一种光伏UPS离网逆变器双模式切换控制方法与流程

本发明涉及离网逆变器的控制技术领域，具体涉及一种光伏UPS离网逆变器双模式切换控制方法。

背景技术：

从消费总量来看，中国是一个能源大国，但由于环保问题日益严峻，和传统能源的枯竭，光伏发电凭借其独特的优点得到了很多关注。

在传统的光伏离网发电系统中，由光伏太阳能板给蓄电池进行充电，蓄电池电压经过升压逆变给负载供电，或者由太阳能板输出电压通过BUCK电路降压再通过升压逆变后给负载进行供电。在整个逆变器的系统中，双向变换器是一个核心的控制拓扑结构，其控制算法也是目前研究的主要方向。输出电压的波形的畸变率是衡量整个控制算法的重要指标。目前主要的控制算法主要有PI控制，滑膜控制，重复控制，智能控制等。其中应用最广的是PI控制算法。数字PI控制算法简单，参数易于整定，具有较强的鲁棒性。由于该离网逆变器还具有UPS功能，需要保证当电网异常时，系统可以快速切换到蓄电池给负载供电，从而保证负载不掉电达到UPS的功能。

当负载突变，外界扰动加剧和工作模式切换等情况发生时，系统的稳定性会出现极大的不稳定。故在系统中引入基于模糊控制的PI算法，模糊控制不需要建立精确的控制系统模型，相比较传统的现行控制策略模糊控制具有较强的鲁棒性，对提高系统稳定性有很好的帮助。将模糊自适应控制引入到光伏双闭环控制系统中，用于对PI控制参数进行适当修正，使整个系统更加适应非线性的工作条件。此外，在目前市面上普遍的UPS离网逆变器的逆变和整流模式的切换过程中时间较长

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种光伏UPS离网逆变器双模式切换控制方法，该方法采用了快速计算电网有效值的方法，当检测到电网电压出现异常时，系统可以迅速的切换到蓄电池供电，避免出现市电丢失时负载掉电的情况。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种光伏UPS离网逆变器双模式切换控制方法，包括下列步骤：

系统通过采样电路，采集光伏太阳能板电压输出V_pv，采集蓄电池电压V_b，采集母线电压V_bus以及电网电压V_grid；

当光伏太阳能板电压输出V_pv正常时，母线电压V_bus经过全桥逆变，再经过滤波后得到有效值为220V的正弦电压V_ivt，该电压给负载供电，系统工作在逆变工作模式；

当采样电路采样到光伏太阳能板电压输出V_pv异常时，并且检测到电网电压V_grid处在正常范围之内时，打开电网端继电器K1，此时由电网直接给负载供电，暂时关断开关管，关闭逆变端继电器K2，系统由逆变工作模式切换到整流工作模式，逆变端继电器K2打开，电网电压V_grid经过PWM全桥整流，再经过前级电路拓扑给蓄电池充电；

系统检测电网电压V_grid的有效值，当采样电路采样到电网电压异常时，断开电网端继电器K1，系统快速由整流工作模式切换到逆变工作模式。

进一步地，所述逆变工作模式的控制方法为加入模糊控制的基于PI的单极性调制方法，其中，所述基于PI的单极性调制方法具体为：经过全桥逆变得到的逆变电压的每个周期共400个采样点跟事先制作出的400个点的正弦表进行逐一比较，通过PI调节不断矫正两个高频管的占空比，从而保证逆变得到的电压为220V交流电压。

进一步地，所述模糊控制具体过程如下：

设模糊控制器的两个输入量为误差e(k)和误差变化率Δe(k)，其表达式为：

e(k)＝e(k)-e(k-1) (1)

假设系统是一个双输入双输出系统，输入包括误差e(k)和误差变化率Δe(k),在系统中，双输入为电流误差量ie和电流误差变化率d(ie)/dt,输出量为Ki和Kp的在线调整量ΔKi和ΔKp，设计好隶属度函数后通过逻辑判断语句写出控制规则。

进一步地，所述模糊控制器是基于PI参数设计的，选定模糊标记作为变量的模糊集合，所述模糊标记分别记为PB(正大)、PE(正较大)、PS(正较小)、ZO(零)、NS(负较小)、NE(负较大)、NB(负大)。

进一步地，所述系统快速由整流工作模式切换到逆变工作模式具体过程如下：

当检测到电网电压有效值V_grid异常时，关闭电网端继电器K1,负载立即切换到由蓄电池供电,为了使负载在切换状态中不掉电，必须保证负载的复位时间T_reset大于切换时间T_switch；

根据负载的复位时间为一个电网周期，即为20ms，将电网的一个周期分为离散的400个点，计算其中的任意200点即可算出电网电压的有效值V_grid；

根据输出逆变电压的调制信号U_g为50HZ正弦波，载波信号U_c为20KHZ三角波，将电网电压的一个周期分为离散的400个点；

系统每50μs进入一次PWM中断，引入进入中断的次数grid_num，初始值为0，每进入一次中断，grid_num加1，当grid_num为199时，清零grid_num,并将采样到的200个点的电网电压数据进行如下公式运算：

其中，V1,V2,…,V200为200个电网电压点的采样值，4095是数字信号处理器的AD采样精度，3是AD采样引脚的所能采样到的最大电压，P_oc为采样电路的比例值。

进一步地，当采样电路采样到电网电压超出正常电网电压有效值220V±220*15％时，判断电网电压异常。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)离网谐波率低，适应性强。谐波率小于3％。采用带有PI调节的单极性调节方法控制，保证输出波形的电压有效值为220V到230V，谐波率小于1％。由于受到负载的影响，原有的PI控制算法可能会出现稳定性突变的问题，故引入模糊控制的概念，模糊控制主要是用于对PI控制参数进行适当修正，经过改进的PI控制算法提高了系统在非线性负载下工作的稳定性。

(2)双向切换速度快。当检测到市电丢失或者市电处在不正常状态时，负载立刻切换为由蓄电池供电。在这个过程中，最重要的要保证的是当市电不正常时，负载需要不断电的切换，即负载的复位时间要大于切换时间。在本文中所述的逆变器可以保证切换时间在10ms，即切换时间为1/2个电网周期。

附图说明

图1是本发明中光伏UPS离网逆变器整体框图；

图2是本发明中双向变换器的电路拓扑；

图3是本发明中逆变切换到整流模式的流程图；

图4是本发明中整流切换到逆变模式的流程图；

图5是本发明中整流模式下的电路拓扑。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

该实施例中，该光伏UPS离网逆变器双模式切换控制方法采集光伏太阳能板电压输出V_pv，采集蓄电池电压V_b，采集母线电压V_bus以及电网电压V_grid，通过对电网电压V_grid的精确计算从而控制UPS离网逆变器的工作模式。

其控制方法主要用于逆变器中逆变工作模式以及整流工作模式之间的快速切换。其中逆变工作模式的控制方法采用了基于PI的单极性调制的方法，并在传统算法中加入了模糊控制算法，加强了系统在非线性条件下工作的稳定性。整流工作模式的控制方法采用了基于PI调节的双闭环算法，外环为电压环，通过PI调节稳定母线电压产生一个电流幅值输出量，该输出量跟电网电压同频同相的单位正弦向量表相乘后得到一个电流指令，通过电流传感器采样到的电流跟该电流指令进行PI运算从而实现电流闭环。双模式切换控制算法存在两个重要的切换过程。第一个是当系统处在逆变工作模式时，此时若电网接入，并且光伏输出不足时，负载切换为由电网进行供电。第二个是当系统由电网进行供电时，当电网突然掉电时，系统立刻切换为由蓄电池进行供电，并且切换时间小于负载的复位时间，从而达到了UPS的功能。其中第二个切换体现了最核心的UPS功能。

图1是整个光伏UPS离网逆变器系统框架图。图2为整个系统中的核心拓扑结构，逆变以及整流都需要由双向变换器来控制。图3详细的描述了当系统由逆变模式向整流模式切换时的工作流程，图4详细描述了当系统由整流模式向逆变模式切换时的工作流程。本实施例中所指系统特指光伏UPS离网逆变器系统。

本实施例中公开了一种光伏UPS离网逆变器双向切换控制方法，包括下列步骤：

S1、系统通过采样电路，采集光伏太阳能板电压输出V_pv，采集蓄电池电压V_b，采集母线电压V_bus以及电网电压V_grid。

S2、当光伏太阳能板电压输出V_pv正常时，母线电压V_bus(400v左右)经过全桥逆变，再经过滤波后得到有效值为220V的正弦电压V_ivt，该电压给负载供电，系统工作在逆变工作模式。

S3、第一个切换：逆变模式到整流模式的切换。

当采样电路采样到光伏太阳能板电压输出V_pv异常时，并且检测到电网电压V_grid处在正常范围之内时，打开电网端继电器K1，这时由电网直接给负载供电。暂时关断开关管，关闭逆变端继电器K2，避免由于余电跟电网电压V_grid叠加或抵消而影响负载。

S4、系统切换到整流工作模式，逆变端继电器K2打开，电网电压V_grid经过PWM全桥整流，再经过前级电路拓扑给蓄电池充电。

S5、第二个切换：整流模式到逆变模式的切换。

系统会一直检测电网电压V_grid的有效值，当采样电路采样到电网电压异常时(正常电网电压有效值取220V±220*15％)，断开电网端继电器K1，系统快速由整流工作模式切换到逆变工作模式,体现了UPS的特点。

在实际操作中，所述步骤S2中产生220V逆变电压V_ivt按照如下步骤进行：

S21、逆变工作模式的控制方法在原有的基于PI的单极性调制方法上加入了模糊控制的算法。

在实际操作中，所述的基于PI的单极性调制方法这样实现：

逆变工作模式的控制方法为基于模糊控制的单极性调节方法。调制信号为正弦信号U_g，载波信号U_c为三角波信号，载波信号幅值为U_cm。

电路拓扑结构图为图2，Q1，Q2是高频管，其组成的臂称为高频臂，其控制信号由调制信号U_g和载波信号U_c比较得到。高频管的工作频率为载波的频率。

Q3，Q4是低频管，开关频率跟电网频率相同为50HZ。

工作过程：当调制信号U_g>0时：U_g3＝U_cm，U_g＝0；当U_g<0时：U_g3＝0，U_g4＝U_cm；单极性SPWM逆变全桥的输出电压U_output分为三种情况：

(1)当Q1，Q3导通时，U_output＝+E；

(2)当Q1和Q4导通或者Q2和Q3导通时，U_output＝0；

(3)当Q2，Q4导通U_output＝-E。

该系统中的离网逆变器采用的既是上面所描述的单极性控制方式，高频管功率为20KHZ，低频管功率为50HZ，所以正弦表取400个点。逆变后电压经过采样处理电路后再经过AD口输入到数字信号处理器中，利用示波器采集到当逆变电压有效值为220V时输入到数字信号处理器中的波形信号，根据采集到的波形信号制作出400个点的正弦周期表。所以整个逆变的控制思路为：经过全桥得到的逆变电压的每个周期共400个采样点跟事先制作出的400个点的正弦表进行逐一比较，通过PI调节不断矫正两个高频管的占空比，从而保证逆变得到的电压为220V交流电压。

S22、由于在实际应用中负载的多样性，为了加强系统在非线性条件下工作的稳定性，故在整个算法中加入模糊控制的算法。设模糊控制器的两个输入量为误差e(k)和误差变化率Δe(k)，其表达式为：

e(k)＝e(k)-e(k-1) (1)

该系统是一个双输入双输出系统，输入包括误差(e(k))和误差变化率(Δe(k)),在系统中，双输入为电流误差量ie和电流误差变化率d(ie)/dt,输出量为Ki和Kp的在线调整量ΔKi和ΔKp。设计好隶属度函数后通过逻辑判断语句写出控制规则。针对本系统中研究的PI参数设计的模糊控制器，选定七个模糊标记作为变量的模糊集合。分别记为PB(正大)、PE(正较大)、PS(正较小)、ZO(零)、NS(负较小)、NE(负较大)、NB(负大)，程序编写依据为表3和表4所示的模糊控制规则表。

表1.Ki参数模糊控制规则表

表2.Kp参数模糊控制规则表

在实际操作中，S4所述的整流工作模式通过以下步骤实现：

整流模式的控制方法采用了基于PI的双闭环控制算法。在UPS系统中，图5中的负载即为蓄电池当系统检测到有正常的电网接入时，并且此时的光伏输入较低时，整个逆变器将进入整流环节。整流部分的电路跟逆变部分采用的是同一部分的电路，并且采用跟逆变相似的方法，其中上图中U_s，I_s分别代表交流电网有效电压值及交流电流有效值。将三角波和正弦波进行调制后产生的SPWM控5制V1-V4，从而在ab两端产生SPWM波U_ab，U_ab中含有跟正弦信号波幅值成正比以及频率相同的基波分量，除此之外还含有跟开关频率有关的高次谐波，但没有低次谐波。在电路中由于电感L的存在，高次谐波的电压并不会很大程度上影响到交流电流I_s，忽略这种微小的影响，I_s是跟电网频率相同的正弦波，在电网端交流电压U_s一定时，I_s的幅值及相位是由U_ab中的基波分量的幅值及其与U_s的相位差决定的。因此控制U_ab即可获得相应的I_s。L在电路中承担了平衡电压的作用,其两端电压U_L＝Ldi_s/dt,可得U_L＝jωLi_s＝U_S-U_ab。

这说明PWM整流电路可以实现能量正反两个方向的流动。当I_s与U_s同相,电路运行在整流状态,当I_s与U_s反相,电路运行在逆变状态。

在控制全桥PWM整流的方法中，采用了基于PI调节的双闭环算法，外环为电压环，通过PI调节稳定母线电压产生一个电流幅值输出量，该输出量跟电网电压同频同相的单位正弦向量表相乘后得到一个电流指令，通过电流传感器采样到的电流跟该电流指令进行PI运算从而实现电流闭环，实现单位功率因数电流控制。

在实际操作中，S5中所述的整流到逆变的切换通过以下步骤实现：

S51、第二个切换是UPS的核心切换，当检测到电网电压有效值V_grid异常时，关闭电网端继电器K1,负载应立即切换到由蓄电池供电,为了使负载在切换状态中不掉电，必须保证负载的复位时间T_reset大于切换时间T_switch。

S52、一般情况下，负载的复位时间为一个电网周期，即为20ms。为了保证切换时间小于一个电网周期时间，将电网的一个周期分为离散的400个点，通过其中的任意200点即可算出电网电压的有效值V_grid，也就是10ms的时间即可完成整流到逆变的切换。

S53、由于输出逆变电压的调制信号U_g为50HZ正弦波，载波信号U_c为20KHZ三角波，故将电网电压的一个周期分为离散的400个点。

S54、系统每(1/20KHZ)50μs进入一次PWM中断，在程序中引入进入中断的次数grid_num,初始值为0，每进入一次中断，grid_num加1，当grid_num为199时，清零grid_num,并将采样到的200个点的电网电压数据进行如下公式运算：

其中，V1,V2,…,V200为200个电网电压点的采样值，4095是数字信号处理器的AD采样精度，3是AD采样引脚的所能采样到的最大电压，P_oc为采样电路的比例值，不同的采样电路比例值不同，需分情况对待。

综上所述，针对市面普遍的UPS光伏离网逆变器切换速度较慢的问题，本实施例公开的一种光伏UPS离网逆变器双模式切换控制方法，通过采用快速计算电网电压V_grid有效值的算法，使逆变器可以快速的由整流模式切换到逆变工作模式，并且保证切换时间为半个电网周期，使负载在切换过程中不掉电。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。