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具有储能功能的双模式光伏逆变器的研究
摘要 具有储能功能的双模式光伏逆变器能在并网、离网两种状态下工作，无论电网正常、异常还是白天或者夜晚均可为用户提供电力，应用范围广泛。论文设计双模式光伏逆变器的硬件和软件，研究并网、离网两种模式相互切换策略，并研制了样机，实验结果表明样机实现了两种模式平滑切换、效率高、电压畸变率低。 关键词：P/Q控制 U/f控制 孤岛保护 并离网模式切换
中图分类号：TM315
Research of Dual Mode PV Inverter with Energy Storage Function
Zheng Changbao Huang Juan Su Junsen
(School of Electrical Engineering and Automation, Anhui University, Hefei 230601,China)
Abstract The dual mode photovoltaic power generation with energy storage function has grid-connected mode and off-grid mode. It can provide energy for users no matter what the grid is normal or abnormal, or no matter what it is during day or night. So it has been widely used. This paper designs the hardware and software of the dual mode photovoltaic inverter, studies the switching strategies between the two modes, develops the prototype and builds simulation model. The results of simulation and experiment show that the prototype has realized the smooth transition between the two modes and it has high efficiency and low voltage distortion rate.
Keywords：P/Q control, U/f control, islanding protection, the switching between off-grid mode and grid-connected mode
太阳能是一种取之不尽用之不竭的清洁可再生能源，近几年光伏产业发展迅速[1]。当电网断电后，由于孤岛保护，并网光伏逆变器则切离电网并停机，只有当电网恢复正常供电时才再次投入电网。并网光伏逆变器在电网断电的情况下，太阳能电池板所发的电能都没有被利用，降低了太阳能的利用率[2]。离网光伏逆变器受天气的影响，供电不稳定[3]。
论文研制具有储能功能的双模式光伏逆变器，该逆变器具有并网、离网两种模式，研究两种模式间相互切换策略。逆变器在电网侧正常供电情况下并网发电，而当检测出孤岛发生时，则切换至离网模式发电为负载供电。逆变器带有储能装置，当光照条件较好的情况下可以将多余的能量储存起来，当光照条件不好时由储能装置向负载提供能量，弥补了并网逆变器和离网逆变器各自的不足。
2 双模式光伏逆变器的硬件设计
2.1 主电路
双模式光伏逆变器的主电路图如图1所示。电路由两部分构成：前级电路和后级电路。此种设计方式减小了体积，减轻了重量，提高了效率，同时也降低了成本[4]。前级电路由太阳能电池板、储能装置（蓄电池）、主电路控制继电器K1、BOOST升压电路组成；后级电路是逆变输出电路，由单相全桥逆变电路、LCL滤波电路以及并离网控制继电器(K3、K4)等组成。当满足并网条件时，则K3和K4向上吸合，使得逆变输出电路接入电网运行；当不满足并网条件时，则K3和K4向下吸合，系统切换到离网模式运行。下面将从离网和并网两个方面来介绍逆变器的控制原理。
图1混合型光伏逆变器主电路图
Fig.1 Main circuit diagram of hybrid photovoltaic inverter
2.2 主控电路及采样电路
该逆变器的主控芯片采用TI公司的TMS320F2808。该款芯片具有低成本、低功耗和高性能的特点，并且系统时钟频率可达100MHz，特别适用于控制领域[5]。
图2给出了电压采样电路原理图。电压信号经过电压互感器后得出电流信号，此电流信号再流过采样电阻，在采样电阻两端可以得出电压分量，此电压分量再经过调理电路最后送到主控芯片的A/D转换端口，经过主控芯片采样并处理以后再输出相应的控制信号。
图2电压采样电路原理图
Fig.2 The schematic diagram of the voltage sampling circuit
图3给出了电流采样电路原理图。电流采样原理与电压采样原理相似，此处不再赘述。
图3电流采样电路原理图
Fig.3 The schematic diagram of the current sampling circuit
3 工作模式
3.1 并网模式(P/Q模式)
并网运行时控制逆变输出电流为正弦波，并且采用锁相环(PLL)捕获电网电压的过零变正点，保持两者同步。这种控制模式涉及功率的流动，所以又被称为P/Q模式。
考虑到系统的使用寿命，优先对蓄电池充电。电感L2、续流二极管D4、继电器K2、绝缘栅双极晶体管V6组成了蓄电池的充电电路。当蓄电池充满电之后，则再向后级输送能量。
BOOST电路的主要工作是追踪太阳能电池板最大功率点所对应的电压，并稳定在此电压下工作。逆变电路一方面稳定直流母线电压，另一方面也控制逆变输出电流跟随给定值。图4给出了逆变输出电路的控制结构图，电流给定值计算公式如式(1)所示。
(1)
式中、、、、分别为直流母线工作电压、直流母线电压给定值、逆变输出电流的给定值、PID调节器的比例系数和积分环节系数。
图4逆变电路控制结构图
Fig.4 The control structure of inverter circuit
3.2 离网模式(U/f模式)
在离网模式下，仅控制逆变输出电压和频率，因此此种模式又被称为U/f模式。BOOST电路的功能转换为保证直流母线电压为恒定值，图5给出了BOOST电路的控制结构图，其占空比计算公式如式(2)所示。
(2)
图5 BOOST电路控制结构图
Fig.5 The control structure of BOOST circuit
3.3 单相倍频PWM控制技术
逆变器采用单极倍频算法，控制输出电压为正弦波，频率为50Hz、电压有效值为220V[6]。图6给出了单极倍频PWM技术的原理。设调制波的函数为：和，为调制度且有，为频率(此处取为50Hz)；载波为三角波，幅值在-1到1之间，其周期为，式3给出了第k个周期内的脉宽计算步骤。
图6 单极倍频PWM技术原理
Fig.6 The algorithm principle of single pole double frequency
(3)
采用单极倍频算法，一方面可以提高等效开关频率，另一方面也降低了对滤波电感的要求，进而提高了效率，减小体积[7]。
4 并离网光伏逆变器的软件设计
图7给出了系统的软件设计流程图。考虑到系统的使用寿命，需要优先对蓄电池充电，因此系统开启后，首先检测蓄电池和太阳能电池板状态。若蓄电池亏电，且太阳能电池板有能量输出，则优先对蓄电池充电，防止蓄电池亏损，蓄电池充满后，若太阳能电池板仍有能量输出，则再向负载供电；若蓄电池亏电，且太阳能电池板没有能量输出，则停机。当电网侧无供电，系统需要在离网模式下工作，控制逆变输出电压和频率的稳定；当电网恢复供电后，则系统需要切换到并网模式下工作，控制逆变输出电流的相位与电网电压相位同步[8]。
4.1 停机与离网模式间切换方法
当太阳能电池板或者蓄电池有输入且电网侧无供电情况下，逆变器由停机切换到离网模式，即太阳能电池板输出能量经过U/f模式输送到后级。BOOST电路的工作为控制直流母线电压为恒定值，逆变电路控制输出电压为正弦波（滤波后）、有效值为220V、频率为50Hz。在太阳能电池板没有能量输出且蓄电池亏电的情况下，系统将由离网模式切换到停机。
4.2 离网模式与并网模式间切换方法
在电网恢复供电的情况下，系统从离网模式切换到并网模式。首先BOOST电路的工作转为追踪太阳能电池板最大功率点所对应的电压。当直流母线电压满足条件时[4]，则采用P/Q算法控制逆变输出电流的相位与电网电压相位保持同步，并向上吸合继电器K3、K4，从而接入电网。在并网模式下，当检测到孤岛发生时，且此时太阳能电池板有输入，则经过一个电网周期的延迟，逆变器将由并网模式切换到离网模式为负载供电。延迟一个电网周期是考虑到继电器的开关延迟，避免造成短路而损坏器件或者更大的伤害。
图7软件设计流程图
Fig.7 Flow chart of software design
4.3 并网模式与停机间切换切换方法
当电网侧正常供电，但由于光照强度较弱，太阳能电池板输出能量较少，则由蓄电池为负载供电。当蓄电池亏电时，则系统需要由并网模式切换到停机，防止蓄电池因亏电而影响其使用寿命。在光照强度再次恢复时，则再次由停机切换到并网模式为负载供电。
5 实验结果
图8给出了由离网模式切换到并网模式的电流波形图，可以看出当并网条件满足时，逆变器立即由离网模式切换到并网模式。
图8离网模式却换到并网模式的电流波形
Fig.8 The current waveform from off-grid mode to grid-connected mode
图9给出了逆变器由并网模式切换到离网模式的电流波形。当不满足并网条件时，则延迟一个电网周期后切换到离网模式。
图9并网模式却换到离网模式的电流波形
Fig.9 The current waveform from grid-connected mode to off-grid mode
图10和图11分别给出了离网模式下以及并网模式下逆变器输出电压波形。图10中CH4通道显示的波形为锁相环的输出波形，捕捉电网电压的过零变正点。
图10离网模式下的输出电压波形
Fig.10 The output voltage waveform under off-grid mode
图11并网模式下的输出电压波形
Fig.11 The output voltage waveform under grid-connected mode
6 结论
本文研究双模式光伏逆变器，逆变器采用两级结构，设计逆变器的硬件和软件，研究了并网模式、离网模式及其相互切换策略，样机实验结果验证了切换策略的有效性。
参考文献
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