雖然智慧型逆變器最顯見的應用就是太陽能和風力發電系統，但其亦可應用於其他的能源系統，如燃料電池，以期能使輸出最大化。在所有類似應用中，數位訊號控制器皆能提供有效的逆變器控制，因數位控制器可減少一半的轉換效率損失，並顯著降低成本。數位訊號控制器結合了數位訊號處理器(DSP)的高效能，以及微控制器(MCU)可編程的便利性與整合性。此外，現在還有具備浮點功能的數位訊號控制器，能夠提升效能，使複雜的運算法編製程序變得更加容易。
逆變器的角色與運作階段
逆變器的主要功能是將電源的可變直流電(DC)電壓輸入，轉換為純淨正弦波50或60 Hz的輸出，以供電器使用或回饋至市電，而在不同的應用中，也可要求使用單相或多相。除了直流轉交流電(DC/AC)轉換外，逆變器還可執行如切斷電路以保護其不受電湧損壞、電池充電、記錄使用量和效能資料，以及最大功率點追蹤等功能，以保持電力產生的效能。額定功率的範圍介於一到數百千瓦的峰值(KWp)，可讓逆變器繞過複雜的電源拓撲而進行設計，且不管是否搭配變壓器，都能夠整合多個控制處理器。圖1顯示逆變器置入全包式太陽能發電(PV)系統的位置，不但能為電池充電和驅動局部的AC負載，還可連結市電，並擁有AC發電機形式的替代電源。類似的配置也適用於風力渦輪引擎和其他能源。
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| 圖1 PV和發電機複合系統 |
重要的逆變器電路區塊顯示於圖2上半部 (下半部將於下文中討論)。首先，DC/DC 轉換可提高或降低進入的電壓，調整其輸出以獲得最佳效率。在額外的電壓緩衝之後，橋接電路中的MOSFET通常會使用介於18～20kHz的切換頻率，將DC電壓轉換為AC電壓。最後，低通濾波器將切換後的AC修整為正弦波訊號，以產生市電頻率的AC輸出。圖2並未顯示電池充電所需的DC/DC轉換和穩壓。
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| 圖2 無變壓器的DC電源至AC負載轉換電路 |
AC變壓器與保護功能不可或缺
由於電源輸入通常不夠高，因此系統可選擇使用AC側的變壓器提高電壓，或在 DC/DC轉換階段中升壓。只要設有AC變壓器，即可提供電震隔離(Galvanic Isolation)，零電壓切換的相移式全橋 DC/DC轉換器也是如此，因此後者即相當於一個變壓器。圖3顯示一種常用的DC/AC電路與單相反轉的變壓器，這是一種由四種脈波寬度調變(PWM)訊號控制的全半橋(H-bridge)電路架構配置。
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| 圖3 DC/AC 階段與變壓器 |
變壓器會增加重量、體積及成本，同時也會導致效率降低約兩成。另一方面，變壓器也會通過電子手段隔離電路的兩側，防止DC錯誤蔓延至AC側，避免AC漏電造成PV面板和接地之間可能造成的問題，以提高電路保護和人身安全。這項設計可能包含可監控所有相位電流的剩餘電流保護裝置(RCD)，並在電流超過一定數值時啟動繼電器。由於電流漏電的風險，RCD對於無變壓器系統的安全性格外重要。
為了保護系統，系統內必須納入繼電器，以保護轉換和充電電路不受市電上的電湧和尖峰訊號損壞。此外，若電力線受損或是公用電力設施須將其關閉，逆變器必須停止將電力傳送至公用電力設施。「非孤島型」逆變器可感測失能、電壓過低或過高，或者因任何理由出現顯著干擾的線路。在發生此種情況時，逆變器會自動與市電切斷，以免成為發電的「孤島」。
獲得最大的充電功率
電池充電的效率必須視輸入電壓而定，但是電壓變化性極大，因其必須取決於PV面板渦輪引擎的風力條件，或是季節、雲量和一天中的時間。電池的狀況也各自不同，必須視充電狀態而定，因此有時可能必須調整電壓和電流比，以增加傳送的總功率和加快充電的速度。傳送至電池的最大功率輸出位在電壓和電流乘積的峰值，也就是最大功率點(MPP)。MPP追蹤(MPPT)主要目的為判斷最大功率點，並調整DC/DC電壓轉換，使充電輸出量達到最高。MPPT可在冬季時，將太陽能系統整體效率提高三分之一或更高，另外對於其他類型系統的效果也非常顯著。圖4顯示MPP的決定值會因不同條件而改變。
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| 圖4 不同條件下的MPP |
決定MPP最常見的演算法是讓控制器在每一次的MPPT週期，干擾面板的操作電壓，並觀察其輸出。此演算法會在足夠的範圍內，繼續在MPP的周圍振盪，以避免功率曲線在雲的移動或短暫無風狀況下，產生局部的誤導性峰值。當每一次週期的干擾和觀察演算法的振盪範圍逐漸偏離MPP時，其效率即降低。增量電感演算法為替代方式的一種，此種演算法能夠解決當電力曲線導數為0，也就是先定義峰值時的問題，進而找到己解決的電壓位準位置。雖然此方法省去因振盪而導致的效率缺乏，但卻有其他降低效率的風險，因為透過此演算法找到的可能是局部的峰值而非MPP。有一種折衷的方式，即是維持增量電感演算法所求出的位準，但同時在更廣泛的範圍內按一定間隔掃描，以避免選到局部峰值。雖然此方法最有效率，但所需的工作量也耗費控制器的極大部分資源。
控制設計須具即時處理能力
逆變器的控制處理器必須因應許多即時處理的挑戰，以便在有效率的DC/AC轉換與電路保護時有效執行所需的精確演算法。而在非孤島型需求方面，為能判斷電力流向，以便快速中斷電路連結，就必須有準確的電壓與電流測量。當逆變器輸出必須與電力線同步時，控制器可能包含軟體中和其他演算法一起實施的數位相位鎖定迴圈(PLL)。雖然MPPT和電池充電控制只須近似即時反應，但也同樣牽涉到高階處理的演算法。在 DC/DC轉換階段中須有一定的控制以建立穩定的DC電壓，而有時候在DC/AC階段中同樣需要一定的控制以補償DC的變化值。此時若有一單一裝置能控制所有的轉換階段，並同時有充足效能可執行多種演算法，即可協助設計者解決上述問題。
數位訊號控制器為可再生能源系統中的逆變器、電池和保護機制的即時控制提供良好的解決方案。這些以DSP為基礎的裝置，原即可支援即時控制演算法中所使用到的高速數學計算。單一DSP式控制器可在單一逆變器中同時控制多個轉換階段，並保留管理能力以執行額外的功能，如MPPT、電池充電監控、電湧保護、資料記錄及通訊等。新的浮點控制器更擴大這些優勢，讓程式設計和除錯更為簡單且不易出錯。浮點運算所包含的廣大範圍使飽和較不易發生，且動態演算法可在所有的負載條件下進行調整。此外，浮點程式碼在數學運算方面更為精簡，需要的週期數也比定點更少。
許多整合的周邊裝置，如類比數位轉換器(ADC)和脈波寬度調變器(PWM)等，能夠直接感測輸入值並控制功率金屬氧化半導體場效電晶體(MOSFET)，進而為系統節省空間和支出。晶片內快閃記憶體可協助進行程式設計和資料蒐集，而通訊連接埠則可簡化擁有電錶和其他逆變器等裝置的網路設計。太陽能逆變器中的定點數位訊號控制器已經證實能大幅降低成本，同時將能源效率的損失減少一半，而最近問世的浮點控制器則可進一步強化這些效果。
浮點 DSP 控制器加快開發效率
德州儀器(TI)具備浮點功能之數位訊號控制器(圖5)，為32位元裝置，能夠以高達150MHz的頻率運作，並可提供高達300MFLOPS(每秒百萬浮點運算)。其中整合的功能包括晶片內記憶體直接存取(DMA)、快速中斷處理、32位元增強型記憶體介面(EMIF)、支援高達16個輸入通道的超快速12位元ADC、多重計時器、標準通訊連接埠，以及12個分別具備計時器和相位暫存器、可獨立控制的增強型 PWM(ePWM)通道。
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| 圖5 TMS320F2833x架構 |
不同於其前一世代，是以浮點架構為基礎。這項裝置擁有單一正負號位元、8位元的指數和32位元的尾數，能夠處理約±～1.7e-38至±～3.4e+38的正規化值範圍。特別對於控制工作方面，浮點架構所提供的寬廣範圍格外有價值，因其能比定點架構更有效率地處理比例調整和飽和度。在TI進行的新一代浮點匯編與新一代定點匯編比較測試中顯示，週期效率在基本運算如除法、平方根和三角函數等方面平均進步將近2.5倍，而這些運算中都有例行性的比例調整和飽和度處理。而其他在控制系統中經常使用的訊號處理演算法，包括無限脈衝響應(IIR)和快速傅立葉轉換(FFT)均有幾乎相同的改善。
控制器C編譯器的設計是利用浮點架構中管線流通能大幅減少等待狀態的特性。高智慧型的DMA控制器能在不干擾DSP核心的情況下，使管線持續獲得回饋並同時處理多個常式傳輸。表1所列為一些在逆變器控制及普遍性的控制系統中經常使用的演算法範例，表中顯示浮點C程式碼週期次數相較於定點C週期次數的改善。新一代編譯器能夠以簡單的切換，將相同的程式碼重新編譯為定點程式碼。程式設計師能夠利用浮點架構加快開發速度，再由編譯器進行必要的調整，將程式碼轉換至定點架構。
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表1 逆變器控制及控制系統使用的演算法範例 |
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| 控制演算法 | C28x C/C++定點 | C2833x C/C++浮點 | 週期次數改善 |
| 狀態評估程式 | 1,563 | ~1,137 | 1.37 |
| Park轉換 | 107 | ～60 | 1.78 |
| 高精度PID | 110 | ～70 | 1.57 |
| 平均效能比：1.57 | |||
錯誤管理為逆變器控制設計要點
圖6顯示在太陽能發電系統中，用以控制功率階段逆變器的新一代數位訊號控制器(風力發電系統也十分類似，但是另外附有風力渦輪引擎集極)。太陽能面板陣列上的感測器會將其收集到的資料，如瞬時電壓與電流傳送至控制器的ADC，以作為轉換之用。資料輸入也會提供如電池及周遭溫度等資訊以保護太陽能面板，以及電池的量測功率輸出的回饋以追蹤MPP。所有的感測輸入均須經過調整，讓峰值和尖峰訊號不超過ADC的3伏特位準。資料首先會送至功率控制迴圈，而迴圈數須視設計而定。此外，其他執行中的即時工作也會將其輸入提供至功率控制迴圈。這些工作包括量測送回市電的功率、監控市電功率值以作為保護、調節電池充電、追蹤MPP以及與處理其他系統的平行控制器溝通。
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| 圖6 F2833x逆變器控制 |
圖2顯示脈衝寬度調變(PWM)同時控制逆變器中的DC/DC和DC/AC階段。依照系統的功率位準，可實施單一或交錯式多相DC/DC配置。DC/DC輸入和輸出電壓可由控制器的ADC加以監控和控制。圖3中顯示H-bridge電路的DC/AC階段，可藉由用四種PWM輸出達到控制的效果。在PWM的20kHz切換中，依然維持超過12位元的PWM解析度，這樣的解析度足夠提供暫態反應和控制AC輸出電壓。該電壓能藉由測量線路電壓和零位點而與AC線路同步。零位點則可透過任何一個控制器的I/O線路偵測。新一代產品的低中斷延遲性可確保逆變器輸出和AC線路電壓之間迅速的反應及同步性。除此之外，系統可以在輸出上使用三相逆變器以取代H-bridge電路轉換器作為替代方式，但如此一來，DC/AC階段控制便需要六個 PWM。
即時錯誤管理為設計中一個相當重要的部分。對於較慢性的錯誤，例如逆變器內部過熱等，可透過能監控溫度和啟動適當系統反應的專屬ADC輸入來進行偵測和管理。相對來說電壓過高、過低或電流過強等關鍵錯誤必須立即反應，以避免嚴重的系統損壞。新一代產品提供稱為失誤區(Trip Zones)的專屬錯誤線路以管理這些關鍵錯誤。Trip Zone接腳會在收到錯誤訊號後，停用少數DSP週期內的映射PWM輸出，確認系統妥善關閉，以保障其不受嚴重的損壞。
啟動可再生能源的鑰匙
可再生能源系統不斷地演進，以獲得更佳的效率並降低每千瓦成本。雖然目前大部分的主力都放在改善PV面板和風力渦輪引擎上，但事實上智慧型逆變器也有助於此項技術的發展。管理與作業要求的變異性，使逆變器控制器的選擇十分重要，因為該控制器可提供高效能、整合性與彈性。
目前為止，數位訊號控制器在逆變器系統中的價值也已經被肯定，而新的浮點控制器則會持續協助改善效率，並進一步降低可再生能源的成本。
(本文作者任職於德州儀器)
