带储能装置的双向逆变器研究与设计

杜志豪，王中鲜，李桂英，魏永庚

(黑龙江大学 机电工程学院，哈尔滨 150080)

带储能装置的双向逆变器研究与设计

杜志豪，王中鲜*，李桂英，魏永庚

(黑龙江大学 机电工程学院，哈尔滨 150080)

带储能装置的双向逆变器具有并网稳定、可实现能量双向流动的优点，在光伏发电系统能量传输中起着关键的作用。采用软硬件相结合的方法，分别设计了双向逆变装置系统硬件电路、软件程序，并测试了实际硬件系统，具有储能和逆变两种工作模式，用于实现储能装置能量与电网能量的互补双向流动。系统硬件电路设计主要包括双向Buck-Boost主电路和PC923驱动电路设计及参数计算选型、双向单相全桥逆变主电路和IR2110驱动电路设计及参数计算选型、STM32控制电路设计。系统软件程序设计主要包括主程序、PWM生成、SPWM生成、电压采集、按键扫描等子程序。通过搭建测试硬件系统，验证设计的双向逆变器满足任务要求。

储能装置；双向逆变器；双向斩波器；STM32；SPWM

光伏发电作为一种清洁能源在国内越来越多的人选择在自家的屋顶或庭院安装光伏发电设备，在电能方面自给自足的同时也能产生经济效益，然而传统光伏发电系统的结构不适用于这种分布式发电。随之而来，研究者将目光集中在光伏逆变器方面[1]，常见的光伏逆变器具有电能传输效率高的优点[2]，当光伏能量充足时，可将多余电能并入电网；如果逆变器可以双向流动，则当蓄电池或者光伏能量不足时，可将电网电能向本地负载或者蓄电池供电。

带储能装置的双向逆变器具有并网电压稳定、可实现能量双向流动的优点，既可实现储能过程，也可以实现逆变过程，一套设备实现两种功能，减少了电路中元器件的使用数量，使得系统的可维护性更好，同时也节省了空间及成本。因此，研究一种具有较高稳定性与经济性的双向逆变器具有重要意义。

本设计主要目的是研究一种可稳定运行的储能装置用双向逆变器，通过对系统中开关器件的精确控制，同时通过检测直流侧电压值进行回馈调节，使系统稳定高效地工作于储能与逆变两种模式下，实现能量的互补流动。当蓄电池能量充足时，蓄电池中电能经双向斩波器升压后，再经双向逆变器逆变成交流电能传输给电网；当太阳能与蓄电池提供的能量不足以满足本地负载时，能量由交流电网接入，整流后接双向斩波器降压后向蓄电池组充电，将能量存储在蓄电池内，供给本地负载使用。其中，双向逆变器的控制方法为SPWM控制，双向斩波器的控制方法为PWM控制，两种方法的控制信号均由STM32单片机控制输出。

1 总体方案设计

此设计总体方案的结构框图见图1。

图1 系统总体结构框图Fig.1 Overall block diagram of the system

图1中，①为系统工作于逆变模式；②为系统工作于储能模式。蓄电池组选用16节蓄电池串联，单节蓄电池参数为12 V/60 Ah。

双向DC-DC电路作为双向逆变器的调压部分，在系统工作于逆变模式时将蓄电池侧的直流电提升至逆变所需的电压等级；在系统工作于储能模式时将双向逆变器侧整流后的直流电降低至可供蓄电池充电的电压等级。其中，双向DC-DC电路选择双向Buck/Boost电路。

双向逆变器选择典型单相全桥双向逆变电路[3]，在系统工作于逆变模式时将双向DC-DC升压后的直流电逆变成电网需求的交流电并入电网；在系统工作于储能模式时完成AC/DC的转换。

驱动电路将控制信号提升至可控制主电路中开关管导通的电压等级，用于驱动主电路中开关管动作。驱动电路需要考虑隔离问题，防止主电路出现故障时损坏控制电路。选取两片PC923芯片及其外围电路作为双向DC-DC的光耦隔离，两片IR2110及其外围电路作为双向逆变电路的驱动电路。

电压采集电路选用电阻分压方式，通过采集直流母线两端的电压值判断逆变模式时直流侧电压是否在额定电压范围内，如果电压超过额定电压则降低直流变换部分的升压占空比；如果电压小于额定电压则提高直流变换部分的升压占空比。

选用STM32单片机作为系统主控芯片，用以实现前后两级控制波形输出、电压采集、模式切换，生成PWM和SPWM两种信号分别控制双向DC-DC电路中开关管与双向逆变器电路中开关管的导通和关断[4]。控制电路根据采集到的直流侧电压值进行回馈，以使系统工作于稳定状态。

2 硬件电路设计

系统主电路采用双级式结构，见图2。前级采用双向Buck/Boost电路作为单相全桥双向逆变电路的调压电路，后级采用单相全桥双向逆变电路[5-6]。

图2 系统主电路图Fig.2 Main circuit diagram of the system

2.1 双向Buck/Boost主电路及驱动设计

2.1.1 双向Buck/Boost主电路设计

图3 双向Buck/Boost变换器的电路结构Fig.3 Circuit structure of the bidirectional Buck/Boost converter

双向Buck/Boost电路见图3，是一种应用非常广泛的非隔离式双向DC/DC电路拓扑结构[7]。双向DC/DC电路的一端接入16节蓄电池串联组成的蓄电池组[7]，另一端接400 V直流母线。非隔离式双向DC/DC变换器具有体积小，重量轻的优点，但其自身没有隔离，因此需要单独考虑隔离问题[8]。

1)当储能系统工作于储能模式时，双向Buck/Boost变换器中的电能由直流母线流向电池，电能由V1传输至V2，实现蓄电池的充电过程，见图4。此时，双向变换电路等效为一个Buck电路。

2)当系统工作于逆变模式时，双向Buck/Boost电路等效图见图5。此时，电路等效为一个Boost电路。

图4 双向斩波变换器储能模式的等效电路图Fig.4 Equivalent circuit of the energy storage mode

图5 双向斩波变换器逆变模式的等效电路图Fig.5 Equivalent circuit of the inverting mode

2.1.2 驱动电路设计

双向DC/DC变换器中开关器件的驱动电路见图6。由于本设计所选的控制芯片引脚输出电压很小，不足以驱动开关管的导通关断，需要搭建驱动电路实现驱动电压放大。PC923芯片内部集成了驱动电路与隔离电路，只需要少量元器件组成的外围电路即可完成驱动开关管的作用，具有操作简单，易于搭建的特点。一个PC923可驱动一个开关管的动作，需要两个PC923驱动电路实现双向直流变换电路的驱动。

2.2 单相全桥双向逆变主电路及驱动设计

2.2.1 双向全桥逆变主电路设计

在双向全桥逆变电路中，开关器件选择4个MOSFET，通过控制Q1、Q4和Q2、Q3的交替导通，结合电路中的4个二极管实现能量双向流动。

图6 PC923驱动电路图Fig.6 PC923 drive circuit diagram

1)逆变模式。双向逆变器工作于逆变模式见图7。能量由直流侧V2输入，转化成交流能量输出。t1时刻，Q1与Q4导通，电路输出正向波形。t2时刻，Q1与Q4关断，负载电感中的电流经过D2与D3使其导通续流。t3时刻，Q2与Q3导通，电路输出反向波形。t4时刻，Q2与Q3关断，负载电感中的电流经过D1与D4使其导通续流。之后的工作过程与上述流程相同。

2)储能模式。当双向逆变器的能量由交流测向直流侧传输时，由控制器控制4个MOSFET全部关断。此时，等效电路见图8，为电容滤波的不可控整流电路。

图7 逆变模式时全桥逆变电路图Fig.7 Equivalent circuit of the inverter mode

图8 储能模式时双向逆变等效电路图Fig.8 Equivalent circuit of the energy storage mode

2.2.2 驱动电路设计

单相全桥双向逆变电路的驱动电路[9]见图9，由光耦芯片PC817和IR2110芯片及其外围电路组成。因为每片IR2110可控制两个开关管导通关断，所以需要两个IR2110电路控制全桥逆变的4个开关管。IR2110芯片常用于桥式电路的驱动，具有高集成度、响应快、驱动强的优点。光耦隔离芯片PC817将控制端与主电路完全隔离，可以增强系统的安全性，减少扰动，简化电路。

2.3 LC滤波电路设计

开关器件工作于高频状态时会产生高次谐波，需要经过滤波电路得到符合要求的正弦波形。本系统采用LC型滤波电路，具有并网控制简单、高效地滤除高频电压等优点。

图9 带光耦隔离的IR2110驱动电路图Fig.9 Circuit of IR2110 drive circuit with the optocoupler isolation

2.4 控制电路设计

控制芯片需要实现的功能见表1。

根据表1列出的系统需要实现的功能及对芯片的具体要求，所选主控芯片的型号为STM32F103RCT6。

表1 控制芯片需要实现的功能

图10 主程序流程图Fig.10 Flow chart of main program

3 软件程序设计

本设计通过控制电路输出信号控制硬件电路中开关管的工作，进而实现系统的两种工作模式。为了使编写的程序具有易读、易写、可移植的特点，以及能够体现出程序的层次，软件程序设计采用模块化编程的方式，分别设计主程序与各模块的子程序，并分别调试各模块子程序，在可单独实现每个模块功能的条件下，将程序整合，完成整个系统的程序设计。主程序流程图见图10。

由图10可见，首先需要定义控制系统的引脚、各定时器的使能，然后通过按键扫描子程序判断程序工作于逆变模式或储能模式。

当系统工作于逆变模式时，首先由控制芯片输出具有一定初值的PWM信号控制BOOST开关管及4路用于逆变电路的SPWM波形；然后通过采集直流输出电压进行判断，如果小于380 V，则通过提高输出控制波形脉冲宽度使输出直流电压高于380 V；再判断直流电压是否工作于正常范围，如果超过420 V，则通过降低BOOST开关管的占空比使输出的直流电低于420 V，使系统工作于正常的输出电压范围。

4 硬件实现及测试分析

4.1 硬件实现

目前，Protues仿真软件无法对STM32F103RCT6芯片进行在线软件仿真，因此在硬件电路设计和软件程序设计完成后，首先需要搭建实际硬件电路，然后采用实际硬件调试方式对软件程序进行验证。由于实验条件有限，并且考虑到测试的安全性，将搭建的电路在小功率的条件下进行测试。

在KEIL环境下编写和调试控制程序，确认没有语法错误并且各个引脚输出波形为设计需求时，按照分模块方式进行调试，见图11。首先，分别调试前后级电路；然后，在前后级电路都可独立实现的情况下，联合调试系统所有模块以及控制部分。

4.2 测试分析

在实际的测试中，需要通过示波器测试分析主电路中各个部分，以确认系统在正常条件下工作。首先需要采集驱动电路的输出波形。由于驱动电路输出的驱动电压等级决定了开关管是否能够正常的开启，因此当驱动电压不足时，则无法使开关管动作，以至于电路不工作。

PC923电路输出的驱动电压波形见图12。驱动波形脉冲频率为20 kHz，驱动电压为10 V，实验中所用开关管的最小开启电压为4 V，经放大后的驱动信号可以正常驱动开关管，使双向DC-DC中两开关管按照固定的占空比工作。

图11 整体电路调试Fig.11 Overall circuit debugging

图12 PC923驱动波形Fig.12 PC923 drive waveform

IR2110电路输出的驱动电压波形见图13。驱动电压为14 V，可正常驱动开关管工作。脉冲频率为10 kHz，脉冲宽度不断变化，可实现对单相全桥逆变开关管进行控制，使逆变电路输出符合正弦变化的交流电。

系统工作于逆变模式的交流输出波形见图14。通过对波形分析，电压有效值为10.2 V，正弦周期为50 Hz，正弦度较好，符合设计要求。

图14 逆变模式交流输出波形Fig.14 AC output waveform of the inverter mode

系统工作于储能模式的直流输出电压经万用表测量为12 V，符合设计要求。

5 结 论

本文采用软硬件相结合的方法，设计完成了一种储能装置用双向逆变器，具有储能和逆变两种工作模式，可以实现蓄电池组与电网之间能量的互补流动。尽管整体基本达到设计要求，本设计存在如下缺陷：电压采样电路选用电阻分压方式进行采样，使得采样存在一定的误差，对系统稳定会造成一定影响；本设计是在小功率条件下进行实物测试，虽然在小功率测试条件下可正常运行，但没有在大功率条件下进行测试，比如前级后级之间的解耦问题。

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(本期责任编辑：张松波王红星邹晓艳英文审校：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

黑龙江省自然科学基金资助项目(E2016052)；黑龙江省高校基本科研业务费黑龙江大学专项资金项目(HDJCCX-201622)；哈尔滨市科技创新人才研究专项资金项目(2016RQQXJ107)

杜志豪(1994-)，男，黑龙江宝清人，硕士研究生，研究方向：电力电子先进高效率变流技术，E-mail: 873163213@qq.com；*

王中鲜( 1982-)，男，黑龙江哈尔滨人，高级工程师，研究方向：电力电子先进高效率变流技术，E-mail: mrzhxw@163.com。