開關電源應用之數(shù)字化光伏發(fā)電逆變器的設計
1 導言
太陽能光伏發(fā)電是一種將太陽光輻射能直接變換為電能的新式發(fā)電技能。太陽光輻射能經(jīng)過光伏電池變換為電能，再經(jīng)能量貯存、操控與維護、能量變換等環(huán)節(jié)，使之可按人們的需求向負載提供直流電能或溝通電能。光伏電池陣列所宣布的電能為直流電，可是大多數(shù)用電設備選用的是溝通供電辦法，所以體系中需求有逆變器將直流電變換為溝通電以供負載運用。顯著，逆變器的功率將直接影響到整個體系的功率，因而，光伏體系逆變器的操控技能具有重要的研討含義[1]。
在逆變器的規(guī)劃中，通常選用模仿操控辦法，但是，模仿操控體系中存在很多缺點，如元器材的老化及溫漂效應，對電磁攪擾較為靈敏，運用的元器材數(shù)目較多等等。典型的模仿PWM逆變器操控體系選用天然采樣法將正弦調(diào)制波與三角載波對比，然后操控觸發(fā)脈沖，但三角波發(fā)作電路在高頻（20kHz）時簡單被溫度、器材特性等要素攪擾，然后致使輸出電壓中呈現(xiàn)直流偏移，諧波含量增加，死區(qū)時刻改變等不利影響。高速數(shù)字信號處理器（DSP）的開展使光伏發(fā)電體系中逆變器的數(shù)字化操控成為可能。因其大多數(shù)指令可在一個指令周期內(nèi)完結，因而能夠完成較為雜亂的領先操控算法，進一步改進輸出波形的動態(tài)功能、穩(wěn)態(tài)功能，而且能夠簡化整個體系的規(guī)劃，使體系具有杰出的一致性。
這篇文章對根據(jù)DSP的光伏逆變器數(shù)字操控體系進行了剖析，選用重復操控和數(shù)字PID操控計劃進行體系操控，使體系具有較好的穩(wěn)態(tài)特性和動態(tài)呼應才能。
2 體系布局與操控電路剖析
太陽能光伏發(fā)電體系的典型布局如圖1所示。實踐使用體系中的光伏發(fā)電體系因使用目標不一樣而省掉或多出某個部分，但均是從這個典型布局中演化而來。
圖1 太陽能光伏發(fā)電體系的典型布局
在中小型獨立光伏發(fā)電體系中，常選用圖2所示布局，即選用逆變器直接將光伏電池陣列的直流輸出電壓變換為溝通電壓。在本體系中，因光伏電池陣列輸出電壓因為光照強度的改變，而會呈現(xiàn)較大范圍的動搖，所以需求逆變器能夠在較大的直流電壓改變范圍內(nèi)正常作業(yè)，而且要確保輸出電壓的安穩(wěn)，因而對逆變器的操控需求也很高。
圖2 獨立光伏體系布局
操控電路布局如圖3所示。在操控電路中，選用輸出電壓瞬時值反應，進行波形操控，整個體系作業(yè)流程規(guī)劃如下:
圖3 DSP操控電路布局
選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(jīng)調(diào)度電路送入DSP模/數(shù)變換單元，并將變換成果暫存于DSP中，由此得到輸出電壓的反應信息。將采樣得到的反應信息與給定正弦表的相應數(shù)據(jù)進行對比，得到差錯信號。將差錯信號及給定信號按必定的操控算法進行核算，就得到脈寬操控量。在本體系中，操控算法選用的是重復操控加PID操控的辦法，前者確保輸出波形的穩(wěn)態(tài)功能，后者確保輸出波形的動態(tài)功能。
由該操控量能夠核算出當時時刻SPWM波的占空比，使得輸出波形的占空比按正弦規(guī)則改變，這樣就得到了高頻SPWM波。思考到全橋逆變的上下橋臂不能直通，還有必要在DSP的PWM口輸出中參加相應的死區(qū)。死區(qū)的參加極為便利，只需軟件編程時，對DSP內(nèi)部的死區(qū)寄存器進行設置，其就會主動在已有的PWM波中參加死區(qū)，而且死區(qū)時刻是能夠經(jīng)過對寄存器設置不一樣的值來調(diào)整的。高頻SPWM波再通往驅(qū)動電路。由驅(qū)動電路發(fā)生的驅(qū)動脈沖操控功率開關管的通斷，然后發(fā)生按正弦規(guī)則改變的SPWM波，然后再經(jīng)LC濾波，去掉高頻重量然后得到正弦波輸出電壓。
3 操控算法與完成
重復操控的基本概念來源于操控理論中的內(nèi)模原理，內(nèi)模原理指出：體系安穩(wěn)狀態(tài)下無靜差盯梢輸入信號的條件是閉環(huán)體系安穩(wěn)且包括輸入信號堅持器，例如，包括一階積分環(huán)節(jié)的操控體系能夠完成對階躍指令的無靜差盯梢，但是，積分環(huán)節(jié)1/s正是一個階躍信號堅持器，這是它能完成對階躍指令無靜差盯梢的根本原因[2][3]。
在規(guī)劃一個重復操控器的過程中，有必要要有一個周期信號堅持器用來消除周期參閱信號或許擾動引起的周期盯梢差錯。這個周期信號既能夠用模仿辦法發(fā)生，也能夠由數(shù)字辦法發(fā)生。但是在實踐體系中，用模仿辦法發(fā)生任意波形是十分艱難的，相反，經(jīng)過軟件操控辦法能夠很簡單得到一個周期信號。圖4示出了一種重復操控體系。其間，P(z)表明具有瞬時盯梢閉環(huán)反應操控的光伏逆變器體系，S(z)和Q(z)是重復操控器的抵償環(huán)節(jié)，r(k)是參閱信號，y(k)是體系輸出電壓，e(k)是盯梢差錯，rc(k)是重復操控器抵償后的參閱指令。
圖4 逆變器重復操控框圖
擾動輸入d(k)到盯梢差錯e(k)的傳函可表明為
H（z）== (1)
式中：N表明一個基波周期的采樣次數(shù)。
對應s域中的頻率呼應為
H(jω)=H(z) (2)
式中：T代表采樣周期。
假如d(k)的頻率是基波周期的整數(shù)倍，并假定Q(z)=1且PB(z)安穩(wěn)，有
|H(jω)|=0 (3)
這表明重復操控器消除了頻率為基波周期整數(shù)倍攪擾發(fā)生的盯梢差錯，然后得到了十分好的盯梢作用。
當然，為了確保體系安穩(wěn)，通常取Q(z)<1，這樣就有
|H(jω)|<μ(jω) (4)
式中：μ(jω)為一很小的數(shù)。
別的，從直觀上講，重復操控器能夠看作N個積分調(diào)理器，對應于參閱信號的N個采樣點。然后，一個瞬時值盯梢體系分解為N個恒值調(diào)理體系，經(jīng)過各采樣點的無靜差盯梢，確保了整個正弦參閱信號的盯梢精度。
重復操控盡管能夠確保輸出波形，但它卻有一個喪命的缺點。由圖3能夠看出，重復操控得到的操控指令并不是立即輸出給體系，而是滯后一個參閱周期后才輸出。這樣，假如體系內(nèi)部呈現(xiàn)攪擾，消除攪擾對輸出的影響至少要一個參閱周期。攪擾呈現(xiàn)后的一個參閱周期內(nèi)，體系對攪擾并不發(fā)生任何調(diào)理作用，這一個周期體系近乎處于開環(huán)操控狀態(tài)。因而，重復操控體系的動態(tài)呼應速度是十分慢的。
因為上述原因，關于高需求的光伏體系逆變器不宜獨自選用重復操控[4][5]。選用數(shù)字PID操控盡管輸出電壓波形質(zhì)量不是很高，但它卻是以開關周期對盯梢差錯進行調(diào)理。細心規(guī)劃體系參數(shù)，能夠使體系取得杰出的動態(tài)特性。綜合思考，將兩種操控辦法聯(lián)系在一起，揚長避短，使用重復操控改進體系的穩(wěn)態(tài)輸出波形質(zhì)量，使用數(shù)字PID操控或極點裝備提高體系的動態(tài)特性，使體系兼具杰出的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性。
4 試驗成果
針對以上的剖析，在一15kW光伏體系單相全橋逆變器進步行了試驗，參數(shù)如下:開關器材選用IGBT模塊，濾波電感Lf=0.68mH，濾波電容Cf=50μF，數(shù)字信號處理器選用TI公司的TMS320F240DSP，并選用240DSP自帶雙10位A/D變換器。試驗成果如圖5所示。
(a) 閉環(huán)空載波形
(b) 閉環(huán)加載波形（R=5Ω）
圖5 試驗波形
從圖5中能夠看出，選用離散重復操控能夠確保光伏逆變器在空載條件下堅持安穩(wěn)，在帶載條件下能夠顯著改進體系的穩(wěn)態(tài)功能，顯著降低體系的穩(wěn)態(tài)差錯。
5 結語
這篇文章剖析了光伏發(fā)電體系逆變器數(shù)字化完成的含義，并對整個體系及其操控電路進行了剖析，在操控算法上，選用離散重復操控戰(zhàn)略，使體系在周期性擾動信號下的穩(wěn)態(tài)功能得以改進。因為數(shù)字化操控的優(yōu)越性對比顯著，因而在偏遠地區(qū)及其它使用場合，數(shù)字化光伏發(fā)電體系逆變器的使用將會越來越廣泛。
以上由開關電源公司提供！
太陽能光伏發(fā)電是一種將太陽光輻射能直接變換為電能的新式發(fā)電技能。太陽光輻射能經(jīng)過光伏電池變換為電能，再經(jīng)能量貯存、操控與維護、能量變換等環(huán)節(jié)，使之可按人們的需求向負載提供直流電能或溝通電能。光伏電池陣列所宣布的電能為直流電，可是大多數(shù)用電設備選用的是溝通供電辦法，所以體系中需求有逆變器將直流電變換為溝通電以供負載運用。顯著，逆變器的功率將直接影響到整個體系的功率，因而，光伏體系逆變器的操控技能具有重要的研討含義[1]。
在逆變器的規(guī)劃中，通常選用模仿操控辦法，但是，模仿操控體系中存在很多缺點，如元器材的老化及溫漂效應，對電磁攪擾較為靈敏，運用的元器材數(shù)目較多等等。典型的模仿PWM逆變器操控體系選用天然采樣法將正弦調(diào)制波與三角載波對比，然后操控觸發(fā)脈沖，但三角波發(fā)作電路在高頻（20kHz）時簡單被溫度、器材特性等要素攪擾，然后致使輸出電壓中呈現(xiàn)直流偏移，諧波含量增加，死區(qū)時刻改變等不利影響。高速數(shù)字信號處理器（DSP）的開展使光伏發(fā)電體系中逆變器的數(shù)字化操控成為可能。因其大多數(shù)指令可在一個指令周期內(nèi)完結，因而能夠完成較為雜亂的領先操控算法，進一步改進輸出波形的動態(tài)功能、穩(wěn)態(tài)功能，而且能夠簡化整個體系的規(guī)劃，使體系具有杰出的一致性。
這篇文章對根據(jù)DSP的光伏逆變器數(shù)字操控體系進行了剖析，選用重復操控和數(shù)字PID操控計劃進行體系操控，使體系具有較好的穩(wěn)態(tài)特性和動態(tài)呼應才能。
2 體系布局與操控電路剖析
太陽能光伏發(fā)電體系的典型布局如圖1所示。實踐使用體系中的光伏發(fā)電體系因使用目標不一樣而省掉或多出某個部分，但均是從這個典型布局中演化而來。
圖1 太陽能光伏發(fā)電體系的典型布局
在中小型獨立光伏發(fā)電體系中，常選用圖2所示布局，即選用逆變器直接將光伏電池陣列的直流輸出電壓變換為溝通電壓。在本體系中，因光伏電池陣列輸出電壓因為光照強度的改變，而會呈現(xiàn)較大范圍的動搖，所以需求逆變器能夠在較大的直流電壓改變范圍內(nèi)正常作業(yè)，而且要確保輸出電壓的安穩(wěn)，因而對逆變器的操控需求也很高。
圖2 獨立光伏體系布局
操控電路布局如圖3所示。在操控電路中，選用輸出電壓瞬時值反應，進行波形操控，整個體系作業(yè)流程規(guī)劃如下:
圖3 DSP操控電路布局
選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(jīng)調(diào)度電路送入DSP模/數(shù)變換單元，并將變換成果暫存于DSP中，由此得到輸出電壓的反應信息。將采樣得到的反應信息與給定正弦表的相應數(shù)據(jù)進行對比，得到差錯信號。將差錯信號及給定信號按必定的操控算法進行核算，就得到脈寬操控量。在本體系中，操控算法選用的是重復操控加PID操控的辦法，前者確保輸出波形的穩(wěn)態(tài)功能，后者確保輸出波形的動態(tài)功能。
由該操控量能夠核算出當時時刻SPWM波的占空比，使得輸出波形的占空比按正弦規(guī)則改變，這樣就得到了高頻SPWM波。思考到全橋逆變的上下橋臂不能直通，還有必要在DSP的PWM口輸出中參加相應的死區(qū)。死區(qū)的參加極為便利，只需軟件編程時，對DSP內(nèi)部的死區(qū)寄存器進行設置，其就會主動在已有的PWM波中參加死區(qū)，而且死區(qū)時刻是能夠經(jīng)過對寄存器設置不一樣的值來調(diào)整的。高頻SPWM波再通往驅(qū)動電路。由驅(qū)動電路發(fā)生的驅(qū)動脈沖操控功率開關管的通斷，然后發(fā)生按正弦規(guī)則改變的SPWM波，然后再經(jīng)LC濾波，去掉高頻重量然后得到正弦波輸出電壓。
3 操控算法與完成
重復操控的基本概念來源于操控理論中的內(nèi)模原理，內(nèi)模原理指出：體系安穩(wěn)狀態(tài)下無靜差盯梢輸入信號的條件是閉環(huán)體系安穩(wěn)且包括輸入信號堅持器，例如，包括一階積分環(huán)節(jié)的操控體系能夠完成對階躍指令的無靜差盯梢，但是，積分環(huán)節(jié)1/s正是一個階躍信號堅持器，這是它能完成對階躍指令無靜差盯梢的根本原因[2][3]。
在規(guī)劃一個重復操控器的過程中，有必要要有一個周期信號堅持器用來消除周期參閱信號或許擾動引起的周期盯梢差錯。這個周期信號既能夠用模仿辦法發(fā)生，也能夠由數(shù)字辦法發(fā)生。但是在實踐體系中，用模仿辦法發(fā)生任意波形是十分艱難的，相反，經(jīng)過軟件操控辦法能夠很簡單得到一個周期信號。圖4示出了一種重復操控體系。其間，P(z)表明具有瞬時盯梢閉環(huán)反應操控的光伏逆變器體系，S(z)和Q(z)是重復操控器的抵償環(huán)節(jié)，r(k)是參閱信號，y(k)是體系輸出電壓，e(k)是盯梢差錯，rc(k)是重復操控器抵償后的參閱指令。
圖4 逆變器重復操控框圖
擾動輸入d(k)到盯梢差錯e(k)的傳函可表明為
H（z）== (1)
式中：N表明一個基波周期的采樣次數(shù)。
對應s域中的頻率呼應為
H(jω)=H(z) (2)
式中：T代表采樣周期。
假如d(k)的頻率是基波周期的整數(shù)倍，并假定Q(z)=1且PB(z)安穩(wěn)，有
|H(jω)|=0 (3)
這表明重復操控器消除了頻率為基波周期整數(shù)倍攪擾發(fā)生的盯梢差錯，然后得到了十分好的盯梢作用。
當然，為了確保體系安穩(wěn)，通常取Q(z)<1，這樣就有
|H(jω)|<μ(jω) (4)
式中：μ(jω)為一很小的數(shù)。
別的，從直觀上講，重復操控器能夠看作N個積分調(diào)理器，對應于參閱信號的N個采樣點。然后，一個瞬時值盯梢體系分解為N個恒值調(diào)理體系，經(jīng)過各采樣點的無靜差盯梢，確保了整個正弦參閱信號的盯梢精度。
重復操控盡管能夠確保輸出波形，但它卻有一個喪命的缺點。由圖3能夠看出，重復操控得到的操控指令并不是立即輸出給體系，而是滯后一個參閱周期后才輸出。這樣，假如體系內(nèi)部呈現(xiàn)攪擾，消除攪擾對輸出的影響至少要一個參閱周期。攪擾呈現(xiàn)后的一個參閱周期內(nèi)，體系對攪擾并不發(fā)生任何調(diào)理作用，這一個周期體系近乎處于開環(huán)操控狀態(tài)。因而，重復操控體系的動態(tài)呼應速度是十分慢的。
因為上述原因，關于高需求的光伏體系逆變器不宜獨自選用重復操控[4][5]。選用數(shù)字PID操控盡管輸出電壓波形質(zhì)量不是很高，但它卻是以開關周期對盯梢差錯進行調(diào)理。細心規(guī)劃體系參數(shù)，能夠使體系取得杰出的動態(tài)特性。綜合思考，將兩種操控辦法聯(lián)系在一起，揚長避短，使用重復操控改進體系的穩(wěn)態(tài)輸出波形質(zhì)量，使用數(shù)字PID操控或極點裝備提高體系的動態(tài)特性，使體系兼具杰出的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性。
4 試驗成果
針對以上的剖析，在一15kW光伏體系單相全橋逆變器進步行了試驗，參數(shù)如下:開關器材選用IGBT模塊，濾波電感Lf=0.68mH，濾波電容Cf=50μF，數(shù)字信號處理器選用TI公司的TMS320F240DSP，并選用240DSP自帶雙10位A/D變換器。試驗成果如圖5所示。
(a) 閉環(huán)空載波形
(b) 閉環(huán)加載波形（R=5Ω）
圖5 試驗波形
從圖5中能夠看出，選用離散重復操控能夠確保光伏逆變器在空載條件下堅持安穩(wěn)，在帶載條件下能夠顯著改進體系的穩(wěn)態(tài)功能，顯著降低體系的穩(wěn)態(tài)差錯。
5 結語
這篇文章剖析了光伏發(fā)電體系逆變器數(shù)字化完成的含義，并對整個體系及其操控電路進行了剖析，在操控算法上，選用離散重復操控戰(zhàn)略，使體系在周期性擾動信號下的穩(wěn)態(tài)功能得以改進。因為數(shù)字化操控的優(yōu)越性對比顯著，因而在偏遠地區(qū)及其它使用場合，數(shù)字化光伏發(fā)電體系逆變器的使用將會越來越廣泛。
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