本發(fā)明涉及離網(wǎng)逆變器的控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種光伏UPS離網(wǎng)逆變器雙模式切換控制方法。

背景技術(shù)：

從消費總量來看，中國是一個能源大國，但由于環(huán)保問題日益嚴峻，和傳統(tǒng)能源的枯竭，光伏發(fā)電憑借其獨特的優(yōu)點得到了很多關(guān)注。

在傳統(tǒng)的光伏離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，由光伏太陽能板給蓄電池進行充電，蓄電池電壓經(jīng)過升壓逆變給負載供電，或者由太陽能板輸出電壓通過BUCK電路降壓再通過升壓逆變后給負載進行供電。在整個逆變器的系統(tǒng)中，雙向變換器是一個核心的控制拓撲結(jié)構(gòu)，其控制算法也是目前研究的主要方向。輸出電壓的波形的畸變率是衡量整個控制算法的重要指標。目前主要的控制算法主要有PI控制，滑膜控制，重復(fù)控制，智能控制等。其中應(yīng)用最廣的是PI控制算法。數(shù)字PI控制算法簡單，參數(shù)易于整定，具有較強的魯棒性。由于該離網(wǎng)逆變器還具有UPS功能，需要保證當(dāng)電網(wǎng)異常時，系統(tǒng)可以快速切換到蓄電池給負載供電，從而保證負載不掉電達到UPS的功能。

當(dāng)負載突變，外界擾動加劇和工作模式切換等情況發(fā)生時，系統(tǒng)的穩(wěn)定性會出現(xiàn)極大的不穩(wěn)定。故在系統(tǒng)中引入基于模糊控制的PI算法，模糊控制不需要建立精確的控制系統(tǒng)模型，相比較傳統(tǒng)的現(xiàn)行控制策略模糊控制具有較強的魯棒性，對提高系統(tǒng)穩(wěn)定性有很好的幫助。將模糊自適應(yīng)控制引入到光伏雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中，用于對PI控制參數(shù)進行適當(dāng)修正，使整個系統(tǒng)更加適應(yīng)非線性的工作條件。此外，在目前市面上普遍的UPS離網(wǎng)逆變器的逆變和整流模式的切換過程中時間較長

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺陷，提供一種光伏UPS離網(wǎng)逆變器雙模式切換控制方法，該方法采用了快速計算電網(wǎng)有效值的方法，當(dāng)檢測到電網(wǎng)電壓出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)可以迅速的切換到蓄電池供電，避免出現(xiàn)市電丟失時負載掉電的情況。

本發(fā)明的目的可以通過采取如下技術(shù)方案達到：

一種光伏UPS離網(wǎng)逆變器雙模式切換控制方法，包括下列步驟：

系統(tǒng)通過采樣電路，采集光伏太陽能板電壓輸出V_pv，采集蓄電池電壓V_b，采集母線電壓V_bus以及電網(wǎng)電壓V_grid；

當(dāng)光伏太陽能板電壓輸出V_pv正常時，母線電壓V_bus經(jīng)過全橋逆變，再經(jīng)過濾波后得到有效值為220V的正弦電壓V_ivt，該電壓給負載供電，系統(tǒng)工作在逆變工作模式；

當(dāng)采樣電路采樣到光伏太陽能板電壓輸出V_pv異常時，并且檢測到電網(wǎng)電壓V_grid處在正常范圍之內(nèi)時，打開電網(wǎng)端繼電器K1，此時由電網(wǎng)直接給負載供電，暫時關(guān)斷開關(guān)管，關(guān)閉逆變端繼電器K2，系統(tǒng)由逆變工作模式切換到整流工作模式，逆變端繼電器K2打開，電網(wǎng)電壓V_grid經(jīng)過PWM全橋整流，再經(jīng)過前級電路拓撲給蓄電池充電；

系統(tǒng)檢測電網(wǎng)電壓V_grid的有效值，當(dāng)采樣電路采樣到電網(wǎng)電壓異常時，斷開電網(wǎng)端繼電器K1，系統(tǒng)快速由整流工作模式切換到逆變工作模式。

進一步地，所述逆變工作模式的控制方法為加入模糊控制的基于PI的單極性調(diào)制方法，其中，所述基于PI的單極性調(diào)制方法具體為：經(jīng)過全橋逆變得到的逆變電壓的每個周期共400個采樣點跟事先制作出的400個點的正弦表進行逐一比較，通過PI調(diào)節(jié)不斷矯正兩個高頻管的占空比，從而保證逆變得到的電壓為220V交流電壓。

進一步地，所述模糊控制具體過程如下：

設(shè)模糊控制器的兩個輸入量為誤差e(k)和誤差變化率Δe(k)，其表達式為：

e(k)＝e(k)-e(k-1) (1)

假設(shè)系統(tǒng)是一個雙輸入雙輸出系統(tǒng)，輸入包括誤差e(k)和誤差變化率Δe(k),在系統(tǒng)中，雙輸入為電流誤差量ie和電流誤差變化率d(ie)/dt,輸出量為Ki和Kp的在線調(diào)整量ΔKi和ΔKp，設(shè)計好隸屬度函數(shù)后通過邏輯判斷語句寫出控制規(guī)則。

進一步地，所述模糊控制器是基于PI參數(shù)設(shè)計的，選定模糊標記作為變量的模糊集合，所述模糊標記分別記為PB(正大)、PE(正較大)、PS(正較小)、ZO(零)、NS(負較小)、NE(負較大)、NB(負大)。

進一步地，所述系統(tǒng)快速由整流工作模式切換到逆變工作模式具體過程如下：

當(dāng)檢測到電網(wǎng)電壓有效值V_grid異常時，關(guān)閉電網(wǎng)端繼電器K1,負載立即切換到由蓄電池供電,為了使負載在切換狀態(tài)中不掉電，必須保證負載的復(fù)位時間T_reset大于切換時間T_switch；

根據(jù)負載的復(fù)位時間為一個電網(wǎng)周期，即為20ms，將電網(wǎng)的一個周期分為離散的400個點，計算其中的任意200點即可算出電網(wǎng)電壓的有效值V_grid；

根據(jù)輸出逆變電壓的調(diào)制信號U_g為50HZ正弦波，載波信號U_c為20KHZ三角波，將電網(wǎng)電壓的一個周期分為離散的400個點；

系統(tǒng)每50μs進入一次PWM中斷，引入進入中斷的次數(shù)grid_num，初始值為0，每進入一次中斷，grid_num加1，當(dāng)grid_num為199時，清零grid_num,并將采樣到的200個點的電網(wǎng)電壓數(shù)據(jù)進行如下公式運算：

其中，V1,V2,…,V200為200個電網(wǎng)電壓點的采樣值，4095是數(shù)字信號處理器的AD采樣精度，3是AD采樣引腳的所能采樣到的最大電壓，P_oc為采樣電路的比例值。

進一步地，當(dāng)采樣電路采樣到電網(wǎng)電壓超出正常電網(wǎng)電壓有效值220V±220*15％時，判斷電網(wǎng)電壓異常。

本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點及效果：

(1)離網(wǎng)諧波率低，適應(yīng)性強。諧波率小于3％。采用帶有PI調(diào)節(jié)的單極性調(diào)節(jié)方法控制，保證輸出波形的電壓有效值為220V到230V，諧波率小于1％。由于受到負載的影響，原有的PI控制算法可能會出現(xiàn)穩(wěn)定性突變的問題，故引入模糊控制的概念，模糊控制主要是用于對PI控制參數(shù)進行適當(dāng)修正，經(jīng)過改進的PI控制算法提高了系統(tǒng)在非線性負載下工作的穩(wěn)定性。

(2)雙向切換速度快。當(dāng)檢測到市電丟失或者市電處在不正常狀態(tài)時，負載立刻切換為由蓄電池供電。在這個過程中，最重要的要保證的是當(dāng)市電不正常時，負載需要不斷電的切換，即負載的復(fù)位時間要大于切換時間。在本文中所述的逆變器可以保證切換時間在10ms，即切換時間為1/2個電網(wǎng)周期。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中光伏UPS離網(wǎng)逆變器整體框圖；

圖2是本發(fā)明中雙向變換器的電路拓撲；

圖3是本發(fā)明中逆變切換到整流模式的流程圖；

圖4是本發(fā)明中整流切換到逆變模式的流程圖；

圖5是本發(fā)明中整流模式下的電路拓撲。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

實施例

該實施例中，該光伏UPS離網(wǎng)逆變器雙模式切換控制方法采集光伏太陽能板電壓輸出V_pv，采集蓄電池電壓V_b，采集母線電壓V_bus以及電網(wǎng)電壓V_grid，通過對電網(wǎng)電壓V_grid的精確計算從而控制UPS離網(wǎng)逆變器的工作模式。

其控制方法主要用于逆變器中逆變工作模式以及整流工作模式之間的快速切換。其中逆變工作模式的控制方法采用了基于PI的單極性調(diào)制的方法，并在傳統(tǒng)算法中加入了模糊控制算法，加強了系統(tǒng)在非線性條件下工作的穩(wěn)定性。整流工作模式的控制方法采用了基于PI調(diào)節(jié)的雙閉環(huán)算法，外環(huán)為電壓環(huán)，通過PI調(diào)節(jié)穩(wěn)定母線電壓產(chǎn)生一個電流幅值輸出量，該輸出量跟電網(wǎng)電壓同頻同相的單位正弦向量表相乘后得到一個電流指令，通過電流傳感器采樣到的電流跟該電流指令進行PI運算從而實現(xiàn)電流閉環(huán)。雙模式切換控制算法存在兩個重要的切換過程。第一個是當(dāng)系統(tǒng)處在逆變工作模式時，此時若電網(wǎng)接入，并且光伏輸出不足時，負載切換為由電網(wǎng)進行供電。第二個是當(dāng)系統(tǒng)由電網(wǎng)進行供電時，當(dāng)電網(wǎng)突然掉電時，系統(tǒng)立刻切換為由蓄電池進行供電，并且切換時間小于負載的復(fù)位時間，從而達到了UPS的功能。其中第二個切換體現(xiàn)了最核心的UPS功能。

圖1是整個光伏UPS離網(wǎng)逆變器系統(tǒng)框架圖。圖2為整個系統(tǒng)中的核心拓撲結(jié)構(gòu)，逆變以及整流都需要由雙向變換器來控制。圖3詳細的描述了當(dāng)系統(tǒng)由逆變模式向整流模式切換時的工作流程，圖4詳細描述了當(dāng)系統(tǒng)由整流模式向逆變模式切換時的工作流程。本實施例中所指系統(tǒng)特指光伏UPS離網(wǎng)逆變器系統(tǒng)。

本實施例中公開了一種光伏UPS離網(wǎng)逆變器雙向切換控制方法，包括下列步驟：

S1、系統(tǒng)通過采樣電路，采集光伏太陽能板電壓輸出V_pv，采集蓄電池電壓V_b，采集母線電壓V_bus以及電網(wǎng)電壓V_grid。

S2、當(dāng)光伏太陽能板電壓輸出V_pv正常時，母線電壓V_bus(400v左右)經(jīng)過全橋逆變，再經(jīng)過濾波后得到有效值為220V的正弦電壓V_ivt，該電壓給負載供電，系統(tǒng)工作在逆變工作模式。

S3、第一個切換：逆變模式到整流模式的切換。

當(dāng)采樣電路采樣到光伏太陽能板電壓輸出V_pv異常時，并且檢測到電網(wǎng)電壓V_grid處在正常范圍之內(nèi)時，打開電網(wǎng)端繼電器K1，這時由電網(wǎng)直接給負載供電。暫時關(guān)斷開關(guān)管，關(guān)閉逆變端繼電器K2，避免由于余電跟電網(wǎng)電壓V_grid疊加或抵消而影響負載。

S4、系統(tǒng)切換到整流工作模式，逆變端繼電器K2打開，電網(wǎng)電壓V_grid經(jīng)過PWM全橋整流，再經(jīng)過前級電路拓撲給蓄電池充電。

S5、第二個切換：整流模式到逆變模式的切換。

系統(tǒng)會一直檢測電網(wǎng)電壓V_grid的有效值，當(dāng)采樣電路采樣到電網(wǎng)電壓異常時(正常電網(wǎng)電壓有效值取220V±220*15％)，斷開電網(wǎng)端繼電器K1，系統(tǒng)快速由整流工作模式切換到逆變工作模式,體現(xiàn)了UPS的特點。

在實際操作中，所述步驟S2中產(chǎn)生220V逆變電壓V_ivt按照如下步驟進行：

S21、逆變工作模式的控制方法在原有的基于PI的單極性調(diào)制方法上加入了模糊控制的算法。

在實際操作中，所述的基于PI的單極性調(diào)制方法這樣實現(xiàn)：

逆變工作模式的控制方法為基于模糊控制的單極性調(diào)節(jié)方法。調(diào)制信號為正弦信號U_g，載波信號U_c為三角波信號，載波信號幅值為U_cm。

電路拓撲結(jié)構(gòu)圖為圖2，Q1，Q2是高頻管，其組成的臂稱為高頻臂，其控制信號由調(diào)制信號U_g和載波信號U_c比較得到。高頻管的工作頻率為載波的頻率。

Q3，Q4是低頻管，開關(guān)頻率跟電網(wǎng)頻率相同為50HZ。

工作過程：當(dāng)調(diào)制信號U_g>0時：U_g3＝U_cm，U_g＝0；當(dāng)U_g<0時：U_g3＝0，U_g4＝U_cm；單極性SPWM逆變?nèi)珮虻妮敵鲭妷篣_output分為三種情況：

(1)當(dāng)Q1，Q3導(dǎo)通時，U_output＝+E；

(2)當(dāng)Q1和Q4導(dǎo)通或者Q2和Q3導(dǎo)通時，U_output＝0；

(3)當(dāng)Q2，Q4導(dǎo)通U_output＝-E。

該系統(tǒng)中的離網(wǎng)逆變器采用的既是上面所描述的單極性控制方式，高頻管功率為20KHZ，低頻管功率為50HZ，所以正弦表取400個點。逆變后電壓經(jīng)過采樣處理電路后再經(jīng)過AD口輸入到數(shù)字信號處理器中，利用示波器采集到當(dāng)逆變電壓有效值為220V時輸入到數(shù)字信號處理器中的波形信號，根據(jù)采集到的波形信號制作出400個點的正弦周期表。所以整個逆變的控制思路為：經(jīng)過全橋得到的逆變電壓的每個周期共400個采樣點跟事先制作出的400個點的正弦表進行逐一比較，通過PI調(diào)節(jié)不斷矯正兩個高頻管的占空比，從而保證逆變得到的電壓為220V交流電壓。

S22、由于在實際應(yīng)用中負載的多樣性，為了加強系統(tǒng)在非線性條件下工作的穩(wěn)定性，故在整個算法中加入模糊控制的算法。設(shè)模糊控制器的兩個輸入量為誤差e(k)和誤差變化率Δe(k)，其表達式為：

e(k)＝e(k)-e(k-1) (1)

該系統(tǒng)是一個雙輸入雙輸出系統(tǒng)，輸入包括誤差(e(k))和誤差變化率(Δe(k)),在系統(tǒng)中，雙輸入為電流誤差量ie和電流誤差變化率d(ie)/dt,輸出量為Ki和Kp的在線調(diào)整量ΔKi和ΔKp。設(shè)計好隸屬度函數(shù)后通過邏輯判斷語句寫出控制規(guī)則。針對本系統(tǒng)中研究的PI參數(shù)設(shè)計的模糊控制器，選定七個模糊標記作為變量的模糊集合。分別記為PB(正大)、PE(正較大)、PS(正較小)、ZO(零)、NS(負較小)、NE(負較大)、NB(負大)，程序編寫依據(jù)為表3和表4所示的模糊控制規(guī)則表。

表1.Ki參數(shù)模糊控制規(guī)則表

表2.Kp參數(shù)模糊控制規(guī)則表

在實際操作中，S4所述的整流工作模式通過以下步驟實現(xiàn)：

整流模式的控制方法采用了基于PI的雙閉環(huán)控制算法。在UPS系統(tǒng)中，圖5中的負載即為蓄電池當(dāng)系統(tǒng)檢測到有正常的電網(wǎng)接入時，并且此時的光伏輸入較低時，整個逆變器將進入整流環(huán)節(jié)。整流部分的電路跟逆變部分采用的是同一部分的電路，并且采用跟逆變相似的方法，其中上圖中U_s，I_s分別代表交流電網(wǎng)有效電壓值及交流電流有效值。將三角波和正弦波進行調(diào)制后產(chǎn)生的SPWM控5制V1-V4，從而在ab兩端產(chǎn)生SPWM波U_ab，U_ab中含有跟正弦信號波幅值成正比以及頻率相同的基波分量，除此之外還含有跟開關(guān)頻率有關(guān)的高次諧波，但沒有低次諧波。在電路中由于電感L的存在，高次諧波的電壓并不會很大程度上影響到交流電流I_s，忽略這種微小的影響，I_s是跟電網(wǎng)頻率相同的正弦波，在電網(wǎng)端交流電壓U_s一定時，I_s的幅值及相位是由U_ab中的基波分量的幅值及其與U_s的相位差決定的。因此控制U_ab即可獲得相應(yīng)的I_s。L在電路中承擔(dān)了平衡電壓的作用,其兩端電壓U_L＝Ldi_s/dt,可得U_L＝j(luò)ωLi_s＝U_S-U_ab。

這說明PWM整流電路可以實現(xiàn)能量正反兩個方向的流動。當(dāng)I_s與U_s同相,電路運行在整流狀態(tài),當(dāng)I_s與U_s反相,電路運行在逆變狀態(tài)。

在控制全橋PWM整流的方法中，采用了基于PI調(diào)節(jié)的雙閉環(huán)算法，外環(huán)為電壓環(huán)，通過PI調(diào)節(jié)穩(wěn)定母線電壓產(chǎn)生一個電流幅值輸出量，該輸出量跟電網(wǎng)電壓同頻同相的單位正弦向量表相乘后得到一個電流指令，通過電流傳感器采樣到的電流跟該電流指令進行PI運算從而實現(xiàn)電流閉環(huán)，實現(xiàn)單位功率因數(shù)電流控制。

在實際操作中，S5中所述的整流到逆變的切換通過以下步驟實現(xiàn)：

S51、第二個切換是UPS的核心切換，當(dāng)檢測到電網(wǎng)電壓有效值V_grid異常時，關(guān)閉電網(wǎng)端繼電器K1,負載應(yīng)立即切換到由蓄電池供電,為了使負載在切換狀態(tài)中不掉電，必須保證負載的復(fù)位時間T_reset大于切換時間T_switch。

S52、一般情況下，負載的復(fù)位時間為一個電網(wǎng)周期，即為20ms。為了保證切換時間小于一個電網(wǎng)周期時間，將電網(wǎng)的一個周期分為離散的400個點，通過其中的任意200點即可算出電網(wǎng)電壓的有效值V_grid，也就是10ms的時間即可完成整流到逆變的切換。

S53、由于輸出逆變電壓的調(diào)制信號U_g為50HZ正弦波，載波信號U_c為20KHZ三角波，故將電網(wǎng)電壓的一個周期分為離散的400個點。

S54、系統(tǒng)每(1/20KHZ)50μs進入一次PWM中斷，在程序中引入進入中斷的次數(shù)grid_num,初始值為0，每進入一次中斷，grid_num加1，當(dāng)grid_num為199時，清零grid_num,并將采樣到的200個點的電網(wǎng)電壓數(shù)據(jù)進行如下公式運算：

其中，V1,V2,…,V200為200個電網(wǎng)電壓點的采樣值，4095是數(shù)字信號處理器的AD采樣精度，3是AD采樣引腳的所能采樣到的最大電壓，P_oc為采樣電路的比例值，不同的采樣電路比例值不同，需分情況對待。

綜上所述，針對市面普遍的UPS光伏離網(wǎng)逆變器切換速度較慢的問題，本實施例公開的一種光伏UPS離網(wǎng)逆變器雙模式切換控制方法，通過采用快速計算電網(wǎng)電壓V_grid有效值的算法，使逆變器可以快速的由整流模式切換到逆變工作模式，并且保證切換時間為半個電網(wǎng)周期，使負載在切換過程中不掉電。

上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。