PTS-系列之PEK-500系列教學

PEK-550模塊之

三相光伏并網(wǎng)逆變器

寫在前面的話

經(jīng)過前幾期對PTS-1000基本電路圖拓撲結構的學習，我們已經(jīng)掌握了基本的電路模型。從現(xiàn)在開始對PEK-500系列電路的控制方式進行學習。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)逆變進行教學與分析，為老師提供符合教學目標的實驗項目。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)，同時還具有主要變量的檢測和DSP控制功能部分。該模組實驗目的是為使用者提供基于DSP控制的電力變換器學習平臺，即借助 PSIM 軟件完成仿真和實驗。第一實驗者可以在PSIM上建立模擬（連續(xù)）仿真電路，以學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(shù)字（離散）仿真部分，進行仿真研學；第三借助DSP芯片內部所具有的A/D轉化器、數(shù)據(jù)處理和PWM信號生成功能，再次進行數(shù)字（離散）仿真；第四通過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，以備實物實驗。這樣設計的最大優(yōu)點方便實驗者能夠快速完成DSP對變換器主電路的控制。

進行實驗除需要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 的實驗平臺上完成。

PTS-5000 實驗平臺

三相光伏并網(wǎng)逆變器組成

三相光伏并網(wǎng)逆變器實驗系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集、處理及PWM信號模塊組成。

圖３ 三相光伏并網(wǎng)逆變器實驗系統(tǒng)

三相光伏并網(wǎng)逆變器控制方案

一個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）直流母線電壓Vd的穩(wěn)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現(xiàn)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。下面對實現(xiàn)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,最大功率點跟蹤）是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)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(qū)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，通過不斷調整光伏電池的輸出電壓來發(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、擾動觀察法、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(tǒng)中應用最廣的擾動觀察法。擾動觀察法控制簡單，易于實現(xiàn)，其原理是基于光伏電池特效曲線單峰曲線的特點，通過對輸出電壓或電流施加小擾動，觀察輸出功率的變化情況，不斷修正并逐步向最大功率點靠近，最終實現(xiàn)MPPT。該算法流程圖如圖５所示。PSIM仿真實現(xiàn)如圖6所示。

圖5 擾動觀測法流程圖

圖6 MPPT實現(xiàn)PSIM仿真圖

２.直流母線電壓Vｄ穩(wěn)定及逆變器控制

三相并網(wǎng)逆變器實現(xiàn)框圖如圖７所示。實現(xiàn)三相并網(wǎng)逆變器功能必須完成兩點，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)逆變器實現(xiàn)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生的電壓，去調諧壓控振蕩器以產生目標頻率的負反饋控制系統(tǒng)。根據(jù)自動控制原理，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，實現(xiàn)輸出信號頻率對輸入信號頻率的自動跟蹤。鎖相環(huán)通常由鑒相器（PD，Phase Detector）、濾波器（LF，Loop Filter）和壓控振蕩器（VCO，Voltage Controlled Oscillator）3部分組成。鎖相環(huán)實現(xiàn)框圖如圖８所示。

圖８ 鎖相環(huán)實現(xiàn)框圖

（２）三相并網(wǎng)逆變器控制

要實現(xiàn)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的電壓Vd并實現(xiàn)電壓和電流雙環(huán)控制。對于三相變量的控制往往是通過坐標變換獲得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(jù)逆變器的輸出電流方程（5），經(jīng)過坐標變換后設計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，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能，升壓電路（BOOST）能夠實現(xiàn)最大功率點跟蹤（MPPT）功能；

２.當無負載時逆變器發(fā)出的功率會全部回饋到市電交流電源。