詳解與公用電網(wǎng)相連的逆變器在建模與控制方面電路設(shè)計(jì)

圖6：坐標(biāo)中的三級(jí)逆變器的開(kāi)關(guān)位置矢量

獨(dú)立控制

在缺少公用電網(wǎng)的情況下，可再生能源系統(tǒng)可以為本地負(fù)載提供能源(假設(shè)逆變器可以獲得足夠的電能)。直流和交流端的控制結(jié)構(gòu)可根據(jù)本地負(fù)載的需要進(jìn)行調(diào)整。如系統(tǒng)內(nèi)沒(méi)有備用電池，系統(tǒng)將無(wú)法以最大的功率運(yùn)行，因?yàn)檫@可能導(dǎo)致持續(xù)產(chǎn)生不平衡的電能。獨(dú)立工作時(shí)，電能轉(zhuǎn)化主要取決于所需的本地負(fù)載和逆變器內(nèi)部損耗。如果有足夠的能源，本地負(fù)載可以完全由逆變器提供電能。如果負(fù)載的需求量高于可供應(yīng)的電能量，則需要斷開(kāi)低優(yōu)先級(jí)的負(fù)載，以保證為高優(yōu)先級(jí)的負(fù)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(diào)節(jié)算法也可用于不間斷電源。根據(jù)電壓控制的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)要求，可以采用不同技術(shù)。UPS系統(tǒng)中用到的一種頗具吸引力的方法就是RMS電壓控制。PI補(bǔ)償器可控制RMS電壓。補(bǔ)償器的輸出可以調(diào)整60Hz正弦PWM的調(diào)制指數(shù)。該類型的控制可在穩(wěn)態(tài)下提供穩(wěn)定的輸出，但瞬態(tài)性能可能無(wú)法滿足強(qiáng)負(fù)載瞬態(tài)的需要，例如起動(dòng)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的負(fù)載。圖7為獨(dú)立逆變器的RMS電壓控制框圖。

圖7：獨(dú)立逆變器中的RMS電壓控制在瞬態(tài)期間，瞬時(shí)電壓控制可提供更高強(qiáng)度的控制。在進(jìn)行噪聲模擬測(cè)量的情況下，設(shè)計(jì)補(bǔ)償器尤為困難。圖8為獨(dú)立逆變器的瞬時(shí)電壓控制框圖。

圖8：獨(dú)立逆變器中的瞬時(shí)電壓控制

多環(huán)電壓控制算法可在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)操作下提供更好的結(jié)果。RMS電壓控制器需要60 Hz基準(zhǔn)電流。內(nèi)部電流調(diào)節(jié)器可以通過(guò)測(cè)量瞬時(shí)電流來(lái)調(diào)節(jié)電流。

信號(hào)處理要求

前面各節(jié)中討論過(guò)的幾乎所有算法或者是以數(shù)字格式開(kāi)發(fā)，或者是以數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)，以獲得最佳效果。首先，模數(shù)轉(zhuǎn)換器可將測(cè)量到的模擬信號(hào)(例如：電壓、電流和溫度)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；然后，由處理器利用控制算法對(duì)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行處理；最后，向物理設(shè)備發(fā)出命令來(lái)進(jìn)行控制操作(通常為數(shù)字形式)。需要進(jìn)行數(shù)字化處理的模擬信號(hào)需要高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器；精度最少應(yīng)達(dá)到10個(gè)可用位。另外，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度必須足夠快，否則，每個(gè)中斷周期的長(zhǎng)度將是系統(tǒng)無(wú)法接受的。

逆變器的所有控制行為都需要經(jīng)過(guò)大量處理。例如，帶有電網(wǎng)同步功能的電流調(diào)節(jié)器在中斷服務(wù)例程中需要930個(gè)操作。除此之外，MPPT算法可能需要410個(gè)操作，防孤島控制可能需要545個(gè)操作等等。很顯然，對(duì)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(guān)鍵外設(shè)，例如：串行/并行接口、PWM單元和一個(gè)真12位分辨率、緊密集成到處理器的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。處理器還應(yīng)集成用于執(zhí)行代碼的閃存，以減少對(duì)外部存儲(chǔ)器的需求，從而降低整個(gè)系統(tǒng)的成本。處理的精度和速度會(huì)影響到從可再生能源中獲取的能量、部署到公用電網(wǎng)中的電能質(zhì)量、發(fā)生孤島效應(yīng)時(shí)的人身安全以及與外部設(shè)備通信的能力。除了進(jìn)行控制操作外，逆變器還需要與外界進(jìn)行通信，以獲得狀態(tài)和數(shù)據(jù)報(bào)告、確保并行單元有效協(xié)同工作，并在智能電網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)信息共享。圖9顯示了單相太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體框圖。高性能處理器可以在單個(gè)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(shù)字信號(hào)處理和控制處理，具有片內(nèi)閃存、集成式12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器和穩(wěn)定的外設(shè)組合。具備這些功能的處理器經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可支持各種復(fù)雜的控制算法，以確保獲取最大電能并實(shí)現(xiàn)高效、可靠、安全電能處理。

圖9：?jiǎn)蜗嗵?yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)框圖

總結(jié)

本文簡(jiǎn)要介紹了與公用電網(wǎng)相連的逆變器在建模與控制方面的挑戰(zhàn)。第二節(jié)介紹了用于太陽(yáng)能光伏發(fā)電的MPPT技術(shù)。第三節(jié)討論了電網(wǎng)同步方法，詳細(xì)說(shuō)明了已廣為接受的鎖相環(huán)（PLL）算法，并探討了孤島現(xiàn)象以及逆變器在此方面的弱點(diǎn)。第四節(jié)介紹了常用的防孤島技術(shù)，并重點(diǎn)介紹了桑迪亞電壓移動(dòng)和頻移算法。第五節(jié)討論了電流調(diào)節(jié)算法和線性前饋數(shù)字PI電流調(diào)節(jié)器。第六節(jié)介紹了用于多級(jí)逆變器的PWM生成算法，這種通用算法可由任意級(jí)數(shù)的逆變器實(shí)現(xiàn)，另外，還對(duì)正弦波PWM和空間矢量技術(shù)進(jìn)行了闡述。第七節(jié)介紹了不與公用電網(wǎng)相連的獨(dú)立逆變器。第八節(jié)說(shuō)明了實(shí)現(xiàn)逆變器算法的嵌入式控制所面臨的挑戰(zhàn)。第九節(jié)對(duì)全文進(jìn)行了總結(jié)并給出了結(jié)論。