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
寫在前面的話
經(jīng)過前幾期對PTS-1000基本電路圖拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)，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(jìn)行學(xué)習(xí)。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(biāo)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(zhuǎn)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(yàn)?zāi)康氖菫槭褂谜咛峁┗贒SP控制的電力變換器學(xué)習(xí)平臺，即借助 PSIM 軟件完成仿真和實(shí)驗(yàn)。第一實(shí)驗(yàn)者可以在PSIM上建立模擬（連續(xù)）仿真電路，以學(xué)習(xí)電力變換器的原理、分析和功能設(shè)計(jì)；第二將電力變換器的控制器（如PI 控制器）離散化，即轉(zhuǎn)化去數(shù)字（離散）仿真部分，進(jìn)行仿真研學(xué)；第三借助DSP芯片內(nèi)部所具有的A/D轉(zhuǎn)化器、數(shù)據(jù)處理和PWM信號生成功能，再次進(jìn)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(shí)物實(shí)驗(yàn)。這樣設(shè)計(jì)的最大優(yōu)點(diǎn)方便實(shí)驗(yàn)者能夠快速完成DSP對變換器主電路的控制。
進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(yàn)平臺上完成。
PTS-5000 實(shí)驗(yàn)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(yàn)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
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(shí)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(shí)現(xiàn)三相光伏并網(wǎng)逆變器控制的主要功能模塊及運(yùn)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(dāng)光伏電池所處的外界環(huán)境（如溫度和輻射照度）變化時(shí)，通過不斷調(diào)整光伏電池的輸出電壓來發(fā)出當(dāng)前所在環(huán)境下對應(yīng)的最大功率，使光伏電池的發(fā)電效率充分得到應(yīng)用。常用的MPPT算法包括定電壓跟蹤法、短路電流法、擾動(dòng)觀察法、電導(dǎo)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(yīng)用最廣的擾動(dòng)觀察法。擾動(dòng)觀察法控制簡單，易于實(shí)現(xiàn)，其原理是基于光伏電池特效曲線單峰曲線的特點(diǎn)，通過對輸出電壓或電流施加小擾動(dòng)，觀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(xiàn)MPPT。該算法流程圖如圖５所示。PSIM仿真實(shí)現(xiàn)如圖6所示。
圖5 擾動(dòng)觀測法流程圖
圖6 MPPT實(shí)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(shí)現(xiàn)框圖如圖７所示。實(shí)現(xiàn)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(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(chǎn)生的電壓，去調(diào)諧壓控振蕩器以產(chǎn)生目標(biāo)頻率的負(fù)反饋控制系統(tǒng)。根據(jù)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(nèi)部振蕩信號的頻率和相位，實(shí)現(xiàn)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，Loop Filter）和壓控振蕩器（VCO，Voltage Controlled Oscillator）3部分組成。鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)框圖如圖８所示。
圖８ 鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)框圖
（２）三相并網(wǎng)逆變器控制
要實(shí)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(cè)母線的電壓Vd并實(shí)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(biāo)變換獲得dq直流分量并設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)
根據(jù)逆變器的輸出電流方程（5），經(jīng)過坐標(biāo)變換后設(shè)計(jì)PI控制器，設(shè)計(jì)框圖如圖10所示
圖10 dq軸電流控制器設(shè)計(jì)框圖
２）電壓控制器設(shè)計(jì)
由于電流內(nèi)環(huán)的頻帶寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電壓環(huán)，因此在設(shè)計(jì)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２次紋波電壓。電壓控制器設(shè)計(jì)框圖如圖11所示。
圖11 電壓控制器設(shè)計(jì)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(jié)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(jié)果圖
結(jié) 論
１.為確保充分利用太陽能，升壓電路（BOOST）能夠?qū)崿F(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）功能；
２.當(dāng)無負(fù)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。
