PTS-系列之PEK-500系列教学

PEK-550模块之三相光伏并网逆变器

写在前面的话

经过前几期对PTS-1000基本电路图拓扑结构的学习，我们已经掌握了基本的电路模型。从现在开始对PEK-500系列电路的控制方式进行学习。本期将针对光伏三相变换器PEK-550对三相逆变器完成的并网逆变进行教学与分析，为老师提供符合教学目标的实验项目。PEK-550模组图如图1所示。

PEK-550
三相光伏逆变器

PEK-550模组介绍:

PEK-550 为三相光伏逆变器模组(Single Phase PV Inverter Module)，模组实物照片如上图所示，主要两级组成，前级为升压式转换器(Boost Converter)，后级为三相全桥逆变器(Single Phase Inverter)，同时还具有主要变量的检测和DSP控制功能部分。该模组实验目的是为使用者提供基于DSP控制的电力变换器学习平台，即借助PSIM 软件完成仿真和实验。第一实验者可以在PSIM上建立模拟(连续)仿真电路，以学习电力变换器的原理、分析和功能设计;第二将电力变换器的控制器(如PI控制器)离散化，即转化去数字(离散)仿真部分，进行仿真研学;第三借助DSP芯片内部所具有的A/D转化器、数据处理和PWM信号生成功能，再次进行数字(离散)仿真;第四通过PSIM之C代码生成功能，将控制部分生成C代码;最后将生成的C代码下载于PEK-550的DSP之中，以备实物实验。这样设计的最大优点方便实验者能够快速完成DSP对变换器主电路的控制。进行实验除需要PEK-550模组外，仍需配置PEK-005A(辅助电源)和PEK-006 (JTAG 下载器)等，并在PTS-5000的实验平台上完成。

PTS-5000 实验平台

三相光伏并网逆变器组成：

三相光伏并网逆变器实验系统组成如图3所示，即主要由DC电源、BOOST升压电路、三相逆变电路、交流电源、检测单元模块和DSP数据采集、处理及PWM信号模块组成。

图3三相光伏并网逆变器实验系统

三相光伏并网逆变器控制方案

一个完整的三相光伏并网逆变器需要以下控制部分，即

(1)光伏模块的MPPT功能控制;

(2)直流母线电压Vd的稳定控制;

(3)按照一定控制要求逆变器输出交流电压与交流电源电压同步实现控制。具有光伏模块的三相逆变器并网控制框图如图4所。下面对实现三相光伏并网逆变器控制的主要功能模块及运行讨论。

图4光伏三相逆变器并网控制框图

1. MPPT功能控制功能模块

MPPT (Maximum power point tracking,最大功率点跟踪)是太阳能光伏发电系统中的重要组成部分，它能充分提高光伏阵列的整体效率，也是光伏并网逆变器与普通逆变器的最大区别，原理概况为:当光伏电池所处的外界环境(如温度和辐射照度)变化时，通过不断调整光伏电池的输出电压来发出当前所在环境下对应的最大功率，使光伏电池的发电效率充分得到应用。常用的MPPT算法包括定电压跟踪法、短路电流法、扰动观察法、电导增量法、最优梯度法、模糊逻辑控制算法等。这里采用光伏系统中应用最广的扰动观察法。扰动观察法控制简单，易于实现，其原理是基于光伏电池特效曲线单峰曲线的特点，通过对输出电压或电流施加小扰动，观察输出功率的变化情况，不断修正并逐步向最大功率点靠近，最终实现MPPT。该算法流程图如图5所示。PSIM仿真实现如图6所示。

图5扰动观测法流程图

图6 MPPT实现PSIM仿真图

2.直流母线电压vd稳定及逆变器控制

三相并网逆变器实现框图如图7所示。实现三相并网逆变器功能必须完成两点，即(1)用锁相环(PLL)获得交流电源Vs电网相位和幅值;(2)三相逆变器双环控制。

图7三相并网逆变器实现框图

(1)锁相环(PLL)

锁相环(phase locked loop)是一种利用相位同步产生的电压，去调谐压控振荡器以产生目标频率的负反馈控制系统。根据自动控制原理，这是一种典型的反馈控制电路，利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位，实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪。锁相环通常由鉴相器(PD，Phase Detector)、滤波器(LF，LoopFilter) 和压控振荡器(VCO，Voltage Controlled Oscillator)3部分组成。锁相环实现框图如图8所示。

图8 锁相环实现框图

(2)三相并网逆变器控制

要实现三相逆变器的并网功能，需要检测并网交流电源的电压幅值和频率以及直流侧母线的电压Vd并实现电压和电流双环控制。对于三相变量的控制往往是通过坐标变换获得dq直流分量并设计控制器控制。
dq分量的电流和电压方程如式(1)和(2)所示。

1)电流控制器设计

根据逆变器的输出电流方程(5)，经过坐标变换后设计PI控制器，设计框图如图10所示

图10 dq轴电流控制器设计框图

2)电压控制器设计

由于电流内环的频带宽度远远高于电压环，因此在设计电压控制器时，电流环可以视为单位1，即电流环的输出跟踪输入。电压控制器采用2型控制器，以减小直流母线2次纹波电压。电压控制器设计框图如图11所示。

图11 电压控制器设计框图

在图11中，

PSIM仿真

在PSIM搭建模拟仿真图如图12所示。仿真结果如图13所示。

图12 光伏三相逆变器并网仿真图

图13 光伏三相逆变器并网主要变量仿真结果图

结论

1.为确保充分利用太阳能，升压电路(BOOST)能够实现最大功率点跟踪(MPPT) 功能;
2.当无负载时逆变器发出的功率会全部回馈到市电交流电源。