋升壓再同步整流后達到母線電壓400V，母線電壓經過全橋逆變后給負載供電。當系統檢測到正常電網接入并且光伏輸出不足時，負載切換為由電網進行供電，并且電網通過整流降壓后給蓄電池充電。當檢測到電網以及光伏輸出都不正常時，系統迅速切換為蓄電池供電。

2 雙向變換器拓撲結構

雙向變換器基本拓撲結構如圖2所示，每個橋臂由一個N型IGBT和反并聯的續流二極管組成。L為交流側附加的電抗器，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]。

本文的離網逆變器的拓撲結構也是從圖2的拓撲結構演變而來，如圖3所示。

圖2 雙向變換器基本拓撲結構

圖3 UPS離網逆變器拓撲

蓄電池必須接入系統，否則系統設定整個逆變器不工作，打開逆變器開關后，若沒有電網接入時整個輔助電源由蓄電池供電，蓄電池經過升壓后得到母線電壓400V,母線電壓經過全橋逆變后輸出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。當有電網接入時，先斷開K1，電網檢測正常時閉合K3，K2，K1。此時負載由電網供電，電網電壓經過整流后給蓄電池充電。需要注意的是，當檢測到電網斷開時，系統需要快速切換到由蓄電池供電，切換時間要小于負載的復位時間，從而保證負載的不間斷供電，而這項技術也是整個離網逆變器關鍵技術之一。

3 變換器的控制策略

3.1 逆變控制策略

離網逆變器中逆變環節采用單極性調節。單極性SPWM調制的原理如圖4所示，調制信號為正弦信號Ug，載波信號為Uc，載波信號幅值為Ucm。

電路拓撲結構如圖3所示，Q1，Q2組成的臂稱為高頻臂，其控制信號由調制信號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，開關頻率與電網頻率相同，為50Hz。

工作過程：當調制信號Ug＞0時：Ug3=Ucm，Ug4=0；當Ug＜0時：Ug3=0，Ug4=Ucm；單極性SPWM逆變全橋的輸出電壓Uoutput分為3種情況：

1）當Q1、Q3導通時，Uoutput=+E；

2）當Q1和Q4導通或者 Q2和Q3導通時，Uoutput=0；

3)當Q2、Q4導通，Uoutput=-E[5]。

圖4 單極性SPWM調制原理

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調節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，由于系統是交流電輸出，反向串聯的穩壓二極管是為了保證雙向穩壓。

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。當系統檢測到有正常的電網接入，并且此時的光伏輸入較低時，整個逆變器將進入整流環節。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分別代表交流電網有效電壓值及交流電流有效值。將三角波和正弦波進行調制后產生的SPWM控制V1～V4，從而在a、b兩端產生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，還含有跟開關頻率有關的高次諧波，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是跟電網頻率相同的正弦波，在電網端交流電壓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,功率因數為1；圖8（b）中Is與Us反相,電路運行在逆變狀態。

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，一般采用雙閉環的控制思想，外環為電壓環，通過PI調節穩定母線電壓產生一個電流幅值輸出量，該輸出量跟電網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運算從而實現電流閉環，實現單位功率因數電流控制[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

整個系統存在兩個重要的切換過程：1）當整個系統處在逆變環節時，電網接入，并且光伏輸出不足時，負載切換為由電網進行供電；2）當系統由電網進行供電時，若當電網突然掉電，系統應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。該切換中最關鍵步驟是對電網電壓進行檢測。電網的采樣及捕獲電路如圖10所示。

CN9-1，CN9-2為電網電壓經過分壓電阻后的兩個采樣點，經過運放電路后A0為DSP的采樣口，通過A0口的采樣值可以對電網電壓的有效值進行計算。A0口下方的電路為電網捕獲電路。當捕獲到電網接入并且電網電壓處于正常范圍時，程序段跳入整流環節，打開電網端繼電器，這時負載由電網供電，電網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的程序流程圖。

圖10 電網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個電網周期。為了保證切換時間為10ms，本文采用算法是計算電網的有效值，將電網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的接入時，系統將由逆變切換到整流狀態。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

當檢測到電網電壓處在不正常的狀態，或者蓄電池電壓和太陽能板電壓輸出正常時，系統將由整流切換到逆變狀態。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，小于負載的復位時間，從而實現UPS功能。

圖17 整流逆變切換圖

5 結束語

本文主要介紹了UPS光伏離網逆變器分別工作在逆變和整流過程中的控制方法，以及兩種狀態下相互切換的方法。當系統工作在逆變狀態時，通過捕獲并檢測電網電壓，實現了逆變狀態向整流狀態的切換；當系統工作在整流狀態時，通過檢測到電網處在不正常狀態或有正常的光伏太陽能電壓輸入時，系統將完成整流到逆變狀態的切換，并且切換時間在10ms左右，從而實現了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。

[1]付光杰，鄒潔.在線式UPS數字化復合控制技術的研究[J].電力電子技術，2008，42（8）：76-78.

[2]程啟明，李明，陳根，等.小型離網光伏發電系統的設計[J].上海電力學院學報，2014，30（3）：199-203.

[3]司莎莎，鄭加，崔昊辰.基于光伏發電的UPS雙向逆變器控制策略的研究[J].電測與儀表，2014，51（13）：80-83.

[4]司莎莎.基于UPS的光伏發電系統的研究[D].淮南：安徽理工大學，2014.

[5]方梁菲.光伏離網發電儲能控制的研究[D].合肥：合肥工業大學，2010.

[6]黃海宏，王海欣，張毅，等.PWM整流電路的原理分析[J].電氣電子教學學報，2007，29（4）：29-33.

[7]梁卓.小型離網光伏發電系統逆變器的研制[D].廣州：華南理工大學，2012.

[8]董光冬.離網型光伏逆變器的研究與設計[D].西安：西安電子科技大學，2014.

[9]廖志凌，阮新波.一種獨立光伏發電系統雙向變換器的控制策略[J].電工技術學報，2008，23（1）：97-103.

[10]PARK J H，AHN J Y，CHO B H，et al.Dual-modulebased maximum power point tracking control of photovoltaic systems[J].IEEE Trans.Industrial Electronics，2006，53（4）：1036-1047.

[11]PACHECO V A，FREITAS L C，VIEIRA J B，et al. Stand-alone photovoltaic energy storage system with maximum power point tracking[C]∥Proc IEEE APEC，2003：97-102.

[12]李剛.基于雙向DC/DC變換器的離網光伏系統的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2012.

（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

廣州市產學研協同創新重大專項（201604010111）；廣東省協同創新與平臺環境建設專項資金（2016B090918067）；廣東省自然科學基金項目（S2013010015875）

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