基于光伏发电的UPS双向逆变器控制策略的研究应用分析.doc

基于光伏发电的UPS双向逆变器控制策略的研究司莎莎， 郑加， 崔昊辰（安徽理工大学，安徽 淮南 232001）摘要：提出了一种带有光伏发电的UPS系统，阐述了该系统的结构图。在分析双向变换器的拓扑结构、工作原理的基础上，采用基于前馈解耦控制的双环控制策略，实现整流逆变不同模式的自动切换以达到能量双向流动的目的。该方法具有输入电流无静差跟踪，对电网谐波污染少、功率因数高等优点。关键词：带有光伏发电的UPS；双向逆变器；前馈解耦中图分类号：TM464 文献标识码：A 文章编号：1001-1390（2014）00-0000-00Research on the Control Strategy of 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 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 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, the power factor advantagesis high.Key words: with a photovoltaic power generation UPS, bi-directional inverter ,feedforward decoupling0 引 言 在传统并网型光伏发电系统中，蓄电池与电网通过双向逆变器连接，光伏电池阵列通过整流器与电网连接。本文设计研究了一种带有光伏发电的UPS系统，这种系统用在线互动式UPS来连接电网与光伏发电系统，用双向变换器来实现能量的转换，这样比传统的并网型发电系统结构简单，节省成本1-3。本文从带有光伏发电的UPS结构出发，研究了变换器的拓扑结构、工作原理，根据前馈解耦控制原理，设计了电流内环和电压外环的控制策略，并通过仿真验证了控制策略的可行性。1 系统结构带有光伏发电的UPS系统结构如图1所示，主要由光伏发电单元，DC/DC变换器，蓄电池，双向变换器等构成。 图1带光伏发电的UPS系统结构框图Fig.1 Block diagram of UPS systems with photovoltaic power generation根据光伏发电的特点，采用一种两电平双向变换器来实现交直流之间的能量转换。当电网正常工作时，普通市电电源首先经位于UPS内部的变换器整流成直流稳压电源，然后再利用电压空间矢量调制法（SVPWM）在逆变器内重新将直流电源变成纯正的高质量正弦波电源，给负载供电4-5。当电网出现故障时，由光伏电池阵列将化学能转换为电能，经过DC/DC变换器一边降压给蓄电池充电，一边再通过变换器逆变成交流电供给用户。在系统运行过程中，双向逆变器需要协调自身的电压和频率与电网电压、频率保持一致，同时还需控制蓄电池的充放电电压、电流的大小及方向。2 两电平双向变换器的拓扑结构 两电平双向变换器的拓扑结构图如图2所示。图2 双向变换器的主电路图Fig.2 Main circuit of bBi-directional converter main circuit当时，PWM整流器可以实现双向变换的功能。ex表示各相网侧电压，ix表示各相网侧电流，ux表示PWM整流器的交流侧输出电压，x=a，b，c。L和R代表交流侧滤波电感。Udc表示中间直流电压，C为直流侧支撑电容，idc表示直流电流。其中定义开关函数为：根据基尔霍夫电压定律建立静止坐标系下三相电压回路方程为： （1）d-q坐标系下的电压方程： （2）3 变换器的控制策略3.1 前馈电流解耦控制在dq旋转坐标系中，由于有功电流与无功电流相互耦合，无法实现对有功和无功分量进行独立调节，控制性能差，需要采用电流解耦处理实现对系统的控制。在两相同步旋转坐标系中，定义电网电压矢量与d轴同相，要实现单位功率因数运行，则交流侧电流矢量需要跟踪电网电压矢量，因此交流侧电流矢量只含有d轴分量，其q轴分量为零。忽略交流侧回路电阻Rs，下式是运行在单位功率因数的电压状态方程： （3）采用PI调节，由电流的实际值与给定值调节得到： （4） 将式（3）和式（2）带入式（1）得电流完全解耦的线性模型，其状态方程为： （5）从上面的状态方程可以看出，基于前馈解耦控制算法实现了两相同步旋转坐标系中交流侧电流（）的解耦6-9。3.2 变换器的可逆运行及双环控制原理3.2.1可逆运行原理三电平双向变换器的单相等效电路及矢量图如图3所示。图（a）是交流侧低频等效电路，图（b）是相量图。 图3 变换器单相等效电路及向量图Fig.3 Single-phase converter equivalent circuit and vector diagram of converter 图中Us表示单相网电压幅值；Ur表示变换器桥臂电压幅值；是滞后于的角度。 （6）由式（6）可知：P0时，能量从交流侧流向直流侧，变换器工作在整流状态；P0时，能量从直流侧流向交流侧，变换器工作在逆变状态。网侧电流的方向和大小取决于的正负和的大小，因此通过控制调制比大小和的正负，就可以控制功率的大小和流向。其向量如图4所示。图4 单位功率因数矢量图Fig.4 Unit power factor vector diagramVector unity power factor当系统整流运行时，既要稳定蓄电池输出电压，又要使电网输入电流跟踪输入电压，因此采用电压电流双环结构：整流运行时，UPS经变换器从电网获取能量，Udc有下降的趋势，变换器在电流环调节作用下自动改变ur的大小和相位，形成与电源电压同相的电流is；逆变运行时，UPS经变换器向电网注入能量，Udc有升高的趋势，变换器同样通过电流环的调节改变ur的大小和相位，形成与电源电压反相的电流is，将直流侧能量回馈电网，从而实现能量的双向流动8-10。 在基于dq坐标系的前馈解耦控制策略中，电流环采用PI调节器对电流给定的跟随控制，使得整流器交流侧电流为与网侧电压同频、同相的正弦波，使双向变换器满足并网运行要求，实现输入电流无静差跟踪，提高网侧的功率因数。电压环釆用了经典的PI调节器，控制的目的是为了稳定直流侧电压。控制结构图如图5所示。图5 电流环电压环控制结构图 Fig.5 Current loop voltage loop control structure diagram4 仿真分析根据上文对前馈解耦控制原理的分析，在MATLAB/SIMULINK中搭建三相电压型PWM双向变换器的仿真模型。仿真参数为：三相电网电源380V/50Hz，交流侧电感L=5mH，线路等效电阻R=0.1，直流侧电容,直流侧电阻,直流侧电压,开关频率。图6为前馈解耦控制模块仿真模型。 图6 前馈解耦控制模块仿真模型Fig.6 Simulation model of Ffeedforward decoupling control module simulation model图7 C相电压与电流波形Fig.7 C-phase voltage and current waveforms图7是C相电压电流波形图，其中图（a）是变换器整流运行时的波形图，图（b）是逆变运行时的波形图。从仿真结果可以看出，整流运行时电压电流同相位，逆变运行时电压电流反相，实现了单位功率因数下的整流与逆变自动切换运行。5 结束语 通过将在线互动式UPS与光伏发电相结合，将三相整流桥双向逆变技术与蓄电池充放电相结合，在分析三相整流桥数学模型及工作原理的基础上，采用基于前馈解耦的双环控制策略，实现了整流逆变不同运行模式的自动切换，同时也实现了能量的双向流动，并且具有较高的功牢因数对电网谐波污染小。仿真验证了控制策略的可行性和优越性。参考文献1 程艳, 李笋, 吴疆, 等. 具有谐波补偿功能的单相并网逆变器改进研究J. 电测与仪表, 2013, 50(9): 90-94. 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