基于UC3854的光伏逆变器控制研究

基于 U C 3854 的光伏逆变器控制研究3王宝诚 孙孝峰 邬伟扬 王婕燕山大学摘要 提出了基于 U C 3854 的太阳能逆变器的控制方案 , 可将光伏能量转换为交流电为独立负载供电及并网 。利用 U C 3854 的电流控制功能和运算放大器在芯片内实现了双闭环控制 , 装置结构简单 , 操作方便 , 易于高频化 , 能实现无冲击并网 。关键词 光伏系统 并网 逆变Research on Photovolta ic Inverter Con trolled by UC3854W ang B aocheng Sun X iaofeng W u W eiyang W ang JieAbstract A research on pho tovo ltaic inverter contro lled by U C3854 is p resented in th is paper. Photovo ltaicenergy can be transfo rmed into A C fo r local load o r net grid by the use of this contro ller. Bo th voltage and cur 2rent loop circuits are im plem ented inside by the current contro l functi on and amp lifier of U C3854. W ith a sim p lestructure the inverter is convenient to be operated , easy to be realized w ith high frequency and there is low cur 2rent stress in the process of net grid.Keywords pho tovo ltaic system net grid inversi on3 国家自然基金资助项目 50237020 近年来开发可重复能源的技术得到了长足的发展 [ 1, 2 ] , 太阳能光伏发电就是其中的一种 。 本文介绍的太阳能逆变器控制系统不但可以给本地独立负载供电 , 而且可以实现安全并网 , 切换自由 ,操作简便 。对于为独立负载供电的太阳能逆变器的实现方法有许多种 , 其中包括模拟方式和数字方式 。 数字化控制方案由于存在着难以实现在线自修复等缺点 , 因此在有些场合还不能完全取代模拟或集成 IC 控制策略 。U C3854 是一种用于有源功率因数校正的专用控制电路 , 在逆变控制应用中未见报道 。 本系统将 PFC 芯片 U C 3854[ 3, 4 ] 成功地应用于太阳能逆变器 , 它不仅能实现对输出功率的控制 , 而且可以实现逆变器单位功率因数并网及为本地独立负载供电两种工作模式 。1 控制系统分析采用 U C3854 芯片的系统可以完成升压变换器校正功率因数所需的全部控制功能 , 使功率因数达到 0. 99 以上 , 输入电流波形失真小于 5。在本方案中 , 应用 U C 3854 中的电压误差放大器构成电压外环 , 输出电压经电阻分压后 , 加到该放大器的反相输入端 , 与 7. 5 V 基准电压比较 , 其差值经放大后加到乘法器的一个输入端 A 。 乘法器 M U L 可与电压环输出信号 、 电网电压信号合成所需电流参考信号 , 加到电流误差放大器的输入端 , 电流误差信号经放大后 , 加到 PWM 比较器 , 与振荡器的锯齿波电压比较 , 调整输出脉冲的宽度 , 形成 PWM 脉冲信号 。本系统的供电方式分为独立供电和并网联合供电两种方式 , 工作时均采用双闭环控制结构 。 控制结构框图如图 1 所示 。 两种供电方式的系统结构大体相似 , 区别只是二者的外环反馈信号不同 ;独立负载时外环反馈是网侧电压信号 , 而并网时外环反馈是平均电流信号 , 通过切换开关 K 的位置 , 使外环反馈信号符合系统当前工作模式的需求 。 该系统的两种功能模式共用 U C3854 内部的92基于 U C 3854 的光伏逆变器控制研究 电气传动 2005 年 第 35 卷 第 9 期 调节器实现外环调节 。图 1 系统结构框图为独立负载供电时 , 本系统采用电压电流双闭环控制 , 开关 K 切换到下位 , 电压给定为 V ref ,外环为网侧电压反馈 V o , 系统能够实现稳压输出 。通常情况下 , 负载对系统输出电压 V o、 电流 iL的调整时间的要求不是很苛刻 , 但如果负载对电源品质的要求较高 , 设计时要保证电压环有足够大的带宽 。并网时 , 系统采用平均电流外环 开关 K 切换到上位 加瞬态电流内环的控制方式 。 因为当电网电压近似恒定时 , 系统并网功率与并网电流可视为成正比 , 因此采用网侧平均电流作为外环反馈量 , 控制反馈电流强度 , 就能够调节并网功率 。 因电网阻抗较小 , 逆变器不会影响电网电压波形 , 所以系统无需电压外环 。 系统并网时采用一个斩波电路来实现电流反馈强度的调节 , P ref 给定的大小决定了斩波的强度见图 2。 逆变器与电网接口的电流 iL 经整流并与T 1处的斩波信号合成后 , 在 K 4 处生成梳状电流波形 ; 又经滤波后最终生成外环反馈所需的网侧平均电流信号 。 瞬态电流 iL 由 U C3854 的电流调节器控制 , 就功率控制而言 , 系统对外环的快速性没有过高要求 。 相反如果外环调节速度过快 , 为使输出功率恒定不变 , 内环电流给定信号 I m ref将会引入谐波成分 ,因而造成输出电流畸变 。图 2 U C 3854 控制简图为减少谐波 , 内环采用瞬时值电流闭环控制 。外环 P I 调节器的输出与网侧同步正弦波信号sinΞ t 经 U C3854 内部的乘法器合成电流给定Im sin Ξ t, 内环误差经 PI 调节器输出后与锯齿波在PWM 比较器的输入侧进行比较形成 PWM 开关信号 。为保证逆变器输出电流 iL 与电网电压 V 0基波同相位 , 不受电网谐波影响 , 控制中采用电网电压过零信号重构同步正弦波 sin Ξ t。 应用 U C 3854 内部的电流控制器可以实现较高的电流控制精度 , 实验中额定功率下输出 T H D 小于 3。由于外环的输出 I m ref 为内环电流给定 , 因此 ,利用外环 PI 调节器的饱和效应可限制逆变器输出电流 iL , 从而达到限制逆变器输出功率的目地 。系统为本地负载供电时 , 如果负载过大 , 输出电压就会随之降低 , 以避免逆变器过电流 。轻载并网时 , 电流谐波成份增加 。 主要原因是变压器在轻载时的非线性和低轻负载反馈信号使得内环调节能力减弱造成的 。 这可以通过提高内环放大倍数或增强反馈强度来改善电流的控制效果 , 但前者会形成新的不稳定因素 , 后者会限制逆变器输出功率的能力 。2 系统结构系统的逻辑结构如图 3 所示 , 本系统为光伏电池与蓄电池的混用系统 。 由控制器控制光伏电池对蓄电池充电 , 保证系统正常工作 。 系统具有过压 、 过流 、 过热保护 , 运行时可短时承受 20 过载 , 并可实现两种工作方式间的自由切换 。 逆变系统主电路如图 4 所示 , 采用全桥逆变加工频变压器结构 , 经滤波环节与负载或电网相连 。 本文只讨论蓄电池后端的逆变器逆变控制 。U C3854 的输出是电流 PI 调节器输出与三角波比较的结果 。 采用图 4 所示的单极性 SPWM变换 。 所以 U C 3854 输出的 PWM 信号按照图 5的要求进行逻辑合成 , 然后驱动全桥逆变器 。系统保护可以利用 U C 3854 的保护端实现 ;03电气传动 2005 年 第 35 卷 第 9 期 基于 U C 3854 的光伏逆变器控制研究 并网时 , 为减小电流冲击 , 利用 U C 3854 的软启动实现平缓上电 , 确保并网的安全可靠 , 见图 2。图 3 系统逻辑框图图 4 逆变器主电路拓扑图 5 M OSFET S 在单极调制下的门极驱动信号3 系统实验本系统通过 3 kW 的逆变器样机来实验 , 该样机已在某太阳能电站运行 。 试验条件 输入直流48 V 蓄电池电源 , 输出为电网 , 电压波动范围为210～ 240 V , 典型的电网谐波频谱如图 6 所示 。 逆变器开关频率为 20 kH z。 试验时 , 典型电网 T H D值波动较小 , 平均为 7. 5 , 电网电压典型值为235 V 。 图 7 给出了并网时的电网电压波形和输出电流波形 , 功率因数为 1。图 6 电网电压谐波频谱 图 7 并网时输出电流和电网电压的波形图 8 是并网输出电流的谐波频谱 , 经试验测试在 3 kW 时 , 平均 T H D 为 8. 9 , 随着电流的减小 , TH D 逐渐增大 , 输出功率为 300 W 时 , 平均 T H D 为 15。 考虑到电网本身谐波 , 这个结果还是可以接受的 。图 9 给出为独立电阻负载供电时的电压电流波形 , 输出功率为 4 kW 时 , T H D 为 2. 3。在为15 mH 电感与电阻箱串联的感性负载供电时 , 其试验波形同图 9 基本相同 。图 10 是并网电流为 1A 时电网电压波形和输出电流波形 , 此时电流谐波成份增加 , T H D 已超过 26。图 8 并网电流谐波频谱图 9 独立负载供电的电压电流波形图 10 轻载并网时输出电流和电网电压波形4 结束语本文提出一种基于 U C 3854 在全桥电路中使用平均电流控制的方法 , 实现单位功率因数并网控制和独立负载供电 , 控制精度较高 , 控制方案简单 , 开关噪声较低 , 有效地拓展了 U C3854 的使用功能 , 实现逆变器的非计算机 IC 集成化 。参考文献1 BO SE B K , M icrocomputer Contro l of a R esidential Pho to2voltaic Pow er Conditi oning System. IEEE T ransacti ons onIndustry A pp licati ons, 1998, IA 221 5 1 182～ 1 1912 Calais M . A R ipp le2based M PPT A lgorithm fo r a SinglePhase Grid Connected Pho tovoltaic. System Solar Energy ,1998, 63 5 277～ 2823 H igh Pow er Facto r P reregulato r U C3854 slus336. pdf , www .unitrode . com4 Ph illp C. Todd Contro lled Pow er Facto r Co rrecti on C ircuitD esign. slua144. pdf , www . unitrode . com收稿日期 200520322513基于 U C 3854 的光伏逆变器控制研究 电气传动 2005 年 第 35 卷 第 9 期