增強型控制智能有助于提高可再生能源的效率并降低價格

作者：Arefeen Mohammed，德州儀器 (TI)應(yīng)用工程師

　　全球?qū)稍偕茉吹男枨蟛粩嗌仙到y(tǒng)制造商仍然面臨著同樣的、始終阻礙技術(shù)發(fā)展的多種問題：即如何加大能量產(chǎn)量并降低單位發(fā)電成本。解決上述問題的重要途徑之一就是提高逆變器的控制智能。所謂逆變器，就是將集電極的可變電壓輸出轉(zhuǎn)換為用以支持應(yīng)用運行或電池充電的穩(wěn)定電壓。智能逆變器能最大化收集源的電力傳輸，將功率輸出同步于發(fā)電設(shè)備，并保護本地系統(tǒng)不受電網(wǎng)潛在破壞性變化的影響。

　　智能逆變器顯然可用于太陽能和風(fēng)能系統(tǒng)，此外也能用于燃料電池等其它電源系統(tǒng)，從而最大化輸出。對上述所有應(yīng)用而言，數(shù)字信號控制器可提供高效的逆變器控制，事實表明可將轉(zhuǎn)換效率的損耗減少一半，同時還能大幅降低成本。數(shù)字信號控制器完美結(jié)合了數(shù)字信號處理器 (DSP) 的高性能以及微控制單元 (MCU) 的易于編程性和高集成度。此外，支持浮點功能的數(shù)字信號控制器現(xiàn)已供貨，該控制器不僅能提高系統(tǒng)性能，而且還能讓復(fù)雜算法的編程工作變得更加簡單。

逆變器的作用與功率級

　　逆變器的主要作用就是將電源的可變直流 (DC) 輸入轉(zhuǎn)變?yōu)楦蓛舻恼?0或60Hz輸出，供電子設(shè)備使用和/或反饋回電網(wǎng)。不同應(yīng)用可能需要一個乃至數(shù)個相位。除了DC/AC轉(zhuǎn)換外，逆變器還能執(zhí)行其它功能，如將電路斷開，避免電路因功率驟增而損壞；給電池充電；對數(shù)據(jù)的使用和性能進行記錄；以及跟蹤最大功率點，以確保發(fā)電效率盡可能高等。逆變器的額定功率范圍在一百到幾百峰值千瓦 (KWp) 之間，因此可支持各種高級電源拓撲，有沒有變壓器都能工作，而且還能集成多種控制處理器。圖 1 顯示了一款包括各種組件的光電 (PV) 系統(tǒng)，其中的逆變器不僅能給電池充電，驅(qū)動本地 AC 負載，而且還能連接到電網(wǎng)，以 AC 發(fā)電機的形式提供備用電源。類似的配置也適用于風(fēng)力渦輪機及其它電源系統(tǒng)。
　
                        圖 1. PV 和發(fā)電機混合系統(tǒng)

　　圖2上半部顯示了基本逆變器電路的各個功能塊。（隨后我們再討論該圖的下半部分。）首先，DC/DC 轉(zhuǎn)換可提高或降低傳輸進來的電壓，通過調(diào)節(jié)輸出實現(xiàn)效率最大化。經(jīng)過更多電壓緩沖后，橋接器中的 MOSFET 利用轉(zhuǎn)換頻率（通常在 18 至 20 kHz之間）將 DC轉(zhuǎn)換為 AC 電壓。最后，低導(dǎo)通濾波器將轉(zhuǎn)換而來的 AC 電壓調(diào)節(jié)為正弦信號，以生成電網(wǎng)頻率的 AC 輸出。（該圖沒有顯示電池充電所需的 DC/DC 轉(zhuǎn)換和穩(wěn)壓過程。）

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                         圖 2. 無變壓器的 DC 源到 AC 負載轉(zhuǎn)換電路 
變壓器與保護

　　由于源電壓輸入通常不夠高，因此系統(tǒng)可通過 AC 端的變壓器使電壓升高，也可在 DC/DC 轉(zhuǎn)換階段提高電壓。就像AC變壓器本身支持電隔離一樣，帶零電壓軟開關(guān)的移相全橋 DC/DC 轉(zhuǎn)換器也支持電隔離，因此后者也相當(dāng)于一個變壓器。圖 3 顯示了常用的DC/AC 電路，其中變壓器支持單相逆變，該電路圖采用了4 個脈寬調(diào)制 (PWM) 信號控制的半橋配置。
　
                      圖 3. 采用變壓器的 DC/AC級

　　變壓器會增加系統(tǒng)重量、體積和成本，甚至還會導(dǎo)致效率下降約 2%。但另一方面，變壓器能將電路兩端實現(xiàn)電隔離，避免 DC 故障影響 AC 端，也能避免 AC 漏電流導(dǎo)致 PV 板與接地之間發(fā)生問題，從而改進電路保護并確保人身安全。我們在設(shè)計中可以采用剩余電流保護裝置 (RCD) 來監(jiān)控所有相位的電流，一旦電流超過某一特定值，就使繼電器跳變。由于漏電流會產(chǎn)生較大風(fēng)險，因此 RCD 對不采用變壓器的系統(tǒng)尤其重要。

　　系統(tǒng)保護需要通過繼電器來確保轉(zhuǎn)換和充電電路不受電壓驟增和電網(wǎng)峰值的影響。此外，如果輸電線路損壞，或供電設(shè)備不得不關(guān)閉，那么逆變器應(yīng)停止向供電設(shè)備輸出電流?！胺枪聧u”逆變器能感測到電路斷電，出現(xiàn)欠壓或過壓，抑或因為各種原因出現(xiàn)嚴重問題。如果發(fā)生上述情況，那么逆變器會自動與電網(wǎng)斷開，這樣就能避免電“孤島”(electricity generating “island.”) 問題的發(fā)生。

實現(xiàn)最大充電功率

　　電池充電效率主要取決于輸入電壓，而輸入電壓根據(jù)風(fēng)輪機的轉(zhuǎn)動、季節(jié)、云層，以及PV 板的日照程度等條件又會有很大差異。電池情況根據(jù)充電狀態(tài)的不同而不同，因此有時我們?yōu)榱颂岣呖偣╇娏亢统潆娝俣刃枰{(diào)節(jié)電壓與電流之比。當(dāng)電壓與電流的乘積最大時，就能獲得電池的最大功率輸出，這就是最大功率點 (MPP)。最大功率點跟蹤 (MPPT)  技術(shù)設(shè)計旨在測定該點的位置，并調(diào)節(jié) DC/DC 電壓轉(zhuǎn)換，以實現(xiàn)最大充電輸出。在冬季，MPPT 可將太陽能發(fā)電系統(tǒng)的整體效率提高三分之一乃至更多，該技術(shù)用于其它發(fā)電系統(tǒng)也能實現(xiàn)出色的效果。圖 4 顯示了不同條件下 MPP 的測定方式有所差異。
　
              圖 4. 不同條件下的 MPP 測定方式不同
 
　　測定 MPP 位置的最常見算法就是讓控制器在每個 MPPT 周期中都擾動  PV 板的工作電壓，并觀察輸出情況。該算法不斷圍繞 MPP 振蕩，振蕩范圍相當(dāng)大，以避免某些情況下（比方說短時間內(nèi)云層遮住太陽或者風(fēng)暫時停止）功率曲線發(fā)生局部的誤導(dǎo)性變化。就擾動和觀察算法而言，要在每個周期中都保持振蕩遠離 MPP，這種方法效率不高。我們還可采用另一種辦法，即增量電感算法，解決了功率曲線導(dǎo)數(shù)為零的問題，即定義為峰值的問題，隨后穩(wěn)定為分解的電壓電平 (resolved voltage level)。盡管這種辦法避免了振動法的低效問題，但又會產(chǎn)生其它的低效問題，因為它會穩(wěn)定在局部峰值而不是 MPP 上。我們可將上述兩種方法進行綜合，既保持增量電感算法的電平，又在更大范圍上定期掃描，以避免選中局部峰值。這種辦法盡管效率最高，但對控制器的性能要求也非常高。

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控制設(shè)計要求

　　逆變器的控制處理器必須滿足多種實時處理要求，才能有效執(zhí)行高效 DC/AC 轉(zhuǎn)換與電路保護所需的精確算法。對非孤島逆變器而言，要求必須進行精確電壓和電流測量，以便測定輸出電流，確?？焖贁嚅_電路。逆變器輸出必須同步于輸電線，但控制機制可以包括通過軟件和其它算法實施的數(shù)字鎖相環(huán) (PLL)。MPPT 與電池充電控制只需接近實時響應(yīng)，但也要求算法支持高級處理技術(shù)?？刂茩C制應(yīng)當(dāng)在 DC/DC 轉(zhuǎn)換階段建立起穩(wěn)定的 DC 電壓，有時還需補償 DC/AC 級的 DC 差異。若單個器件能控制所有級并為多種算法提供足夠的性能，就能幫助設(shè)計人員解決上述各種問題。

　　數(shù)字信號控制器為實時控制可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中的逆變器、電池以及保護機制提供了良好的解決方案。這種基于 DSP 的器件本身支持高速數(shù)學(xué)計算，可用于實時控制算法?；?DSP 的單個控制器就能在同一逆變器中控制多個轉(zhuǎn)換階段，而且還有足夠的開銷以執(zhí)行 MPPT、電池充電監(jiān)控、浪涌保護、數(shù)據(jù)日志以及通信等更多功能。新型浮點控制器具有更多優(yōu)勢，使編程和調(diào)試更為簡單，而且不易出錯。由于浮點控制器本身的工作范圍更廣，因此減少了飽和幾率，且能在各種負載條件下動態(tài)調(diào)節(jié)算法。此外，浮點代碼相對于定點代碼在數(shù)學(xué)運算中更簡潔，工作循環(huán)數(shù)要少。

　　模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 與脈寬調(diào)制器 (PWM) 等集成外設(shè)使我們能直接感應(yīng)輸入與控制功率 MOSFET，從而縮減系統(tǒng)空間與成本。片上閃存有助于編程和數(shù)據(jù)收集，而通信端口則可簡化包含儀表及其它逆變器的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。實踐證明，太陽能逆變器中的定點數(shù)字信號控制器可大幅降低成本，同時還可將功耗減少一半，而新上市的浮點控制器具有更多優(yōu)勢。

浮點 DSP 控制器

　　TI 的 TMS320F2833x 數(shù)字信號控制器正是一款支持浮點功能的數(shù)字信號控制器，這款 32 位控制器的工作頻率高達 150 MHz，且其性能可達300 MFLOPS (即每秒 3 億次浮點運算)。該器件特性豐富，其中包括片上直接存儲器存取 (DMA)、快速中斷處理、32 位增強型存儲器接口 (EMIF)、支持高達 16 個輸入通道的超快速 12 位 ADC、多個計時器、標準通信端口以及 12 個獨立控制的增強型 PWM (ePWM) 通道（每個通道都有自己的計時器和相位寄存器）。F2833x 的架構(gòu)如圖 5 所示。

                圖 5. TMS320F2833x 架構(gòu)

　　與前代產(chǎn)品 F28x 系列不同的是，F(xiàn)2833x 基于浮點架構(gòu)。該器件采用1 位符號位、8 位指數(shù)和 23 位尾數(shù)，可處理大概范圍為