PTS-5000系列之PEK-550三相光伏逆變器原理分解
(一)兩級式逆變器控制——前級Boost電路控制技術(shù)（開(kāi)環(huán)）
寫(xiě)在前面的話(huà)
去年9月，習主席在聯(lián)合國大會(huì )上宣布：中國二氧化碳排放2030年前達峰、2060年前實(shí)現碳中和。在碳中和背景下的“新石油”，光伏將會(huì )是未來(lái)能源發(fā)展的第一主角！
然而當前國內的教學(xué)平臺設備陳舊，封裝過(guò)于封閉，抽象。接線(xiàn)復雜凌亂，設備笨重，體積大，易損壞。當今教學(xué)需要高度透明化，精簡(jiǎn)化以及輕便化，固緯電子同高校合作共同研發(fā)的PTS實(shí)驗平臺應運而生，收獲了大批高校、學(xué)者的喜愛(ài)，目前與之合作的高校有上海交通大學(xué)、四川大學(xué)、上海電力大學(xué)等一批國家重點(diǎn)高校，電力高校的喜愛(ài)。
為了使學(xué)生可以快速學(xué)習掌握新興的光伏發(fā)電技術(shù)并且快速熟悉本公司產(chǎn)品，固緯電子針對新能源技術(shù)做出了全面的實(shí)驗教學(xué)課程。本次我們所講解的PEK-550模塊是一個(gè)三相升壓逆變光伏并網(wǎng)系統，是一個(gè)完整的獨立性小型發(fā)電并網(wǎng)系統仿真。PEK-550模塊的電路圖及實(shí)物圖如下：
Boost升壓電路原理講解：
在電感兩端接一個(gè)直流電源，由于電感電流滿(mǎn)足：
因此，電感電流就會(huì )正比例增加。我們如果將負載串聯(lián)電感，根據電感電流不會(huì )發(fā)生突變的特點(diǎn)電感電流將會(huì )流過(guò)負載，這樣就可以通過(guò)控制電感電流來(lái)間接控制輸出電壓的大小，從而起到電力變換的效果。其中主電路圖如下：
開(kāi)關(guān)管Q_5在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期的導通與關(guān)斷，使Boost電路有2種工作模式分析過(guò)程如下：
工作模態(tài)一：開(kāi)關(guān)管Q_5開(kāi)通，二極管D反向截止，輸入電壓U_in給輸入電感L_f充電，電感兩端承受的電壓為U_in大于零，流經(jīng)電感的電流線(xiàn)性增加。輸出電壓由濾波電容C_b獨自承擔，電壓下降。
工作模態(tài)二：開(kāi)關(guān)管Q_5關(guān)斷、二極管D導通，此時(shí)電感的電壓是〖(U〗_in-U_o)小于零，電感電流線(xiàn)性減小。此時(shí)輸入電壓U_in和電感L_f共同向負載電阻提供能量，且向濾波電容C_b提供能量，電容電壓增加。
Boost直流變換器工作模式通常為連續工作模式和斷續工作模式，為了減小電感電流的電流尖峰，以及數字控制采樣的局限性，通常使直流變換器Boost電路工作在連續模式下。
電路的參數計算：
Boost主電路的技術(shù)指標：直流輸入電壓U_in為100V，輸出電壓U_o為200V，輸出功率P_o為500W，開(kāi)關(guān)頻率f_s為20kHz。主電路設計參數主要為濾波電感的設計，輸出電容的確定。
濾波電感L計算：
通常情況下，濾波電感的選擇須確保在最小的負載情況下，電感電流仍工作在臨界模式。在電感電流連續的狀態(tài)下，可推導Boost的輸出電壓U_o和輸入電壓U_in的式子：
假設Boost變換器的效率為90%，負載在10%的額定載下工作于臨界模式，則根據功率平衡得：
ILf為臨界模式下的電感電流的平均值。定義電感電流的紋波系數為：
式中ΔILf為電感電流紋波得峰值。在臨界模式下電感電流紋波系數，因此由上式可得：
根據電感電壓和電流的關(guān)系，可得電感電流紋波峰值為：
故：
計算得：
濾波電容計算方法：
由于前級Boost的輸出濾波電容恰好是兩級式逆變器的母線(xiàn)電容。母線(xiàn)電容的大小和后級輸出功率，母線(xiàn)電壓，二次紋波電壓的大小有關(guān)。具體關(guān)系如下：
本文設計輸出功率為500W，二次紋波角頻率為314，母線(xiàn)電壓為200V，在本文確定二次紋波電壓為2%的母線(xiàn)電壓，由式（2-11）可計算出直流母線(xiàn)電容為：
實(shí)驗結果：
輸出電壓波形如上圖所示，我們可以清晰得看出輸出電壓是可以達到200V的升壓效果的。由于我們直接采用的方波信號作為開(kāi)關(guān)管的觸發(fā)信號，因此才會(huì )出現較大的超調量。
上圖是電感電流的波形。電感電流也是符合理論值的5A額定值，上下的紋波較小且未出現斷續的狀態(tài)。
總結：本文介紹了Boost電路的仿真電路的開(kāi)環(huán)設計，通過(guò)仿真我們可以發(fā)現仿真結果出現較大的超調量，這個(gè)可以通過(guò)閉環(huán)控制來(lái)進(jìn)行調節。在后續的推送中我們將繼續Boost電路的設計與問(wèn)題討論解決。歡迎大家繼續關(guān)注。