基于模型設(shè)計的單相光伏并網(wǎng)逆變器研究

（陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，西安 710021）

在電力電子設(shè)備實驗與研發(fā)過程中，控制器是最為核心也最關(guān)鍵的一部分，目前高性能的電力電子設(shè)備大多采用數(shù)字控制，在微控制芯片上利用軟件代碼實現(xiàn)控制算法。隨著對系統(tǒng)性能要求不斷提高，導(dǎo)致控制算法愈趨復(fù)雜，傳統(tǒng)的人工編寫代碼模式漸漸顯示出不足，如：開發(fā)周期長，代碼測試與驗證費時費力等。為了解決傳統(tǒng)研發(fā)過程中的這些問題，提高開發(fā)效率，MathWorks公司提出了基于模型的設(shè)計方法[1]，在MATLAB中設(shè)計完成控制器后可以自動生成實現(xiàn)控制器的軟件代碼，與底層驅(qū)動代碼集成，在微處理器上實現(xiàn)控制器，省略了人工編寫控制器代碼的步驟，并且可以很方便地對代碼進(jìn)行測試和驗證。可以使研究人員集中精力在控制算法的研究和控制器的設(shè)計上，而不需要投入過多的精力去關(guān)心控制器的實現(xiàn)過程，采用基于模型的設(shè)計方法可以提高代碼的可靠性、可移植性、易測試及易讀性，也可以將整個開發(fā)周期縮短至傳統(tǒng)開發(fā)模式的20%～50%[2]。

針對目前研究熱點光伏并網(wǎng)，利用基于模型設(shè)計的方法，以單相光伏并網(wǎng)逆變器為例，從其基本原理出發(fā)直到最終的實際實現(xiàn)，展示了基于模型的設(shè)計方法的整個過程及其優(yōu)點。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)計

如圖1所示，單相光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)主要包含：電網(wǎng)、光伏電池板、單相逆變橋、濾波器及控制器5部分。單相并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的目的是將太陽能轉(zhuǎn)化為電流的形式注入電網(wǎng)，且并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，即實現(xiàn)單位功率因數(shù)，向電網(wǎng)輸送有功電流。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 System diagram

其中：Udc為直流側(cè)電壓為MPPT（最大功率點跟蹤）的輸出值，也是直流側(cè)電壓給定值為有功電流幅值給定值；eac為電網(wǎng)電壓為并網(wǎng)電流瞬時給定值；il為實際并網(wǎng)電流。虛線框中的部分為控制器部分，在控制芯片上由軟件實現(xiàn)。

1.1 系統(tǒng)工作原理分析

根據(jù)檢測直流側(cè)電壓電流，用電壓擾動法，改變直流側(cè)給定電壓與上次輸出功率比較，從而決定電壓的改變方向，最終實現(xiàn)MPPT；MPPT輸出的給定電壓與直流側(cè)實際電壓做差，再通過PI控制器，實現(xiàn)直流側(cè)電壓的控制，應(yīng)當(dāng)注意的正負(fù)，其正負(fù)號與輸出的并網(wǎng)電流方向有關(guān)，總之應(yīng)保證當(dāng)增大時應(yīng)減小，即根據(jù)功率平衡來判斷；對電網(wǎng)電壓進(jìn)行鎖相可以得到與eac同頻同相的單位正弦波，與相乘可以得到瞬時電流給定值，最后通過無差拍控制器，使實際并網(wǎng)電流跟蹤給定電流，實現(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)。

1.2 無差拍控制器設(shè)計

單相光伏并網(wǎng)逆變器常用的電流控制器有PI、電流滯環(huán)控制、準(zhǔn)比例諧振控制等。PI控制器對交流信號不能實現(xiàn)無靜差跟蹤；電流滯環(huán)控制器雖具有動態(tài)快、誤差小等優(yōu)點，但其開關(guān)頻率不固定而且不利于數(shù)字化實現(xiàn)及濾波設(shè)計[3]；準(zhǔn)比例諧振控制器可以實現(xiàn)無靜差跟蹤，但動態(tài)響應(yīng)慢。針對本系統(tǒng)的特點，設(shè)計了無差拍控制器，其具有算法簡單，動態(tài)響應(yīng)快、精度高等優(yōu)點[4-5]。

圖1中系統(tǒng)電壓電流關(guān)系為

其中：Uab為逆變橋兩橋臂之間的輸出電壓；L為濾波電感；R為濾波電感內(nèi)阻 （包括導(dǎo)線電阻）；eac為電網(wǎng)電壓；il為電感電流也是并網(wǎng)電流。

采用雙極性調(diào)制，有：

其中：d為占空比；Udc為直流側(cè)電壓。將式（2）帶入式（1）并離散化可得：

其中：Ts為采樣時間；il（k+1）為系統(tǒng)下一時刻的給定電流值；il（k）為當(dāng)前電流值，因此可由式（3）計算出占空比信號從而實現(xiàn)對并網(wǎng)電流的控制。

2 基于模型設(shè)計

傳統(tǒng)開發(fā)模式大多是先在MATLAB環(huán)境下搭建系統(tǒng)仿真模型，設(shè)計控制器并仿真驗證，驗證通過后人工編寫代碼，然后對代碼進(jìn)行測試并修復(fù)bug，最后在實際系統(tǒng)中測試。這樣開發(fā)效率就比較低下，因為人工寫代碼往往會引入bug，而且代碼測試不方便。

而基于模型的設(shè)計方法是建立好仿真模型并測試通過后，可以對控制器自動生成代碼，而且可以通過SIL（軟件在環(huán)）測試生成的代碼與MATLAB中設(shè)計的控制器是否等效，可以通過PIL（處理器在環(huán)）測試代碼的執(zhí)行時間及效率，還可以通過MAT-LAB提供的工具測試覆蓋度及代碼復(fù)雜度等，而這些對于人工代碼是很難完成的。

2.1 搭建系統(tǒng)模型

在搭建系統(tǒng)模型的時候應(yīng)根據(jù)實際系統(tǒng)選取仿真中的參數(shù)，如圖2所示，系統(tǒng)硬件部分由電網(wǎng)、逆變橋、濾波電感及直流電源組成，為了實現(xiàn)簡單采用直流電壓源代替了光伏電池板，因此并網(wǎng)有功電流幅值為外部直接給定；軟件部分由控制器（Controller）和脈寬調(diào)制（PWM）模塊組成，最終均要在微控制器上實現(xiàn)，其中控制器部分就是將來要自動生成代碼的部分，脈寬調(diào)制模塊由底層程序?qū)崿F(xiàn)。

圖2 系統(tǒng)仿真模型Fig.2 System simulation model

其中，采樣時間Ts=0.00005 s，濾波電感內(nèi)阻R=0.26 Ω，濾波電感L=3 mH，電網(wǎng)電壓有效值eac= 220 V，逆變器直流側(cè)電壓Udc=350 V，并網(wǎng)逆變器的額定功率為1.5 kW，額定并網(wǎng)電流幅值為10 A。

圖3為控制器部分的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由鎖相環(huán)和無差拍控制器組成，其中無差拍控制器的表達(dá)式如式（3）所示。

圖3 控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.3 Inner structure of controller

2.2 仿真結(jié)果

圖4為并網(wǎng)電流及電網(wǎng)電壓波形，為了使并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓能更好地一起顯示，故將并網(wǎng)電流放大了20倍與電網(wǎng)電壓同時顯示，圖中橫坐標(biāo)代表時間軸，縱坐標(biāo)代表電壓和電流軸，電壓100 V/格，電流5 A/格；其中t＜0.04 s時并網(wǎng)電流幅值給定值可以看出并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，且在t=0.04 s時并網(wǎng)電流能快速響應(yīng)幅值變?yōu)?0 A的正弦波電流。

圖4 并網(wǎng)電流及電網(wǎng)電壓波形Fig.4 Current and voltage waveform

圖5是5 A和10 A并網(wǎng)電流的諧波分析結(jié)果，圖中橫坐標(biāo)代表頻率，單位是Hz；縱坐標(biāo)為諧波電流相對于基波電流的相對值。圖5（a）為時并網(wǎng)電流的諧波分析結(jié)果，其電流THD（總諧波畸變率）=3.94%，圖5（b）為時并網(wǎng)電流的諧波分析結(jié)果，其并網(wǎng)電流THD=1.95%，均滿足國標(biāo)的THD＜5%的要求。

圖5 并網(wǎng)電流諧波分析Fig.5 Harmonic analysis of current

2.3 代碼生成

搭建完系統(tǒng)模型并仿真驗證通過后即可對系統(tǒng)進(jìn)行配置自動生成代碼，對代碼生成的相關(guān)關(guān)鍵配置選項如表1所示。

表1 代碼生成的相關(guān)配置Tab.1 Configuration of the code generation

分別代表了定步長離散求解器步長為0.00005 s；嵌入式目標(biāo)文件；模塊化代碼格式；TI公司c2000系列處理器；代碼以高執(zhí)行效率為優(yōu)先目標(biāo)。配置完以上選項后還應(yīng)對代碼原型進(jìn)行控制，以更好地與底層程序接口。

可以分別配置代碼中初始化函數(shù)名，函數(shù)名及輸入輸出參數(shù)如圖6所示。

圖6 函數(shù)原型控制界面Fig.6 Interface of function prototype control

在配置完以上選項后就可以生成代碼，在生成的代碼中只需要看其中的.h文件，找到函數(shù)名，通過函數(shù)名，調(diào)用可與底層代碼集成。最終生成的代碼中函數(shù)原型如圖7所示，與期望的函數(shù)原型一致。

圖7 函數(shù)原型Fig.7 Function prototype

2.4 代碼驗證

基于模型設(shè)計的最大優(yōu)點就是容易實現(xiàn)代碼的驗證與測試，在與底層代碼集成之前需要先驗證MATLAB自動生成的代碼與搭建的控制器是等效的。在配置選項中選中SIL，即可產(chǎn)生一個S-function模塊，是自動生成的 C代碼經(jīng)過了封裝，可以在MATLAB中調(diào)用。因此可以對比自動生成的代碼和設(shè)計的控制器是否等效，給其和控制器相同的輸入判斷兩者的輸出之差是否為零，即可判斷兩者是否等效。如圖8所示，SIL模塊為經(jīng)過封裝自動生成的C代碼，經(jīng)測試其與搭建的控制在相同輸入的條件下，兩者的輸出差值始終為零，即兩者等效。之后即可與底層代碼集成，在實際系統(tǒng)中實驗測試。

圖8 代碼等效性測試Fig.8 Equivalence test of code

3 實驗

按照以上仿真參數(shù)搭建實際系統(tǒng)，將MATLAB生成的代碼與底層代碼集成，在TI公司的TMS320F28335微處理器上實現(xiàn)控制器。實驗結(jié)果如圖9（a）、（b）所示，圖中橫坐標(biāo)代表時間軸，縱坐標(biāo)代表電壓和電流軸，電壓100 V/格，電流7.5 A/格；分別為實測電網(wǎng)電壓與幅值為5 A和10 A的并網(wǎng)電流波形，可以看出電壓電流同頻同相，實現(xiàn)了單位功率因數(shù)并網(wǎng)，與仿真結(jié)果基本相同。

圖9 實測電壓電流波形Fig.9 Measured voltage and current waveform

4 結(jié)語

采用基于模型的設(shè)計方法設(shè)計了單相光伏并網(wǎng)逆變器，利用MATLAB自動生成了代碼，然后再對生成的代碼做SIL測試其與控制器的等效性，最后與底層集成并搭建硬件實現(xiàn)了并網(wǎng)功能，實驗結(jié)果與仿真結(jié)果相同。證明了該方法的優(yōu)點：加快開發(fā)速度，容易實現(xiàn)代碼的驗證、測試等工作，系統(tǒng)代碼升級方便等。對電力電子裝置的研發(fā)具有重要意義。

[1] 鄧焱弢，駱光照，陳哲，等.基于模型設(shè)計的處理器在回路聯(lián)合仿真系統(tǒng)[J].測控技術(shù)，2011，30（3）：45-48.

[2] 馮璨，李剛，趙剛.基于模型設(shè)計思想的功率測量技術(shù)研究[J].電測與儀表，2014，51（19）：1-7.

[3] 楊露露，時斌，聞楓.基于改進(jìn)的無差拍控制方法在單相并網(wǎng)逆變器中的應(yīng)用[J].水電能源科學(xué)，2014，32（5）：172-175.

[4] 黃文俊，余曉建，沈永林.單相并網(wǎng)逆變器的Deadbeat控制[J].電力電子技術(shù)，2007，41（2）：10-12.

[5] 單竹杰，林明耀，顧娟，等.單相光伏并網(wǎng)逆變器的無差拍控制研究[J].電工電氣，2009，28（1）：5-7.