基于TMS320F240芯片的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的控制方法

1　概述
　　
預(yù)測(cè)控制算法是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種新型數(shù)字控制算法。這種算法和以狀態(tài)空間法為代表的現(xiàn)代控制理論設(shè)計(jì)方法有著明顯的不同。它不需要被控對(duì)象的精確數(shù)字模型，而是利用數(shù)字計(jì)算機(jī)（或單片機(jī)）的計(jì)算能力實(shí)行在線滾動(dòng)優(yōu)化計(jì)算，從而取得好的綜合控制效果。
　　
由于預(yù)測(cè)控制一般都采用較長(zhǎng)的采樣周期，而且它具有積分式結(jié)構(gòu)，所以在對(duì)模型失配有較強(qiáng)魯棒性的同時(shí)，也存在著對(duì)隨機(jī)突發(fā)干擾難以及時(shí)控制的不足。另外，在預(yù)測(cè)控制算法中，所選參數(shù)與工程指標(biāo)的聯(lián)系也不夠緊密。而在工程中獲得廣泛應(yīng)用的PI控制在這兩個(gè)方面和預(yù)測(cè)控制有著很強(qiáng)的互補(bǔ)性。因此兩者的結(jié)合，使得本系統(tǒng)的控制算法性能平衡、良好。

2　光伏并網(wǎng)系統(tǒng)功能和內(nèi)部模塊簡(jiǎn)介
　　
光伏并網(wǎng)系統(tǒng)主要功能是將太陽(yáng)電池陣列產(chǎn)生的直流電能通過(guò)該逆變裝置饋送給電網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)利用太陽(yáng)能發(fā)電。目前，這類(lèi)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)在美國(guó)、日本、澳大利亞以及歐洲都有了很多應(yīng)用。

有源逆變系統(tǒng)的模塊構(gòu)成框圖如圖1所示。
　　
光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心為控制主板，各種信號(hào)的采集和處理均由其完成。系統(tǒng)進(jìn)行并網(wǎng)工作的基本過(guò)程主要由F240芯片的捕捉中斷（CAPINT）和PWM載波周期的定時(shí)中斷完成。電網(wǎng)電壓產(chǎn)生的過(guò)零脈沖信號(hào)加至F240的捕捉中斷輸入口CAP1上，以此時(shí)間點(diǎn)作為基準(zhǔn)給定正弦波信號(hào)的時(shí)間起點(diǎn)，同時(shí)根據(jù)目前PWM的實(shí)際脈寬值與理論脈寬值修正載波周期，從而使并網(wǎng)系統(tǒng)的并網(wǎng)輸出電流與電網(wǎng)電壓保持同頻、同相?！　∠到y(tǒng)的功率橋式開(kāi)關(guān)電路采用單極性SPWM調(diào)制方式，具體工作過(guò)程如下：PWM載波周期的定時(shí)器中斷從固定數(shù)據(jù)表中讀出單位正弦波數(shù)據(jù)，根據(jù)電流幅值指令信號(hào)大小進(jìn)行預(yù)處理，得到臨時(shí)脈寬CMPRTEMP，再將該數(shù)據(jù)和經(jīng)過(guò)A／D采樣和經(jīng)過(guò)預(yù)測(cè)處理后的電網(wǎng)電流值、電網(wǎng)電壓值進(jìn)行綜合PI運(yùn)算處理，得到實(shí)際的脈寬CMPR1，控制功率器件T1、T2和T3、T4的導(dǎo)通和關(guān)斷。下一次PWM載波周期中斷重復(fù)上述處理過(guò)程，這樣，通過(guò)電流跟蹤就可以得到由程序自由控制的并網(wǎng)輸出電流，當(dāng)然這必須在功率允許范圍之內(nèi)。

3　系統(tǒng)控制方法的分析

系統(tǒng)工作實(shí)際控制運(yùn)算流程如圖2所示?！　?/p>

圖中：電流Ig為由程序給定的并網(wǎng)電流幅值指令信號(hào)，相當(dāng)于并網(wǎng)輸出電流的有效值。模型1為由單位電流Ig所確定的2π周期的正弦波電流的離散瞬時(shí)值，分為150點(diǎn)，每點(diǎn)間隔2．4°；模型2和模型3都是預(yù)測(cè)跟蹤模型。
　　
系統(tǒng)控制中的關(guān)鍵點(diǎn)一是使用了前饋補(bǔ)償（干擾補(bǔ)償校正），二是使用了預(yù)測(cè)控制和PI控制相結(jié)合的控制方法。

3．1　前饋補(bǔ)償
　　
并網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)是有源逆變系統(tǒng)，為此，可以將電網(wǎng)交流電壓當(dāng)作系統(tǒng)的干擾源。所以控制過(guò)程中的電網(wǎng)電壓實(shí)時(shí)采集通道為前饋補(bǔ)償通道，即從電網(wǎng)采集電網(wǎng)電壓，經(jīng)過(guò)模型預(yù)測(cè)后和Ig1相加。如果去除該通道，僅僅使用PI調(diào)節(jié)運(yùn)算，通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電流波形在給定電流Ig較小時(shí)有明顯的畸變，系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，電抗器La發(fā)出難聽(tīng)的噪音。

這主要有以下兩個(gè)方面的原因：
　　
（1）經(jīng)測(cè)量，電網(wǎng)電壓中有較多的諧波分量，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生了明顯的干擾；
　　
（2）電網(wǎng)電壓的幅值在不同時(shí)間、不同地點(diǎn)變化很大，編制通用的程序有較大困難。
　　
在使用了電網(wǎng)電壓實(shí)時(shí)A／D采樣前饋通道后，取得了很好的控制效果。Ig從零到額定功率，均可獲得理想的正弦波并網(wǎng)電流（失真度＜3％）。

3．2　預(yù)測(cè)控制和PI調(diào)節(jié)綜合控制方案的實(shí)現(xiàn)

3．2．1　預(yù)測(cè)控制方法的分析
　　
預(yù)測(cè)控制算法與通常的離散最優(yōu)控制算法不同，不是采用一個(gè)不變的全局優(yōu)化目標(biāo)，而是采用滾動(dòng)式的有限時(shí)域優(yōu)化策略。其優(yōu)化過(guò)程不是一次離線進(jìn)行，而是在線反復(fù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算、滾動(dòng)實(shí)施，從而使模型失配、時(shí)變、干擾等引起的不確定性能得到彌補(bǔ)，提高了系統(tǒng)的控制效果。本控制過(guò)程中采用預(yù)測(cè)控制方法，對(duì)于克服由于電網(wǎng)電壓的諧波、毛刺以及其他干擾因素等所帶來(lái)的系統(tǒng)不穩(wěn)定，具有明顯的實(shí)際效果。另外一個(gè)使用預(yù)測(cè)控制的重要原因是為了盡量減小A／D采集中毛刺信號(hào)的干擾，系統(tǒng)中使用了RC濾波電路，從而使A／D采集的數(shù)據(jù)滯后于實(shí)際的信號(hào)，該滯后時(shí)間和F240的定時(shí)采樣周期可以比擬，無(wú)法忽略。

3．2．2　具體控制算法的實(shí)現(xiàn)
　　
在實(shí)際的計(jì)算中，并網(wǎng)的交流電流和電網(wǎng)的交流電壓的A／D采樣值需要進(jìn)行預(yù)測(cè)。根據(jù)A／D采樣電路中濾波電容的數(shù)值和阻值以及試驗(yàn)的結(jié)果，預(yù)測(cè)1／2采樣周期，取得了較好的結(jié)果。

具體的預(yù)測(cè)方法如下：
　　
由于硬件A／D輸出電路使用了阻容濾波，本身具有的延遲作用，使得A／D采樣所得值滯后于實(shí)際值，如果此時(shí)使用該A／D值進(jìn)行運(yùn)算，必將使得結(jié)果產(chǎn)生誤差。具體預(yù)測(cè)時(shí)間間隔，A／D采樣電路中的RC具體的數(shù)值為R取10kΩ，C取0．01μF，則延遲時(shí)間大約在100μs，而程序中的每個(gè)采樣周期T為20ms／150＝166．6μs，考慮實(shí)際離散計(jì)算的方便性

以及實(shí)際的實(shí)驗(yàn)效果，使用預(yù)測(cè)T／2的計(jì)算方法?！　☆A(yù)測(cè)公式的計(jì)算如圖3所示，其中，xi相當(dāng)于采樣時(shí)間，xi－xi－1＝T；wi對(duì)應(yīng)于每個(gè)xi時(shí)刻的A／D采樣值，w4為當(dāng)前A／D采樣值，wm為預(yù)測(cè)值，xm－x4＝T／2。預(yù)測(cè)公式如下：

由于在本系統(tǒng)中，T很小，采樣點(diǎn)間隔為2．4°，所以在計(jì)算導(dǎo)數(shù)公式時(shí)，由線性公式近似代替，可得公式（2）和（3）。

式中　wn為A／D采樣值；xn為定時(shí)器中斷點(diǎn)。

取Δt＝T／2，則

考慮到單片機(jī)的計(jì)算精度，在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中，不可以使用上面的計(jì)算公式直接計(jì)算，首先應(yīng)該將上面的公式進(jìn)行變形。

使用上述公式計(jì)算，更加方便，且在運(yùn)算過(guò)程中結(jié)果不會(huì)溢出。
　　
預(yù)測(cè)模型2和模型3都使用公式（5）作為預(yù)測(cè)方案?！　∈褂眠@種控制方案，使得系統(tǒng)無(wú)論在動(dòng)態(tài)響應(yīng)，還是在穩(wěn)定性方面，都具有良好的性能。如圖4所示，不使用前饋調(diào)節(jié)時(shí)，由于PI調(diào)節(jié)的范圍較大，所以輸出的電流波形在波峰有裂口，而使用前饋調(diào)節(jié)后，如圖5所示，波形的改善是很明顯的。

4　結(jié)論
　　
本課題是國(guó)家“九五”科技攻關(guān)項(xiàng)目。目前已經(jīng)通過(guò)國(guó)家科委驗(yàn)收，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。已經(jīng)在現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)工作了九個(gè)多月（2000．11安裝），沒(méi)有出現(xiàn)故障?？梢?jiàn)該控制方案在本系統(tǒng)中得到了很好地應(yīng)用。參考文獻(xiàn)