开关电源应用之数字化光伏发电逆变器的设计
1 导言
太阳能光伏发电是一种将太阳光辐射能直接变换为电能的新式发电技能。太阳光辐射能经过光伏电池变换为电能，再经能量贮存、操控与维护、能量变换等环节，使之可按人们的需求向负载提供直流电能或沟通电能。光伏电池阵列所宣布的电能为直流电，可是大多数用电设备选用的是沟通供电办法，所以体系中需求有逆变器将直流电变换为沟通电以供负载运用。显着，逆变器的功率将直接影响到整个体系的功率，因而，光伏体系逆变器的操控技能具有重要的研讨含义[1]。
在逆变器的规划中，通常选用模仿操控办法，但是，模仿操控体系中存在很多缺点，如元器材的老化及温漂效应，对电磁搅扰较为灵敏，运用的元器材数目较多等等。典型的模仿PWM逆变器操控体系选用天然采样法将正弦调制波与三角载波对比，然后操控触发脉冲，但三角波发作电路在高频（20kHz）时简单被温度、器材特性等要素搅扰，然后致使输出电压中呈现直流偏移，谐波含量增加，死区时刻改变等不利影响。高速数字信号处理器（DSP）的开展使光伏发电体系中逆变器的数字化操控成为可能。因其大多数指令可在一个指令周期内完结，因而能够完成较为杂乱的领先操控算法，进一步改进输出波形的动态功能、稳态功能，而且能够简化整个体系的规划，使体系具有杰出的一致性。
这篇文章对根据DSP的光伏逆变器数字操控体系进行了剖析，选用重复操控和数字PID操控计划进行体系操控，使体系具有较好的稳态特性和动态呼应才能。
2 体系布局与操控电路剖析
太阳能光伏发电体系的典型布局如图1所示。实践使用体系中的光伏发电体系因使用目标不一样而省掉或多出某个部分，但均是从这个典型布局中演化而来。
图1 太阳能光伏发电体系的典型布局
在中小型独立光伏发电体系中，常选用图2所示布局，即选用逆变器直接将光伏电池阵列的直流输出电压变换为沟通电压。在本体系中，因光伏电池阵列输出电压因为光照强度的改变，而会呈现较大范围的动摇，所以需求逆变器能够在较大的直流电压改变范围内正常作业，而且要确保输出电压的安稳，因而对逆变器的操控需求也很高。
图2 独立光伏体系布局
操控电路布局如图3所示。在操控电路中，选用输出电压瞬时值反应，进行波形操控，整个体系作业流程规划如下:
图3 DSP操控电路布局
选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度电路送入DSP模/数变换单元，并将变换成果暂存于DSP中，由此得到输出电压的反应信息。将采样得到的反应信息与给定正弦表的相应数据进行对比，得到差错信号。将差错信号及给定信号按必定的操控算法进行核算，就得到脉宽操控量。在本体系中，操控算法选用的是重复操控加PID操控的办法，前者确保输出波形的稳态功能，后者确保输出波形的动态功能。
由该操控量能够核算出当时时刻SPWM波的占空比，使得输出波形的占空比按正弦规则改变，这样就得到了高频SPWM波。思考到全桥逆变的上下桥臂不能直通，还有必要在DSP的PWM口输出中参加相应的死区。死区的参加极为便利，只需软件编程时，对DSP内部的死区寄存器进行设置，其就会主动在已有的PWM波中参加死区，而且死区时刻是能够经过对寄存器设置不一样的值来调整的。高频SPWM波再通往驱动电路。由驱动电路发生的驱动脉冲操控功率开关管的通断，然后发生按正弦规则改变的SPWM波，然后再经LC滤波，去掉高频重量然后得到正弦波输出电压。
3 操控算法与完成
重复操控的基本概念来源于操控理论中的内模原理，内模原理指出：体系安稳状态下无静差盯梢输入信号的条件是闭环体系安稳且包括输入信号坚持器，例如，包括一阶积分环节的操控体系能够完成对阶跃指令的无静差盯梢，但是，积分环节1/s正是一个阶跃信号坚持器，这是它能完成对阶跃指令无静差盯梢的根本原因[2][3]。
在规划一个重复操控器的过程中，有必要要有一个周期信号坚持器用来消除周期参阅信号或许扰动引起的周期盯梢差错。这个周期信号既能够用模仿办法发生，也能够由数字办法发生。但是在实践体系中，用模仿办法发生任意波形是十分艰难的，相反，经过软件操控办法能够很简单得到一个周期信号。图4示出了一种重复操控体系。其间，P(z)表明具有瞬时盯梢闭环反应操控的光伏逆变器体系，S(z)和Q(z)是重复操控器的抵偿环节，r(k)是参阅信号，y(k)是体系输出电压，e(k)是盯梢差错，rc(k)是重复操控器抵偿后的参阅指令。
图4 逆变器重复操控框图
扰动输入d(k)到盯梢差错e(k)的传函可表明为
H（z）== (1)
式中：N表明一个基波周期的采样次数。
对应s域中的频率呼应为
H(jω)=H(z) (2)
式中：T代表采样周期。
假如d(k)的频率是基波周期的整数倍，并假定Q(z)=1且PB(z)安稳，有
|H(jω)|=0 (3)
这表明重复操控器消除了频率为基波周期整数倍搅扰发生的盯梢差错，然后得到了十分好的盯梢作用。
当然，为了确保体系安稳，通常取Q(z)<1，这样就有
|H(jω)|<μ(jω) (4)
式中：μ(jω)为一很小的数。
别的，从直观上讲，重复操控器能够看作N个积分调理器，对应于参阅信号的N个采样点。然后，一个瞬时值盯梢体系分解为N个恒值调理体系，经过各采样点的无静差盯梢，确保了整个正弦参阅信号的盯梢精度。
重复操控尽管能够确保输出波形，但它却有一个丧命的缺点。由图3能够看出，重复操控得到的操控指令并不是立即输出给体系，而是滞后一个参阅周期后才输出。这样，假如体系内部呈现搅扰，消除搅扰对输出的影响至少要一个参阅周期。搅扰呈现后的一个参阅周期内，体系对搅扰并不发生任何调理作用，这一个周期体系近乎处于开环操控状态。因而，重复操控体系的动态呼应速度是十分慢的。
因为上述原因，关于高需求的光伏体系逆变器不宜独自选用重复操控[4][5]。选用数字PID操控尽管输出电压波形质量不是很高，但它却是以开关周期对盯梢差错进行调理。细心规划体系参数，能够使体系取得杰出的动态特性。综合思考，将两种操控办法联系在一起，扬长避短，使用重复操控改进体系的稳态输出波形质量，使用数字PID操控或极点装备提高体系的动态特性，使体系兼具杰出的稳态和动态特性。
4 试验成果
针对以上的剖析，在一15kW光伏体系单相全桥逆变器进步行了试验，参数如下:开关器材选用IGBT模块，滤波电感Lf=0.68mH，滤波电容Cf=50μF，数字信号处理器选用TI公司的TMS320F240DSP，并选用240DSP自带双10位A/D变换器。试验成果如图5所示。
(a) 闭环空载波形
(b) 闭环加载波形（R=5Ω）
图5 试验波形
从图5中能够看出，选用离散重复操控能够确保光伏逆变器在空载条件下坚持安稳，在带载条件下能够显着改进体系的稳态功能，显着降低体系的稳态差错。
5 结语
这篇文章剖析了光伏发电体系逆变器数字化完成的含义，并对整个体系及其操控电路进行了剖析，在操控算法上，选用离散重复操控战略，使体系在周期性扰动信号下的稳态功能得以改进。因为数字化操控的优越性对比显着，因而在偏远地区及其它使用场合，数字化光伏发电体系逆变器的使用将会越来越广泛。
以上由开关电源公司提供！
太阳能光伏发电是一种将太阳光辐射能直接变换为电能的新式发电技能。太阳光辐射能经过光伏电池变换为电能，再经能量贮存、操控与维护、能量变换等环节，使之可按人们的需求向负载提供直流电能或沟通电能。光伏电池阵列所宣布的电能为直流电，可是大多数用电设备选用的是沟通供电办法，所以体系中需求有逆变器将直流电变换为沟通电以供负载运用。显着，逆变器的功率将直接影响到整个体系的功率，因而，光伏体系逆变器的操控技能具有重要的研讨含义[1]。
在逆变器的规划中，通常选用模仿操控办法，但是，模仿操控体系中存在很多缺点，如元器材的老化及温漂效应，对电磁搅扰较为灵敏，运用的元器材数目较多等等。典型的模仿PWM逆变器操控体系选用天然采样法将正弦调制波与三角载波对比，然后操控触发脉冲，但三角波发作电路在高频（20kHz）时简单被温度、器材特性等要素搅扰，然后致使输出电压中呈现直流偏移，谐波含量增加，死区时刻改变等不利影响。高速数字信号处理器（DSP）的开展使光伏发电体系中逆变器的数字化操控成为可能。因其大多数指令可在一个指令周期内完结，因而能够完成较为杂乱的领先操控算法，进一步改进输出波形的动态功能、稳态功能，而且能够简化整个体系的规划，使体系具有杰出的一致性。
这篇文章对根据DSP的光伏逆变器数字操控体系进行了剖析，选用重复操控和数字PID操控计划进行体系操控，使体系具有较好的稳态特性和动态呼应才能。
2 体系布局与操控电路剖析
太阳能光伏发电体系的典型布局如图1所示。实践使用体系中的光伏发电体系因使用目标不一样而省掉或多出某个部分，但均是从这个典型布局中演化而来。
图1 太阳能光伏发电体系的典型布局
在中小型独立光伏发电体系中，常选用图2所示布局，即选用逆变器直接将光伏电池阵列的直流输出电压变换为沟通电压。在本体系中，因光伏电池阵列输出电压因为光照强度的改变，而会呈现较大范围的动摇，所以需求逆变器能够在较大的直流电压改变范围内正常作业，而且要确保输出电压的安稳，因而对逆变器的操控需求也很高。
图2 独立光伏体系布局
操控电路布局如图3所示。在操控电路中，选用输出电压瞬时值反应，进行波形操控，整个体系作业流程规划如下:
图3 DSP操控电路布局
选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度电路送入DSP模/数变换单元，并将变换成果暂存于DSP中，由此得到输出电压的反应信息。将采样得到的反应信息与给定正弦表的相应数据进行对比，得到差错信号。将差错信号及给定信号按必定的操控算法进行核算，就得到脉宽操控量。在本体系中，操控算法选用的是重复操控加PID操控的办法，前者确保输出波形的稳态功能，后者确保输出波形的动态功能。
由该操控量能够核算出当时时刻SPWM波的占空比，使得输出波形的占空比按正弦规则改变，这样就得到了高频SPWM波。思考到全桥逆变的上下桥臂不能直通，还有必要在DSP的PWM口输出中参加相应的死区。死区的参加极为便利，只需软件编程时，对DSP内部的死区寄存器进行设置，其就会主动在已有的PWM波中参加死区，而且死区时刻是能够经过对寄存器设置不一样的值来调整的。高频SPWM波再通往驱动电路。由驱动电路发生的驱动脉冲操控功率开关管的通断，然后发生按正弦规则改变的SPWM波，然后再经LC滤波，去掉高频重量然后得到正弦波输出电压。
3 操控算法与完成
重复操控的基本概念来源于操控理论中的内模原理，内模原理指出：体系安稳状态下无静差盯梢输入信号的条件是闭环体系安稳且包括输入信号坚持器，例如，包括一阶积分环节的操控体系能够完成对阶跃指令的无静差盯梢，但是，积分环节1/s正是一个阶跃信号坚持器，这是它能完成对阶跃指令无静差盯梢的根本原因[2][3]。
在规划一个重复操控器的过程中，有必要要有一个周期信号坚持器用来消除周期参阅信号或许扰动引起的周期盯梢差错。这个周期信号既能够用模仿办法发生，也能够由数字办法发生。但是在实践体系中，用模仿办法发生任意波形是十分艰难的，相反，经过软件操控办法能够很简单得到一个周期信号。图4示出了一种重复操控体系。其间，P(z)表明具有瞬时盯梢闭环反应操控的光伏逆变器体系，S(z)和Q(z)是重复操控器的抵偿环节，r(k)是参阅信号，y(k)是体系输出电压，e(k)是盯梢差错，rc(k)是重复操控器抵偿后的参阅指令。
图4 逆变器重复操控框图
扰动输入d(k)到盯梢差错e(k)的传函可表明为
H（z）== (1)
式中：N表明一个基波周期的采样次数。
对应s域中的频率呼应为
H(jω)=H(z) (2)
式中：T代表采样周期。
假如d(k)的频率是基波周期的整数倍，并假定Q(z)=1且PB(z)安稳，有
|H(jω)|=0 (3)
这表明重复操控器消除了频率为基波周期整数倍搅扰发生的盯梢差错，然后得到了十分好的盯梢作用。
当然，为了确保体系安稳，通常取Q(z)<1，这样就有
|H(jω)|<μ(jω) (4)
式中：μ(jω)为一很小的数。
别的，从直观上讲，重复操控器能够看作N个积分调理器，对应于参阅信号的N个采样点。然后，一个瞬时值盯梢体系分解为N个恒值调理体系，经过各采样点的无静差盯梢，确保了整个正弦参阅信号的盯梢精度。
重复操控尽管能够确保输出波形，但它却有一个丧命的缺点。由图3能够看出，重复操控得到的操控指令并不是立即输出给体系，而是滞后一个参阅周期后才输出。这样，假如体系内部呈现搅扰，消除搅扰对输出的影响至少要一个参阅周期。搅扰呈现后的一个参阅周期内，体系对搅扰并不发生任何调理作用，这一个周期体系近乎处于开环操控状态。因而，重复操控体系的动态呼应速度是十分慢的。
因为上述原因，关于高需求的光伏体系逆变器不宜独自选用重复操控[4][5]。选用数字PID操控尽管输出电压波形质量不是很高，但它却是以开关周期对盯梢差错进行调理。细心规划体系参数，能够使体系取得杰出的动态特性。综合思考，将两种操控办法联系在一起，扬长避短，使用重复操控改进体系的稳态输出波形质量，使用数字PID操控或极点装备提高体系的动态特性，使体系兼具杰出的稳态和动态特性。
4 试验成果
针对以上的剖析，在一15kW光伏体系单相全桥逆变器进步行了试验，参数如下:开关器材选用IGBT模块，滤波电感Lf=0.68mH，滤波电容Cf=50μF，数字信号处理器选用TI公司的TMS320F240DSP，并选用240DSP自带双10位A/D变换器。试验成果如图5所示。
(a) 闭环空载波形
(b) 闭环加载波形（R=5Ω）
图5 试验波形
从图5中能够看出，选用离散重复操控能够确保光伏逆变器在空载条件下坚持安稳，在带载条件下能够显着改进体系的稳态功能，显着降低体系的稳态差错。
5 结语
这篇文章剖析了光伏发电体系逆变器数字化完成的含义，并对整个体系及其操控电路进行了剖析，在操控算法上，选用离散重复操控战略，使体系在周期性扰动信号下的稳态功能得以改进。因为数字化操控的优越性对比显着，因而在偏远地区及其它使用场合，数字化光伏发电体系逆变器的使用将会越来越广泛。
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