數字化光伏發電逆變器的設計

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

關 鍵 詞 ： 光 伏 發 電 ； 逆 變 器 ； 數 字 信 號 處 理 器 ； 重 復 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

太陽能光伏發電是一種將太陽光輻射能直接轉換為電能的新型發電技術。太陽光輻射能經過光伏電池轉換為電能，再經能量儲存、控制與保護、能量變換等環節，使之可按人們的需要向負載提供直流電能或交流電能。光伏電池陣列所發出的電能為直流電，但是大多數用電設備采用的是交流供電方式，所以系統中需要有逆變器將直流電變換為交流電以供負載使用。顯然，逆變器的效率將直接影響到整個系統的效率，因此，光伏系統逆變器的控制技術具有重要的研究意義[1]。

在逆變器的設計中，通常采用模擬控制方法，然而，模擬控制系統中存在很多缺陷，如元器件的老化及溫漂效應，對電磁干擾較為敏感，使用的元器件數目較多等等。典型的模擬PWM逆變器控制系統采用自然采樣法將正弦調制波與三角載波比較，從而控制觸發脈沖，但三角波發生電路在高頻（20kHz）時容易被溫度、器件特性等因素干擾，從而導致輸出電壓中出現直流偏移，諧波含量增加，死區時間變化等不利影響。高速數字信號處理器（DSP）的發展使光伏發電系統中逆變器的數字化控制成為可能。因其大部分指令可在一個指令周期內完成，因此可以實現較為復雜的先進控制算法，進一步改善輸出波形的動態性能、穩態性能，并且可以簡化整個系統的設計，使系統具有良好的一致性。

本文對基于DSP的光伏逆變器數字控制系統進行了分析，采用重復控制和數字PID控制方案進行系統控制，使系統具有較好的穩態特性和動態響應能力。

2 系統結構與控制電路分析

太陽能光伏發電系統的典型結構如圖1所示。實際應用系統中的光伏發電系統因應用對象不同而省略或多出某個部分，但均是從這個典型結構中演變而來。

圖1 太 陽 能 光 伏 發 電 系 統 的 典 型 結 構

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

圖2 獨立光伏系統結構

控制電路結構如圖3所示。在控制電路中，采用輸出電壓瞬時值反饋，進行波形控制，整個系統工作流程設計如下:

圖3 DSP控 制 電 路 結 構

采用電壓霍爾對輸出電壓進行采樣，采樣周期為20kHz。電壓霍爾輸出信號經調理電路送入DSP模/數轉換單元，并將轉換結果暫存于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數據進行比較，得到偏差信號。將偏差信號及給定信號按一定的控制算法進行計算，就得到脈寬控制量。在本系統中，控制算法采用的是重復控制加PID控制的方法，前者保證輸出波形的穩態性能，后者保證輸出波形的動態性能。

由該控制量可以計算出當前時刻SPWM波的占空比，使得輸出波形的占空比按正弦規律變化，這樣就得到了高頻SPWM波?？紤]到全橋逆變的上下橋臂不能直通，還必須在DSP的PWM口輸出中加入相應的死區。死區的加入極為方便，只需軟件編程時，對DSP內部的死區寄存器進行設置，其就會自動在已有的PWM波中加入死區，并且死區時間是可以通過對寄存器設置不同的值來調整的。高頻SPWM波再通往驅動電路。由驅動電路產生的驅動脈沖控制功率開關管的通斷，從而產生按正弦規律變化的SPWM波，然后再經LC濾波，去除高頻分量從而得到正弦波輸出電壓。

3 控制算法與實現

重復控制的基本概念來源于控制理論中的內模原理，內模原理指出：系統穩定狀態下無靜差跟蹤輸入信號的前提是閉環系統穩定且包含輸入信號保持器，例如，包含一階積分環節的控制系統可以實現對階躍指令的無靜差跟蹤，然而，積分環節1/s正是一個階躍信號保持器，這是它能實現對階躍指令無靜差跟蹤的根本原因[2][3]。

在設計一個重復控制器的過程中，必須要有一個周期信號保持器用來消除周期參考信號或者擾動引起的周期跟蹤誤差。這個周期信號既可以用模擬方式產生，也可以由數字方式產生。然而在實際系統中，用模擬方法產生任意波形是非常困難的，相反，通過軟件控制方法可以很容易得到一個周期信號。圖4示出了一種重復控制系統。其中，P(z)表示具有瞬時跟蹤閉環反饋控制的光伏逆變器系統，S(z)和Q(z)是重復控制器的補償環節，r(k)是參考信號，y(k)是系統輸出電壓，e(k)是跟蹤誤差，rc(k)是重復控制器補償后的參考指令。

圖4 逆 變 器 重 復 控 制 框 圖