PTS-5000系列之PEK-550三相光伏逆變器原理分解

(二)兩級(jí)式逆變器控制——前級(jí)Boost電路控制技術(shù)（電感電流雙閉環(huán)）

寫在前面的話

去年9月，習(xí)主席在聯(lián)合國大會(huì)上宣布：中國二氧化碳排放2030年前達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。在碳中和背景下的“新石油”，光伏將會(huì)是未來能源發(fā)展的第一主角！

然而當(dāng)前國內(nèi)的教學(xué)平臺(tái)設(shè)備陳舊，封裝過于封閉，抽象。接線復(fù)雜凌亂，設(shè)備笨重，體積大，易損壞。當(dāng)今教學(xué)需要高度透明化，精簡(jiǎn)化以及輕便化，固緯電子同高校合作共同研發(fā)的PTS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)運(yùn)而生，收獲了大批高校、學(xué)者的喜愛，目前與之合作的高校有上海交通大學(xué)、四川大學(xué)、上海電力大學(xué)等一批國家重點(diǎn)高校，電力高校的喜愛。

為了使學(xué)生可以快速學(xué)習(xí)掌握新興的光伏發(fā)電技術(shù)并且快速熟悉本公司產(chǎn)品，固緯電子針對(duì)新能源技術(shù)做出了全面的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程。本次我們所講解的PEK-550模塊是一個(gè)三相升壓逆變光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，是一個(gè)完整的獨(dú)立性小型發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)仿真。PEK-550模塊的電路圖及實(shí)物圖如下：

PEK-550

Boost升壓電路開環(huán)問題：

　　根據(jù)上篇文章可知，我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了開環(huán)的BOOST升壓電路的仿真，其仿真電路圖如下：

　　我們?cè)谳斎腚妷簽?00V時(shí)，輸出電壓可以200V輸出，但是實(shí)際應(yīng)用中我們的輸入端不可能是穩(wěn)定的直流電壓，因此當(dāng)輸入電壓不是100V時(shí)，我們假定輸入為80V，其開環(huán)電路仿真結(jié)果如下：

　　根據(jù)仿真結(jié)果，我們可以看出輸出電壓大概為160V左右，無法以200V穩(wěn)定輸出。因此，為了解決這個(gè)問題我們采用閉環(huán)控制。

電路的閉環(huán)電路建模：

　　這里我們采用模擬仿真，因此不必考慮A/D轉(zhuǎn)換。電壓采樣增益Kv=1/200，電流采樣增益Ki=1。因此我們開始基于平均狀態(tài)法對(duì)電路進(jìn)行建模分析：

電流環(huán)設(shè)計(jì)：根據(jù)平均狀態(tài)法可知：

整理得：

故，其電流環(huán)流程框圖如下：

　　根據(jù)上面的流程圖和公式可以看出，輸出電流除了控制量以外，還受到輸入電壓與輸出電壓的擾動(dòng)，我們可以采用忽略法也可以使用前饋補(bǔ)償。這里我們采用忽略法。

　　因此，流程圖可化簡(jiǎn)為如下所示：

根據(jù)上圖我們可以寫出該開環(huán)傳遞函數(shù)：

　　電流內(nèi)環(huán)要求反應(yīng)速度較快，因此我們?cè)O(shè)計(jì)時(shí)要求開環(huán)穿越頻率為開關(guān)頻率的1/10~1/2，我們選擇中間值1/5。也就是4k。PID tuning是通過使用matlab的功能模塊找到PID控制器的比例、積分和微分增益值的過程，以實(shí)現(xiàn)預(yù)期性能并滿足設(shè)計(jì)要求。可以對(duì)Simulink模型中的PID控制器，離散PID控制器，兩自由度PID控制器，兩自由度離散PID控制器進(jìn)行調(diào)參，實(shí)現(xiàn)控制性能和健壯性的良好平衡。使用PI補(bǔ)償器之后的bode圖如下：

　　我們根據(jù)伯德圖可以看出，此時(shí)符合要求。此時(shí)的PI控制器參數(shù)如下：

電壓環(huán)設(shè)計(jì)：

　　電流環(huán)我們已經(jīng)設(shè)計(jì)過了，我們?cè)谠O(shè)計(jì)電壓外環(huán)的時(shí)候我們假設(shè)電流環(huán)的輸出為理想值。此時(shí)我們可以簡(jiǎn)化電壓環(huán)的流程框圖如下：

　　由上圖我們可以看出電壓外環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)（由于仿真時(shí)沒有使用一階濾波器，因此我們這里忽略一階濾波器）如下：

　　電壓外環(huán)的設(shè)計(jì)要求是需要帶寬在遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于100Hz。大概在10到20之間最好，因此我們選擇中間值15Hz。因此，PI控制器的參數(shù)設(shè)置如下圖所示：

　　其中加入控制器后的bode圖如下所示：

　　根據(jù)bode圖我們可以看出，這是符合設(shè)計(jì)要求的。其中電壓外環(huán)的設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

　　電路加上閉環(huán)控制后的電路圖如下：

　　當(dāng)輸入電壓為100V時(shí)，輸出電壓波形圖如下：

　　當(dāng)輸入電壓為80V時(shí)，輸出電壓波形：

　　當(dāng)輸入電壓為80V時(shí)，輸出電壓波形：

總結(jié)：本根據(jù)上面的仿真我們可以看到無論輸入電壓如何變化輸出電壓都能穩(wěn)定在200V輸出，其實(shí)負(fù)載變化時(shí)輸出電壓也能一直穩(wěn)定在200V，但是由于篇幅問題我們不再進(jìn)行展示。在后續(xù)的推送中我們將開啟三相逆變電路的仿真。本歡迎大家繼續(xù)關(guān)注。