全面解剖三相并网光伏逆变器

只看该作者 · 2019-6-11 17:51

本帖最后由 shanshuo2013 于 2019-6-11 18:11 编辑

新手第一次在21IC论坛上发帖，各位前辈多多指导；
毕业以来都是从事光伏逆变器的相关工作，本帖打算讲解一下三相并网光伏逆变器；
主要内容包括
      1、光伏逆变器硬件全面解剖；
      2、光伏逆变器控制全面解剖；
      3、实际开发问题分析

只看该作者 · 2019-6-11 18:10

求指导怎么插入图片

1万 · 2019-6-11 19:42

输入框，右下，“高级模式”。。。。。

只看该作者 · 2019-6-12 23:25

本帖最后由 shanshuo2013 于 2019-6-16 20:32 编辑

1.1、硬件方案：三路MPPT输入，总输出30KVA；每路MPPT接3并14串260W的多晶硅光伏面板；
硬件拓扑图如下：

只看该作者 · 2019-6-12 23:30

shanshuo2013 发表于 2019-6-12 23:25
1.1、硬件方案：三路MPPT输入，总输出30KVA；每路MPPT接3并14串260W的多晶硅光伏面板；
硬件拓扑图如下：

1.2、硬件参数计算如下：

只看该作者 · 2019-6-12 23:33

本帖最后由 shanshuo2013 于 2019-6-16 20:33 编辑

shanshuo2013 发表于 2019-6-12 23:30
1.2、硬件参数计算如下：

1.3、滤波参数设计：
开关管频率：20KHz;
LC滤波：L=0.9mH,C=10u,滤波频率1.678KHz；
（滤波频率小于五分之一开关管频率，都能取得很好控制效果）

EMI滤波：对20KHz左右的高频有强压制
PI型滤波器，参数C1=1.5u，L=1.22mH,C2=1.5u;

只看该作者 · 2019-6-12 23:35

本帖最后由 shanshuo2013 于 2019-6-12 23:37 编辑

shanshuo2013 发表于 2019-6-12 23:33
1.3、滤波参数设计：
开关管频率：20KHz;
LC滤波：L=0.9mH,C=10u,滤波频率1.678KHz；

2、光伏逆变器控制全面解剖，主要讲解下面几大块；
2.1、整体控制框架；
2.2、BOOST升压MPPT控制；
2.3、逆变锁相；
2.4、逆变QD矢量控制；
2.5、BOOST与INV整体联调；

只看该作者 · 2019-6-12 23:38

本帖最后由 shanshuo2013 于 2019-6-13 23:21 编辑

2.1、整体控制框架如下：
BOOST：主要负责升压，同时寻找光伏板的最大功率点；
BUS总线：能量中转站，也叫能量缓冲器；
INV：能量转换器，稳定BUS总线电压，同时将总线上的能量转换为AC能量注入到电网；

只看该作者 · 2019-6-13 09:36

2.2、BOOST拓扑
对于升压BOOST，是最基本的升压拓扑，具体工作原理就不在赘述；

比较常见的用法都是控制BOOST的输出电压；如下图：

对于光伏应用来说，由于光伏面板的电压是动态的曲线，要找最大的功率点必须要控制住面板的电压（也就是BOOST的输入电压）；

我们对此提出疑问，BOOST电路能否稳住输入侧的电压？？？

答案是肯定的

我们下面进行验证，先搭下控制环路，如图：

根据控制环路搭建仿真模型，如图:

仿真结果如下图（输入电压被控制在给定电压70V）：

只看该作者 · 2019-6-13 23:09

前面已经实现了BOOST控制输入电压，那怎么去寻找光伏面板的最大功率点呢？

我们做这样的假设，

先给定电压Uref=Uo，然后计算光伏面板的功率P1；

接着给定电压Uref=Uo+△U，然后计算光伏面板的功率P2；

接着给定电压Uref=Uo-△U，然后计算光伏面板的功率P3；

通过比较P1、P2、P3，找出最大的功率点，然后将给定值Uref=Upmax；

如此反复循环最终是否就能找到了光伏面板的最大功率点呢？

下面通过仿真验证：

系统仿真图，图一：

光伏面板参数，图二：

MPPT仿真波形，图三：

通过仿真可以看出BOOST已经实现了MPPT功能

只看该作者 · 2019-6-13 23:17

2.3、逆变锁相；

为什么要锁相？锁相的目的是为什么？并网逆变器是接入到电网的，将DC能量换成AC能量的设备；我们知道电网是一个电压源，为了将能量反馈给电网，那么并网逆变器必须是控制电流输出的；为了使逆变器输出的为纯有功功率，那么逆变器输出的电流就必须是与市电同角度的；为了使电流角度跟随市电角度，就需要时刻知道市电的角度，也就是锁相。

市电是三相相互差120度的正弦波，也就是只要知道了第一相的角度其他两相就可以推导出来了，关键问题是怎样去求市电的角度？？？

由于市电是三相市电，也就是说有Va(t)，Vb(t)，Vc(t)三个变量,对于分析问题，我们最好的办法就是尽可能的减少变量的个数，我们先进行一下Dark 变换，将市电系统由三变量转换成两变量（如图一）
/*Dark 变换*/
ualpha=2*ua/3-ub/3-uc/3;
ubelta=J3/3*ub-J3/3*uc;
而且通过波形可以发现ualpha与ubelta相位相差90度，假设市电角度为Θ，那么市电可以表达为ualpha（Θ）、ubelta（Θ+90°）

只看该作者 · 2019-6-15 14:13

shanshuo2013 发表于 2019-6-13 23:17
2.3、逆变锁相；为什么要锁相？锁相的目的是为什么？并网逆变器是接入到电网的，将DC能量换成AC能量的 ...

干货不少，楼主继续，别太监了哈，顶你.................

只看该作者 · 2019-6-15 15:37

学习了！
楼主在5楼的INV计算中，滤波电感值0.9333mH，我根据公式计算不出来，请赐教！

只看该作者 · 2019-6-15 15:59

我以前用两种方法做过工频的频率相位表，
一种是过零比较法，另一种是FFT法，这两种方法都是在整周波后计算出相位和频率。
Park变换法相对这两种方法有何优越性？该法能不能瞬时计算出相位？

只看该作者 · 2019-6-16 19:48

peak0210 发表于 2019-6-15 15:59
我以前用两种方法做过工频的频率相位表，
一种是过零比较法，另一种是FFT法，这两种方法都是在整周波后计算 ...

你说的这两种方法我没玩过，不过DQ变换后锁相是可以实时追踪相角的

只看该作者 · 2019-6-16 20:02

可以得出结论经过Dark 变换变换后，市电变成了两个正交因子，我们在进一步推算，如果这两个正交因子进行向量积和×乘，是不是可以得出一个固定的值；也就是Park变换；
/*Park变换*/
Ud（Θ-Θ0）=cos(Θ-Θ0)*ualpha（Θ-Θ0）+sin(Θ-Θ0)*ubelta（Θ-Θ0+90°）;
Uq（Θ-Θ0）=-sin(Θ-Θ0)*ualpha（Θ-Θ0）+cos(Θ-Θ0)*ubelta（Θ-Θ0+90°）;
在进一步分析，如果对Uq进行PI控制，使得Uq=0；那么Θ=Θ0 ，系统角度是不是就被时刻跟踪着了（也就是角度被锁住了）？
下面我们通过仿真验证推测:图一锁相模型；

图二锁相波形；

图三更改市电初始角度，验证锁相是否成功；

通过图二和图三可以很明显看出市电锁相成功了！！！

只看该作者 · 2019-6-16 20:16

2.4、逆变QD矢量控制；
前面锁相，其实已经是把市电变换成两个直流量Ud和Uq，和系统角度Θ；对于PI控制，其实是静态量的有差补偿控制，对于动态量控制存在时延误差，无法很好的跟踪给定值；对于并网三相逆变器，我们控制的对象是三相输出的50Hz的正弦电流；

为了用PI控制器去控制输出电流，我们是否可以将交流量转换为直流量进行控制？？

控制结束后再进行逆变换，是不是对交流量也实现了有差补偿控制？？？

下面我们进行仿真验证：

图一DQ控制框架：

图二 DQ控制模型

图三，Id_ref=50,Iq_ref=0仿真波形

(通过波形可以看到输出量很好的控制住了)

我们已经实现了对输出电流的控制，回顾一下前面系统控制架构，后级INV的作用的逆变和稳母线电压；

为了控制母线电压我们必须把母线电压加入到控制回路来，将前面的控制框架在进行补充，如图四：

系统仿真模型如图五：

仿真波形图如图六：

通过仿真波形，可以看出BUS电压被控制在640V，实现了INV稳电压功能；

只看该作者 · 2019-6-16 20:28

本帖最后由 shanshuo2013 于 2019-6-16 20:32 编辑

2.5、BOOST与INV整体联调；
前两节已经实现了BOOST_MPPT、INV稳母线电压，将两部分搭建起来进行联调，即可得到整个光伏逆变器的系统；
仿真模型如图一：

仿真波形如图二：

只看该作者 · 2019-6-16 20:41

peak0210 发表于 2019-6-15 15:37
学习了！
楼主在5楼的INV计算中，滤波电感值0.9333mH，我根据公式计算不出来，请赐教！ ...

好像是我自己公式写错了，纹波系数改为40%，在推算一下试试看

只看该作者 · 2019-6-16 22:13

公式中已按纹波系数40%代入了，为何还要乘以2？这样计算的纹波电流是不是偏大了一倍？

全面解剖三相并网光伏逆变器

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