增强型控制智能有助于提高可再生能源的效率并降低价格

作者：Arefeen Mohammed，德州仪器 (TI)应用工程师

　　全球对可再生能源的需求不断上升，而系统制造商仍然面临着同样的、始终阻碍技术发展的多种问题：即如何加大能量产量并降低单位发电成本。解决上述问题的重要途径之一就是提高逆变器的控制智能。所谓逆变器，就是将集电极的可变电压输出转换为用以支持应用运行或电池充电的稳定电压。智能逆变器能最大化收集源的电力传输，将功率输出同步于发电设备，并保护本地系统不受电网潜在破坏性变化的影响。

　　智能逆变器显然可用于太阳能和风能系统，此外也能用于燃料电池等其它电源系统，从而最大化输出。对上述所有应用而言，数字信号控制器可提供高效的逆变器控制，事实表明可将转换效率的损耗减少一半，同时还能大幅降低成本。数字信号控制器完美结合了数字信号处理器 (DSP) 的高性能以及微控制单元 (MCU) 的易于编程性和高集成度。此外，支持浮点功能的数字信号控制器现已供货，该控制器不仅能提高系统性能，而且还能让复杂算法的编程工作变得更加简单。

逆变器的作用与功率级

　　逆变器的主要作用就是将电源的可变直流 (DC) 输入转变为干净的正弦50或60Hz输出，供电子设备使用和/或反馈回电网。不同应用可能需要一个乃至数个相位。除了DC/AC转换外，逆变器还能执行其它功能，如将电路断开，避免电路因功率骤增而损坏；给电池充电；对数据的使用和性能进行记录；以及跟踪最大功率点，以确保发电效率尽可能高等。逆变器的额定功率范围在一百到几百峰值千瓦 (KWp) 之间，因此可支持各种高级电源拓扑，有没有变压器都能工作，而且还能集成多种控制处理器。图 1 显示了一款包括各种组件的光电 (PV) 系统，其中的逆变器不仅能给电池充电，驱动本地 AC 负载，而且还能连接到电网，以 AC 发电机的形式提供备用电源。类似的配置也适用于风力涡轮机及其它电源系统。
　
                        图 1. PV 和发电机混合系统

　　图2上半部显示了基本逆变器电路的各个功能块。（随后我们再讨论该图的下半部分。）首先，DC/DC 转换可提高或降低传输进来的电压，通过调节输出实现效率最大化。经过更多电压缓冲后，桥接器中的 MOSFET 利用转换频率（通常在 18 至 20 kHz之间）将 DC转换为 AC 电压。最后，低导通滤波器将转换而来的 AC 电压调节为正弦信号，以生成电网频率的 AC 输出。（该图没有显示电池充电所需的 DC/DC 转换和稳压过程。）

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                         图 2. 无变压器的 DC 源到 AC 负载转换电路 
变压器与保护

　　由于源电压输入通常不够高，因此系统可通过 AC 端的变压器使电压升高，也可在 DC/DC 转换阶段提高电压。就像AC变压器本身支持电隔离一样，带零电压软开关的移相全桥 DC/DC 转换器也支持电隔离，因此后者也相当于一个变压器。图 3 显示了常用的DC/AC 电路，其中变压器支持单相逆变，该电路图采用了4 个脉宽调制 (PWM) 信号控制的半桥配置。
　
                      图 3. 采用变压器的 DC/AC级

　　变压器会增加系统重量、体积和成本，甚至还会导致效率下降约 2%。但另一方面，变压器能将电路两端实现电隔离，避免 DC 故障影响 AC 端，也能避免 AC 漏电流导致 PV 板与接地之间发生问题，从而改进电路保护并确保人身安全。我们在设计中可以采用剩余电流保护装置 (RCD) 来监控所有相位的电流，一旦电流超过某一特定值，就使继电器跳变。由于漏电流会产生较大风险，因此 RCD 对不采用变压器的系统尤其重要。

　　系统保护需要通过继电器来确保转换和充电电路不受电压骤增和电网峰值的影响。此外，如果输电线路损坏，或供电设备不得不关闭，那么逆变器应停止向供电设备输出电流。“非孤岛”逆变器能感测到电路断电，出现欠压或过压，抑或因为各种原因出现严重问题。如果发生上述情况，那么逆变器会自动与电网断开，这样就能避免电“孤岛”(electricity generating “island.”) 问题的发生。

实现最大充电功率

　　电池充电效率主要取决于输入电压，而输入电压根据风轮机的转动、季节、云层，以及PV 板的日照程度等条件又会有很大差异。电池情况根据充电状态的不同而不同，因此有时我们为了提高总供电量和充电速度需要调节电压与电流之比。当电压与电流的乘积最大时，就能获得电池的最大功率输出，这就是最大功率点 (MPP)。最大功率点跟踪 (MPPT)  技术设计旨在测定该点的位置，并调节 DC/DC 电压转换，以实现最大充电输出。在冬季，MPPT 可将太阳能发电系统的整体效率提高三分之一乃至更多，该技术用于其它发电系统也能实现出色的效果。图 4 显示了不同条件下 MPP 的测定方式有所差异。
　
              图 4. 不同条件下的 MPP 测定方式不同
 
　　测定 MPP 位置的最常见算法就是让控制器在每个 MPPT 周期中都扰动  PV 板的工作电压，并观察输出情况。该算法不断围绕 MPP 振荡，振荡范围相当大，以避免某些情况下（比方说短时间内云层遮住太阳或者风暂时停止）功率曲线发生局部的误导性变化。就扰动和观察算法而言，要在每个周期中都保持振荡远离 MPP，这种方法效率不高。我们还可采用另一种办法，即增量电感算法，解决了功率曲线导数为零的问题，即定义为峰值的问题，随后稳定为分解的电压电平 (resolved voltage level)。尽管这种办法避免了振动法的低效问题，但又会产生其它的低效问题，因为它会稳定在局部峰值而不是 MPP 上。我们可将上述两种方法进行综合，既保持增量电感算法的电平，又在更大范围上定期扫描，以避免选中局部峰值。这种办法尽管效率最高，但对控制器的性能要求也非常高。

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控制设计要求

　　逆变器的控制处理器必须满足多种实时处理要求，才能有效执行高效 DC/AC 转换与电路保护所需的精确算法。对非孤岛逆变器而言，要求必须进行精确电压和电流测量，以便测定输出电流，确保快速断开电路。逆变器输出必须同步于输电线，但控制机制可以包括通过软件和其它算法实施的数字锁相环 (PLL)。MPPT 与电池充电控制只需接近实时响应，但也要求算法支持高级处理技术。控制机制应当在 DC/DC 转换阶段建立起稳定的 DC 电压，有时还需补偿 DC/AC 级的 DC 差异。若单个器件能控制所有级并为多种算法提供足够的性能，就能帮助设计人员解决上述各种问题。

　　数字信号控制器为实时控制可再生能源发电系统中的逆变器、电池以及保护机制提供了良好的解决方案。这种基于 DSP 的器件本身支持高速数学计算，可用于实时控制算法。基于 DSP 的单个控制器就能在同一逆变器中控制多个转换阶段，而且还有足够的开销以执行 MPPT、电池充电监控、浪涌保护、数据日志以及通信等更多功能。新型浮点控制器具有更多优势，使编程和调试更为简单，而且不易出错。由于浮点控制器本身的工作范围更广，因此减少了饱和几率，且能在各种负载条件下动态调节算法。此外，浮点代码相对于定点代码在数学运算中更简洁，工作循环数要少。

　　模数转换器 (ADC) 与脉宽调制器 (PWM) 等集成外设使我们能直接感应输入与控制功率 MOSFET，从而缩减系统空间与成本。片上闪存有助于编程和数据收集，而通信端口则可简化包含仪表及其它逆变器的网络设计。实践证明，太阳能逆变器中的定点数字信号控制器可大幅降低成本，同时还可将功耗减少一半，而新上市的浮点控制器具有更多优势。

浮点 DSP 控制器

　　TI 的 TMS320F2833x 数字信号控制器正是一款支持浮点功能的数字信号控制器，这款 32 位控制器的工作频率高达 150 MHz，且其性能可达300 MFLOPS (即每秒 3 亿次浮点运算)。该器件特性丰富，其中包括片上直接存储器存取 (DMA)、快速中断处理、32 位增强型存储器接口 (EMIF)、支持高达 16 个输入通道的超快速 12 位 ADC、多个计时器、标准通信端口以及 12 个独立控制的增强型 PWM (ePWM) 通道（每个通道都有自己的计时器和相位寄存器）。F2833x 的架构如图 5 所示。

                图 5. TMS320F2833x 架构

　　与前代产品 F28x 系列不同的是，F2833x 基于浮点架构。该器件采用1 位符号位、8 位指数和 23 位尾数，可处理大概范围为