基于光伏發(fā)電的UPS雙向逆變器控制策略的研究應(yīng)用分析

1、基于光伏發(fā)電的UPS雙向逆變器控制策略的研究司莎莎， 鄭加， 崔昊辰（安徽理工大學(xué)，安徽 淮南 232001）摘要：提出了一種帶有光伏發(fā)電的UPS系統(tǒng)，闡述了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。在分析雙向變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作原理的基礎(chǔ)上，采用基于前饋解耦控制的雙環(huán)控制策略，實(shí)現(xiàn)整流逆變不同模式的自動(dòng)切換以達(dá)到能量雙向流動(dòng)的目的。該方法具有輸入電流無(wú)靜差跟蹤，對(duì)電網(wǎng)諧波污染少、功率因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：帶有光伏發(fā)電的UPS；雙向逆變器；前饋解耦中圖分類號(hào)：TM464 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-1390（2014）00-0000-00Research on the Control Strategy of

2、Photovoltaic Power Generation based UPSPV UPS with Bi-directional Inverter Control StrategySI Sha-sha, ZHENG Jia, CUI Hao-chen（Anhui University of Science & Technology, Huainan 232001, Anhui, China）Abstract: This paper presents aA UPS system with PV photovoltaic power generation has been proposed in

3、 this paper andto explain the structure of the system has been stated in detail. In On the basis of analyzing the bidirectional converter topology, and working principle, based on thea feedforward decoupling based double loop feedforward control loop control strategy has been adopted to achieve the

4、automatic switch in different modes of rectifier inverter automatically switches as so to to achieve a energy bi-direction flow.achieve the purpose of energy flow in both directions. This method hasThere is not any no static error tracking input current, and the harmonic pollution is low as well as,

5、 the power factor advantagesis high.Key words: with a photovoltaic power generation UPS, bi-directional inverter ,feedforward decoupling0 引 言 在傳統(tǒng)并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池與電網(wǎng)通過(guò)雙向逆變器連接，光伏電池陣列通過(guò)整流器與電網(wǎng)連接。本文設(shè)計(jì)研究了一種帶有光伏發(fā)電的UPS系統(tǒng)，這種系統(tǒng)用在線互動(dòng)式UPS來(lái)連接電網(wǎng)與光伏發(fā)電系統(tǒng)，用雙向變換器來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，這樣比傳統(tǒng)的并網(wǎng)型發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，節(jié)省成本1-3。本文從帶有光伏發(fā)電的UPS結(jié)構(gòu)出發(fā)，研究了變

6、換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作原理，根據(jù)前饋解耦控制原理，設(shè)計(jì)了電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)的控制策略，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了控制策略的可行性。1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)帶有光伏發(fā)電的UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由光伏發(fā)電單元，DC/DC變換器，蓄電池，雙向變換器等構(gòu)成。 圖1帶光伏發(fā)電的UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of UPS systems with photovoltaic power generation根據(jù)光伏發(fā)電的特點(diǎn)，采用一種兩電平雙向變換器來(lái)實(shí)現(xiàn)交直流之間的能量轉(zhuǎn)換。當(dāng)電網(wǎng)正常工作時(shí)，普通市電電源首先經(jīng)位于UPS內(nèi)部的變換器整流成直流穩(wěn)壓電源，然后再利用電壓空間矢量調(diào)制法（SVPWM）

7、在逆變器內(nèi)重新將直流電源變成純正的高質(zhì)量正弦波電源，給負(fù)載供電4-5。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，由光伏電池陣列將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，經(jīng)過(guò)DC/DC變換器一邊降壓給蓄電池充電，一邊再通過(guò)變換器逆變成交流電供給用戶。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，雙向逆變器需要協(xié)調(diào)自身的電壓和頻率與電網(wǎng)電壓、頻率保持一致，同時(shí)還需控制蓄電池的充放電電壓、電流的大小及方向。2 兩電平雙向變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 兩電平雙向變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖2所示。圖2 雙向變換器的主電路圖Fig.2 Main circuit of bBi-directional converter main circuit當(dāng)時(shí)，PWM整流器可以實(shí)現(xiàn)雙向變換的功能。ex表示各

8、相網(wǎng)側(cè)電壓，ix表示各相網(wǎng)側(cè)電流，ux表示PWM整流器的交流側(cè)輸出電壓，x=a，b，c。L和R代表交流側(cè)濾波電感。Udc表示中間直流電壓，C為直流側(cè)支撐電容，idc表示直流電流。其中定義開關(guān)函數(shù)為：根據(jù)基爾霍夫電壓定律建立靜止坐標(biāo)系下三相電壓回路方程為： （1）d-q坐標(biāo)系下的電壓方程： （2）3 變換器的控制策略3.1 前饋電流解耦控制在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，由于有功電流與無(wú)功電流相互耦合，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)有功和無(wú)功分量進(jìn)行獨(dú)立調(diào)節(jié)，控制性能差，需要采用電流解耦處理實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，定義電網(wǎng)電壓矢量與d軸同相，要實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行，則交流側(cè)電流矢量需要跟蹤電網(wǎng)電壓矢量，因此交

9、流側(cè)電流矢量只含有d軸分量，其q軸分量為零。忽略交流側(cè)回路電阻Rs，下式是運(yùn)行在單位功率因數(shù)的電壓狀態(tài)方程： （3）采用PI調(diào)節(jié)，由電流的實(shí)際值與給定值調(diào)節(jié)得到： （4） 將式（3）和式（2）帶入式（1）得電流完全解耦的線性模型，其狀態(tài)方程為： （5）從上面的狀態(tài)方程可以看出，基于前饋解耦控制算法實(shí)現(xiàn)了兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中交流側(cè)電流（）的解耦6-9。3.2 變換器的可逆運(yùn)行及雙環(huán)控制原理3.2.1可逆運(yùn)行原理三電平雙向變換器的單相等效電路及矢量圖如圖3所示。圖（a）是交流側(cè)低頻等效電路，圖（b）是相量圖。 圖3 變換器單相等效電路及向量圖Fig.3 Single-phase converter

10、 equivalent circuit and vector diagram of converter 圖中Us表示單相網(wǎng)電壓幅值；Ur表示變換器橋臂電壓幅值；是滯后于的角度。 （6）由式（6）可知：P0時(shí)，能量從交流側(cè)流向直流側(cè)，變換器工作在整流狀態(tài)；P0時(shí)，能量從直流側(cè)流向交流側(cè)，變換器工作在逆變狀態(tài)。網(wǎng)側(cè)電流的方向和大小取決于的正負(fù)和的大小，因此通過(guò)控制調(diào)制比大小和的正負(fù)，就可以控制功率的大小和流向。其向量如圖4所示。圖4 單位功率因數(shù)矢量圖Fig.4 Unit power factor vector diagramVector unity power factor當(dāng)系統(tǒng)整流運(yùn)行時(shí)，既要

11、穩(wěn)定蓄電池輸出電壓，又要使電網(wǎng)輸入電流跟蹤輸入電壓，因此采用電壓電流雙環(huán)結(jié)構(gòu)：整流運(yùn)行時(shí)，UPS經(jīng)變換器從電網(wǎng)獲取能量，Udc有下降的趨勢(shì)，變換器在電流環(huán)調(diào)節(jié)作用下自動(dòng)改變ur的大小和相位，形成與電源電壓同相的電流is；逆變運(yùn)行時(shí)，UPS經(jīng)變換器向電網(wǎng)注入能量，Udc有升高的趨勢(shì)，變換器同樣通過(guò)電流環(huán)的調(diào)節(jié)改變ur的大小和相位，形成與電源電壓反相的電流is，將直流側(cè)能量回饋電網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)8-10。 在基于dq坐標(biāo)系的前饋解耦控制策略中，電流環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器對(duì)電流給定的跟隨控制，使得整流器交流側(cè)電流為與網(wǎng)側(cè)電壓同頻、同相的正弦波，使雙向變換器滿足并網(wǎng)運(yùn)行要求，實(shí)現(xiàn)輸入電流無(wú)靜差跟蹤

12、，提高網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)。電壓環(huán)釆用了經(jīng)典的PI調(diào)節(jié)器，控制的目的是為了穩(wěn)定直流側(cè)電壓?？刂平Y(jié)構(gòu)圖如圖5所示。圖5 電流環(huán)電壓環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖 Fig.5 Current loop voltage loop control structure diagram4 仿真分析根據(jù)上文對(duì)前饋解耦控制原理的分析，在MATLAB/SIMULINK中搭建三相電壓型PWM雙向變換器的仿真模型。仿真參數(shù)為：三相電網(wǎng)電源380V/50Hz，交流側(cè)電感L=5mH，線路等效電阻R=0.1，直流側(cè)電容,直流側(cè)電阻,直流側(cè)電壓,開關(guān)頻率。圖6為前饋解耦控制模塊仿真模型。 圖6 前饋解耦控制模塊仿真模型Fig.6 Simulati

13、on model of Ffeedforward decoupling control module simulation model圖7 C相電壓與電流波形Fig.7 C-phase voltage and current waveforms圖7是C相電壓電流波形圖，其中圖（a）是變換器整流運(yùn)行時(shí)的波形圖，圖（b）是逆變運(yùn)行時(shí)的波形圖。從仿真結(jié)果可以看出，整流運(yùn)行時(shí)電壓電流同相位，逆變運(yùn)行時(shí)電壓電流反相，實(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)下的整流與逆變自動(dòng)切換運(yùn)行。5 結(jié)束語(yǔ) 通過(guò)將在線互動(dòng)式UPS與光伏發(fā)電相結(jié)合，將三相整流橋雙向逆變技術(shù)與蓄電池充放電相結(jié)合，在分析三相整流橋數(shù)學(xué)模型及工作原理的基礎(chǔ)上，采

14、用基于前饋解耦的雙環(huán)控制策略，實(shí)現(xiàn)了整流逆變不同運(yùn)行模式的自動(dòng)切換，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了能量的雙向流動(dòng)，并且具有較高的功牢因數(shù)對(duì)電網(wǎng)諧波污染小。仿真驗(yàn)證了控制策略的可行性和優(yōu)越性。參考文獻(xiàn)1 程艷, 李筍, 吳疆, 等. 具有諧波補(bǔ)償功能的單相并網(wǎng)逆變器改進(jìn)研究J. 電測(cè)與儀表, 2013, 50(9): 90-94. CHENG Yan, LI Sun, WU Jiang, et al. Improved Design of Single-Phase grid-connected Inverter with Harmanic Compensation FunctionJ. Electrical Me

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