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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(huán)）

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(fā)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(fā)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(wǎng)系統(tǒng)，是一個完整的獨立性小型發(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(wěn)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(huán)電路仿真結果如下：

　　根據(jù)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(wěn)定輸出。因此，為了解決這個問題我們采用閉環(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)法對電路進行建模分析：

電流環(huán)設計：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，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(jù)上圖我們可以寫出該開環(huán)傳遞函數(shù)：

　　電流內環(huán)要求反應速度較快，因此我們設計時要求開環(huán)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(xiàn)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(xiàn)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(jù)伯德圖可以看出，此時符合要求。此時的PI控制器參數(shù)如下：

電壓環(huán)設計：

　　電流環(huán)我們已經(jīng)設計過了，我們在設計電壓外環(huán)的時候我們假設電流環(huán)的輸出為理想值。此時我們可以簡化電壓環(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(shù)設置如下圖所示：

　　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，這是符合設計要求的。其中電壓外環(huán)的設計參數(shù)如下：

實驗結果：

　　電路加上閉環(huán)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(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，其實負載變化時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。