開關(guān)電源應(yīng)用之?dāng)?shù)字化光伏發(fā)電逆變器的設(shè)計(jì)
1 導(dǎo)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(hù)、能量變換等環(huán)節(jié)，使之可按人們的需求向負(fù)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(shè)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(fù)載運(yùn)用。顯著，逆變器的功率將直接影響到整個(gè)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(diǎn)，如元器材的老化及溫漂效應(yīng)，對(duì)電磁攪擾較為靈敏，運(yùn)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(duì)比，然后操控觸發(fā)脈沖，但三角波發(fā)作電路在高頻（20kHz）時(shí)簡單被溫度、器材特性等要素?cái)嚁_，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(shí)刻改變等不利影響。高速數(shù)字信號(hào)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(gè)指令周期內(nèi)完結(jié)，因而能夠完成較為雜亂的領(lǐng)先操控算法，進(jìn)一步改進(jìn)輸出波形的動(dòng)態(tài)功能、穩(wěn)態(tài)功能，而且能夠簡化整個(gè)體系的規(guī)劃，使體系具有杰出的一致性。
這篇文章對(duì)根據(jù)DSP的光伏逆變器數(shù)字操控體系進(jìn)行了剖析，選用重復(fù)操控和數(shù)字PID操控計(jì)劃進(jìn)行體系操控，使體系具有較好的穩(wěn)態(tài)特性和動(dòng)態(tài)呼應(yīng)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(shí)踐使用體系中的光伏發(fā)電體系因使用目標(biāo)不一樣而省掉或多出某個(gè)部分，但均是從這個(gè)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(dú)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?yàn)楣庹諒?qiáng)度的改變，而會(huì)呈現(xiàn)較大范圍的動(dòng)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(duì)逆變器的操控需求也很高。
圖2 獨(dú)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(shí)值反應(yīng)，進(jìn)行波形操控，整個(gè)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(duì)輸出電壓進(jìn)行采樣，采樣周期為20kHz。電壓霍爾輸出信號(hào)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(yīng)信息。將采樣得到的反應(yīng)信息與給定正弦表的相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得到差錯(cuò)信號(hào)。將差錯(cuò)信號(hào)及給定信號(hào)按必定的操控算法進(jìn)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(fù)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(dòng)態(tài)功能。
由該操控量能夠核算出當(dāng)時(shí)時(shí)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(yīng)的死區(qū)。死區(qū)的參加極為便利，只需軟件編程時(shí)，對(duì)DSP內(nèi)部的死區(qū)寄存器進(jìn)行設(shè)置，其就會(huì)主動(dòng)在已有的PWM波中參加死區(qū)，而且死區(qū)時(shí)刻是能夠經(jīng)過對(duì)寄存器設(shè)置不一樣的值來調(diào)整的。高頻SPWM波再通往驅(qū)動(dòng)電路。由驅(qū)動(dòng)電路發(fā)生的驅(qū)動(dòng)脈沖操控功率開關(guān)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(fù)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(hào)的條件是閉環(huán)體系安穩(wěn)且包括輸入信號(hào)堅(jiān)持器，例如，包括一階積分環(huán)節(jié)的操控體系能夠完成對(duì)階躍指令的無靜差盯梢，但是，積分環(huán)節(jié)1/s正是一個(gè)階躍信號(hào)堅(jiān)持器，這是它能完成對(duì)階躍指令無靜差盯梢的根本原因[2][3]。
在規(guī)劃一個(gè)重復(fù)操控器的過程中，有必要要有一個(gè)周期信號(hào)堅(jiān)持器用來消除周期參閱信號(hào)或許擾動(dòng)引起的周期盯梢差錯(cuò)。這個(gè)周期信號(hào)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(shí)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(gè)周期信號(hào)。圖4示出了一種重復(fù)操控體系。其間，P(z)表明具有瞬時(shí)盯梢閉環(huán)反應(yīng)操控的光伏逆變器體系，S(z)和Q(z)是重復(fù)操控器的抵償環(huán)節(jié)，r(k)是參閱信號(hào)，y(k)是體系輸出電壓，e(k)是盯梢差錯(cuò)，rc(k)是重復(fù)操控器抵償后的參閱指令。
圖4 逆變器重復(fù)操控框圖
擾動(dòng)輸入d(k)到盯梢差錯(cuò)e(k)的傳函可表明為
H（z）== (1)
式中：N表明一個(gè)基波周期的采樣次數(shù)。
對(duì)應(yīng)s域中的頻率呼應(yīng)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(fù)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(cuò)，然后得到了十分好的盯梢作用。
當(dāng)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(fù)操控器能夠看作N個(gè)積分調(diào)理器，對(duì)應(yīng)于參閱信號(hào)的N個(gè)采樣點(diǎn)。然后，一個(gè)瞬時(shí)值盯梢體系分解為N個(gè)恒值調(diào)理體系，經(jīng)過各采樣點(diǎn)的無靜差盯梢，確保了整個(gè)正弦參閱信號(hào)的盯梢精度。
重復(fù)操控盡管能夠確保輸出波形，但它卻有一個(gè)喪命的缺點(diǎn)。由圖3能夠看出，重復(fù)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(gè)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(duì)輸出的影響至少要一個(gè)參閱周期。攪擾呈現(xiàn)后的一個(gè)參閱周期內(nèi)，體系對(duì)攪擾并不發(fā)生任何調(diào)理作用，這一個(gè)周期體系近乎處于開環(huán)操控狀態(tài)。因而，重復(fù)操控體系的動(dòng)態(tài)呼應(yīng)速度是十分慢的。
因?yàn)樯鲜鲈颍P(guān)于高需求的光伏體系逆變器不宜獨(dú)自選用重復(fù)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(guān)周期對(duì)盯梢差錯(cuò)進(jìn)行調(diào)理。細(xì)心規(guī)劃體系參數(shù)，能夠使體系取得杰出的動(dòng)態(tài)特性。綜合思考，將兩種操控辦法聯(lián)系在一起，揚(yáng)長避短，使用重復(fù)操控改進(jìn)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(diǎn)裝備提高體系的動(dòng)態(tài)特性，使體系兼具杰出的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。
4 試驗(yàn)成果
針對(duì)以上的剖析，在一15kW光伏體系單相全橋逆變器進(jìn)步行了試驗(yàn)，參數(shù)如下:開關(guān)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(hào)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(yàn)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(yàn)波形
從圖5中能夠看出，選用離散重復(fù)操控能夠確保光伏逆變器在空載條件下堅(jiān)持安穩(wěn)，在帶載條件下能夠顯著改進(jìn)體系的穩(wěn)態(tài)功能，顯著降低體系的穩(wěn)態(tài)差錯(cuò)。
5 結(jié)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(duì)整個(gè)體系及其操控電路進(jìn)行了剖析，在操控算法上，選用離散重復(fù)操控戰(zhàn)略，使體系在周期性擾動(dòng)信號(hào)下的穩(wěn)態(tài)功能得以改進(jìn)。因?yàn)閿?shù)字化操控的優(yōu)越性對(duì)比顯著，因而在偏遠(yuǎn)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(huì)越來越廣泛。
以上由開關(guān)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(hù)、能量變換等環(huán)節(jié)，使之可按人們的需求向負(fù)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(shè)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(fù)載運(yùn)用。顯著，逆變器的功率將直接影響到整個(gè)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(diǎn)，如元器材的老化及溫漂效應(yīng)，對(duì)電磁攪擾較為靈敏，運(yùn)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(duì)比，然后操控觸發(fā)脈沖，但三角波發(fā)作電路在高頻（20kHz）時(shí)簡單被溫度、器材特性等要素?cái)嚁_，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(shí)刻改變等不利影響。高速數(shù)字信號(hào)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(gè)指令周期內(nèi)完結(jié)，因而能夠完成較為雜亂的領(lǐng)先操控算法，進(jìn)一步改進(jìn)輸出波形的動(dòng)態(tài)功能、穩(wěn)態(tài)功能，而且能夠簡化整個(gè)體系的規(guī)劃，使體系具有杰出的一致性。
這篇文章對(duì)根據(jù)DSP的光伏逆變器數(shù)字操控體系進(jìn)行了剖析，選用重復(fù)操控和數(shù)字PID操控計(jì)劃進(jìn)行體系操控，使體系具有較好的穩(wěn)態(tài)特性和動(dòng)態(tài)呼應(yīng)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(shí)踐使用體系中的光伏發(fā)電體系因使用目標(biāo)不一樣而省掉或多出某個(gè)部分，但均是從這個(gè)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(dú)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?yàn)楣庹諒?qiáng)度的改變，而會(huì)呈現(xiàn)較大范圍的動(dòng)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(duì)逆變器的操控需求也很高。
圖2 獨(dú)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(shí)值反應(yīng)，進(jìn)行波形操控，整個(gè)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(duì)輸出電壓進(jìn)行采樣，采樣周期為20kHz。電壓霍爾輸出信號(hào)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(yīng)信息。將采樣得到的反應(yīng)信息與給定正弦表的相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得到差錯(cuò)信號(hào)。將差錯(cuò)信號(hào)及給定信號(hào)按必定的操控算法進(jìn)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(fù)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(dòng)態(tài)功能。
由該操控量能夠核算出當(dāng)時(shí)時(shí)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(yīng)的死區(qū)。死區(qū)的參加極為便利，只需軟件編程時(shí)，對(duì)DSP內(nèi)部的死區(qū)寄存器進(jìn)行設(shè)置，其就會(huì)主動(dòng)在已有的PWM波中參加死區(qū)，而且死區(qū)時(shí)刻是能夠經(jīng)過對(duì)寄存器設(shè)置不一樣的值來調(diào)整的。高頻SPWM波再通往驅(qū)動(dòng)電路。由驅(qū)動(dòng)電路發(fā)生的驅(qū)動(dòng)脈沖操控功率開關(guān)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(fù)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(hào)的條件是閉環(huán)體系安穩(wěn)且包括輸入信號(hào)堅(jiān)持器，例如，包括一階積分環(huán)節(jié)的操控體系能夠完成對(duì)階躍指令的無靜差盯梢，但是，積分環(huán)節(jié)1/s正是一個(gè)階躍信號(hào)堅(jiān)持器，這是它能完成對(duì)階躍指令無靜差盯梢的根本原因[2][3]。
在規(guī)劃一個(gè)重復(fù)操控器的過程中，有必要要有一個(gè)周期信號(hào)堅(jiān)持器用來消除周期參閱信號(hào)或許擾動(dòng)引起的周期盯梢差錯(cuò)。這個(gè)周期信號(hào)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(shí)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(gè)周期信號(hào)。圖4示出了一種重復(fù)操控體系。其間，P(z)表明具有瞬時(shí)盯梢閉環(huán)反應(yīng)操控的光伏逆變器體系，S(z)和Q(z)是重復(fù)操控器的抵償環(huán)節(jié)，r(k)是參閱信號(hào)，y(k)是體系輸出電壓，e(k)是盯梢差錯(cuò)，rc(k)是重復(fù)操控器抵償后的參閱指令。
圖4 逆變器重復(fù)操控框圖
擾動(dòng)輸入d(k)到盯梢差錯(cuò)e(k)的傳函可表明為
H（z）== (1)
式中：N表明一個(gè)基波周期的采樣次數(shù)。
對(duì)應(yīng)s域中的頻率呼應(yīng)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(fù)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(cuò)，然后得到了十分好的盯梢作用。
當(dāng)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(fù)操控器能夠看作N個(gè)積分調(diào)理器，對(duì)應(yīng)于參閱信號(hào)的N個(gè)采樣點(diǎn)。然后，一個(gè)瞬時(shí)值盯梢體系分解為N個(gè)恒值調(diào)理體系，經(jīng)過各采樣點(diǎn)的無靜差盯梢，確保了整個(gè)正弦參閱信號(hào)的盯梢精度。
重復(fù)操控盡管能夠確保輸出波形，但它卻有一個(gè)喪命的缺點(diǎn)。由圖3能夠看出，重復(fù)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(gè)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(duì)輸出的影響至少要一個(gè)參閱周期。攪擾呈現(xiàn)后的一個(gè)參閱周期內(nèi)，體系對(duì)攪擾并不發(fā)生任何調(diào)理作用，這一個(gè)周期體系近乎處于開環(huán)操控狀態(tài)。因而，重復(fù)操控體系的動(dòng)態(tài)呼應(yīng)速度是十分慢的。
因?yàn)樯鲜鲈颍P(guān)于高需求的光伏體系逆變器不宜獨(dú)自選用重復(fù)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(guān)周期對(duì)盯梢差錯(cuò)進(jìn)行調(diào)理。細(xì)心規(guī)劃體系參數(shù)，能夠使體系取得杰出的動(dòng)態(tài)特性。綜合思考，將兩種操控辦法聯(lián)系在一起，揚(yáng)長避短，使用重復(fù)操控改進(jìn)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(diǎn)裝備提高體系的動(dòng)態(tài)特性，使體系兼具杰出的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。
4 試驗(yàn)成果
針對(duì)以上的剖析，在一15kW光伏體系單相全橋逆變器進(jìn)步行了試驗(yàn)，參數(shù)如下:開關(guān)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(hào)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(yàn)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(yàn)波形
從圖5中能夠看出，選用離散重復(fù)操控能夠確保光伏逆變器在空載條件下堅(jiān)持安穩(wěn)，在帶載條件下能夠顯著改進(jìn)體系的穩(wěn)態(tài)功能，顯著降低體系的穩(wěn)態(tài)差錯(cuò)。
5 結(jié)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(duì)整個(gè)體系及其操控電路進(jìn)行了剖析，在操控算法上，選用離散重復(fù)操控戰(zhàn)略，使體系在周期性擾動(dòng)信號(hào)下的穩(wěn)態(tài)功能得以改進(jìn)。因?yàn)閿?shù)字化操控的優(yōu)越性對(duì)比顯著，因而在偏遠(yuǎn)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(huì)越來越廣泛。
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