PTS-系列之PEK-500系列教學
PEK-550模塊之
三相光伏并網逆變器
寫在前面的話
經過前幾期對PTS-1000基本電路圖拓撲結構的學習，我們已經掌握了基本的電路模型。從現在開始對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）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、數據處理和PWM信號生成功能，再次進行數字（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
三相光伏并網逆變器組成
三相光伏并網逆變器實驗系統組成如圖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 三相光伏并網逆變器實驗系統
三相光伏并網逆變器控制方案
一個完整的三相光伏并網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控制。具有光伏模塊的三相逆變器并網控制框圖如圖4所。下面對實現三相光伏并網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出當前所在環境下對應的最大功率，使光伏電池的發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觀察法。擾動觀察法控制簡單，易于實現，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MPPT。該算法流程圖如圖５所示。PSIM仿真實現如圖6所示。
圖5 擾動觀測法流程圖
圖6 MPPT實現PSIM仿真圖
２.直流母線電壓Vｄ穩定及逆變器控制
三相并網逆變器實現框圖如圖７所示。實現三相并網逆變器功能必須完成兩點，即（１）用鎖相環（PLL）獲得交流電源Vs電網相位和幅值；（２）三相逆變器雙環控制。
圖７ 三相并網逆變器實現框圖
（１）鎖相環（PLL）
鎖相環 (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。根據自動控制原理，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路內部振蕩信號的頻率和相位，實現輸出信號頻率對輸入信號頻率的自動跟蹤。鎖相環通常由鑒相器（PD，Phase Detector）、濾波器（LF，Loop Filter）和壓控振蕩器（VCO，Voltage Controlled Oscillator）3部分組成。鎖相環實現框圖如圖８所示。
圖８ 鎖相環實現框圖
（２）三相并網逆變器控制
要實現三相逆變器的并網功能，需要檢測并網交流電源的電壓幅值和頻率以及直流側母線的電壓Vd并實現電壓和電流雙環控制。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
根據逆變器的輸出電流方程（5），經過坐標變換后設計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
由于電流內環的頻帶寬度遠遠高于電壓環，因此在設計電壓控制器時，電流環可以視為單位１，即電流環的輸出跟蹤輸入。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仿真圖
圖13 光伏三相逆變器并網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）能夠實現最大功率點跟蹤（MPPT）功能；
２.當無負載時逆變器發出的功率會全部回饋到市電交流電源。
