摘 要 ： 对 数 字 化 光 伏 发 电 系 统 逆 变 器 及 其 控 制 电 路 进 行 了 分 析 ， 在 控 制 方 法 上 ， 采 用 重 复 控 制 技 术 使 系 统 在 周 期 扰 动 信 号 下 仍 能 保 证 较 好 的 波 形 输 出 ， 使 整 个 系 统 具 有 较 高 的 稳 定 性 ， 并 具 有 稳 态 误 差 小 ， 稳 压 范 围 大 等 优 点 。
关键词 ： 光 伏 发 电 ； 逆 变 器 ； 数 字 信 号 处 理 器 ； 重 复 控 制
1 引 言
太 阳 能 光 伏 发 电 是 一 种 将 太 阳 光 辐 射 能 直 接 转 换 为 电 能 的 新 型 发 电 技 术 。 太 阳 光 辐 射 能 经 过 光 伏 电 池 转 换 为 电 能 ， 再 经 能 量 储 存 、 控 制 与 保 护 、 能 量 变 换 等 环 节 ， 使 之 可 按 人 们 的 需 要 向 负 载 提 供 直 流 电 能 或 交 流 电 能 。 光 伏 电 池 阵 列 所 发 出 的 电 能 为 直 流 电 ， 但 是 大 多 数 用 电 设 备 采 用 的 是 交 流 供 电 方 式 ， 所 以 系 统 中 需 要 有 逆 变 器 将 直 流 电 变 换 为 交 流 电 以 供 负 载 使 用 。 显 然 ， 逆 变 器 的 效 率 将 直 接 影 响 到 整 个 系 统 的 效 率 ， 因 此 ， 光 伏 系 统 逆 变 器 的 控 制 技 术 具 有 重 要 的 研 究 意 义 [1]。
在 逆 变 器 的 设 计 中 ， 通 常 采 用 模 拟 控 制 方 法 ， 然 而 ， 模 拟 控 制 系 统 中 存 在 很 多 缺 陷 ， 如 元 器 件 的 老 化 及 温 漂 效 应 ， 对 电 磁 干 扰 较 为 敏 感 ， 使 用 的 元 器 件 数 目 较 多 等 等 。 典 型 的 模 拟 PWM逆 变 器 控 制 系 统 采 用 自 然 采 样 法 将 正 弦 调 制 波 与 三 角 载 波 比 较 ， 从 而 控 制 触 发 脉 冲 ， 但 三 角 波 发 生 电 路 在 高 频 （ 20 kHz） 时 容 易 被 温 度 、 器 件 特 性 等 因 素 干 扰 ， 从 而 导 致 输 出 电 压 中 出 现 直 流 偏 移 ， 谐 波 含 量 增 加 ， 死 区 时 间 变 化 等 不 利 影 响 。 高 速 数 字 信 号 处 理 器 （ DSP） 的 发 展 使 光 伏 发 电 系 统 中 逆 变 器 的 数 字 化 控 制 成 为 可 能 。 因 其 大 部 分 指 令 可 在 一 个 指 令 周 期 内 完 成 ， 因 此 可 以 实 现 较 为 复 杂 的 先 进 控 制 算 法 ， 进 一 步 改 善 输 出 波 形 的 动 态 性 能 、 稳 态 性 能 ， 并 且 可 以 简 化 整 个 系 统 的 设 计 ， 使 系 统 具 有 良 好 的 一 致 性 。
本 文 对 基 于 DSP的 光 伏 逆 变 器 数 字 控 制 系 统 进 行 了 分 析 ， 采 用 重 复 控 制 和 数 字 PID控 制 方 案 进 行 系 统 控 制 ， 使 系 统 具 有 较 好 的 稳 态 特 性 和 动 态 响 应 能 力 。
2 系 统 结 构 与 控 制 电 路 分 析
太 阳 能 光 伏 发 电 系 统 的 典 型 结 构 如 图 1所 示 。 实 际 应 用 系 统 中 的 光 伏 发 电 系 统 因 应 用 对 象 不 同 而 省 略 或 多 出 某 个 部 分 ， 但 均 是 从 这 个 典 型 结 构 中 演 变 而 来 。
在 中 小 型 独 立 光 伏 发 电 系 统 中 ， 常 采 用 图 2所 示 结 构 ， 即 采 用 逆 变 器 直 接 将 光 伏 电 池 阵 列 的 直 流 输 出 电 压 转 换 为 交 流 电 压 。 在 本 系 统 中 ， 因 光 伏 电 池 阵 列 输 出 电 压 由 于 光 照 强 度 的 变 化 ， 而 会 出 现 较 大 范 围 的 波 动 ， 所 以 要 求 逆 变 器 能 够 在 较 大 的 直 流 电 压 变 化 范 围 内 正 常 工 作 ， 而 且 要 保 证 输 出 电 压 的 稳 定 ， 因 此 对 逆 变 器 的 控 制 要 求 也 很 高 。
控 制 电 路 结 构 如 图 3所 示 。 在 控 制 电 路 中 ， 采 用 输 出 电 压 瞬 时 值 反 馈 ， 进 行 波 形 控 制 ， 整 个 系 统 工 作 流 程 设 计 如 下 :
采 用 电 压 霍 尔 对 输 出 电 压 进 行 采 样 ， 采 样 周 期 为 20 kHz。 电 压 霍 尔 输 出 信 号 经 调 理 电 路 送 入 DSP模 /数 转 换 单 元 ， 并 将 转 换 结 果 暂 存 于 DSP中 ， 由 此 得 到 输 出 电 压 的 反 馈 信 息 。 将 采 样 得 到 的 反 馈 信 息 与 给 定 正 弦 表 的 相 应 数 据 进 行 比 较 ， 得 到 偏 差 信 号 。 将 偏 差 信 号 及 给 定 信 号 按 一 定 的 控 制 算 法 进 行 计 算 ， 就 得 到 脉 宽 控 制 量 。 在 本 系 统 中 ， 控 制 算 法 采 用 的 是 重 复 控 制 加 PID控 制 的 方 法 ， 前 者 保 证 输 出 波 形 的 稳 态 性 能 ， 后 者 保 证 输 出 波 形 的 动 态 性 能 。
由 该 控 制 量 可 以 计 算 出 当 前 时 刻 SPWM波 的 占 空 比 ， 使 得 输 出 波 形 的 占 空 比 按 正 弦 规 律 变 化 ， 这 样 就 得 到 了 高 频 SPWM波 。 考 虑 到 全 桥 逆 变 的 上 下 桥 臂 不 能 直 通 ， 还 必 须 在 DSP的 PWM口 输 出 中 加 入 相 应 的 死 区 。 死 区 的 加 入 极 为 方 便 ， 只 需 软 件 编 程 时 ， 对 DSP内 部 的 死 区 寄 存 器 进 行 设 置 ， 其 就 会 自 动 在 已 有 的 PWM波 中 加 入 死 区 ， 并 且 死 区 时 间 是 可 以 通 过 对 寄 存 器 设 置 不 同 的 值 来 调 整 的 。 高 频 SPWM波 再 通 往 驱 动 电 路 。 由 驱 动 电 路 产 生 的 驱 动 脉 冲 控 制 功 率 开 关 管 的 通 断 ， 从 而 产 生 按 正 弦 规 律 变 化 的 SPWM波 ， 然 后 再 经 LC滤 波 ， 去 除 高 频 分 量 从 而 得 到 正 弦 波 输 出 电 压 。
3 控 制 算 法 与 实 现
重 复 控 制 的 基 本 概 念 来 源 于 控 制 理 论 中 的 内 模 原 理 ， 内 模 原 理 指 出 ： 系 统 稳 定 状 态 下 无 静 差 跟 踪 输 入 信 号 的 前 提 是 闭 环 系 统 稳 定 且 包 含 输 入 信 号 保 持 器 ， 例 如 ， 包 含 一 阶 积 分 环 节 的 控 制 系 统 可 以 实 现 对 阶 跃 指 令 的 无 静 差 跟 踪 ， 然 而 ， 积 分 环 节 1/s正 是 一 个 阶 跃 信 号 保 持 器 ， 这 是 它 能 实 现 对 阶 跃 指 令 无 静 差 跟 踪 的 根 本 原 因 [2][3]。
在 设 计 一 个 重 复 控 制 器 的 过 程 中 ， 必 须 要 有 一 个 周 期 信 号 保 持 器 用 来 消 除 周 期 参 考 信 号 或 者 扰 动 引 起 的 周 期 跟 踪 误 差 。 这 个 周 期 信 号 既 可 以 用 模 拟 方 式 产 生 ， 也 可 以 由 数 字 方 式 产 生 。 然 而 在 实 际 系 统 中 ， 用 模 拟 方 法 产 生 任 意 波 形 是 非 常 困 难 的 ， 相 反 ， 通 过 软 件 控 制 方 法 可 以 很 容 易 得 到 一 个 周 期 信 号 。 图 4示 出 了 一 种 重 复 控 制 系 统 。 其 中 ， P(z)表 示 具 有 瞬 时 跟 踪 闭 环 反 馈 控 制 的 光 伏 逆 变 器 系 统 ， S(z)和 Q(z)是 重 复 控 制 器 的 补 偿 环 节 ， r(k)是 参 考 信 号 ， y(k)是 系 统 输 出 电 压 ， e(k)是 跟 踪 误 差 ， rc(k)是 重 复 控 制 器 补 偿 后 的 参 考 指 令 。
扰 动 输 入 d(k)到 跟 踪 误 差 e(k)的 传 函 可 表 示 为
式 中 ： T代 表 采 样 周 期 。
如 果 d(k)的 频 率 是 基 波 周 期 的 整 数 倍 ， 并 假 定 Q(z)=1且 PB(z)稳 定 ， 有 
这 表 明 重 复 控 制 器 消 除 了 频 率 为 基 波 周 期 整 数 倍 干 扰 产 生 的 跟 踪 误 差 ， 从 而 得 到 了 非 常 好 的 跟 踪 效 果 。
当 然 ， 为 了 保 证 系 统 稳 定 ， 一 般 取 Q(z)< 1， 这 样 就 有 
式 中 ： μ (jω )为 一 很 小 的 数 。
另 外 ， 从 直 观 上 讲 ， 重 复 控 制 器 可 以 看 作 N个 积 分 调 节 器 ， 对 应 于 参 考 信 号 的 N个 采 样 点 。 从 而 ， 一 个 瞬 时 值 跟 踪 系 统 分 解 为 N个 恒 值 调 节 系 统 ， 通 过 各 采 样 点 的 无 静 差 跟 踪 ， 保 证 了 整 个 正 弦 参 考 信 号 的 跟 踪 精 度 。
