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,太阳能电池板所发出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]。

本文研制了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,研究了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,在光照条件较好的情况下,可以将多余的能量储存起来,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。

双模式光伏逆变器的主电路如图1所示。电路由两部分构成：前级电路和后级电路。这种设计方式减小了体积,减轻了质量,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;后级电路为逆变输出电路,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,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,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。

双模式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所示为电压采样电路原理图。电压信号经过电压互感器后得到电流信号,该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,该电压分量再经过调理电路最后送至主控芯片的A-D转换端口,经过主控芯片采样并处理后再输出相应的控制信号。

图3所示为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。

并网运行时控制逆变输出电流为正弦波,采用锁相环（PLL）捕获电网电压的过零变正点,保持两者同步。上述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VD₄、继电器K₂、绝缘栅双极晶体管VT₆组成蓄电池的充电电路。当蓄电池充满电之后,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,电流给定值计算式为

式中,U^*_ZLMX、U_ZLMX、I^*_O、k_P1、k_I1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。

在离网模式下,仅控制逆变输出电压和频率,因此该模式又被称为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所示为Boost电路的控制结构,其占空比α计算式为

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所示为单极倍频PWM技术原理。设调制波的函数为：u₁ = msin(2πft),u₂ = -msin(2πft)。其中,m为调制度,且0<m<1;f为频率,且f = 50Hz;载波为三角波,幅值为-1~1,周期为T。

第k个周期内的脉宽计算步骤为

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]。

图7所示为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的状态。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;电网恢复供电后,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]。

当太阳能电池板或者蓄电池有输入且电网侧无供电的情况下,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。

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电路的工作转变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,避免短路造成器件损坏或者更大的伤害。

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。

图8所示为由离网模式切换到并网模式的电流波形。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9所示为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10、图11所示分别为离网模式下以及并网模式下逆变器输出的电压波形。图10中,CH4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。

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所设计的切换策略的有效性。