基于雙向逆變器的太陽能供電系統(tǒng)

鄭 魏， 李 強(qiáng)， 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(xué)信息與工程學(xué)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(qiáng)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(xué)信息與工程學(xué)院，廣東廣州510006)

提出并設(shè)計(jì)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(jí)和后級(jí)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(gè)范圍。并且本系統(tǒng)不需要蓄電池等儲(chǔ)能設(shè)備。系統(tǒng)的控制方法使用了預(yù)測(cè)電流控制法和正弦波調(diào)制準(zhǔn)則，并利用高頻的驅(qū)動(dòng)信號(hào)來降低后級(jí)電路輸出電流的諧波。最后，實(shí)驗(yàn)和模擬的結(jié)果都可以驗(yàn)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(yù)測(cè)電流控制法

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、社會(huì)的進(jìn)步，常規(guī)能源面臨著枯竭的危險(xiǎn)。尋找和利用可再生能源成了人類當(dāng)前面臨的迫切課題。許多類型的可再生能源，例如太陽能、風(fēng)能、水能、潮汐能均已達(dá)到可大規(guī)模利用的程度。其中，太陽能以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，比如：儲(chǔ)能的無限性、存在的廣泛性還有可用的清潔性，必然會(huì)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(fù)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(huì)耗費(fèi)更多的常規(guī)能源，所以我們提出了一個(gè)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(dòng)，來保證直流側(cè)電壓可以穩(wěn)定在某一個(gè)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(gè)電路架構(gòu)所組成：前級(jí)是一個(gè)具有最大功率追蹤功能的Boost升壓電路，后級(jí)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(jí)的最大功率追蹤升壓至設(shè)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(dāng)太陽能板的輸出功率高于負(fù)載所需要功率時(shí)，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(dāng)直流側(cè)電壓下降到360 V以下時(shí)，太陽能不足以提供負(fù)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(yīng)負(fù)載，以達(dá)到穩(wěn)定直流側(cè)供應(yīng)的穩(wěn)定度，經(jīng)過不同的直流/直流轉(zhuǎn)換器供應(yīng)不同的直流負(fù)載。由此可見，本系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)在于無需使用電池模組等儲(chǔ)能設(shè)備，大幅度降低系統(tǒng)體積、質(zhì)量和成本更有利于保護(hù)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(shí)就是一個(gè)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(chǔ)能電感和直流側(cè)儲(chǔ)能電容。其工作原理為，當(dāng)功率開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓開始對(duì)電感充電并將能量?jī)?chǔ)存在電感中，此時(shí)電感電流逐漸上升。當(dāng)功率開關(guān)截止時(shí)，電感所儲(chǔ)存的能量與輸入電源能量累加，經(jīng)快速二極管放電給負(fù)載，所以輸出電壓會(huì)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(dòng)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(dǎo)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(gè)功率開關(guān)、濾波電感及電容、直流側(cè)儲(chǔ)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(hào)彼此為互補(bǔ)信號(hào)，且都有空白時(shí)間，以避免上下兩臂同時(shí)導(dǎo)通造成短路。直流側(cè)穩(wěn)壓電容是為了讓負(fù)載有穩(wěn)定的電壓供應(yīng)。全橋逆變器的主要功能是借由控制四個(gè)功率開關(guān)的切換，來產(chǎn)生高頻的調(diào)變信號(hào)，再經(jīng)由下一級(jí)的濾波電感及電容進(jìn)行濾波，留下所需的50 Hz低頻交流信號(hào)。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(jí)濾波電路的體積[4]。微控制器采用預(yù)測(cè)電流控制法[5]，通過計(jì)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(yàn)證所提出單相雙向逆變器的可行性，本文設(shè)計(jì)和提出了一個(gè)基于dsPIC的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它的規(guī)格如表1所示。

表1 基于dsPIC的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)規(guī)格

本文使用PISM電路模擬軟件對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的可行性進(jìn)行驗(yàn)證，其中包括系統(tǒng)的兩個(gè)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(gè)模式下，雙向換流器將供應(yīng)負(fù)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(shè)計(jì)要求。而在PFC模式下，由于太陽能不夠供應(yīng)負(fù)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(fù)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(biāo)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?？梢钥吹?，直流側(cè)電壓降低，但是仍然可以穩(wěn)定在標(biāo)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(dāng)操作模式從PFC轉(zhuǎn)換到GC時(shí)，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(yàn)證換流器可在兩種模式間實(shí)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(fù)載變化

本文模擬了換流器工作在PFC模式下的負(fù)載變換情形。當(dāng)負(fù)載由輕載變重載時(shí)，換流器輸出電流降低，微控制器感應(yīng)到后就會(huì)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(fù)載端，從而導(dǎo)致直流側(cè)電壓升高(圖9)。

圖9 負(fù)載由輕載變重載時(shí)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(gè)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(diǎn)是僅僅使用一顆微控制芯片并且不需要蓄電池等儲(chǔ)能設(shè)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(hù)環(huán)境。電路模擬結(jié)果可以證實(shí)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(xué)與佛山市順德區(qū)瑞德電子實(shí)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(xiàng)目。感謝該項(xiàng)目的設(shè)立，同時(shí)感謝企業(yè)導(dǎo)師鄭魏對(duì)本人的指導(dǎo)和培養(yǎng)。

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[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?yàn)樘柲芄夥孀兤鳌?/p>