[逆变器] 全面解剖三相并网光伏逆变器

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 楼主 | 2019-6-11 17:51 | 显示全部楼层 |阅读模式
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

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 楼主 | 2019-6-11 18:10 | 显示全部楼层
求指导怎么插入图片

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21ic小喇叭 2019-6-12 11:33 回复TA
在高级模式下发帖,可以直接复制粘贴图片,也可以点击图片,进行上传 
| 2019-6-11 19:42 | 显示全部楼层
输入框,右下,“高级模式”。。。。。

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 楼主 | 2019-6-12 23:25 | 显示全部楼层
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:

硬件拓扑图.bmp



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 楼主 | 2019-6-12 23:30 | 显示全部楼层
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:
BOOST参数计算.bmp
BUS电容计算.bmp
INV参数计算.bmp

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 楼主 | 2019-6-12 23:33 | 显示全部楼层
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) 滤波拓扑.bmp
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;



EMI滤波频谱图.bmp

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 楼主 | 2019-6-12 23:35 | 显示全部楼层
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;

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 楼主 | 2019-6-12 23:38 | 显示全部楼层
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;
系统框架图.bmp





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 楼主 | 2019-6-13 09:36 | 显示全部楼层
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; BOOST.bmp
比较常见的用法都是控制BOOST的输出电压;如下图: BOOST 常规控制.bmp

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:
BOOST控前端电压.bmp


根据控制环路搭建仿真模型,如图:
BOOST控前端电压模型.bmp


仿真结果如下图(输入电压被控制在给定电压70V):
仿真波形.bmp





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 楼主 | 2019-6-13 23:09 | 显示全部楼层
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:
BOOST_MPPT 仿真模型.bmp
光伏面板参数,图二:
光伏面板参数图.bmp
MPPT仿真波形,图三:
MPPT仿真图.bmp
通过仿真可以看出BOOST已经实现了MPPT功能


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 楼主 | 2019-6-13 23:17 | 显示全部楼层
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???
市电初始角度.bmp
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°)
Dark 变换.bmp

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| 2019-6-15 14:13 | 显示全部楼层
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.................

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| 2019-6-15 15:37 | 显示全部楼层
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!

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| 2019-6-15 15:59 | 显示全部楼层
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?

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 楼主 | 2019-6-16 19:48 | 显示全部楼层
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

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 楼主 | 2019-6-16 20:02 | 显示全部楼层
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;
锁相模型.bmp
图二锁相波形;
锁相一.bmp
图三更改市电初始角度,验证锁相是否成功;
锁相二.bmp
通过图二和图三可以很明显看出市电锁相成功了!!!

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 楼主 | 2019-6-16 20:16 | 显示全部楼层
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:
DQ控制框架.bmp
图二 DQ控制模型
DQ控制仿真模型.bmp
图三,Id_ref=50,Iq_ref=0仿真波形
逆变仿真波形.bmp
(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:
DQ稳BUS控制.bmp
系统仿真模型如图五:
DQ稳BUS仿真模型.bmp
仿真波形图如图六:
DQ稳BUS波形.bmp
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;

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 楼主 | 2019-6-16 20:28 | 显示全部楼层
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:

30KW光伏逆变系统仿真模型.bmp

仿真波形如图二:
系统仿真波形.bmp

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 楼主 | 2019-6-16 20:41 | 显示全部楼层
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
547095d0638ac90b2c.png

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| 2019-6-16 22:13 | 显示全部楼层
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?

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