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?jī)?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(jiǎn)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。考慮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(zhǎng)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(chǎng)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。