独立/并网双工模式下光伏逆变系统的设计实现

来源:电源网发布时间:2013-12-04 14:00:30
 针对目前光伏逆变系统工作模式的单一性,提出一种独立/并网双工模式逆变系统。主电路采用隔离型全桥DC/DC变换器构建前级,使用移相PWM零电压转换(ZVS)控制;采用全桥逆变器构建后级,使用单极性倍频SPWM。在主电路拓扑基础上,研究了各部分的控制方法,给出逆变时不同工作模式下的控制框图,并采用前馈控制方法对其进行改进。提出了一种基于芯片UTC4053的电路切换方法来实现并网和独立两种工作模式的转换。最后研制出一个1 kW的实验样机来验证方案的可行性。

引言

逆变系统作为光伏发电核心,目前基本是独立或并网工作运行。若将两者有效结合,则可进一步拓展系统应用范围,简化结构,减少投资。此处提出一种独立/并网双工模式逆变系统。该系统通过隔离型全桥DC/DC变换器构建前级,采用高频变压器减小系统体积,使用移相PWM ZVS控制方法降低开关损耗;通过全桥DC/AC逆变器构建后级,采用单极性倍频SPWM方法,加强消除和抑制谐波,提高系统效率。在此基础上,分析了各部分的控制方式,对两种工作模式下的逆变控制方法做出改进。最后提出一种新型的电路切换方法,用以实现工作模式的转换。

系统主电路拓扑

此处采用两级式结构,能实现电气隔离,且控制灵活简单。图1示出主电路拓扑。
1
工作过程分为两步:
QQ截图20131204140124
(1)前级隔离型全桥DC/DC变换器将变化低压直流输入提升至400 V的稳定高压直流输出。

该部分一方面利用开关管结电容和变压器漏感实现电路ZVS,以此减小开关损耗,提高系统效率;另一方面增加隔直电容来解决因开关管特性不一致,而使变压器初级产生直流分量,从而导致的偏磁问题。

(2)后级全桥逆变器将400 V的稳定高压直流输入逆变为220 V/50Hz的正弦交流输出。

该部分通过单极性倍频SPWM方式以较低的开关频率实现2倍等效开关频率,以此降低开关损耗,且有助于消除谐波,提高电能输出质量。当并网开关打开时,系统独立运行,给负载供电;当开关闭合时,系统并网运行,输出馈入电网。

控制方法
1、DC/DC控制方法


前级隔离型全桥拓扑采用基于移相控制芯片UC3875的电压电流双环控制方法,如图2所示。

QQ截图20131204140214
2-2
控制思想是:UC3875输出4路PWM脉冲,通过驱动电路控制主电路中的VT1~VT4。输出的直流母线电压通过信号采集电路后,与UC3875内部标准信号比较,调节4路PWM输出脉冲的相位差,以此来稳定输出。输入电流通过信号采集电路后,与UC3875内部的过流保护信号阀值作比较,一旦过流,UC3875锁定跳停,DC/DC停止工作,完成输入过流保护。

2、 DC/AC控制方法

由于逆变系统工作于独立和并网模式时,系统状态相差甚远,故需有两种不同的控制方法。

2.1、独立控制

逆变器独立运行时采用电压控制模式,控制框图如图3a所示。控制思想是:uo经采样反馈后与正弦波参考电压信号uref作比较,误差信号经过PI调节,再经SPWM发生器产生相应的驱动信号,送入主电路驱动开关管。由控制框图可得系统传递函数为:

QQ截图20131204140223
3-3
根据控制理论,对于一个闭环系统,低频段要有足够增益,以提高系统的稳定性能;中频段要以-20 dB/dec穿越横轴,使相角裕量足够大;高频段要快速下降,以提高抗干扰能力。

分析式(3),可知系统中频段是以-40 dB/dec穿越横轴的,不符合要求。此处采用前馈方式对系统加以校正。图3b示出校正后的控制框图。通过选取合适的参数,便可使系统获得良好的性能。

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4
2.2、并网控制

由于电感电流不能突变,故逆变器并网运行时采用电流控制模式,控制框图如图4所示。

QQ截图20131204140323

 

 
5
控制思想是:输出电感电流io经采样反馈后,与经同步处理后的、与电网电压同频同相的正弦波参考电流iref作比较,误差信号经过PI调节后,再经SPWM发生器产生相应的驱动信号,送入主电路驱动开关管。

在逆变器并网启动瞬间,若未能快速建立电流环的有效跟踪,会造成电流跟踪相位差过大,可能超过90°,则系统会倒灌电流,吸收电网电能。若短时间内不能控制电流跟踪相差,则会造成系统过压保护动作。因此,系统对并网电流的控制不仅要注意其稳态性能指标,还要关注其动态指标。

由图3b可见,电网电压相当于外部扰动,该扰动在控制环节中的影响不容忽视。所以,需要在扰动作用点之前的前向通道中增加一个前馈控制量进行抑制,这样便可有效改善系统的动态性能。

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6
令G3(s)=1/KPWM,则有Io=0。可见,通过电网电压的前馈控制,可从理论上达到对电网电压扰动的全补偿要求。

2.3、独立/并网模式切换

由上述分析可知,独立、并网两种工作模式分别有其各自的控制方法,而不同的控制方法又需通过不同的电路来实现。所以,逆变系统工作模式的切换在硬件上就表现为对控制电路的切换。此处采用芯片UTC4053来完成这一要求。

根据UTC4053的特性,设计出模式选择部分电路如图5所示。

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7
MOD_SEL为模式选择信号,由单片机控制,REF_SIN为参考正弦信号,由单片机给定,EA_OUT为误差信号,Io_SENSE为输出电流反馈信号,Uo_SENSE为输出电压反馈信号。R7~R10,C4,C5和运放U1构成逆变系统并网工作时的反馈控制电路,R11~R15,C7,C8和运放 U2构成逆变系统独立工作时的反馈控制电路。

该部分电路工作原理为:①当MOD_SEL=1时,VQ1导通,A=B=0,C=0,则通道ax,bx打开。REF_SIN由a端输入,ax端输出,与电压反馈信号VC_SENSE作比较。经图中所示运放电路调理后的信号从bx端输入,b端输出,该信号为EA_OUT。此时为独立运行模式;②当 MOD_SEL=0时,VQ1关断,A=B=1,C=0,则通道ay,by打开。REF_SIN由a端输入,ay端输出,与电流反馈信号IL_SENSE 作比较。经图中所示运放电路调理后的信号从by端输入,b端输出,该信号为EA_OUT。此时为并网运行模式。

设计实例与实验结果

此处设计了一个1 kW的光伏逆变系统。采用图1所示拓扑,主要参数为:输入电压35~75 V,输出电压220 V,输出电压频率50 Hz,直流母线电压400V,输出功率1 kW,变压器初次级匝数比8:96,隔直电容88μF,滤波电感分别为3.3 mH和1.2 mH,滤波电容分别为600 μF和2.2μF。

系统采用AVR单片机ATMEGA64作为主控芯片。DC/DC部分VT1~VT4采用IXFK180N10型MOSFET管,VD1~VD4采用 MUR8120型快恢复二极管,开关频率f=62.5 kHz,高频变压器磁芯采用PQ50/50,使用丝包线绕制。DC/AC部分VT5~VT8采用47N60C3型MOSFET管,f=32 kHz。
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为验证工作原理,用示波器进行检测。图6a为输出滤波前高频调制电压波形。可见,电压幅值约350 V,频率50 Hz。图6b为独立逆变模式下,逆变器带电阻性负载工作波形。可见,逆变器可输出理想的220 V/50 Hz正弦电压,在带负载时,仍能保持良好正弦性。经实测,满负载输出时电压THD≤3%,满足要求。图6c为并网逆变模式下,逆变器工作波形。可见,逆变器输出4.5 A/50 Hz正弦电流,且电流相位稍微滞后于电网电压,因为MCU的数据处理耗费了一定时间。忽略这一点,输出电流与电网电压基本同频同相。经实测,额定功率输出时电流THD≤5%,满足要求。

结论

此处针对光伏逆变系统,提出一种独立/并网双工模式逆变系统,分析了逆变器拓扑结构及控制原理,采用前馈控制进行改进,提出一种用于切换两种工作模式的方法,并研制一台实验样机验证可行性。结果表明该方案研制的逆变系统工作稳定,运行可靠,可分别工作于独立、并网两种模式,且能自由切换。系统具有良好的应用前景。


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