在全球范围内，可再生能源的需求日益增长，而这一技术的增长得到了阻碍，是由于系统制造商一直面临着同样的问题：要求他们在增加聚集的能源总量的同时降低每瓦特的成本。为实现这样的目标，一个重要方法是在逆变器应用更多的智能控制，这一方法可将能量收集器的可变电压输出转换成用于运行应用程序或充电电池的稳定电压。智能型逆变器可将能量最大限度地从收集器中转换出来，使输出功率的输出与电力设备保持同步，并且使得局部系统不受网格中潜在的破坏改变的影响。

在太阳和风能供电系统的应用是很常见的，而智能型逆变器也可用于其他功率源来将输出最大化，如燃料电池等。对于所有这类应用，高效的逆变器控制可由数字信号控制器(DSC)实现 ，它可以将转换效率的损耗减少一半同时极大地降低了成本。DSC结合了数字信号处理器(DSP)的高性能和编程的简单性以及微控制器单元(MCU)的集成性等优点。此外，目前得以应用的带有浮点运算功能的DSC，在提高性能的同时使编程的复杂算法变得更为容易。

逆变器的作用

逆变器的主要功能是将电源的可变的dc电压输入转换成一个50Hz或60Hz的标准正弦输出，再将该输出用于器件并回馈到网格。不同的应用程序可能需要一个或多个阶段。除了dc-ac转换外，逆变器还有以下这些功能，如截断电路使其免受电源振荡的影响，给电池充电，记录使用和性能的数据，以及跟踪最大功率点(MPPT)来保持发电尽可能的高效。在一到几百千瓦峰值(kWPK)的标准的能量波动范围内，逆变器允许设计为：在精密源布局的周围，可带可不带变压器，集成了多重控制处理器。

图1所示，在一个包括一切的光伏(PV)系统中安装的逆变器，不仅可以给电池充电以及对局部ac负载进行驱动，而且还与网格相连，并以交流发电机的形式拥有一个可替换的功率源。类似的配置适用于风力涡轮机及其他的功率源。

基本的逆变器电路的模块如图2的上部分(下部分随后讨论)所示。首先，dc-dc转换提高或降低输入的电压，并将其输出调节为最大的效率。经过一些额外的电压缓冲后，分流器上的MOSFET用一个开关频率将dc电压转换成ac电压，这一频率范围通常为18kHz至20kHz。最后，一个低通滤波器使转换后的ac电压平滑成一个正弦信号，从而产生一个网格频率的ac输出。图2没有画出dc-dc转换和电池充电需要的稳压器。

变压器和保护措施

因为功率源的输入通常不够高，所以系统可以在交流侧利用一个变压器或一个dc-dc转换器升高电压。由于交流电变压器本身存在电流绝缘， 所以带有零电压开关的相位移动的全桥dc-dc转换器，可相当于一个变压器。图3是一种有转换器的常用于单相逆变的dc-ac电路，该电路以一个由四个脉宽调制信号控制的H桥配置为基础。

一方面，变压器增加了重量，体积和成本，同时还使得工作效率降低了2%左右。另一方面，变压器利用隔离电路电气的两侧，加强了电路的保护和人类的安全，防止直流故障进入交流侧而产生交流漏电流，从而引起PV板和地面之间的潜在问题。设计中有漏电保护装置(RCD)，可以监控所有相的电流，当电流超过某个值时会启动继电器。由于存在漏电的隐患，RCD对于无变压器系统的安全尤为重要。

继电器的配置可以保护系统，它可以保护转换器和充电电路免受网格上的电压振荡及尖峰的破坏。此外，如果电源线损坏或应用程序需要截断它，逆变器则要求停止给应用程序供电。一个“非孤立”的逆变器表明电线中已没有电压，是欠压或过压，或有任何原因引起的重大的干扰。这种情况发生时，逆变器会自动与应用网络断开，因此不会形成一个电力产生的“岛”。

充电的最大化

电池的充电效率依赖于输入电压，而输入电压变化比较大，这取决于涡轮的风力条件或者PV板所处的季节，云层及当天的时间。电池的条件也因充电状态的不同而不同，所以有时可能要调节电压和电流的比值，以增加传输的总功率及加速充电。

电压和电流的乘积为最大值MPP时时，电池有最大的功率输出。设计MPPT来探测这个最大值并调节dc-dc电压的转换，从而得到最大的充电输出。MPPT可以用冬季月份的三分之一或更多时间提高太阳能电源系统的整体效率，它在其他类型的系统中的影响也是比较显著的。图4给出了MPP的确定是如何随不同的条件的变化而变化的。

确定MPP最常见的算法是，用控制器的每个MPPT循环来扰乱面板的运行电压，同时观察其输出。该算法在MPP左右的足够宽的范围内保持振荡，以避免由云层覆盖或短暂的无风情况所产生的功率曲线中局部的错误的峰值。对于每个循环中无MPP干扰-观察算法的振荡，其效率并不高。替代的方法是，用步进的感应算法通过精确的峰值来求解功率曲线为零的函数，然后在所得结果的电压水平进行设置。

虽然这个方法没有因振荡器所引起的低效率问题，但它存在了其他的低效率因素，因为它可在一个局部峰值而不是MMP进行设置。可用一种互相结合的方法来保持由步进感应算法得到的值，但为了避免选择局部峰值，扫描的间隔范围应更大。这种方法，虽然最有效，但在控制器的配置中还需要有大量的性能。

控制设计要求

逆变器的控制处理器必须解决多个实时处理的难题，来有效地进行高效dc-ac转换器和电路保护所需的精确算法。对于“无岛”条件，电压和电流的精确测量对于确定功率的传递是非常必要的，可使其快速脱离该条件。

逆变器的输出必须与功率线同步时，控制器应当有一个用附带其他算法的软件进行控制的数字锁相回路(PLL)。只要近实时响应时，MPPT和电池充电的控制还包括高水平进程的算法。控制器可用于dc-dc转换阶段来形成一个稳定的dc电压，有时也可用来补偿dc-ac阶段的dc变化。一个单独的装置可控制各个阶段，这种装置对于多重算法有足够的性能，从而允许设计师来处理这些问题。

对于可再生能源系统中的逆变器，电池和保护机制的实时控制，DSC提供了一个很好的解决方法。这些基于DSP的设备本身支持高速的数学运算用于实时控制算法。一个单独的基于DSP的控制器可以在同一逆变器中控制多重转换阶段，并且还保存着其他的附加功能，如MPPT，电池充电监测，振荡保护，数据记录和通信。

新的浮点运算控制器提高了这些优势，使得编程和调试变得更容易并且出错率更小。浮点运行有更大的固有范围且不太可能饱和，它还允许在所有负载条件下进行动态的算法调节。此外，在数学运算中浮点运算代码更为简洁，并比定点运算需要更少的循环。

集成的外围设备，如模拟-数字逆变器(ADC)和脉宽调制器(PWM)，使人们有可能直接探测出输入并控制功率MOSFETs ，节省了系统的空间并降低了成本。单芯闪存辅助编程和数据的收集，及通信端口使得带有计数器和其他逆变器元件的网络的设计简化。太阳能电源的逆变器中的定点DSC已大大地削减了成本，同时降低了一半的功率损耗；最新的浮点运算控制器的应用，将进一步推进这些成果。

德州仪器(TI)的TMS320F2833x就是一个带有浮点运算能力的DSC示例，这是一个32-位的设备，其运行频率高达150MHz并每秒进行多达300百万的浮点运算(MFLOPS)。集成性能包括单芯的直接内存访问(DMA)，快速截断处理，一个32-位增强型存储接口(EMIF)，快速12-位ADC支持的多达16个输入沟道，多种定时器，标准通信端口，及12个独立控制的加强型脉宽调制(ePWM)沟道，每个都有它自己的定时器和相位注册器(图5)。

这个F2833x不同于它在F28x系列中的前身，因为它是基于浮点运算架构的。该设备处理的标准值范围为±~1.7×10-38 到±~3.4×1038，标准值包括一个单标志位， 8-位指数和23-位尾数。在控制特殊任务时，这个大的范围是很有用的，因为它比定点算法处理测量值和饱和值更有效率。

德州仪器进行了F2833x浮点汇编和F28x定点汇编的比较测试，结果表明对于基本操作，循环效率平均有近2.5倍的提高，这些基本操作如除法，平方根和三角函数，所有这些测量值和饱和值都不变。控制系统中常用的一些信号处理算法，包括无限脉冲响应(IIR)和快速傅立叶变换(FFT)，都进行了进一步的改进。

将该控制器的c编译器设计成可利用该浮点运算架构进行流水线操作，这在很大程度上减少了等待状态的出现。DMA控制器能在保持流水线操作运行同时处理多种日常转换而不干扰DSP内核。常用于逆变器控制和一般控制系统的一些算法的例子如下表所列，该表表明浮点C编码的循环计数相对于定点C编码得到了改进。

F2833x编译器允许用一个简单的转换将同样的代码重新编译成定点编码。这样程序员可更快地改进浮点算法，从而使得编译器做出必要的调节以使编码变成定点。

逆变器控制器设计

图6是F2833x DSC在太阳能发电系统中控制功率阶段的逆变器中的应用。(虽然有一个风力涡轮收集器，风力驱动系统也类似。)在面板阵列中，从传感器出来的输入反馈到控制器的ADCs，为转换器提供了来自面板阵列的瞬时电压和电流的数据。这一输入也可以提供如电池和环境温度等信息，用来保护面板，然后反馈来自电池的计数功率输出，从而用于跟踪MPP。

所有传感输入必须进行限定，这样ADCs的峰值和尖峰就不会超过3V的水平。这些数据首先是反馈到功率控制回路。根据不同的设计，可能会有多个回路。其他正在运行的实时任务，也给功率控制回路提供了输入。这些任务包括计数返回至网格的功率，监测电网的水平以进行保护，调节电池充电，跟踪MPP以及与处理其他系统的并行控制器进行通信。

图2所示为在逆变器中控制dc-dc和dc-ac阶段的PWM。根据系统的电力水平，可能实行单个的或交叉的多相dc-dc配置。dc-dc输入和输出电压可以用控制器的ADCs进行监测和控制。如果采用一个如图3所示的H-桥，这个dc-ac阶段则可以用四个PWM输出进行控制。超过12位PWM分辨率保持在20kHz的PWM开关频率-足够用来产生瞬态响应及控制ac输出电压。

通过测量线路电压和零交叉，这个电压与ac线路同步，后者可用的任何控制器的I/O线进行探测。F2833x的低的截断延时保证了快速响应以及逆变器输出和交流线路电压之间的同步。

作为一种替换的选择，该系统可在输出端使用一个三相逆变器来代替H桥转换器。在这种情况下，dc-ac阶段的控制会需要6个PWM 。

设计过程中的一个重要方面是进行实时故障管理。如逆变器中的过热等，发生相对较慢的故障可用一个专门的ADC输入进行检测和管理，这可监控温度并发出适当的系统响应。相反，如过电压，低电压或过电流等紧急的故障，需要即时响应，从而避免严重的系统破坏。该F2833x提供了专门的称为行区故障线路来管理这些紧急的故障。行区引脚接收到一个故障信号后在两个DSP周期中抑制映射PWM的输出，确保正确地关闭该系统来使系统不受严重的破坏。

可再生能源系统的关键

可再生能源系统得到不断地改进，从而提高效率及降低每千瓦的成本。理所当然的，当较多地关注改进PV板和风力涡轮机的同时，智能型逆变器也可以使技术变得更为可行。因为浮点型DSC的特性及其灵活性，它们为设计智能型逆变器提出一种可行的技术。在帮助设计师处理不同的可再生能源应用的操作要求和规定时，这些特点显得尤为重要。

作者：Arefeen Mohammed，应用工程师，德州仪器

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