基于DSP的光伏UPS离网逆变器双向切换控制策略研究

薛家祥，张天夏，郑照红

（华南理工大学机械与汽车工程学院，广东 广州 510640）

基于DSP的光伏UPS离网逆变器双向切换控制策略研究

薛家祥，张天夏，郑照红

（华南理工大学机械与汽车工程学院，广东 广州 510640）

针对市面普遍的UPS光伏离网逆变器切换速度较慢的问题，提出一种用于UPS光伏离网逆变器中整流和逆变两个不同模式的快速切换方法，分析双向变换器的拓扑结构及其工作原理。双向变换器硬件电路拓扑采用全桥4个开关管的拓扑结构，软件部分采用基于PI的改进算法以及精确的电网有效值计算算法进行闭环控制，实现逆变整流不同模式之间的自动切换，达到UPS功能。将控制算法应用在实验室的硬件平台上，并且进行相应的测试实验，逆变整流波形均满足要求，模式切换时间小于同类UPS产品。如果要实现更大功率的输出以及更高系统的稳定性，可以进行离网逆变器的并联。

自动控制技术；双模式切换；PI算法；UPS离网逆变器

0 引 言

在传统的光伏离网发电系统中，由光伏太阳能板给蓄电池进行充电，蓄电池电压经过升压逆变给负载供电，或者由太阳能板输出电压通过BUCK电路降压再通过升压逆变后给负载进行供电。在整个逆变器系统中，双向变换器是一个核心的控制拓扑结构，其控制算法也是目前研究的主要方向。输出电压波形的畸变率是衡量整个控制算法的重要指标。目前主要的控制算法有PI控制、滑膜控制、重复控制、智能控制等，其中应用最广的是PI控制算法。但目前市面上普遍的不间断电源系统（UPS）离网逆变器的逆变和整流模式的切换过程时间较长，会出现市电丢失时负载掉电的情况。本文设计研究了一种UPS光伏离网逆变器，该逆变器在光伏可用时，由太阳能板给电池进行充电，电池电压经过升压逆变后给负载进行供电。当太阳能板电压不足且逆变器检测到电网接入时，可以切换到电网给负载供电，并且电网可以通过电路拓扑给蓄电池充电。如果电网掉电，也可以立刻切换到蓄电池给负载供电，从而达到了UPS的功能。本文主要研究了切换部分的电路拓扑结构以及切换过程的控制策略，并在硬件平台上进行验证。

1 系统结构

本文设计的UPS光伏离网逆变器的系统结构如图1所示，主要由光伏太阳能板、DC/DC变换器、蓄电池、双向变换器构成[1]。

图1 UPS光伏发电系统

该逆变器的设计以光伏作为优先，当光伏输出电压处在合适的范围时，即便系统检测到电网的接入，依然由光伏供电[2]。

整个逆变器的工作流程为：当光伏输出处在正常范围时，该直流电压经过一个同步BUCK电路给蓄电池进行充电（这里要考虑到MPPT的问题，本论文不做研究），蓄电池电压经过全桥升压再同步整流后达到母线电压400V，母线电压经过全桥逆变后给负载供电。当系统检测到正常电网接入并且光伏输出不足时，负载切换为由电网进行供电，并且电网通过整流降压后给蓄电池充电。当检测到电网以及光伏输出都不正常时，系统迅速切换为蓄电池供电。

2 双向变换器拓扑结构

双向变换器基本拓扑结构如图2所示，每个桥臂由一个N型IGBT和反并联的续流二极管组成。L为交流侧附加的电抗器，是双向切换过程中的元件，起到平衡电压、滤波、支撑无功功率和储存能量的作用[3-4]。

本文的离网逆变器的拓扑结构也是从图2的拓扑结构演变而来，如图3所示。

图2 双向变换器基本拓扑结构

图3 UPS离网逆变器拓扑

蓄电池必须接入系统，否则系统设定整个逆变器不工作，打开逆变器开关后，若没有电网接入时整个辅助电源由蓄电池供电，蓄电池经过升压后得到母线电压400V,母线电压经过全桥逆变后输出220 V正弦电压，此时闭合图3中K1，K2继电器，从而给负载供电。当有电网接入时，先断开K1，电网检测正常时闭合K3，K2，K1。此时负载由电网供电，电网电压经过整流后给蓄电池充电。需要注意的是，当检测到电网断开时，系统需要快速切换到由蓄电池供电，切换时间要小于负载的复位时间，从而保证负载的不间断供电，而这项技术也是整个离网逆变器关键技术之一。

3 变换器的控制策略

3.1 逆变控制策略

离网逆变器中逆变环节采用单极性调节。单极性SPWM调制的原理如图4所示，调制信号为正弦信号Ug，载波信号为Uc，载波信号幅值为Ucm。

电路拓扑结构如图3所示，Q1，Q2组成的臂称为高频臂，其控制信号由调制信号Ug和载波信号Uc比较得到。高频管的工作频率为载波的频率。

Q3，Q4是低频管，开关频率与电网频率相同，为50Hz。

工作过程：当调制信号Ug＞0时：Ug3=Ucm，Ug4=0；当Ug＜0时：Ug3=0，Ug4=Ucm；单极性SPWM逆变全桥的输出电压Uoutput分为3种情况：

1）当Q1、Q3导通时，Uoutput=+E；

2）当Q1和Q4导通或者 Q2和Q3导通时，Uoutput=0；

3)当Q2、Q4导通，Uoutput=-E[5]。

图4 单极性SPWM调制原理

本文采用单极性控制方式，高频管功率为20kHz，低频管功率为50Hz，所以正弦表取400个点。如图5所示，HY50-P是电流传感器，逆变电压由传感器的5脚输入，3引脚输出用于电流的采样，6脚与5脚相同，为逆变后的电压。CN9-9，CN9-10为逆变后电压采样电路的输入端，采样端经过运放电路处理后将输出的信号输入到图6的DSP采样引脚A3。由于逆变后为正弦波，所以最终A3点采样到的波形也为正弦，选取A3点波形的一个周期，找到最高点以及最低点，便可以得到400个点的正弦表。所以整个逆变的控制思路为：经过全桥得到的逆变电压的每个周期共400个采样点与上面得到的400个点的正弦表进行逐一比较，通过PI调节不断矫正两个高频管的占空比，从而保证逆变得到的电压为220V交流电压。需要说明的是，图5以及图6中的电阻起到的作用是分压，由于系统是交流电输出，反向串联的稳压二极管是为了保证双向稳压。

3.2 整流控制策略

图5 电流传感器逆变输出采样电路

图6 逆变采样处理电路

图7 整流拓扑

本系统采用的整流拓扑为PWM全桥整流拓扑，如图7所示，图中的负载即为蓄电池。当系统检测到有正常的电网接入，并且此时的光伏输入较低时，整个逆变器将进入整流环节。整流部分与逆变部分采用的同一电路，并且采用跟逆变相似的方法，图中 Us，Is分别代表交流电网有效电压值及交流电流有效值。将三角波和正弦波进行调制后产生的SPWM控制V1～V4，从而在a、b两端产生SPWM波Uab，Uab中含有与正弦信号波幅值成正比以及频率相同的基波分量，还含有跟开关频率有关的高次谐波，但没有低次谐波。在电路中由于电感L的存在，高次谐波的电压对交流电流Is影响不大，可忽略，Is是跟电网频率相同的正弦波，在电网端交流电压Us一定时，Is的幅值及相位是由Uab中的基波分量的幅值及其与Us的相位差决定的；因此，控制Uab即可获得相应的 Is[6]。

L在电路中承担了平衡电压的作用,其两端电压UL=LdIs/dt，可得UL=jωLIs=Us-Uab，其矢量关系如图8所示，图中δ=arctanωLIs/Us[7]。

图8（a）中，Is与Us同相,电路运行在整流状态,功率因数为1；图8（b）中Is与Us反相,电路运行在逆变状态。

图8 PWM整流电路运行方式向量图

这说明PWM整流电路可以实现能量正反两个方向的流动。在控制全桥PWM整流的方法中，一般采用双闭环的控制思想，外环为电压环，通过PI调节稳定母线电压产生一个电流幅值输出量，该输出量跟电网电压同频同相的单位正弦向量表相乘后得到一个电流指令，通过电流传感器采样到的电流与该电流指令进行PI运算从而实现电流闭环，实现单位功率因数电流控制[8-9]。图9为母线电压采样电路。

图9 母线电压采样处理电路

3.3 切换控制策略

整个系统存在两个重要的切换过程：1）当整个系统处在逆变环节时，电网接入，并且光伏输出不足时，负载切换为由电网进行供电；2）当系统由电网进行供电时，若当电网突然掉电，系统应该立刻切换为由蓄电池进行供电，从而达到UPS的功能[10-12]。

1）逆变向整流的切换。该切换中最关键步骤是对电网电压进行检测。电网的采样及捕获电路如图10所示。

CN9-1，CN9-2为电网电压经过分压电阻后的两个采样点，经过运放电路后A0为DSP的采样口，通过A0口的采样值可以对电网电压的有效值进行计算。A0口下方的电路为电网捕获电路。当捕获到电网接入并且电网电压处于正常范围时，程序段跳入整流环节，打开电网端继电器，这时负载由电网供电，电网整流降压后给蓄电池充电。图11所示为逆变切换到整流状态的程序流程图。

图10 电网电压采样及捕获处理电路

图11 逆变到整流过程流程图

2）整流向逆变的切换。当检测到市电丢失或者市电处在不正常状态时，负载立刻切换为由蓄电池供电。在这个过程中，最重要需保证当市电不正常时，负载切换不可断电，即负载的复位时间要大于切换时间。本文所述的逆变器可以保证切换时间在10ms，即切换时间为1/2个电网周期。为了保证切换时间为10ms，本文采用算法是计算电网的有效值，将电网的的一个周期分为离散的400个点，所以只需计算其中的任意200个点即可算出电网的有效值，从而决定进行整流到逆变的切换。图12为整流到逆变的程序流程图。

4 实验结果及分析

当蓄电池电压通过升压后得到母线电压，母线电压一般为380～400V，差别是由蓄电池电压的不同所引起的。母线电压测试图如图13所示。

母线电压经过全桥逆变后得到220 V交流电压，谐波失真小于1%。图14为220V交流电压空载波形。

图12 整流到逆变过程流程图

图13 母线电压图

在负载端加上1000W灯泡负载后，波形如图15所示。

当系统检测到光伏太阳能板输出电压不足，并且同时检测到正常电网的接入时，系统将由逆变切换到整流状态。切换间的波形如图16所示。

图14 逆变空载图

图15 逆变带载图

图16 逆变整流切换图

当检测到电网电压处在不正常的状态，或者蓄电池电压和太阳能板电压输出正常时，系统将由整流切换到逆变状态。切换间的波形如图17所示。由图中a、b两点之间的间隔可知切换时间为9.2 ms，小于负载的复位时间，从而实现UPS功能。

图17 整流逆变切换图

5 结束语

本文主要介绍了UPS光伏离网逆变器分别工作在逆变和整流过程中的控制方法，以及两种状态下相互切换的方法。当系统工作在逆变状态时，通过捕获并检测电网电压，实现了逆变状态向整流状态的切换；当系统工作在整流状态时，通过检测到电网处在不正常状态或有正常的光伏太阳能电压输入时，系统将完成整流到逆变状态的切换，并且切换时间在10ms左右，从而实现了UPS的功能。最后整个控制方法通过实验室的硬件平台进行了验证，各项功能指标均处在正常范围之内。

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[3]司莎莎，郑加，崔昊辰.基于光伏发电的UPS双向逆变器控制策略的研究[J].电测与仪表，2014，51（13）：80-83.

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（编辑：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

广州市产学研协同创新重大专项（201604010111）；广东省协同创新与平台环境建设专项资金（2016B090918067）；广东省自然科学基金项目（S2013010015875）

薛家祥（1963-），男，江苏徐州市人，教授，博导，主要从事光伏离网、并网逆变器及其分布式发电系统、数字化开关电源及智能控制的研究。