固緯電子電力電子教學(xué)小課堂 | 第四講: 后級三相逆變電路
PTS-5000系列之PEK-550三相光伏逆變器原理分解
(二)兩級式逆變器控制——后級三相逆變電路(鎖相環(huán)設計)
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：
PEK-550
鎖相環(huán)的工作原理：
鎖相環(huán)是一種消除頻率誤差為目的的反饋控制電路，它的基本原理是比較輸入信號和反饋輸入信號，提取二者的相位差，把此相位差轉換頻率控制信號，消除它們的頻差。在鎖相環(huán)電路的穩定態(tài)，輸入信號和反饋輸入信號可以有穩定的相位誤差，但頻率誤差為零。當輸出信號直接接回環(huán)路鑒相器時(shí)，鎖相環(huán)可以實(shí)現輸出信號對輸入信號的相位跟蹤。根據系統組成的不同，這種跟蹤可以是基于瞬時(shí)相位，也可以是平均相位。鎖相環(huán)除對噪聲有很好的過(guò)濾作用外，還有鎖定時(shí)的無(wú)頻差，易于集成且窄帶和調制跟蹤特性良好等優(yōu)良性能。因此被廣發(fā)應用于通信，雷達，制導，導航，儀器儀表等領(lǐng)域。
鎖相環(huán)是一個(gè)典型的基于相位的負反饋控制系統。它有三個(gè)基本組成部分，它們分別是鑒相器（Phase Detector 簡(jiǎn)寫(xiě)為 PD)，環(huán)路濾波器（Loop Filter 簡(jiǎn)寫(xiě)為L(cháng)F)和電壓控制振蕩器（Voltage Controlled Oscillator 簡(jiǎn)寫(xiě) VCO)[1]。
鎖相環(huán)的PSIM仿真：
1 、三相電壓獲取與坐標軸轉換：
三相電壓獲取：
我們如上圖所示可以用三個(gè)正弦電壓源來(lái)模擬市網(wǎng)，經(jīng)過(guò)一個(gè)電壓采樣來(lái)獲取三相交流電的相電壓。
2 、 Abc到αβ坐標軸轉換
將靜止坐標軸的三相abc空間電壓向量轉化到αβ靜止坐標系的過(guò)程就叫做Clarke變換。
假設三相電壓方程如下所示：
其中是時(shí)間軸上的三相電壓的幅值變化，是空間上三相電壓相差的電角度，即空間位置的差值。
重新建立一個(gè)直角坐標系，其中橫坐標與向量重合，如下圖所示：
根據上圖我們可以清晰得看出來(lái)三相電壓的相對位置，此時(shí)：
在時(shí)間軸上始終滿(mǎn)足三相電壓：
然而在空間上，該三個(gè)空間相量求和：
從上述合成可知，三相空間矢量可以合成一個(gè)幅值恒定并且以角速度為逆時(shí)針旋轉的一個(gè)空間向量Uabc。
等幅值變換指的是三相電壓經(jīng)過(guò)Clarke變換之后生成的一個(gè)向量幅值與A相電壓相等，角速度ω也相等。在三相逆變電路中，其輸出的最高相電壓為2/3Ud。為了保持三相逆變的輸出電壓向量與電流向量都能夠保持與市網(wǎng)電壓相等，于是我們采用等幅值變換法來(lái)進(jìn)行Clarke變換。其中的理論推導過(guò)程如下所示：
其數學(xué)公式如下圖所示：
根據上式我們可以得知：當矩陣前添加一個(gè)系數2/3時(shí)，剛好可以使生成的向量與A相電壓幅值相等，且合成向量經(jīng)過(guò)等幅值變換之后：
目前這兩個(gè)量隨時(shí)間變化的角度與A相電壓是相等的。因此，我們可以利用這個(gè)來(lái)追蹤市網(wǎng)電壓的相位和頻率。
每遇到一個(gè)上升沿就重新開(kāi)始記一次數，其中每一時(shí)刻都對應此時(shí)的電網(wǎng)電壓相位通過(guò)αβ坐標變換獲取三相電網(wǎng)電壓相位的正余弦值，然后用
其中X為市網(wǎng)電壓相位，Y為鎖相環(huán)輸出相位，然后經(jīng)過(guò)PI控制器來(lái)調節輸出為角速度，其中314的加入是為了提高該環(huán)節的響應速度，提前設置了一個(gè)參考量（可省去），其中添加了一個(gè)梯形積分環(huán)節來(lái)對角速度進(jìn)行積分記錄任意時(shí)刻的相位，由于相位變化范圍為0~2pi，故這個(gè)積分器設置了一個(gè)超過(guò)上下限的時(shí)候就重置重新積分。
根據
可知，頻率
可輸出電網(wǎng)相位當X與Y相等的時(shí)候，輸出的相位就是市網(wǎng)電壓的相位，如果不相等，則誤差就會(huì )經(jīng)過(guò)一個(gè)PI控制器進(jìn)行調節，然后經(jīng)過(guò)一個(gè)自動(dòng)重置的積分環(huán)節生成新的相位直至鎖相成功。
實(shí)驗結果：
鎖相環(huán)的仿真結果如下，其中V4是獲取的頻率，V5獲取的是市網(wǎng)的相位。
我們根據上圖可以看出，鎖相環(huán)可以實(shí)時(shí)獲取市網(wǎng)電壓的頻率為50Hz左右。在進(jìn)行并網(wǎng)操作時(shí)，我們會(huì )提前判斷逆變器產(chǎn)生的相位與頻率是否與市網(wǎng)電壓一致來(lái)決定是否進(jìn)行并網(wǎng)操作。
我們可以看到鎖相環(huán)獲取的相位從0到2π不斷重復，正好對應Park變換合成向量在不斷進(jìn)行勻速圓周運動(dòng)時(shí)與坐標軸的夾角進(jìn)行周期變換。
總結：本根據上面的仿真我們可以看到鎖相環(huán)可以獲取市網(wǎng)的相位，從而為后續的逆變器生成的三相電并網(wǎng)以及控制所需的坐標變換提供了相位控制，在后續的推送中我們將繼續分解三相逆變電路的仿真。歡迎大家繼續關(guān)注。