固緯電子電力電子教學(xué)小課堂 | 第三十一講: PEK-510模塊之單相光伏并網(wǎng)逆變器PQ下垂控制
PTS-系列之PEK-500系列教學(xué)
PEK-510模塊之單相光伏并網(wǎng)逆變器PQ下垂控制
寫(xiě)在前面的話(huà)
PQ下垂控制是一種基于電流和電壓的控制方法，通過(guò)測量負載的電流和電壓與設定的參考值進(jìn)行比較，然后根據比較結果來(lái)調整逆變器的輸出電流和電壓，使其滿(mǎn)足負載的需求，具體來(lái)說(shuō)，當負載的功率需求增加時(shí)，逆變器會(huì )增加輸出電流和電壓；當負載的功率需求減少時(shí)，逆變器會(huì )減小輸出電流和電壓；PQ控制具有較好的穩定性和響應速度，具有精確性高、效率高、穩定性好等優(yōu)點(diǎn)，在光伏并網(wǎng)系統中具有廣泛的應用。本節通過(guò)PKE-510單相光伏并網(wǎng)逆變器PQ控制功能進(jìn)行教學(xué)與分析，為老師提供相關(guān)實(shí)驗與教學(xué)資源參考。
PEK-510
單相光伏并網(wǎng)逆變器
PEK-510模組介紹：
PEK-510 為單相光伏逆變器模組(Single Phase PV Inverter Module)，模組實(shí)物照片如圖1 所示，主要兩級組成，前級為升壓式轉換器(Boost Converter)，后級為單相全橋逆變器(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-510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-510 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
單相光伏并網(wǎng)逆變器PQ控制組成
單相光伏并網(wǎng)逆變器實(shí)驗系統組成如圖3所示，即主要由DC電源、單相逆變電路、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 單相光伏并網(wǎng)逆變器實(shí)驗系統
單相光伏并網(wǎng)逆變器PQ控制方案：
逆變器是微源與主網(wǎng)之間的接口，其功能在于控制輸出的有功和無(wú)功功率。PQ下垂控制即有功、無(wú)功給定控制，通過(guò)控制逆變器輸出電壓的幅值和相角來(lái)調節發(fā)出的有功和無(wú)功功率，當輸出阻抗特性為純感性時(shí)，即
時(shí)，逆變器輸出的有功功率與逆變器功角
無(wú)功功率與母線(xiàn)電壓幅值Uo成一次函數關(guān)系（下垂特性）：
為了保持與電力系統的一致性及有功功率的準確均分，可通過(guò)控制算法將分布式電源的等效電阻設為感性，即逆變器輸出的有功功率與逆變器功角
無(wú)功功率與母線(xiàn)電壓幅值 Uo 成一次函數關(guān)系。
圖4 下垂特性圖
圖5 PQ控制結構示意圖
其中，Pref為有功額定值，Qref為無(wú)功額定值。圖中，有功分量和無(wú)功分量由外部給定功率參考值，其與測量到的電網(wǎng)交流側的有功、無(wú)功作差，經(jīng)過(guò)PI調節器，來(lái)控制逆變器的相角和幅值，達到無(wú)差調節，使穩態(tài)誤差為零，進(jìn)而達到控制輸出有功和無(wú)功的目的。另外，利用鎖相環(huán)（PLL）技術(shù)，可使得PQ控制的微電網(wǎng)逆變器能夠獲得頻率支撐。
實(shí) 驗：
應用PTS-5000完成光伏單相并網(wǎng)逆變器PQ控制，其連接線(xiàn)圖如圖5所示，交流電源APS-300設置為50Hz，相電壓40V，操作于1P2W模式下，參數設置如圖6所示，模擬光伏電源PSW160-7.2參數如：開(kāi)路電壓為65V、短路電流2.7A、最大功率點(diǎn)電壓50V及最大功率點(diǎn)電流2.4A，設置如圖7所示。設定完畢后，通過(guò)SAS程式開(kāi)啟PSW輸出，并開(kāi)啟APS-300輸出，再將PEK-510開(kāi)啟。當電網(wǎng)發(fā)生電壓或頻率變化時(shí)，逆變器將根據當前的狀況借由系統的PQ控制器調整功率（有功功率和無(wú)功功率實(shí)功或虛功）輸出。
圖6 實(shí)驗接線(xiàn)圖
圖7 交流電源參數設置
圖8 模擬光伏PSW參數設置
有功功率控制（p- ω）
利用SAS（程式）程序輸出，逆變器輸出功率很快到達最大功率點(diǎn)，如圖8所示。
圖9 逆變輸出至最大功率點(diǎn)
在此條件下，將APS-300頻率調整為51Hz，此時(shí)PSM_Poset因ω的上升而下降，逆變器輸出功率PSM_Po隨之降低，當系統不再以最大功率輸出時(shí)，則PV曲線(xiàn)必然偏離最大功率點(diǎn)以維持功率平衡，如圖9所示，反之亦然。
圖10 逆變輸出偏離最大功率點(diǎn)
無(wú)功功率控制（q-v）
APS-300輸出電壓40V，此時(shí)逆變器無(wú)功功率（無(wú)虛功）輸出，逆變輸出電壓PSM_Vs與逆變輸出電流PSM_Is無(wú)相位差，將APS-300輸出電壓調為36V，逆變器有無(wú)功功率(虛功)產(chǎn)生，PSM_Vs與PSM_Is有相位差產(chǎn)生，電流超前電壓。輸出電壓調整前后波形與相位差波形分別如圖16、17所示。反之亦然。
圖11 APS-300電壓設定調整
圖12 PSM_Vs與PSM_Is相位變化波形
結 論：
當電網(wǎng)頻率上升時(shí)，逆變器會(huì )依據頻率變化的程度降低其輸出有功的大小，當電網(wǎng)電壓變化時(shí)，逆變器會(huì )依據電壓變化調整其輸出無(wú)功的大小。