基于双向逆变器的太阳能供电系统

郑 魏， 李 强， 骆德汉

(1.广东瑞德智能科技股份有限公司，广东佛山528300；2.广东工业大学信息与工程学院，广东广州510006)

基于双向逆变器的太阳能供电系统

郑 魏1， 李 强2， 骆德汉2

(1.广东瑞德智能科技股份有限公司，广东佛山528300；2.广东工业大学信息与工程学院，广东广州510006)

提出并设计了一种双向逆变器的太阳能供电系统，该系统仅仅需要单一颗微控制芯片dsPIC30F4011就可以控制系统的前级和后级电路。该系统可以操作在市电并联和功因修正两种模式下，这样可以保证直流侧电压稳定在某一个范围。并且本系统不需要蓄电池等储能设备。系统的控制方法使用了预测电流控制法和正弦波调制准则，并利用高频的驱动信号来降低后级电路输出电流的谐波。最后，实验和模拟的结果都可以验证该系统的可行性、有效性和稳定性。

太阳能供电系统；双向逆变器；市电并联；功因修正；预测电流控制法

随着经济的发展、社会的进步，常规能源面临着枯竭的危险。寻找和利用可再生能源成了人类当前面临的迫切课题。许多类型的可再生能源，例如太阳能、风能、水能、潮汐能均已达到可大规模利用的程度。其中，太阳能以其独特的优势，比如：储能的无限性、存在的广泛性还有可用的清洁性，必然会被更多的人重视和使用[1]。在电力电子系统中，我们利用逆变器将太阳能的能量转化，为我们普通用户的交流负载所使用。但是太阳能毕竟不可能每天都很充足，而现在利用的各种电池又会耗费更多的常规能源，所以我们提出了一个双向逆变器的概念。本文所提出的双向逆变器系统可以使能量在直流侧和交流电网之间流动，来保证直流侧电压可以稳定在某一个范围[2]。

1 系统架构

如图1所示，是本文所提出的太阳能双向逆变器的方块图。由此可见，该系统大致由两个电路架构所组成：前级是一个具有最大功率追踪功能的Boost升压电路，后级是由全桥双向逆变器所构成的直流到交流的转化电路。太阳能光电板输出的直流电源先经过前级的最大功率追踪升压至设定电压后，再经由双向逆变器并联至另一端的电网，并且该系统具有市电并联模式和功因修正两种操作模式：

图1 基于双向逆变器的太阳能供电系统

(1)市电并联模式(GC)

如图2所示，为系统在市电并联模式下的电力潮流。当太阳能板的输出功率高于负载所需要功率时，双向逆变器工作在市电并联模式，将剩余能量馈入电网中。

(2)功因修正模式(PFC)

如图3所示，为系统在功因修正模式下的电力潮流。当直流侧电压下降到360 V以下时，太阳能不足以提供负载所需功率，双向换流器切换到功因修正模式将电网能量转化为直流供应负载，以达到稳定直流侧供应的稳定度，经过不同的直流/直流转换器供应不同的直流负载。由此可见，本系统最大的优点在于无需使用电池模组等储能设备，大幅度降低系统体积、质量和成本更有利于保护环境和提高逆变器的效率。

图2 市电并联模式下的功率流

图3 功因修正模式下的功率流

1.1 最大功率追踪器

最大功率追踪器的主电路其实就是一个Boost升压电路。输入为直流电压源，输出也为直流电压源，其中内部元件包含功率开关、快速二极管、储能电感和直流侧储能电容。其工作原理为，当功率开关导通时，输入电压开始对电感充电并将能量储存在电感中，此时电感电流逐渐上升。当功率开关截止时，电感所储存的能量与输入电源能量累加，经快速二极管放电给负载，所以输出电压会比输入电压高。最大功率追踪的功能是靠微控制器抓取太阳能板输出的电压和电流，依据扰动观察法[3]输出不同的占空比的PWM波，而开关是由PWM波的高低电平来决定它的导通与截止。

1.2 全桥双向逆变器

如图4所示，全桥逆变器是由四个功率开关、滤波电感及电容、直流侧储能电容所组成。全桥逆变器可分为A、B两臂开关，同一臂开关的控制信号彼此为互补信号，且都有空白时间，以避免上下两臂同时导通造成短路。直流侧稳压电容是为了让负载有稳定的电压供应。全桥逆变器的主要功能是借由控制四个功率开关的切换，来产生高频的调变信号，再经由下一级的滤波电感及电容进行滤波，留下所需的50 Hz低频交流信号。功率开关切换的控制方式是使用正弦波脉冲宽度调制(Sinusoidal Pulse-Width-Modulation;SPWM)，并采用高频的切换方式以减小开关损耗和后级滤波电路的体积[4]。微控制器采用预测电流控制法[5]，通过计算电感输入电压的占空比来控制输出电感电流的上升和下降。

图4 全桥双向逆变器架构图

2 模拟分析

为了验证所提出单相双向逆变器的可行性，本文设计和提出了一个基于dsPIC的电路拓扑结构，它的规格如表1所示。

表1 基于dsPIC的电路拓扑结构规格

本文使用PISM电路模拟软件对整个系统的可行性进行验证，其中包括系统的两个工作模式：市电并联模式和功因修正模式。

2.1 单一模式

图5显示的是在双向换流器工作在市电并联模式下的双向逆变器的直流侧电压波形、输出电压和输出电流波形。在这个模式下，双向换流器将供应负载后剩余的能量溃入市电端。所以可看到换流器的输出电流跟输出电压是同相的，并且频率都为50 Hz，满足设计要求。而在PFC模式下，由于太阳能不够供应负载所需，所以双向换流器的主要功能是提供将市电的能量转化为负载能量。图6所示是逆变器工作在功因矫正模式下的线电压波形、换流器输出电流波形和直流侧电压波形。在该模式下，换流器输出电流与线电压是反相的，并且直流侧电压可以稳定在标定范围内。

图5 市电并联模式下的直流侧电压波形()、输出电压()和输出电流()波形

2.2 模式转换

图7和图8展示的是双向换流器操作模式在GC模式和PFC模式之间的转换。在图7中，操作模式从GC模式变换到PFC模式。可以看到，直流侧电压降低，但是仍然可以稳定在标定范围内。换流器输出电流由与线电压同相变成与线电压反相。同理，可以看出当操作模式从PFC转换到GC时，换流器输出电流由与线电压反相变成与线电压同相。由此可以验证换流器可在两种模式间实现完美转换。

图6 功因修正模式下的直流侧电压波形()、输出电压()和输出电流()波形

图7 双向逆变器工作模式从GC变换到PFC

图8 双向逆变器工作模式从PFC变换到GC

2.3 负载变化

本文模拟了换流器工作在PFC模式下的负载变换情形。当负载由轻载变重载时，换流器输出电流降低，微控制器感应到后就会调节全桥开关的占空比，让更多的市电能量经过换流器溃入直流侧负载端，从而导致直流侧电压升高(图9)。

图9 负载由轻载变重载时直流侧电压波形()、输出电压()和输出电流()波形

3 结论

本文提出了一个带双向逆变器的太阳能供电系统，它可以操作在市电并联模式和功因修正两种模式下。本系统的特点是仅仅使用一颗微控制芯片并且不需要蓄电池等储能设备就可以使太阳能得到充足的利用。这样不仅仅可以降低成本，还可以最大程度地保护环境。电路模拟结果可以证实所提出的系统具有可行性。

致谢：本论文来自于广东工业大学与佛山市顺德区瑞德电子实业有限公司的研究生联合培养基地和省部特派员工作站项目。感谢该项目的设立，同时感谢企业导师郑魏对本人的指导和培养。

[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

郑魏(1980—)，男，湖北省人，硕士，主要研究方向为太阳能光伏逆变器。