独立／并网双工模式光伏逆变系统的设计

摘要：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。
关键词：逆变器；独立模式；并网模式

1 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。

2 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。

工作过程分为两步：
(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。

3 控制方法
3．1 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。

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。
3．2 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。
3．2．1 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：

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。
3．2．2 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。

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。

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。
3．2．3 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。