基于雙向逆變器的太陽能供電系統(tǒng)

鄭 魏， 李 強， 駱德漢

(1.廣東瑞德智能科技股份有限公司，廣東佛山528300；2.廣東工業(yè)大學信息與工程學院，廣東廣州510006)

基于雙向逆變器的太陽能供電系統(tǒng)

鄭 魏1， 李 強2， 駱德漢2

(1.廣東瑞德智能科技股份有限公司，廣東佛山528300；2.廣東工業(yè)大學信息與工程學院，廣東廣州510006)

提出并設計了一種雙向逆變器的太陽能供電系統(tǒng)，該系統(tǒng)僅僅需要單一顆微控制芯片dsPIC30F4011就可以控制系統(tǒng)的前級和后級電路。該系統(tǒng)可以操作在市電并聯(lián)和功因修正兩種模式下，這樣可以保證直流側(cè)電壓穩(wěn)定在某一個范圍。并且本系統(tǒng)不需要蓄電池等儲能設備。系統(tǒng)的控制方法使用了預測電流控制法和正弦波調(diào)制準則，并利用高頻的驅(qū)動信號來降低后級電路輸出電流的諧波。最后，實驗和模擬的結(jié)果都可以驗證該系統(tǒng)的可行性、有效性和穩(wěn)定性。

太陽能供電系統(tǒng)；雙向逆變器；市電并聯(lián)；功因修正；預測電流控制法

隨著經(jīng)濟的發(fā)展、社會的進步，常規(guī)能源面臨著枯竭的危險。尋找和利用可再生能源成了人類當前面臨的迫切課題。許多類型的可再生能源，例如太陽能、風能、水能、潮汐能均已達到可大規(guī)模利用的程度。其中，太陽能以其獨特的優(yōu)勢，比如：儲能的無限性、存在的廣泛性還有可用的清潔性，必然會被更多的人重視和使用[1]。在電力電子系統(tǒng)中，我們利用逆變器將太陽能的能量轉(zhuǎn)化，為我們普通用戶的交流負載所使用。但是太陽能畢竟不可能每天都很充足，而現(xiàn)在利用的各種電池又會耗費更多的常規(guī)能源，所以我們提出了一個雙向逆變器的概念。本文所提出的雙向逆變器系統(tǒng)可以使能量在直流側(cè)和交流電網(wǎng)之間流動，來保證直流側(cè)電壓可以穩(wěn)定在某一個范圍[2]。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

如圖1所示，是本文所提出的太陽能雙向逆變器的方塊圖。由此可見，該系統(tǒng)大致由兩個電路架構(gòu)所組成：前級是一個具有最大功率追蹤功能的Boost升壓電路，后級是由全橋雙向逆變器所構(gòu)成的直流到交流的轉(zhuǎn)化電路。太陽能光電板輸出的直流電源先經(jīng)過前級的最大功率追蹤升壓至設定電壓后，再經(jīng)由雙向逆變器并聯(lián)至另一端的電網(wǎng)，并且該系統(tǒng)具有市電并聯(lián)模式和功因修正兩種操作模式：

圖1 基于雙向逆變器的太陽能供電系統(tǒng)

(1)市電并聯(lián)模式(GC)

如圖2所示，為系統(tǒng)在市電并聯(lián)模式下的電力潮流。當太陽能板的輸出功率高于負載所需要功率時，雙向逆變器工作在市電并聯(lián)模式，將剩余能量饋入電網(wǎng)中。

(2)功因修正模式(PFC)

如圖3所示，為系統(tǒng)在功因修正模式下的電力潮流。當直流側(cè)電壓下降到360 V以下時，太陽能不足以提供負載所需功率，雙向換流器切換到功因修正模式將電網(wǎng)能量轉(zhuǎn)化為直流供應負載，以達到穩(wěn)定直流側(cè)供應的穩(wěn)定度，經(jīng)過不同的直流/直流轉(zhuǎn)換器供應不同的直流負載。由此可見，本系統(tǒng)最大的優(yōu)點在于無需使用電池模組等儲能設備，大幅度降低系統(tǒng)體積、質(zhì)量和成本更有利于保護環(huán)境和提高逆變器的效率。

圖2 市電并聯(lián)模式下的功率流

圖3 功因修正模式下的功率流

1.1 最大功率追蹤器

最大功率追蹤器的主電路其實就是一個Boost升壓電路。輸入為直流電壓源，輸出也為直流電壓源，其中內(nèi)部元件包含功率開關(guān)、快速二極管、儲能電感和直流側(cè)儲能電容。其工作原理為，當功率開關(guān)導通時，輸入電壓開始對電感充電并將能量儲存在電感中，此時電感電流逐漸上升。當功率開關(guān)截止時，電感所儲存的能量與輸入電源能量累加，經(jīng)快速二極管放電給負載，所以輸出電壓會比輸入電壓高。最大功率追蹤的功能是靠微控制器抓取太陽能板輸出的電壓和電流，依據(jù)擾動觀察法[3]輸出不同的占空比的PWM波，而開關(guān)是由PWM波的高低電平來決定它的導通與截止。

1.2 全橋雙向逆變器

如圖4所示，全橋逆變器是由四個功率開關(guān)、濾波電感及電容、直流側(cè)儲能電容所組成。全橋逆變器可分為A、B兩臂開關(guān)，同一臂開關(guān)的控制信號彼此為互補信號，且都有空白時間，以避免上下兩臂同時導通造成短路。直流側(cè)穩(wěn)壓電容是為了讓負載有穩(wěn)定的電壓供應。全橋逆變器的主要功能是借由控制四個功率開關(guān)的切換，來產(chǎn)生高頻的調(diào)變信號，再經(jīng)由下一級的濾波電感及電容進行濾波，留下所需的50 Hz低頻交流信號。功率開關(guān)切換的控制方式是使用正弦波脈沖寬度調(diào)制(Sinusoidal Pulse-Width-Modulation;SPWM)，并采用高頻的切換方式以減小開關(guān)損耗和后級濾波電路的體積[4]。微控制器采用預測電流控制法[5]，通過計算電感輸入電壓的占空比來控制輸出電感電流的上升和下降。

圖4 全橋雙向逆變器架構(gòu)圖

2 模擬分析

為了驗證所提出單相雙向逆變器的可行性，本文設計和提出了一個基于dsPIC的電路拓撲結(jié)構(gòu)，它的規(guī)格如表1所示。

表1 基于dsPIC的電路拓撲結(jié)構(gòu)規(guī)格

本文使用PISM電路模擬軟件對整個系統(tǒng)的可行性進行驗證，其中包括系統(tǒng)的兩個工作模式：市電并聯(lián)模式和功因修正模式。

2.1 單一模式

圖5顯示的是在雙向換流器工作在市電并聯(lián)模式下的雙向逆變器的直流側(cè)電壓波形、輸出電壓和輸出電流波形。在這個模式下，雙向換流器將供應負載后剩余的能量潰入市電端。所以可看到換流器的輸出電流跟輸出電壓是同相的，并且頻率都為50 Hz，滿足設計要求。而在PFC模式下，由于太陽能不夠供應負載所需，所以雙向換流器的主要功能是提供將市電的能量轉(zhuǎn)化為負載能量。圖6所示是逆變器工作在功因矯正模式下的線電壓波形、換流器輸出電流波形和直流側(cè)電壓波形。在該模式下，換流器輸出電流與線電壓是反相的，并且直流側(cè)電壓可以穩(wěn)定在標定范圍內(nèi)。

圖5 市電并聯(lián)模式下的直流側(cè)電壓波形()、輸出電壓()和輸出電流()波形

2.2 模式轉(zhuǎn)換

圖7和圖8展示的是雙向換流器操作模式在GC模式和PFC模式之間的轉(zhuǎn)換。在圖7中，操作模式從GC模式變換到PFC模式。可以看到，直流側(cè)電壓降低，但是仍然可以穩(wěn)定在標定范圍內(nèi)。換流器輸出電流由與線電壓同相變成與線電壓反相。同理，可以看出當操作模式從PFC轉(zhuǎn)換到GC時，換流器輸出電流由與線電壓反相變成與線電壓同相。由此可以驗證換流器可在兩種模式間實現(xiàn)完美轉(zhuǎn)換。

圖6 功因修正模式下的直流側(cè)電壓波形()、輸出電壓()和輸出電流()波形

圖7 雙向逆變器工作模式從GC變換到PFC

圖8 雙向逆變器工作模式從PFC變換到GC

2.3 負載變化

本文模擬了換流器工作在PFC模式下的負載變換情形。當負載由輕載變重載時，換流器輸出電流降低，微控制器感應到后就會調(diào)節(jié)全橋開關(guān)的占空比，讓更多的市電能量經(jīng)過換流器潰入直流側(cè)負載端，從而導致直流側(cè)電壓升高(圖9)。

圖9 負載由輕載變重載時直流側(cè)電壓波形()、輸出電壓()和輸出電流()波形

3 結(jié)論

本文提出了一個帶雙向逆變器的太陽能供電系統(tǒng)，它可以操作在市電并聯(lián)模式和功因修正兩種模式下。本系統(tǒng)的特點是僅僅使用一顆微控制芯片并且不需要蓄電池等儲能設備就可以使太陽能得到充足的利用。這樣不僅僅可以降低成本，還可以最大程度地保護環(huán)境。電路模擬結(jié)果可以證實所提出的系統(tǒng)具有可行性。

致謝：本論文來自于廣東工業(yè)大學與佛山市順德區(qū)瑞德電子實業(yè)有限公司的研究生聯(lián)合培養(yǎng)基地和省部特派員工作站項目。感謝該項目的設立，同時感謝企業(yè)導師鄭魏對本人的指導和培養(yǎng)。

[1]FALK H.Prolog to renewable energy today and tomorrow[J].IEEE,2001,89(8):1214-1215.

[2]SALOMONSSON D,SODER L,SANNINO A.An adaptive control system for a dc microgrid for data centers[J].IEEE Trans Ind Appl,2008,44(6):1910-1917.

[3]JUNG Y,SO J,YU G,et al.Improved perturbation and observation method(IP&O)of MPPT control for photovoltaic power systems [C]//Proceedings of Photovoltaic Specialists Conference.US:IEEE,2005:1788-1791.

[4]MOHAN N,UNDELANO T M,ROBBIUS W P.Power Electronics [M].US:John Wiley&Sons Inc.,1995.

[5]YU B,CHANG L.Improved Predictive Current Controlled PWM for single-phase grid-connected voltage source inverters[C]//IEEE Transactions on Industrial Electronics.US:IEEE,2005:231-236.

Photovoltaic power system based on bi-directional inverter

The analysis,design,and simulation of a photovoltaic power system with bi-directional inverter were presented.The system could be controlled with a single-chip microcontroller,such as dsPIC30F4011.The bi-directional inverter could fulfill grid connection and rectification with power factor correction to regulate the dc bus to a certain range of voltages.So energy storage elements wasn't needed to buffer power.But the two stage series could cause high current harmonic,so a predictive current control and modulation principle for the bi-directional inverter were designed and operated in high frequency to reduce the current harmonic.Simulation and experimental results illustrate the discussed features and significantly demonstrated its feasibility,reliability,and stability.

photovoltaic power system;bi-directional inverter;grid connection;power factor correction;predictive current control

TM 615

A

1002-087 X(2016)03-0631-02

2015-08-17

鄭魏(1980—)，男，湖北省人，碩士，主要研究方向為太陽能光伏逆變器。