1  引言

    太陽能光伏發(fā)電是一種將太陽光輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的新型發(fā)電技術(shù)。太陽光輻射能經(jīng)過光伏電池轉(zhuǎn)換為電能,，再經(jīng)能量儲(chǔ)存、控制與保護(hù),、能量變換等環(huán)節(jié),，使之可按人們的需要向負(fù)載提供直流電能或交流電能。光伏電池陣列所發(fā)出的電能為直流電,，但是大多數(shù)用電設(shè)備采用的是交流供電方式,，所以系統(tǒng)中需要有逆變器將直流電變換為交流電以供負(fù)載使用。顯然,，逆變器的效率將直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的效率,，因此，光伏系統(tǒng)逆變器的控制技術(shù)具有重要的研究意義[1],。

    在逆變器的設(shè)計(jì)中,，通常采用模擬控制方法，然而,，模擬控制系統(tǒng)中存在很多缺陷,，如元器件的老化及溫漂效應(yīng)，對(duì)電磁干擾較為敏感,，使用的元器件數(shù)目較多等等,。典型的模擬PWM逆變器控制系統(tǒng)采用自然采樣法將正弦調(diào)制波與三角載波比較，從而控制觸發(fā)脈沖,，但三角波發(fā)生電路在高頻（20kHz）時(shí)容易被溫度,、器件特性等因素干擾，從而導(dǎo)致輸出電壓中出現(xiàn)直流偏移,，諧波含量增加,，死區(qū)時(shí)間變化等不利影響,。高速數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的發(fā)展使光伏發(fā)電系統(tǒng)中逆變器的數(shù)字化控制成為可能。因其大部分指令可在一個(gè)指令周期內(nèi)完成,，因此可以實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的先進(jìn)控制算法,，進(jìn)一步改善輸出波形的動(dòng)態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)性能,，并且可以簡化整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì),，使系統(tǒng)具有良好的一致性。

    本文對(duì)基于DSP的光伏逆變器數(shù)字控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析,，采用重復(fù)控制和數(shù)字PID控制方案進(jìn)行系統(tǒng)控制,，使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)態(tài)特性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。

2  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制電路分析

    太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示,。實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中的光伏發(fā)電系統(tǒng)因應(yīng)用對(duì)象不同而省略或多出某個(gè)部分,，但均是從這個(gè)典型結(jié)構(gòu)中演變而來。

圖1  太 陽 能 光 伏 發(fā) 電 系 統(tǒng) 的 典 型 結(jié) 構(gòu)

    在中小型獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中,，常采用圖2所示結(jié)構(gòu),，即采用逆變器直接將光伏電池陣列的直流輸出電 壓 轉(zhuǎn) 換 為 交 流 電 壓 。 在 本 系 統(tǒng) 中 ,， 因 光 伏 電 池 陣 列 輸 出 電 壓 由 于 光 照 強(qiáng) 度 的 變 化 ,， 而 會(huì) 出 現(xiàn) 較 大 范 圍 的 波 動(dòng) ， 所 以 要 求 逆 變 器 能 夠 在 較 大 的 直 流 電 壓 變 化 范 圍 內(nèi) 正 常 工 作 ,， 而 且 要 保 證 輸 出 電 壓 的 穩(wěn) 定 ,， 因 此 對(duì) 逆 變 器 的 控 制 要 求 也 很 高 。

圖2  獨(dú)立光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    控制電路結(jié)構(gòu)如圖3所示,。在控制電路中,，采用輸出電壓瞬時(shí)值反饋，進(jìn)行波形控制,，整個(gè)系統(tǒng)工作流程設(shè)計(jì)如下:

圖3  DSP控 制 電 路 結(jié) 構(gòu)

    采用電壓霍爾對(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)理電路送入DSP模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元,，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果暫存于DSP中,，由此得到輸出電壓的反饋信息。將采樣得到的反饋信息與給定正弦表的相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,，得到偏差信號(hào),。將偏差信號(hào)及給定信號(hào)按一定的控制算法進(jìn)行計(jì)算，就得到脈寬控制量,。在本系統(tǒng)中,，控制算法采用的是重復(fù)控制加PID控制的方法，前者保證輸出波形的穩(wěn)態(tài)性能，后者保證輸出波形的動(dòng)態(tài)性能,。

    由該控制量可以計(jì)算出當(dāng)前時(shí)刻SPWM波的占空比,，使得輸出波形的占空比按正弦規(guī)律變化，這樣就得到了高頻SPWM波,?？紤]到全橋逆變的上下橋臂不能直通，還必須在DSP的PWM口輸出中加入相應(yīng)的死區(qū),。死區(qū)的加入極為方便,，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)自動(dòng)在已有的PWM波中加入死區(qū),，并且死區(qū)時(shí)間是可以通過對(duì)寄存器設(shè)置不同的值來調(diào)整的。高頻SPWM波再通往驅(qū)動(dòng)電路,。由驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)脈沖控制功率開關(guān)管的通斷,，從而產(chǎn)生按正弦規(guī)律變化的SPWM波，然后再經(jīng)LC濾波,，去除高頻分量從而得到正弦波輸出電壓,。

3  控制算法與實(shí)現(xiàn)

    重復(fù)控制的基本概念來源于控制理論中的內(nèi)模原理，內(nèi)模原理指出：系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)下無靜差跟蹤輸入信號(hào)的前提是閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定且包含輸入信號(hào)保持器,，例如,，包含一階積分環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)階躍指令的無靜差跟蹤，然而,，積分環(huán)節(jié)1/s正是一個(gè)階躍信號(hào)保持器，這是它能實(shí)現(xiàn)對(duì)階躍指令無靜差跟蹤的根本原因[2][3],。

    在設(shè)計(jì)一個(gè)重復(fù)控制器的過程中,，必須要有一個(gè)周期信號(hào)保持器用來消除周期參考信號(hào)或者擾動(dòng)引起的周期跟蹤誤差。這個(gè)周期信號(hào)既可以用模擬方式產(chǎn)生,，也可以由數(shù)字方式產(chǎn)生,。然而在實(shí)際系統(tǒng)中，用模擬方法產(chǎn)生任意波形是非常困難的,，相反,，通過軟件控制方法可以很容易得到一個(gè)周期信號(hào)。圖4示出了一種重復(fù)控制系統(tǒng),。其中,，P(z)表示具有瞬時(shí)跟蹤閉環(huán)反饋控制的光伏逆變器系統(tǒng)，S(z)和Q(z)是重復(fù)控制器的補(bǔ)償環(huán)節(jié),，r(k)是參考信號(hào),，y(k)是系統(tǒng)輸出電壓，e(k)是跟蹤誤差，rc(k)是重復(fù)控制器補(bǔ)償后的參考指令,。

圖4  逆 變 器 重 復(fù) 控 制 框 圖 

    擾動(dòng)輸入d(k)到跟蹤誤差e(k)的傳函可表示為

      H（z）≡=  (1)

式中：N表示一個(gè)基波周期的采樣次數(shù),。

    對(duì)應(yīng)s域中的頻率響應(yīng)為

     H(jω)=H(z)   (2)

式中：T代表采樣周期。

    如果d(k)的頻率是基波周期的整數(shù)倍,，并假定Q(z)=1且PB(z)穩(wěn)定,，有

     |H(jω)|=0   (3)

這表明重復(fù)控制器消除了頻率為基波周期整數(shù)倍干擾產(chǎn)生的跟蹤誤差，從而得到了非常好的跟蹤效果,。

當(dāng)然,，為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定，一般取Q(z)<1,，這樣就有

       |H(jω)|<μ(jω)   (4)

式中：μ(jω)為一很小的數(shù),。

    另外，從直觀上講,，重復(fù)控制器可以看作N個(gè)積分調(diào)節(jié)器,，對(duì)應(yīng)于參考信號(hào)的N個(gè)采樣點(diǎn)。從而,，一個(gè)瞬時(shí)值跟蹤系統(tǒng)分解為N個(gè)恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng),，通過各采樣點(diǎn)的無靜差跟蹤，保證了整個(gè)正弦參考信號(hào)的跟蹤精度,。

    重復(fù)控制雖然可以保證輸出波形,，但它卻有一個(gè)致命的弱點(diǎn)。由圖3可以看出,，重復(fù)控制得到的控制指令并不是立即輸出給系統(tǒng),，而是滯后一個(gè)參考周期后才輸出。這樣,，如果系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)干擾,，消除干擾對(duì)輸出的影響至少要一個(gè)參考周期。干擾出現(xiàn)后的一個(gè)參考周期內(nèi),，系統(tǒng)對(duì)干擾并不產(chǎn)生任何調(diào)節(jié)作用,，這一個(gè)周期系統(tǒng)近乎處于開環(huán)控制狀態(tài)。因此,，重復(fù)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度是非常慢的,。

    由于上述原因，對(duì)于高要求的光伏系統(tǒng)逆變器不宜單獨(dú)采用重復(fù)控制[4][5],。采用數(shù)字PID控制雖然輸出電壓波形質(zhì)量不是很高,，但它卻是以開關(guān)周期對(duì)跟蹤誤差進(jìn)行調(diào)節(jié)。仔細(xì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)參數(shù),，可以使系統(tǒng)獲得良好的動(dòng)態(tài)特性,。綜合考慮，將兩種控制方式結(jié)合在一起，取長補(bǔ)短,，利用重復(fù)控制改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出波形質(zhì)量,，利用數(shù)字PID控制或極點(diǎn)配置提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，使系統(tǒng)兼具良好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性,。

4  實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    針對(duì)以上的分析,，在一15kW光伏系統(tǒng)單相全橋逆變器上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，參數(shù)如下:開關(guān)器件采用IGBT模塊,，濾波電感Lf=0.68mH,，濾波電容Cf=50μF，數(shù)字信號(hào)處理器采用TI公司的TMS320F240DSP,，并采用240DSP自帶雙10位A/D轉(zhuǎn)換器,。實(shí)驗(yàn)結(jié)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  實(shí) 驗(yàn) 波 形

    從圖5中可以看出,，采用離散重復(fù)控制可以保證光伏逆變器在空載條件下保持穩(wěn)定,，在帶載條件下可以明顯改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，顯著降低系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差,。

5  結(jié)語

    本文分析了光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器數(shù)字化實(shí)現(xiàn)的意義,，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)及其控制電路進(jìn)行了分析，在控制算法上,，采用離散重復(fù)控制策略,，使系統(tǒng)在周期性擾動(dòng)信號(hào)下的穩(wěn)態(tài)性能得以改善。由于數(shù)字化控制的優(yōu)越性比較明顯,，因此在偏遠(yuǎn)地區(qū)及其它應(yīng)用場合,，數(shù)字化光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器的應(yīng)用將會(huì)越來越廣泛。