PTS-系列之PEK-500系列教學(xué)

PEK-550模塊之三相光伏并網(wǎng)逆變器

寫(xiě)在前面的話(huà)

經(jīng)過(guò)前幾期對PTS-1000基本電路圖拓撲結構的學(xué)習，我們已經(jīng)掌握了基本的電路模型。從現在開(kāi)始對PEK-500系列電路的控制方式進(jìn)行學(xué)習。本期將針對光伏三相變換器PEK-550對三相逆變器完成的并網(wǎng)逆變進(jìn)行教學(xué)與分析，為老師提供符合教學(xué)目標的實(shí)驗項目。PEK-550模組圖如圖1所示。

PEK-550
三相光伏逆變器

PEK-550模組介紹:

PEK-550 為三相光伏逆變器模組(Single Phase PV Inverter Module)，模組實(shí)物照片如上圖所示，主要兩級組成，前級為升壓式轉換器(Boost Converter)，后級為三相全橋逆變器(Single Phase Inverter)，同時(shí)還具有主要變量的檢測和DSP控制功能部分。該模組實(shí)驗目的是為使用者提供基于DSP控制的電力變換器學(xué)習平臺，即借助PSIM 軟件完成仿真和實(shí)驗。第一實(shí)驗者可以在PSIM上建立模擬(連續)仿真電路，以學(xué)習電力變換器的原理、分析和功能設計;第二將電力變換器的控制器(如PI控制器)離散化，即轉化去數字(離散)仿真部分，進(jìn)行仿真研學(xué);第三借助DSP芯片內部所具有的A/D轉化器、數據處理和PWM信號生成功能，再次進(jìn)行數字(離散)仿真;第四通過(guò)PSIM之C代碼生成功能，將控制部分生成C代碼;最后將生成的C代碼下載于PEK-550的DSP之中，以備實(shí)物實(shí)驗。這樣設計的最大優(yōu)點(diǎn)方便實(shí)驗者能夠快速完成DSP對變換器主電路的控制。進(jìn)行實(shí)驗除需要PEK-550模組外，仍需配置PEK-005A(輔助電源)和PEK-006 (JTAG 下載器)等，并在PTS-5000的實(shí)驗平臺上完成。

PTS-5000 實(shí)驗平臺

三相光伏并網(wǎng)逆變器組成：

三相光伏并網(wǎng)逆變器實(shí)驗系統組成如圖3所示，即主要由DC電源、BOOST升壓電路、三相逆變電路、交流電源、檢測單元模塊和DSP數據采集、處理及PWM信號模塊組成。

圖3三相光伏并網(wǎng)逆變器實(shí)驗系統

三相光伏并網(wǎng)逆變器控制方案

一個(gè)完整的三相光伏并網(wǎng)逆變器需要以下控制部分，即

(1)光伏模塊的MPPT功能控制;

(2)直流母線(xiàn)電壓Vd的穩定控制;

(3)按照一定控制要求逆變器輸出交流電壓與交流電源電壓同步實(shí)現控制。具有光伏模塊的三相逆變器并網(wǎng)控制框圖如圖4所。下面對實(shí)現三相光伏并網(wǎng)逆變器控制的主要功能模塊及運行討論。

圖4光伏三相逆變器并網(wǎng)控制框圖

1. MPPT功能控制功能模塊

MPPT (Maximum power point tracking,最大功率點(diǎn)跟蹤)是太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統中的重要組成部分，它能充分提高光伏陣列的整體效率，也是光伏并網(wǎng)逆變器與普通逆變器的最大區別，原理概況為:當光伏電池所處的外界環(huán)境(如溫度和輻射照度)變化時(shí)，通過(guò)不斷調整光伏電池的輸出電壓來(lái)發(fā)出當前所在環(huán)境下對應的最大功率，使光伏電池的發(fā)電效率充分得到應用。常用的MPPT算法包括定電壓跟蹤法、短路電流法、擾動(dòng)觀(guān)察法、電導增量法、最優(yōu)梯度法、模糊邏輯控制算法等。這里采用光伏系統中應用最廣的擾動(dòng)觀(guān)察法。擾動(dòng)觀(guān)察法控制簡(jiǎn)單，易于實(shí)現，其原理是基于光伏電池特效曲線(xiàn)單峰曲線(xiàn)的特點(diǎn)，通過(guò)對輸出電壓或電流施加小擾動(dòng)，觀(guān)察輸出功率的變化情況，不斷修正并逐步向最大功率點(diǎn)靠近，最終實(shí)現MPPT。該算法流程圖如圖5所示。PSIM仿真實(shí)現如圖6所示。

圖5擾動(dòng)觀(guān)測法流程圖

圖6 MPPT實(shí)現PSIM仿真圖

2.直流母線(xiàn)電壓vd穩定及逆變器控制

三相并網(wǎng)逆變器實(shí)現框圖如圖7所示。實(shí)現三相并網(wǎng)逆變器功能必須完成兩點(diǎn)，即(1)用鎖相環(huán)(PLL)獲得交流電源Vs電網(wǎng)相位和幅值;(2)三相逆變器雙環(huán)控制。

圖7三相并網(wǎng)逆變器實(shí)現框圖

(1)鎖相環(huán)(PLL)

鎖相環(huán)(phase locked loop)是一種利用相位同步產(chǎn)生的電壓，去調諧壓控振蕩器以產(chǎn)生目標頻率的負反饋控制系統。根據自動(dòng)控制原理，這是一種典型的反饋控制電路，利用外部輸入的參考信號控制環(huán)路內部振蕩信號的頻率和相位，實(shí)現輸出信號頻率對輸入信號頻率的自動(dòng)跟蹤。鎖相環(huán)通常由鑒相器(PD，Phase Detector)、濾波器(LF，LoopFilter) 和壓控振蕩器(VCO，Voltage Controlled Oscillator)3部分組成。鎖相環(huán)實(shí)現框圖如圖8所示。

圖8 鎖相環(huán)實(shí)現框圖

(2)三相并網(wǎng)逆變器控制

要實(shí)現三相逆變器的并網(wǎng)功能，需要檢測并網(wǎng)交流電源的電壓幅值和頻率以及直流側母線(xiàn)的電壓Vd并實(shí)現電壓和電流雙環(huán)控制。對于三相變量的控制往往是通過(guò)坐標變換獲得dq直流分量并設計控制器控制。
dq分量的電流和電壓方程如式(1)和(2)所示。

1)電流控制器設計

根據逆變器的輸出電流方程(5)，經(jīng)過(guò)坐標變換后設計PI控制器，設計框圖如圖10所示

圖10 dq軸電流控制器設計框圖

2)電壓控制器設計

由于電流內環(huán)的頻帶寬度遠遠高于電壓環(huán)，因此在設計電壓控制器時(shí)，電流環(huán)可以視為單位1，即電流環(huán)的輸出跟蹤輸入。電壓控制器采用2型控制器，以減小直流母線(xiàn)2次紋波電壓。電壓控制器設計框圖如圖11所示。

圖11 電壓控制器設計框圖

在圖11中，

PSIM仿真

在PSIM搭建模擬仿真圖如圖12所示。仿真結果如圖13所示。

圖12 光伏三相逆變器并網(wǎng)仿真圖

圖13 光伏三相逆變器并網(wǎng)主要變量仿真結果圖

結論

1.為確保充分利用太陽(yáng)能，升壓電路(BOOST)能夠實(shí)現最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT) 功能;
2.當無(wú)負載時(shí)逆變器發(fā)出的功率會(huì )全部回饋到市電交流電源。