詳解與公用電網相連的逆變器在建模與控制方面電路設計

圖6：坐標中的三級逆變器的開關位置矢量

獨立控制

在缺少公用電網的情況下，可再生能源系統可以為本地負載提供能源(假設逆變器可以獲得足夠的電能)。直流和交流端的控制結構可根據本地負載的需要進行調整。如系統內沒有備用電池，系統將無法以最大的功率運行，因為這可能導致持續產生不平衡的電能。獨立工作時，電能轉化主要取決于所需的本地負載和逆變器內部損耗。如果有足夠的能源，本地負載可以完全由逆變器提供電能。如果負載的需求量高于可供應的電能量，則需要斷開低優先級的負載，以保證為高優先級的負載提供電能。

交流端的電壓和頻率由逆變器控制。同樣的電壓調節算法也可用于不間斷電源。根據電壓控制的穩態和瞬態要求，可以采用不同技術。UPS系統中用到的一種頗具吸引力的方法就是RMS電壓控制。PI補償器可控制RMS電壓。補償器的輸出可以調整60Hz正弦PWM的調制指數。該類型的控制可在穩態下提供穩定的輸出，但瞬態性能可能無法滿足強負載瞬態的需要，例如起動壓縮機驅動的負載。圖7為獨立逆變器的RMS電壓控制框圖。

圖7：獨立逆變器中的RMS電壓控制在瞬態期間，瞬時電壓控制可提供更高強度的控制。在進行噪聲模擬測量的情況下，設計補償器尤為困難。圖8為獨立逆變器的瞬時電壓控制框圖。

圖8：獨立逆變器中的瞬時電壓控制

多環電壓控制算法可在穩態和瞬態操作下提供更好的結果。RMS電壓控制器需要60 Hz基準電流。內部電流調節器可以通過測量瞬時電流來調節電流。

信號處理要求

前面各節中討論過的幾乎所有算法或者是以數字格式開發，或者是以數字方式實現，以獲得最佳效果。首先，模數轉換器可將測量到的模擬信號(例如：電壓、電流和溫度)轉換為數字信號；然后，由處理器利用控制算法對數字數據進行處理；最后，向物理設備發出命令來進行控制操作(通常為數字形式)。需要進行數字化處理的模擬信號需要高精度模數轉換器；精度最少應達到10個可用位。另外，模數轉換器的轉換速度必須足夠快，否則，每個中斷周期的長度將是系統無法接受的。

逆變器的所有控制行為都需要經過大量處理。例如，帶有電網同步功能的電流調節器在中斷服務例程中需要930個操作。除此之外，MPPT算法可能需要410個操作，防孤島控制可能需要545個操作等等。很顯然，對于20kHz PWM操作，逆變器需要使用周期率高于200MHz的處理器。

此外，DSP還必須集成關鍵外設，例如：串行/并行接口、PWM單元和一個真12位分辨率、緊密集成到處理器的12位模數轉換器。處理器還應集成用于執行代碼的閃存，以減少對外部存儲器的需求，從而降低整個系統的成本。處理的精度和速度會影響到從可再生能源中獲取的能量、部署到公用電網中的電能質量、發生孤島效應時的人身安全以及與外部設備通信的能力。除了進行控制操作外，逆變器還需要與外界進行通信，以獲得狀態和數據報告、確保并行單元有效協同工作，并在智能電網中實現信息共享。圖9顯示了單相太陽能光伏發電系統的整體框圖。高性能處理器可以在單個芯片中提供所有上述功能，例如ADI公司的新款400 MHz Blackfin BF50x系列處理器，可用于數字信號處理和控制處理，具有片內閃存、集成式12位數模轉換器和穩定的外設組合。具備這些功能的處理器經過優化，可支持各種復雜的控制算法，以確保獲取最大電能并實現高效、可靠、安全電能處理。

圖9：單相太陽能光伏發電系統框圖

總結

本文簡要介紹了與公用電網相連的逆變器在建模與控制方面的挑戰。第二節介紹了用于太陽能光伏發電的MPPT技術。第三節討論了電網同步方法，詳細說明了已廣為接受的鎖相環（PLL）算法，并探討了孤島現象以及逆變器在此方面的弱點。第四節介紹了常用的防孤島技術，并重點介紹了桑迪亞電壓移動和頻移算法。第五節討論了電流調節算法和線性前饋數字PI電流調節器。第六節介紹了用于多級逆變器的PWM生成算法，這種通用算法可由任意級數的逆變器實現，另外，還對正弦波PWM和空間矢量技術進行了闡述。第七節介紹了不與公用電網相連的獨立逆變器。第八節說明了實現逆變器算法的嵌入式控制所面臨的挑戰。第九節對全文進行了總結并給出了結論。