帶儲能裝置的雙向逆變器研究與設(shè)計

杜志豪，王中鮮，李桂英，魏永庚

(黑龍江大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150080)

帶儲能裝置的雙向逆變器研究與設(shè)計

杜志豪，王中鮮*，李桂英，魏永庚

(黑龍江大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150080)

帶儲能裝置的雙向逆變器具有并網(wǎng)穩(wěn)定、可實現(xiàn)能量雙向流動的優(yōu)點，在光伏發(fā)電系統(tǒng)能量傳輸中起著關(guān)鍵的作用。采用軟硬件相結(jié)合的方法，分別設(shè)計了雙向逆變裝置系統(tǒng)硬件電路、軟件程序，并測試了實際硬件系統(tǒng)，具有儲能和逆變兩種工作模式，用于實現(xiàn)儲能裝置能量與電網(wǎng)能量的互補(bǔ)雙向流動。系統(tǒng)硬件電路設(shè)計主要包括雙向Buck-Boost主電路和PC923驅(qū)動電路設(shè)計及參數(shù)計算選型、雙向單相全橋逆變主電路和IR2110驅(qū)動電路設(shè)計及參數(shù)計算選型、STM32控制電路設(shè)計。系統(tǒng)軟件程序設(shè)計主要包括主程序、PWM生成、SPWM生成、電壓采集、按鍵掃描等子程序。通過搭建測試硬件系統(tǒng)，驗證設(shè)計的雙向逆變器滿足任務(wù)要求。

儲能裝置；雙向逆變器；雙向斬波器；STM32；SPWM

光伏發(fā)電作為一種清潔能源在國內(nèi)越來越多的人選擇在自家的屋頂或庭院安裝光伏發(fā)電設(shè)備，在電能方面自給自足的同時也能產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，然而傳統(tǒng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不適用于這種分布式發(fā)電。隨之而來，研究者將目光集中在光伏逆變器方面[1]，常見的光伏逆變器具有電能傳輸效率高的優(yōu)點[2]，當(dāng)光伏能量充足時，可將多余電能并入電網(wǎng)；如果逆變器可以雙向流動，則當(dāng)蓄電池或者光伏能量不足時，可將電網(wǎng)電能向本地負(fù)載或者蓄電池供電。

帶儲能裝置的雙向逆變器具有并網(wǎng)電壓穩(wěn)定、可實現(xiàn)能量雙向流動的優(yōu)點，既可實現(xiàn)儲能過程，也可以實現(xiàn)逆變過程，一套設(shè)備實現(xiàn)兩種功能，減少了電路中元器件的使用數(shù)量，使得系統(tǒng)的可維護(hù)性更好，同時也節(jié)省了空間及成本。因此，研究一種具有較高穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性的雙向逆變器具有重要意義。

本設(shè)計主要目的是研究一種可穩(wěn)定運(yùn)行的儲能裝置用雙向逆變器，通過對系統(tǒng)中開關(guān)器件的精確控制，同時通過檢測直流側(cè)電壓值進(jìn)行回饋調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)穩(wěn)定高效地工作于儲能與逆變兩種模式下，實現(xiàn)能量的互補(bǔ)流動。當(dāng)蓄電池能量充足時，蓄電池中電能經(jīng)雙向斬波器升壓后，再經(jīng)雙向逆變器逆變成交流電能傳輸給電網(wǎng)；當(dāng)太陽能與蓄電池提供的能量不足以滿足本地負(fù)載時，能量由交流電網(wǎng)接入，整流后接雙向斬波器降壓后向蓄電池組充電，將能量存儲在蓄電池內(nèi)，供給本地負(fù)載使用。其中，雙向逆變器的控制方法為SPWM控制，雙向斬波器的控制方法為PWM控制，兩種方法的控制信號均由STM32單片機(jī)控制輸出。

1 總體方案設(shè)計

此設(shè)計總體方案的結(jié)構(gòu)框圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Overall block diagram of the system

圖1中，①為系統(tǒng)工作于逆變模式；②為系統(tǒng)工作于儲能模式。蓄電池組選用16節(jié)蓄電池串聯(lián)，單節(jié)蓄電池參數(shù)為12 V/60 Ah。

雙向DC-DC電路作為雙向逆變器的調(diào)壓部分，在系統(tǒng)工作于逆變模式時將蓄電池側(cè)的直流電提升至逆變所需的電壓等級；在系統(tǒng)工作于儲能模式時將雙向逆變器側(cè)整流后的直流電降低至可供蓄電池充電的電壓等級。其中，雙向DC-DC電路選擇雙向Buck/Boost電路。

雙向逆變器選擇典型單相全橋雙向逆變電路[3]，在系統(tǒng)工作于逆變模式時將雙向DC-DC升壓后的直流電逆變成電網(wǎng)需求的交流電并入電網(wǎng)；在系統(tǒng)工作于儲能模式時完成AC/DC的轉(zhuǎn)換。

驅(qū)動電路將控制信號提升至可控制主電路中開關(guān)管導(dǎo)通的電壓等級，用于驅(qū)動主電路中開關(guān)管動作。驅(qū)動電路需要考慮隔離問題，防止主電路出現(xiàn)故障時損壞控制電路。選取兩片PC923芯片及其外圍電路作為雙向DC-DC的光耦隔離，兩片IR2110及其外圍電路作為雙向逆變電路的驅(qū)動電路。

電壓采集電路選用電阻分壓方式，通過采集直流母線兩端的電壓值判斷逆變模式時直流側(cè)電壓是否在額定電壓范圍內(nèi)，如果電壓超過額定電壓則降低直流變換部分的升壓占空比；如果電壓小于額定電壓則提高直流變換部分的升壓占空比。

選用STM32單片機(jī)作為系統(tǒng)主控芯片，用以實現(xiàn)前后兩級控制波形輸出、電壓采集、模式切換，生成PWM和SPWM兩種信號分別控制雙向DC-DC電路中開關(guān)管與雙向逆變器電路中開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷[4]?？刂齐娐犯鶕?jù)采集到的直流側(cè)電壓值進(jìn)行回饋，以使系統(tǒng)工作于穩(wěn)定狀態(tài)。

2 硬件電路設(shè)計

系統(tǒng)主電路采用雙級式結(jié)構(gòu)，見圖2。前級采用雙向Buck/Boost電路作為單相全橋雙向逆變電路的調(diào)壓電路，后級采用單相全橋雙向逆變電路[5-6]。

圖2 系統(tǒng)主電路圖Fig.2 Main circuit diagram of the system

2.1 雙向Buck/Boost主電路及驅(qū)動設(shè)計

2.1.1 雙向Buck/Boost主電路設(shè)計

圖3 雙向Buck/Boost變換器的電路結(jié)構(gòu)Fig.3 Circuit structure of the bidirectional Buck/Boost converter

雙向Buck/Boost電路見圖3，是一種應(yīng)用非常廣泛的非隔離式雙向DC/DC電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[7]。雙向DC/DC電路的一端接入16節(jié)蓄電池串聯(lián)組成的蓄電池組[7]，另一端接400 V直流母線。非隔離式雙向DC/DC變換器具有體積小，重量輕的優(yōu)點，但其自身沒有隔離，因此需要單獨考慮隔離問題[8]。

1)當(dāng)儲能系統(tǒng)工作于儲能模式時，雙向Buck/Boost變換器中的電能由直流母線流向電池，電能由V1傳輸至V2，實現(xiàn)蓄電池的充電過程，見圖4。此時，雙向變換電路等效為一個Buck電路。

2)當(dāng)系統(tǒng)工作于逆變模式時，雙向Buck/Boost電路等效圖見圖5。此時，電路等效為一個Boost電路。

圖4 雙向斬波變換器儲能模式的等效電路圖Fig.4 Equivalent circuit of the energy storage mode

圖5 雙向斬波變換器逆變模式的等效電路圖Fig.5 Equivalent circuit of the inverting mode

2.1.2 驅(qū)動電路設(shè)計

雙向DC/DC變換器中開關(guān)器件的驅(qū)動電路見圖6。由于本設(shè)計所選的控制芯片引腳輸出電壓很小，不足以驅(qū)動開關(guān)管的導(dǎo)通關(guān)斷，需要搭建驅(qū)動電路實現(xiàn)驅(qū)動電壓放大。PC923芯片內(nèi)部集成了驅(qū)動電路與隔離電路，只需要少量元器件組成的外圍電路即可完成驅(qū)動開關(guān)管的作用，具有操作簡單，易于搭建的特點。一個PC923可驅(qū)動一個開關(guān)管的動作，需要兩個PC923驅(qū)動電路實現(xiàn)雙向直流變換電路的驅(qū)動。

2.2 單相全橋雙向逆變主電路及驅(qū)動設(shè)計

2.2.1 雙向全橋逆變主電路設(shè)計

在雙向全橋逆變電路中，開關(guān)器件選擇4個MOSFET，通過控制Q1、Q4和Q2、Q3的交替導(dǎo)通，結(jié)合電路中的4個二極管實現(xiàn)能量雙向流動。

圖6 PC923驅(qū)動電路圖Fig.6 PC923 drive circuit diagram

1)逆變模式。雙向逆變器工作于逆變模式見圖7。能量由直流側(cè)V2輸入，轉(zhuǎn)化成交流能量輸出。t1時刻，Q1與Q4導(dǎo)通，電路輸出正向波形。t2時刻，Q1與Q4關(guān)斷，負(fù)載電感中的電流經(jīng)過D2與D3使其導(dǎo)通續(xù)流。t3時刻，Q2與Q3導(dǎo)通，電路輸出反向波形。t4時刻，Q2與Q3關(guān)斷，負(fù)載電感中的電流經(jīng)過D1與D4使其導(dǎo)通續(xù)流。之后的工作過程與上述流程相同。

2)儲能模式。當(dāng)雙向逆變器的能量由交流測向直流側(cè)傳輸時，由控制器控制4個MOSFET全部關(guān)斷。此時，等效電路見圖8，為電容濾波的不可控整流電路。

圖7 逆變模式時全橋逆變電路圖Fig.7 Equivalent circuit of the inverter mode

圖8 儲能模式時雙向逆變等效電路圖Fig.8 Equivalent circuit of the energy storage mode

2.2.2 驅(qū)動電路設(shè)計

單相全橋雙向逆變電路的驅(qū)動電路[9]見圖9，由光耦芯片PC817和IR2110芯片及其外圍電路組成。因為每片IR2110可控制兩個開關(guān)管導(dǎo)通關(guān)斷，所以需要兩個IR2110電路控制全橋逆變的4個開關(guān)管。IR2110芯片常用于橋式電路的驅(qū)動，具有高集成度、響應(yīng)快、驅(qū)動強(qiáng)的優(yōu)點。光耦隔離芯片PC817將控制端與主電路完全隔離，可以增強(qiáng)系統(tǒng)的安全性，減少擾動，簡化電路。

2.3 LC濾波電路設(shè)計

開關(guān)器件工作于高頻狀態(tài)時會產(chǎn)生高次諧波，需要經(jīng)過濾波電路得到符合要求的正弦波形。本系統(tǒng)采用LC型濾波電路，具有并網(wǎng)控制簡單、高效地濾除高頻電壓等優(yōu)點。

圖9 帶光耦隔離的IR2110驅(qū)動電路圖Fig.9 Circuit of IR2110 drive circuit with the optocoupler isolation

2.4 控制電路設(shè)計

控制芯片需要實現(xiàn)的功能見表1。

根據(jù)表1列出的系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能及對芯片的具體要求，所選主控芯片的型號為STM32F103RCT6。

表1 控制芯片需要實現(xiàn)的功能

圖10 主程序流程圖Fig.10 Flow chart of main program

3 軟件程序設(shè)計

本設(shè)計通過控制電路輸出信號控制硬件電路中開關(guān)管的工作，進(jìn)而實現(xiàn)系統(tǒng)的兩種工作模式。為了使編寫的程序具有易讀、易寫、可移植的特點，以及能夠體現(xiàn)出程序的層次，軟件程序設(shè)計采用模塊化編程的方式，分別設(shè)計主程序與各模塊的子程序，并分別調(diào)試各模塊子程序，在可單獨實現(xiàn)每個模塊功能的條件下，將程序整合，完成整個系統(tǒng)的程序設(shè)計。主程序流程圖見圖10。

由圖10可見，首先需要定義控制系統(tǒng)的引腳、各定時器的使能，然后通過按鍵掃描子程序判斷程序工作于逆變模式或儲能模式。

當(dāng)系統(tǒng)工作于逆變模式時，首先由控制芯片輸出具有一定初值的PWM信號控制BOOST開關(guān)管及4路用于逆變電路的SPWM波形；然后通過采集直流輸出電壓進(jìn)行判斷，如果小于380 V，則通過提高輸出控制波形脈沖寬度使輸出直流電壓高于380 V；再判斷直流電壓是否工作于正常范圍，如果超過420 V，則通過降低BOOST開關(guān)管的占空比使輸出的直流電低于420 V，使系統(tǒng)工作于正常的輸出電壓范圍。

4 硬件實現(xiàn)及測試分析

4.1 硬件實現(xiàn)

目前，Protues仿真軟件無法對STM32F103RCT6芯片進(jìn)行在線軟件仿真，因此在硬件電路設(shè)計和軟件程序設(shè)計完成后，首先需要搭建實際硬件電路，然后采用實際硬件調(diào)試方式對軟件程序進(jìn)行驗證。由于實驗條件有限，并且考慮到測試的安全性，將搭建的電路在小功率的條件下進(jìn)行測試。

在KEIL環(huán)境下編寫和調(diào)試控制程序，確認(rèn)沒有語法錯誤并且各個引腳輸出波形為設(shè)計需求時，按照分模塊方式進(jìn)行調(diào)試，見圖11。首先，分別調(diào)試前后級電路；然后，在前后級電路都可獨立實現(xiàn)的情況下，聯(lián)合調(diào)試系統(tǒng)所有模塊以及控制部分。

4.2 測試分析

在實際的測試中，需要通過示波器測試分析主電路中各個部分，以確認(rèn)系統(tǒng)在正常條件下工作。首先需要采集驅(qū)動電路的輸出波形。由于驅(qū)動電路輸出的驅(qū)動電壓等級決定了開關(guān)管是否能夠正常的開啟，因此當(dāng)驅(qū)動電壓不足時，則無法使開關(guān)管動作，以至于電路不工作。

PC923電路輸出的驅(qū)動電壓波形見圖12。驅(qū)動波形脈沖頻率為20 kHz，驅(qū)動電壓為10 V，實驗中所用開關(guān)管的最小開啟電壓為4 V，經(jīng)放大后的驅(qū)動信號可以正常驅(qū)動開關(guān)管，使雙向DC-DC中兩開關(guān)管按照固定的占空比工作。

圖11 整體電路調(diào)試Fig.11 Overall circuit debugging

圖12 PC923驅(qū)動波形Fig.12 PC923 drive waveform

IR2110電路輸出的驅(qū)動電壓波形見圖13。驅(qū)動電壓為14 V，可正常驅(qū)動開關(guān)管工作。脈沖頻率為10 kHz，脈沖寬度不斷變化，可實現(xiàn)對單相全橋逆變開關(guān)管進(jìn)行控制，使逆變電路輸出符合正弦變化的交流電。

系統(tǒng)工作于逆變模式的交流輸出波形見圖14。通過對波形分析，電壓有效值為10.2 V，正弦周期為50 Hz，正弦度較好，符合設(shè)計要求。

圖14 逆變模式交流輸出波形Fig.14 AC output waveform of the inverter mode

系統(tǒng)工作于儲能模式的直流輸出電壓經(jīng)萬用表測量為12 V，符合設(shè)計要求。

5 結(jié) 論

本文采用軟硬件相結(jié)合的方法，設(shè)計完成了一種儲能裝置用雙向逆變器，具有儲能和逆變兩種工作模式，可以實現(xiàn)蓄電池組與電網(wǎng)之間能量的互補(bǔ)流動。盡管整體基本達(dá)到設(shè)計要求，本設(shè)計存在如下缺陷：電壓采樣電路選用電阻分壓方式進(jìn)行采樣，使得采樣存在一定的誤差，對系統(tǒng)穩(wěn)定會造成一定影響；本設(shè)計是在小功率條件下進(jìn)行實物測試，雖然在小功率測試條件下可正常運(yùn)行，但沒有在大功率條件下進(jìn)行測試，比如前級后級之間的解耦問題。

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(本期責(zé)任編輯：張松波王紅星鄒曉艷英文審校：丁琳)

Study and design on bidirectional inverter with energy storage device

DU Zhi-Hao， WANG Zhong-Xian*， LI Gui-Ying， WEI Yong-Geng

(SchoolofMechanicalandElectricalEngineering，HeilongjiangUniversity，Harbin150080，China)

The bidirectional inverter with energy storage device has the advantages of the stable grid connected the voltage and the bidirectional energy flow， which plays a key role in the energy transmission of the photovoltaic power generation system. A bidirectional inverter device with two modes of energy storage and inverter is designed， which is used to realize the bidirectional flow of energy storage device energy and grid energy. The system is designed by the combination of software with hardware， and the actual hardware system is tested. The system hardware circuit mainly includes the designs of the bidirectional Buck-Boost circuit and PC923 drive circuit and the calculation of parameters， the design of the bidirectional single phase full bridge inverter circuit and IR2110 drive circuit and the calculation of parameters， the design of STM32 control circuit. Then， the system software program includes the main program， PWM generation， SPWM generation， the voltage acquisition， the key scan and other subroutines. PWM and SPWM wave is generated by STM32 MCU to control the bidirectional chopper and the bidirectional single-phase full bridge inverter circuit， and through the key switch two working modes. Through building a test hardware system， it is proved that the designed bi-directional inverter can meet the mission requirements.

energy storage device; bidirectional inverter; bidirectional chopper; STM32; SPWM

10.13524/j.2095-008x.2017.03.046

TK82

A

2095-008X(2017)03-0090-07

2017-06-20；

2017-07-09

黑龍江省自然科學(xué)基金資助項目(E2016052)；黑龍江省高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)黑龍江大學(xué)專項資金項目(HDJCCX-201622)；哈爾濱市科技創(chuàng)新人才研究專項資金項目(2016RQQXJ107)

杜志豪(1994-)，男，黑龍江寶清人，碩士研究生，研究方向：電力電子先進(jìn)高效率變流技術(shù)，E-mail: 873163213@qq.com；*

王中鮮( 1982-)，男，黑龍江哈爾濱人，高級工程師，研究方向：電力電子先進(jìn)高效率變流技術(shù)，E-mail: mrzhxw@163.com。