数字化光伏发电逆变器的设计

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西安交通大学 郭同生 杨旭 王兆
　　1  引言
　　太阳能光伏发电是一种将太阳光辐射能直接转换为电能的新型发电技术。太阳光辐射能经过光伏电池转换为电能，再经能量储存、控制与保护、能量变换等环节，使之可按人们的需要向负载提供直流电能或交流电能。光伏电池阵列所发出的电能为直流电，但是大多数用电设备采用的是交流供电方式，所以系统中需要有逆变器将直流电变换为交流电以供负载使用。显然，逆变器的效率将直接影响到整个系统的效率，因此，光伏系统逆变器的控制技术具有重要的研究意义[1]。
　　在逆变器的设计中，通常采用模拟控制方法，然而，模拟控制系统中存在很多缺陷，如元器件的老化及温漂效应，对电磁干扰较为敏感，使用的元器件数目较多等等。典型的模拟PWM逆变器控制系统采用自然采样法将正弦调制波与三角载波比较，从而控制触发脉冲，但三角波发生电路在高频（20kHz）时容易被温度、器件特性等因素干扰，从而导致输出电压中出现直流偏移，谐波含量增加，死区时间变化等不利影响。高速数字信号处理器（DSP）的发展使光伏发电系统中逆变器的数字化控制成为可能。因其大部分指令可在一个指令周期内完成，因此可以实现较为复杂的先进控制算法，进一步改善输出波形的动态性能、稳态性能，并且可以简化整个系统的设计，使系统具有良好的一致性。
　　本文对基于DSP的光伏逆变器数字控制系统进行了分析，采用重复控制和数字PID控制方案进行系统控制，使系统具有较好的稳态特性和动态响应能力。
　　2  系统结构与控制电路分析
　　太阳能光伏发电系统的典型结构如图1所示。实际应用系统中的光伏发电系统因应用对象不同而省略或多出某个部分，但均是从这个典型结构中演变而来。

图1  太阳能光伏发电系统的典型结构

　　在中小型独立光伏发电系统中，常采用图2所示结构，即采用逆变器直接将光伏电池阵列的直流输出电压转换为交流电压。在本系统中，因光伏电池阵列输出电压由于光照强度的变化，而会出现较大范围的波动，所以要求逆变器能够在较大的直流电压变化范围内正常工作，而且要保证输出电压的稳定，因此对逆变器的控制要求也很高。

图2  独立光伏系统结构

　　控制电路结构如图3所示。在控制电路中，采用输出电压瞬时值反馈，进行波形控制，整个系统工作流程设计如下:

图3  DSP控制电路结构

　　采用电压霍尔对输出电压进行采样，采样周期为20kHz。电压霍尔输出信号经调理电路送入DSP模/数转换单元，并将转换结果暂存于DSP中，由此得到输出电压的反馈信息。将采样得到的反馈信息与给定正弦表的相应数据进行比较，得到偏差信号。将偏差信号及给定信号按一定的控制算法进行计算，就得到脉宽控制量。在本系统中，控制算法采用的是重复控制加PID控制的方法，前者保证输出波形的稳态性能，后者保证输出波形的动态性能。
　　由该控制量可以计算出当前时刻SPWM波的占空比，使得输出波形的占空比按正弦规律变化，这样就得到了高频SPWM波。考虑到全桥逆变的上下桥臂不能直通，还必须在DSP的PWM口输出中加入相应的死区。死区的加入极为方便，只需软件编程时，对DSP内部的死区寄存器进行设置，其就会自动在已有的PWM波中加入死区，并且死区时间是可以通过对寄存器设置不同的值来调整的。高频SPWM波再通往驱动电路。由驱动电路产生的驱动脉冲控制功率开关管的通断，从而产生按正弦规律变化的SPWM波，然后再经LC滤波，去除高频分量从而得到正弦波输出电压。
　　3  控制算法与实现
　　重复控制的基本概念来源于控制理论中的内模原理，内模原理指出：系统稳定状态下无静差跟踪输入信号的前提是闭环系统稳定且包含输入信号保持器，例如，包含一阶积分环节的控制系统可以实现对阶跃指令的无静差跟踪，然而，积分环节1/s正是一个阶跃信号保持器，这是它能实现对阶跃指令无静差跟踪的根本原因[2][3]。
　　在设计一个重复控制器的过程中，必须要有一个周期信号保持器用来消除周期参考信号或者扰动引起的周期跟踪误差。这个周期信号既可以用模拟方式产生，也可以由数字方式产生。然而在实际系统中，用模拟方法产生任意波形是非常困难的，相反，通过软件控制方法可以很容易得到一个周期信号。图4示出了一种重复控制系统。其中，P(z)表示具有瞬时跟踪闭环反馈控制的光伏逆变器系统，S(z)和Q(z)是重复控制器的补偿环节，r(k)是参考信号，y(k)是系统输出电压，e(k)是跟踪误差，rc(k)是重复控制器补偿后的参考指令。

图4  逆变器重复控制框图

扰动输入d(k)到跟踪误差e(k)的传函可表示为

H（z）==  (1)

　　式中：N表示一个基波周期的采样次数。
　　对应s域中的频率响应为

H(jω)=H(z)  (2)

　　式中：T代表采样周期。
　　如果d(k)的频率是基波周期的整数倍，并假定Q(z)=1且PB(z)稳定，有

|H(jω)|=0   (3)

　　这表明重复控制器消除了频率为基波周期整数倍干扰产生的跟踪误差，从而得到了非常好的跟踪效果。
　　当然，为了保证系统稳定，一般取Q(z)<1，这样就有

|H(jω)|<μ(jω)   (4)

　　式中：μ(jω)为一很小的数。
　　另外，从直观上讲，重复控制器可以看作N个积分调节器，对应于参考信号的N个采样点。从而，一个瞬时值跟踪系统分解为N个恒值调节系统，通过各采样点的无静差跟踪，保证了整个正弦参考信号的跟踪精度。
　　重复控制虽然可以保证输出波形，但它却有一个致命的弱点。由图3可以看出，重复控制得到的控制指令并不是立即输出给系统，而是滞后一个参考周期后才输出。这样，如果系统内部出现干扰，消除干扰对输出的影响至少要一个参考周期。干扰出现后的一个参考周期内，系统对干扰并不产生任何调节作用，这一个周期系统近乎处于开环控制状态。因此，重复控制系统的动态响应速度是非常慢的。
　　由于上述原因，对于高要求的光伏系统逆变器不宜单独采用重复控制[4][5]。采用数字PID控制虽然输出电压波形质量不是很高，但它却是以开关周期对跟踪误差进行调节。仔细设计系统参数，可以使系统获得良好的动态特性。综合考虑，将两种控制方式结合在一起，取长补短，利用重复控制改善系统的稳态输出波形质量，利用数字PID控制或极点配置提高系统的动态特性，使系统兼具良好的稳态和动态特性。
　　4  实验结果
　　针对以上的分析，在一15kW光伏系统单相全桥逆变器上进行了实验，参数如下:开关器件采用IGBT模块，滤波电感Lf=0.68mH，滤波电容Cf=50μF，数字信号处理器采用TI公司的TMS320F240DSP，并采用240DSP自带双10位A/D转换器。实验结果如图5所示。

(a)  闭环空载波形

(b)  闭环加载波形（R=5Ω）

图5  实验波形

　　从图5中可以看出，采用离散重复控制可以保证光伏逆变器在空载条件下保持稳定，在带载条件下可以明显改善系统的稳态性能，显著降低系统的稳态误差。
　　5  结语
　　本文分析了光伏发电系统逆变器数字化实现的意义，并对整个系统及其控制电路进行了分析，在控制算法上，采用离散重复控制策略，使系统在周期性扰动信号下的稳态性能得以改善。由于数字化控制的优越性比较明显，因此在偏远地区及其它应用场合，数字化光伏发电系统逆变器的应用将会越来越广泛。