增強型控制智能有助于提高可再生能源的效率并降低價(jià)格

作者：Arefeen Mohammed，德州儀器 (TI)應用工程師

　　全球對可再生能源的需求不斷上升，而系統制造商仍然面臨著(zhù)同樣的、始終阻礙技術(shù)發(fā)展的多種問(wèn)題：即如何加大能量產(chǎn)量并降低單位發(fā)電成本。解決上述問(wèn)題的重要途徑之一就是提高逆變器的控制智能。所謂逆變器，就是將集電極的可變電壓輸出轉換為用以支持應用運行或電池充電的穩定電壓。智能逆變器能最大化收集源的電力傳輸，將功率輸出同步于發(fā)電設備，并保護本地系統不受電網(wǎng)潛在破壞性變化的影響。

　　智能逆變器顯然可用于太陽(yáng)能和風(fēng)能系統，此外也能用于燃料電池等其它電源系統，從而最大化輸出。對上述所有應用而言，數字信號控制器可提供高效的逆變器控制，事實(shí)表明可將轉換效率的損耗減少一半，同時(shí)還能大幅降低成本。數字信號控制器完美結合了數字信號處理器 (DSP) 的高性能以及微控制單元 (MCU) 的易于編程性和高集成度。此外，支持浮點(diǎn)功能的數字信號控制器現已供貨，該控制器不僅能提高系統性能，而且還能讓復雜算法的編程工作變得更加簡(jiǎn)單。

逆變器的作用與功率級

　　逆變器的主要作用就是將電源的可變直流 (DC) 輸入轉變?yōu)楦蓛舻恼?0或60Hz輸出，供電子設備使用和/或反饋回電網(wǎng)。不同應用可能需要一個(gè)乃至數個(gè)相位。除了DC/AC轉換外，逆變器還能執行其它功能，如將電路斷開(kāi)，避免電路因功率驟增而損壞；給電池充電；對數據的使用和性能進(jìn)行記錄；以及跟蹤最大功率點(diǎn)，以確保發(fā)電效率盡可能高等。逆變器的額定功率范圍在一百到幾百峰值千瓦 (KWp) 之間，因此可支持各種高級電源拓撲，有沒(méi)有變壓器都能工作，而且還能集成多種控制處理器。圖 1 顯示了一款包括各種組件的光電 (PV) 系統，其中的逆變器不僅能給電池充電，驅動(dòng)本地 AC 負載，而且還能連接到電網(wǎng)，以 AC 發(fā)電機的形式提供備用電源。類(lèi)似的配置也適用于風(fēng)力渦輪機及其它電源系統。
　
                        圖 1. PV 和發(fā)電機混合系統

　　圖2上半部顯示了基本逆變器電路的各個(gè)功能塊。（隨后我們再討論該圖的下半部分。）首先，DC/DC 轉換可提高或降低傳輸進(jìn)來(lái)的電壓，通過(guò)調節輸出實(shí)現效率最大化。經(jīng)過(guò)更多電壓緩沖后，橋接器中的 MOSFET 利用轉換頻率（通常在 18 至 20 kHz之間）將 DC轉換為 AC 電壓。最后，低導通濾波器將轉換而來(lái)的 AC 電壓調節為正弦信號，以生成電網(wǎng)頻率的 AC 輸出。（該圖沒(méi)有顯示電池充電所需的 DC/DC 轉換和穩壓過(guò)程。）

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                         圖 2. 無(wú)變壓器的 DC 源到 AC 負載轉換電路 
變壓器與保護

　　由于源電壓輸入通常不夠高，因此系統可通過(guò) AC 端的變壓器使電壓升高，也可在 DC/DC 轉換階段提高電壓。就像AC變壓器本身支持電隔離一樣，帶零電壓軟開(kāi)關(guān)的移相全橋 DC/DC 轉換器也支持電隔離，因此后者也相當于一個(gè)變壓器。圖 3 顯示了常用的DC/AC 電路，其中變壓器支持單相逆變，該電路圖采用了4 個(gè)脈寬調制 (PWM) 信號控制的半橋配置。
　
                      圖 3. 采用變壓器的 DC/AC級

　　變壓器會(huì )增加系統重量、體積和成本，甚至還會(huì )導致效率下降約 2%。但另一方面，變壓器能將電路兩端實(shí)現電隔離，避免 DC 故障影響 AC 端，也能避免 AC 漏電流導致 PV 板與接地之間發(fā)生問(wèn)題，從而改進(jìn)電路保護并確保人身安全。我們在設計中可以采用剩余電流保護裝置 (RCD) 來(lái)監控所有相位的電流，一旦電流超過(guò)某一特定值，就使繼電器跳變。由于漏電流會(huì )產(chǎn)生較大風(fēng)險，因此 RCD 對不采用變壓器的系統尤其重要。

　　系統保護需要通過(guò)繼電器來(lái)確保轉換和充電電路不受電壓驟增和電網(wǎng)峰值的影響。此外，如果輸電線(xiàn)路損壞，或供電設備不得不關(guān)閉，那么逆變器應停止向供電設備輸出電流?！胺枪聧u”逆變器能感測到電路斷電，出現欠壓或過(guò)壓，抑或因為各種原因出現嚴重問(wèn)題。如果發(fā)生上述情況，那么逆變器會(huì )自動(dòng)與電網(wǎng)斷開(kāi)，這樣就能避免電“孤島”(electricity generating “island.”) 問(wèn)題的發(fā)生。

實(shí)現最大充電功率

　　電池充電效率主要取決于輸入電壓，而輸入電壓根據風(fēng)輪機的轉動(dòng)、季節、云層，以及PV 板的日照程度等條件又會(huì )有很大差異。電池情況根據充電狀態(tài)的不同而不同，因此有時(shí)我們?yōu)榱颂岣呖偣╇娏亢统潆娝俣刃枰{節電壓與電流之比。當電壓與電流的乘積最大時(shí)，就能獲得電池的最大功率輸出，這就是最大功率點(diǎn) (MPP)。最大功率點(diǎn)跟蹤 (MPPT)  技術(shù)設計旨在測定該點(diǎn)的位置，并調節 DC/DC 電壓轉換，以實(shí)現最大充電輸出。在冬季，MPPT 可將太陽(yáng)能發(fā)電系統的整體效率提高三分之一乃至更多，該技術(shù)用于其它發(fā)電系統也能實(shí)現出色的效果。圖 4 顯示了不同條件下 MPP 的測定方式有所差異。
　
              圖 4. 不同條件下的 MPP 測定方式不同
 
　　測定 MPP 位置的最常見(jiàn)算法就是讓控制器在每個(gè) MPPT 周期中都擾動(dòng)  PV 板的工作電壓，并觀(guān)察輸出情況。該算法不斷圍繞 MPP 振蕩，振蕩范圍相當大，以避免某些情況下（比方說(shuō)短時(shí)間內云層遮住太陽(yáng)或者風(fēng)暫時(shí)停止）功率曲線(xiàn)發(fā)生局部的誤導性變化。就擾動(dòng)和觀(guān)察算法而言，要在每個(gè)周期中都保持振蕩遠離 MPP，這種方法效率不高。我們還可采用另一種辦法，即增量電感算法，解決了功率曲線(xiàn)導數為零的問(wèn)題，即定義為峰值的問(wèn)題，隨后穩定為分解的電壓電平 (resolved voltage level)。盡管這種辦法避免了振動(dòng)法的低效問(wèn)題，但又會(huì )產(chǎn)生其它的低效問(wèn)題，因為它會(huì )穩定在局部峰值而不是 MPP 上。我們可將上述兩種方法進(jìn)行綜合，既保持增量電感算法的電平，又在更大范圍上定期掃描，以避免選中局部峰值。這種辦法盡管效率最高，但對控制器的性能要求也非常高。

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控制設計要求

　　逆變器的控制處理器必須滿(mǎn)足多種實(shí)時(shí)處理要求，才能有效執行高效 DC/AC 轉換與電路保護所需的精確算法。對非孤島逆變器而言，要求必須進(jìn)行精確電壓和電流測量，以便測定輸出電流，確?？焖贁嚅_(kāi)電路。逆變器輸出必須同步于輸電線(xiàn)，但控制機制可以包括通過(guò)軟件和其它算法實(shí)施的數字鎖相環(huán) (PLL)。MPPT 與電池充電控制只需接近實(shí)時(shí)響應，但也要求算法支持高級處理技術(shù)?？刂茩C制應當在 DC/DC 轉換階段建立起穩定的 DC 電壓，有時(shí)還需補償 DC/AC 級的 DC 差異。若單個(gè)器件能控制所有級并為多種算法提供足夠的性能，就能幫助設計人員解決上述各種問(wèn)題。

　　數字信號控制器為實(shí)時(shí)控制可再生能源發(fā)電系統中的逆變器、電池以及保護機制提供了良好的解決方案。這種基于 DSP 的器件本身支持高速數學(xué)計算，可用于實(shí)時(shí)控制算法?；?DSP 的單個(gè)控制器就能在同一逆變器中控制多個(gè)轉換階段，而且還有足夠的開(kāi)銷(xiāo)以執行 MPPT、電池充電監控、浪涌保護、數據日志以及通信等更多功能。新型浮點(diǎn)控制器具有更多優(yōu)勢，使編程和調試更為簡(jiǎn)單，而且不易出錯。由于浮點(diǎn)控制器本身的工作范圍更廣，因此減少了飽和幾率，且能在各種負載條件下動(dòng)態(tài)調節算法。此外，浮點(diǎn)代碼相對于定點(diǎn)代碼在數學(xué)運算中更簡(jiǎn)潔，工作循環(huán)數要少。

　　模數轉換器 (ADC) 與脈寬調制器 (PWM) 等集成外設使我們能直接感應輸入與控制功率 MOSFET，從而縮減系統空間與成本。片上閃存有助于編程和數據收集，而通信端口則可簡(jiǎn)化包含儀表及其它逆變器的網(wǎng)絡(luò )設計。實(shí)踐證明，太陽(yáng)能逆變器中的定點(diǎn)數字信號控制器可大幅降低成本，同時(shí)還可將功耗減少一半，而新上市的浮點(diǎn)控制器具有更多優(yōu)勢。

浮點(diǎn) DSP 控制器

　　TI 的 TMS320F2833x 數字信號控制器正是一款支持浮點(diǎn)功能的數字信號控制器，這款 32 位控制器的工作頻率高達 150 MHz，且其性能可達300 MFLOPS (即每秒 3 億次浮點(diǎn)運算)。該器件特性豐富，其中包括片上直接存儲器存取 (DMA)、快速中斷處理、32 位增強型存儲器接口 (EMIF)、支持高達 16 個(gè)輸入通道的超快速 12 位 ADC、多個(gè)計時(shí)器、標準通信端口以及 12 個(gè)獨立控制的增強型 PWM (ePWM) 通道（每個(gè)通道都有自己的計時(shí)器和相位寄存器）。F2833x 的架構如圖 5 所示。

                圖 5. TMS320F2833x 架構

　　與前代產(chǎn)品 F28x 系列不同的是，F2833x 基于浮點(diǎn)架構。該器件采用1 位符號位、8 位指數和 23 位尾數，可處理大概范圍為