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。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

??? 擾動輸入d(k)到跟蹤誤差e(k)的傳函可表示為

????? H（z）≡=? (1)

式中：N表示一個基波周期的采樣次數。

??? 對應s域中的頻率響應為

???? 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倍，并假定Q(z)=1且PB(z)穩定，有

???? |H(jω)|=0?? (3)

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

當然，為了保證系統穩定，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。

??? 另外，從直觀上講，重復控制器可以看作N個積分調節器，對應于參考信號的N個采樣點。從而，一個瞬時值跟蹤系統分解為N個恒值調節系統，通過各采樣點的無靜差跟蹤，保證了整個正弦參考信號的跟蹤精度。

??? 重復控制雖然可以保證輸出波形，但它卻有一個致命的弱點。由圖3可以看出，重復控制得到的控制指令并不是立即輸出給系統，而是滯后一個參考周期后才輸出。這樣，如果系統內部出現干擾，消除干擾對輸出的影響至少要一個參考周期。干擾出現后的一個參考周期內，系統對干擾并不產生任何調節作用，這一個周期系統近乎處于開環控制狀態。因此，重復控制系統的動態響應速度是非常慢的。

??? 由于上述原因，對于高要求的光伏系統逆變器不宜單獨采用重復控制[4][5]。采用數字PID控制雖然輸出電壓波形質量不是很高，但它卻是以開關周期對跟蹤誤差進行調節。仔細設計系統參數，可以使系統獲得良好的動態特性。綜合考慮，將兩種控制方式結合在一起，取長補短，利用重復控制改善系統的穩態輸出波形質量，利用數字PID控制或極點配置提高系統的動態特性，使系統兼具良好的穩態和動態特性。

4? 實驗結果

??? 針對以上的分析，在一15kW光伏系統單相全橋逆變器上進行了實驗，參數如下:開關器件采用IGBT模塊，濾波電感Lf=0.68mH，濾波電容Cf=50μF，數字信號處理器采用TI公司的TMS320F240DSP，并采用240DSP自帶雙10位A/D轉換器。實驗結果如圖5所示。

(a)? 閉 環 空 載 波 形

(b)? 閉 環 加 載 波 形 （R=5Ω）

圖5? 實 驗 波 形

??? 從圖5中可以看出，采用離散重復控制可以保證光伏逆變器在空載條件下保持穩定，在帶載條件下可以明顯改善系統的穩態性能，顯著降低系統的穩態誤差。

5? 結語

??? 本文分析了光伏發電系統逆變器數字化實現的意義，并對整個系統及其控制電路進行了分析，在控制算法上，采用離散重復控制策略，使系統在周期性擾動信號下的穩態性能得以改善。由于數字化控制的優越性比較明顯，因此在偏遠地區及其它應用場合，數字化光伏發電系統逆變器的應用將會越來越廣泛。

參考文獻

[1] 中國電工技術學會.電工高技術叢書第二分冊[M].2000.

[2] Ying-Yu Tzou, Hsing-Chung Yeh. DSP-based adaptive repetitive control of a PWM inverter for UPS with very low harmonic distortion[C].IEEE-IECON′ 1996:1122－ 1127.

[3] Ying-Yu Tzou, Shih-Liang Jung, Hsin-Chung Yeh.Adaptive Repetitive Control of PWM Inverters for Very Low THD AC-Voltage Regulation with Unknown Loads[J].IEEE Trans. Power Elec. 1999,14(5):973－ 981.

[4] Ying-Yu,Rong-Shyang Ou,Meng-Yueh Chang.Highperformance programmable AC power source with low harmonic distortion using DSP? based repetitive control technique[J].IEEE trans. Power Elec. 1997,12(4):715－ 725.

[5] Zhang Kai, Kang Yong, Xiong Jian, Chen Jian.Study on an inverter with pole assignment and repetitive control for UPS applications[C].IEEE? IPEMC′ 2000： 650－ 653.