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图6：坐标中的三级逆变器的开关位置矢量

独立控制

在缺少公用电网的情况下，可再生能源系统可以为本地负载提供能源(假设逆变器可以获得足够的电能)。直流和交流端的控制结构可根据本地负载的需要进行调整。如系统内没有备用电池，系统将无法以最大的功率运行，因为这可能导致持续产生不平衡的电能。独立工作时，电能转化主要取决于所需的本地负载和逆变器内部损耗。如果有足够的能源，本地负载可以完全由逆变器提供电能。如果负载的需求量高于可供应的电能量，则需要断开低优先级的负载，以保证为高优先级的负载提供电能。

交流端的电压和频率由逆变器控制。同样的电压调节算法也可用于不间断电源。根据电压控制的稳态和瞬态要求，可以采用不同技术。UPS系统中用到的一种颇具吸引力的方法就是RMS电压控制。PI补偿器可控制RMS电压。补偿器的输出可以调整60Hz正弦PWM的调制指数。该类型的控制可在稳态下提供稳定的输出，但瞬态性能可能无法满足强负载瞬态的需要，例如起动压缩机驱动的负载。图7为独立逆变器的RMS电压控制框图。

图7：独立逆变器中的RMS电压控制在瞬态期间，瞬时电压控制可提供更高强度的控制。在进行噪声模拟测量的情况下，设计补偿器尤为困难。图8为独立逆变器的瞬时电压控制框图。

图8：独立逆变器中的瞬时电压控制

多环电压控制算法可在稳态和瞬态操作下提供更好的结果。RMS电压控制器需要60 Hz基准电流。内部电流调节器可以通过测量瞬时电流来调节电流。

信号处理要求

前面各节中讨论过的几乎所有算法或者是以数字格式开发，或者是以数字方式实现，以获得最佳效果。首先，模数转换器可将测量到的模拟信号(例如：电压、电流和温度)转换为数字信号；然后，由处理器利用控制算法对数字数据进行处理；最后，向物理设备发出命令来进行控制操作(通常为数字形式)。需要进行数字化处理的模拟信号需要高精度模数转换器；精度最少应达到10个可用位。另外，模数转换器的转换速度必须足够快，否则，每个中断周期的长度将是系统无法接受的。

逆变器的所有控制行为都需要经过大量处理。例如，带有电网同步功能的电流调节器在中断服务例程中需要930个操作。除此之外，MPPT算法可能需要410个操作，防孤岛控制可能需要545个操作等等。很显然，对于20kHz PWM操作，逆变器需要使用周期率高于200MHz的处理器。

此外，DSP还必须集成关键外设，例如：串行/并行接口、PWM单元和一个真12位分辨率、紧密集成到处理器的12位模数转换器。处理器还应集成用于执行代码的闪存，以减少对外部存储器的需求，从而降低整个系统的成本。处理的精度和速度会影响到从可再生能源中获取的能量、部署到公用电网中的电能质量、发生孤岛效应时的人身安全以及与外部设备通信的能力。除了进行控制操作外，逆变器还需要与外界进行通信，以获得状态和数据报告、确保并行单元有效协同工作，并在智能电网中实现信息共享。图9显示了单相太阳能光伏发电系统的整体框图。高性能处理器可以在单个芯片中提供所有上述功能，例如ADI公司的新款400 MHz Blackfin BF50x系列处理器，可用于数字信号处理和控制处理，具有片内闪存、集成式12位数模转换器和稳定的外设组合。具备这些功能的处理器经过优化，可支持各种复杂的控制算法，以确保获取最大电能并实现高效、可靠、安全电能处理。

图9：单相太阳能光伏发电系统框图

总结

本文简要介绍了与公用电网相连的逆变器在建模与控制方面的挑战。第二节介绍了用于太阳能光伏发电的MPPT技术。第三节讨论了电网同步方法，详细说明了已广为接受的锁相环（PLL）算法，并探讨了孤岛现象以及逆变器在此方面的弱点。第四节介绍了常用的防孤岛技术，并重点介绍了桑迪亚电压移动和频移算法。第五节讨论了电流调节算法和线性前馈数字PI电流调节器。第六节介绍了用于多级逆变器的PWM生成算法，这种通用算法可由任意级数的逆变器实现，另外，还对正弦波PWM和空间矢量技术进行了阐述。第七节介绍了不与公用电网相连的独立逆变器。第八节说明了实现逆变器算法的嵌入式控制所面临的挑战。第九节对全文进行了总结并给出了结论。

关键词： 逆变器 建模 控制