數(shù)字化光伏發(fā)電逆變器的設(shè)計(jì)

摘 要 ： 對(duì) 數(shù) 字 化 光 伏 發(fā) 電 系 統(tǒng) 逆 變 器 及 其 控 制 電 路 進(jìn) 行 了 分 析 ， 在 控 制 方 法 上 ， 采 用 重 復(fù) 控 制 技 術(shù) 使 系 統(tǒng) 在 周 期 擾 動(dòng) 信 號(hào) 下 仍 能 保 證 較 好 的 波 形 輸 出 ， 使 整 個(gè) 系 統(tǒng) 具 有 較 高 的 穩(wěn) 定 性 ， 并 具 有 穩(wěn) 態(tài) 誤 差 小 ， 穩(wěn) 壓 范 圍 大 等 優(yōu) 點(diǎn) 。

關(guān) 鍵 詞 ： 光 伏 發(fā) 電 ； 逆 變 器 ； 數(shù) 字 信 號(hào) 處 理 器 ； 重 復(fù) 控 制

Digital Design of Inverter Used in Photovoltaic System 

GUO Tong-sheng, YANG Xu, WANG Zhao-an 

Abstract:The digital controlled Photovoltaic system inverter and control circuit was analyzed.The repetitive control strategy was used in this system， and by this scheme, better output voltage waveform was achieved under periodic disturbance condition.Meanwhile the system steady state error was reduced to some extent.

  Keywords:Photovoltaic power supply; Inverter; DSP; Repetitive control

1  引言

    太陽(yáng)能光伏發(fā)電是一種將太陽(yáng)光輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的新型發(fā)電技術(shù)。太陽(yáng)光輻射能經(jīng)過(guò)光伏電池轉(zhuǎn)換為電能，再經(jīng)能量?jī)?chǔ)存、控制與保護(hù)、能量變換等環(huán)節(jié)，使之可按人們的需要向負(fù)載提供直流電能或交流電能。光伏電池陣列所發(fā)出的電能為直流電，但是大多數(shù)用電設(shè)備采用的是交流供電方式，所以系統(tǒng)中需要有逆變器將直流電變換為交流電以供負(fù)載使用。顯然，逆變器的效率將直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的效率，因此，光伏系統(tǒng)逆變器的控制技術(shù)具有重要的研究意義[1]。

    在逆變器的設(shè)計(jì)中，通常采用模擬控制方法，然而，模擬控制系統(tǒng)中存在很多缺陷，如元器件的老化及溫漂效應(yīng)，對(duì)電磁干擾較為敏感，使用的元器件數(shù)目較多等等。典型的模擬PWM逆變器控制系統(tǒng)采用自然采樣法將正弦調(diào)制波與三角載波比較，從而控制觸發(fā)脈沖，但三角波發(fā)生電路在高頻（20kHz）時(shí)容易被溫度、器件特性等因素干擾，從而導(dǎo)致輸出電壓中出現(xiàn)直流偏移，諧波含量增加，死區(qū)時(shí)間變化等不利影響。高速數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的發(fā)展使光伏發(fā)電系統(tǒng)中逆變器的數(shù)字化控制成為可能。因其大部分指令可在一個(gè)指令周期內(nèi)完成，因此可以實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的先進(jìn)控制算法，進(jìn)一步改善輸出波形的動(dòng)態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)性能，并且可以簡(jiǎn)化整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)具有良好的一致性。

    本文對(duì)基于DSP的光伏逆變器數(shù)字控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析，采用重復(fù)控制和數(shù)字PID控制方案進(jìn)行系統(tǒng)控制，使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)態(tài)特性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。

2  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制電路分析

    太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中的光伏發(fā)電系統(tǒng)因應(yīng)用對(duì)象不同而省略或多出某個(gè)部分，但均是從這個(gè)典型結(jié)構(gòu)中演變而來(lái)。

圖1  太 陽(yáng) 能 光 伏 發(fā) 電 系 統(tǒng) 的 典 型 結(jié) 構(gòu)

    在中小型獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中，常采用圖2所示結(jié)構(gòu)，即采用逆變器直接將光伏電池陣列的直流輸出電 壓 轉(zhuǎn) 換 為 交 流 電 壓 。 在 本 系 統(tǒng) 中 ， 因 光 伏 電 池 陣 列 輸 出 電 壓 由 于 光 照 強(qiáng) 度 的 變 化 ， 而 會(huì) 出 現(xiàn) 較 大 范 圍 的 波 動(dòng) ， 所 以 要 求 逆 變 器 能 夠 在 較 大 的 直 流 電 壓 變 化 范 圍 內(nèi) 正 常 工 作 ， 而 且 要 保 證 輸 出 電 壓 的 穩(wěn) 定 ， 因 此 對(duì) 逆 變 器 的 控 制 要 求 也 很 高 。

圖2  獨(dú)立光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    控制電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。在控制電路中，采用輸出電壓瞬時(shí)值反饋，進(jìn)行波形控制，整個(gè)系統(tǒng)工作流程設(shè)計(jì)如下:

圖3  DSP控 制 電 路 結(jié) 構(gòu)

    采用電壓霍爾對(duì)輸出電壓進(jìn)行采樣，采樣周期為20kHz。電壓霍爾輸出信號(hào)經(jīng)調(diào)理電路送入DSP模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果暫存于DSP中，由此得到輸出電壓的反饋信息。將采樣得到的反饋信息與給定正弦表的相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得到偏差信號(hào)。將偏差信號(hào)及給定信號(hào)按一定的控制算法進(jìn)行計(jì)算，就得到脈寬控制量。在本系統(tǒng)中，控制算法采用的是重復(fù)控制加PID控制的方法，前者保證輸出波形的穩(wěn)態(tài)性能，后者保證輸出波形的動(dòng)態(tài)性能。

    由該控制量可以計(jì)算出當(dāng)前時(shí)刻SPWM波的占空比，使得輸出波形的占空比按正弦規(guī)律變化，這樣就得到了高頻SPWM波。考慮到全橋逆變的上下橋臂不能直通，還必須在DSP的PWM口輸出中加入相應(yīng)的死區(qū)。死區(qū)的加入極為方便，只需軟件編程時(shí)，對(duì)DSP內(nèi)部的死區(qū)寄存器進(jìn)行設(shè)置，其就會(huì)自動(dòng)在已有的PWM波中加入死區(qū)，并且死區(qū)時(shí)間是可以通過(guò)對(duì)寄存器設(shè)置不同的值來(lái)調(diào)整的。高頻SPWM波再通往驅(qū)動(dòng)電路。由驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)脈沖控制功率開(kāi)關(guān)管的通斷，從而產(chǎn)生按正弦規(guī)律變化的SPWM波，然后再經(jīng)LC濾波，去除高頻分量從而得到正弦波輸出電壓。

3  控制算法與實(shí)現(xiàn)

    重復(fù)控制的基本概念來(lái)源于控制理論中的內(nèi)模原理，內(nèi)模原理指出：系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)下無(wú)靜差跟蹤輸入信號(hào)的前提是閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定且包含輸入信號(hào)保持器，例如，包含一階積分環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)階躍指令的無(wú)靜差跟蹤，然而，積分環(huán)節(jié)1/s正是一個(gè)階躍信號(hào)保持器，這是它能實(shí)現(xiàn)對(duì)階躍指令無(wú)靜差跟蹤的根本原因[2][3]。

    在設(shè)計(jì)一個(gè)重復(fù)控制器的過(guò)程中，必須要有一個(gè)周期信號(hào)保持器用來(lái)消除周期參考信號(hào)或者擾動(dòng)引起的周期跟蹤誤差。這個(gè)周期信號(hào)既可以用模擬方式產(chǎn)生，也可以由數(shù)字方式產(chǎn)生。然而在實(shí)際系統(tǒng)中，用模擬方法產(chǎn)生任意波形是非常困難的，相反，通過(guò)軟件控制方法可以很容易得到一個(gè)周期信號(hào)。圖4示出了一種重復(fù)控制系統(tǒng)。其中，P(z)表示具有瞬時(shí)跟蹤閉環(huán)反饋控制的光伏逆變器系統(tǒng)，S(z)和Q(z)是重復(fù)控制器的補(bǔ)償環(huán)節(jié)，r(k)是參考信號(hào)，y(k)是系統(tǒng)輸出電壓，e(k)是跟蹤誤差，rc(k)是重復(fù)控制器補(bǔ)償后的參考指令。

圖4  逆 變 器 重 復(fù) 控 制 框 圖  [!--empirenews.page--]

    擾動(dòng)輸入d(k)到跟蹤誤差e(k)的傳函可表示為

      H（z）≡=  (1)

式中：N表示一個(gè)基波周期的采樣次數(shù)。

    對(duì)應(yīng)s域中的頻率響應(yīng)為

     H(jω)=H(z)   (2)

式中：T代表采樣周期。

    如果d(k)的頻率是基波周期的整數(shù)倍，并假定Q(z)=1且PB(z)穩(wěn)定，有

     |H(jω)|=0   (3)

這表明重復(fù)控制器消除了頻率為基波周期整數(shù)倍干擾產(chǎn)生的跟蹤誤差，從而得到了非常好的跟蹤效果。

當(dāng)然，為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定，一般取Q(z)<1，這樣就有

       |H(jω)|<μ(jω)   (4)

式中：μ(jω)為一很小的數(shù)。

    另外，從直觀上講，重復(fù)控制器可以看作N個(gè)積分調(diào)節(jié)器，對(duì)應(yīng)于參考信號(hào)的N個(gè)采樣點(diǎn)。從而，一個(gè)瞬時(shí)值跟蹤系統(tǒng)分解為N個(gè)恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)，通過(guò)各采樣點(diǎn)的無(wú)靜差跟蹤，保證了整個(gè)正弦參考信號(hào)的跟蹤精度。

    重復(fù)控制雖然可以保證輸出波形，但它卻有一個(gè)致命的弱點(diǎn)。由圖3可以看出，重復(fù)控制得到的控制指令并不是立即輸出給系統(tǒng)，而是滯后一個(gè)參考周期后才輸出。這樣，如果系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)干擾，消除干擾對(duì)輸出的影響至少要一個(gè)參考周期。干擾出現(xiàn)后的一個(gè)參考周期內(nèi)，系統(tǒng)對(duì)干擾并不產(chǎn)生任何調(diào)節(jié)作用，這一個(gè)周期系統(tǒng)近乎處于開(kāi)環(huán)控制狀態(tài)。因此，重復(fù)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度是非常慢的。

    由于上述原因，對(duì)于高要求的光伏系統(tǒng)逆變器不宜單獨(dú)采用重復(fù)控制[4][5]。采用數(shù)字PID控制雖然輸出電壓波形質(zhì)量不是很高，但它卻是以開(kāi)關(guān)周期對(duì)跟蹤誤差進(jìn)行調(diào)節(jié)。仔細(xì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)參數(shù)，可以使系統(tǒng)獲得良好的動(dòng)態(tài)特性。綜合考慮，將兩種控制方式結(jié)合在一起，取長(zhǎng)補(bǔ)短，利用重復(fù)控制改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出波形質(zhì)量，利用數(shù)字PID控制或極點(diǎn)配置提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，使系統(tǒng)兼具良好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。

4  實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    針對(duì)以上的分析，在一15kW光伏系統(tǒng)單相全橋逆變器上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，參數(shù)如下:開(kāi)關(guān)器件采用IGBT模塊，濾波電感Lf=0.68mH，濾波電容Cf=50μF，數(shù)字信號(hào)處理器采用TI公司的TMS320F240DSP，并采用240DSP自帶雙10位A/D轉(zhuǎn)換器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

(a)  閉 環(huán) 空 載 波 形

(b)  閉 環(huán) 加 載 波 形 （R=5Ω）

圖5  實(shí) 驗(yàn) 波 形

    從圖5中可以看出，采用離散重復(fù)控制可以保證光伏逆變器在空載條件下保持穩(wěn)定，在帶載條件下可以明顯改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，顯著降低系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。

5  結(jié)語(yǔ)

    本文分析了光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器數(shù)字化實(shí)現(xiàn)的意義，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)及其控制電路進(jìn)行了分析，在控制算法上，采用離散重復(fù)控制策略，使系統(tǒng)在周期性擾動(dòng)信號(hào)下的穩(wěn)態(tài)性能得以改善。由于數(shù)字化控制的優(yōu)越性比較明顯，因此在偏遠(yuǎn)地區(qū)及其它應(yīng)用場(chǎng)合，數(shù)字化光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛。