PTS-5000系列之PEK-550三相光伏逆變器原理分解

(二)兩級式逆變器控制——前級Boost電路控制技術（電感電流雙閉環）

寫在前面的話

去年9月，習主席在聯合國大會上宣布：中國二氧化碳排放2030年前達峰、2060年前實現碳中和。在碳中和背景下的“新石油”，光伏將會是未來能源發展的第一主角！

然而當前國內的教學平臺設備陳舊，封裝過于封閉，抽象。接線復雜凌亂，設備笨重，體積大，易損壞。當今教學需要高度透明化，精簡化以及輕便化，固緯電子同高校合作共同研發的PTS實驗平臺應運而生，收獲了大批高校、學者的喜愛，目前與之合作的高校有上海交通大學、四川大學、上海電力大學等一批國家重點高校，電力高校的喜愛。

為了使學生可以快速學習掌握新興的光伏發電技術并且快速熟悉本公司產品，固緯電子針對新能源技術做出了全面的實驗教學課程。本次我們所講解的PEK-550模塊是一個三相升壓逆變光伏并網系統，是一個完整的獨立性小型發電并網系統仿真。PEK-550模塊的電路圖及實物圖如下：

PEK-550

Boost升壓電路開環問題：

　　根據上篇文章可知，我們已經實現了開環的BOOST升壓電路的仿真，其仿真電路圖如下：

　　我們在輸入電壓為100V時，輸出電壓可以200V輸出，但是實際應用中我們的輸入端不可能是穩定的直流電壓，因此當輸入電壓不是100V時，我們假定輸入為80V，其開環電路仿真結果如下：

　　根據仿真結果，我們可以看出輸出電壓大概為160V左右，無法以200V穩定輸出。因此，為了解決這個問題我們采用閉環控制。

電路的閉環電路建模：

　　這里我們采用模擬仿真，因此不必考慮A/D轉換。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法對電路進行建模分析：

電流環設計：根據平均狀態法可知：

整理得：

故，其電流環流程框圖如下：

　　根據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，我們可以采用忽略法也可以使用前饋補償。這里我們采用忽略法。

　　因此，流程圖可化簡為如下所示：

根據上圖我們可以寫出該開環傳遞函數：

　　電流內環要求反應速度較快，因此我們設計時要求開環穿越頻率為開關頻率的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，以實現預期性能并滿足設計要求。可以對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控制器進行調參，實現控制性能和健壯性的良好平衡。使用PI補償器之后的bode圖如下：

　　我們根據伯德圖可以看出，此時符合要求。此時的PI控制器參數如下：

電壓環設計：

　　電流環我們已經設計過了，我們在設計電壓外環的時候我們假設電流環的輸出為理想值。此時我們可以簡化電壓環的流程框圖如下：

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

　　電壓外環的設計要求是需要帶寬在遠遠小于100Hz。大概在10到20之間最好，因此我們選擇中間值15Hz。因此，PI控制器的參數設置如下圖所示：

　　其中加入控制器后的bode圖如下所示：

　　根據bode圖我們可以看出，這是符合設計要求的。其中電壓外環的設計參數如下：

實驗結果：

　　電路加上閉環控制后的電路圖如下：

　　當輸入電壓為100V時，輸出電壓波形圖如下：

　　當輸入電壓為80V時，輸出電壓波形：

　　當輸入電壓為80V時，輸出電壓波形：

總結：本根據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定在200V輸出，其實負載變化時輸出電壓也能一直穩定在200V，但是由于篇幅問題我們不再進行展示。在后續的推送中我們將開啟三相逆變電路的仿真。本歡迎大家繼續關注。