固緯電子電力電子教學小課堂 | 第二十七講: PEK-510模塊之單相光伏并網逆變器
PTS-系列之PEK-500系列教學
PEK-510模塊之
單相光伏并網逆變器
寫在前面的話
經過前幾期對PTS-1000基本電路圖拓撲結構的學習，我們已經掌握了基本的電路模型。從現在開始對PEK-500系列電路的控制方式進行學習。本期將針對光伏單相變換器PEK-510對單相逆變器完成的并網逆變器進行教學與分析，為老師提供符合教學目標的實驗項目。PEK-510模組圖如圖所示。
PEK-510
單相光伏并網逆變器
PEK-510模組介紹：
PEK-510 為單相光伏逆變器模組(Single Phase PV Inverter Module)，模組實物照片如圖1 所示，主要兩級組成，前級為升壓式比變化器(Boost Converter)，后級為相單相全橋逆變器(Single Phase Inverter)，同時還具有主要變量的檢測和DSP控制功能部分。該模組實驗的目的是為使用者提供基于DSP控制的電力變換器學習平臺，即借助 PSIM 軟件完成仿真和實驗。首先可以在PSIM上建立模擬（連續）仿真電路，以學習電力變換器的原理、分析和功能設計；其次將電力變換器的控制轉化去數字（離散）仿真部分，進行仿真研學；第三借助DSP芯片內部所具有的A/D轉化器、數據處理和PWM信號生成功能，再次進行數字（離散）仿真；第四通過PSIM 之 C代碼生成功能，將控制部分生成C代碼；最后將生成的C代碼下載于PEK-510的DSP之中，以備實物實驗。這樣設計的最大優點是讓那些不懂C語言編程使用者能夠快速完成DSP對變換器主電路的控制。
進行實驗除需要PEK-510 模組外，仍需配置PEK-005A(輔助電源)和 PEK-006 (JTAG 下載器)等并在 PTS-5000 的實驗平臺上完成。
PTS-5000 實驗平臺
單相光伏并網逆變器組成
單相光伏并網逆變器實驗系統組成如圖3所示，即主要由DC電源、BOOST升壓電路、單相逆變電路、交流電源、檢測單元模塊和DSP數據采集、處理及PWM信號模塊組成。
圖３ 單相光伏并網逆變器實驗系統
單相光伏并網逆變器控制方案
一個完整的單相光伏并網逆變器需要以下控制部分，即（１）光伏模塊的MPPT功能控制；（2）直流母線電壓Vd的穩定控制；（3）按照一定控制要求逆變器輸出交流電壓與交流電源電壓同步實現控制。具有光伏模塊的單相逆變器并網控制框圖如圖4所。下面對實現單相光伏并網逆變器控制的主要功能模塊及逆行討論。
圖4 光伏單相逆變器并網控制框圖
1. MPPT功能控制功能模塊
圖5 擾動觀測法流程圖
圖6 MPPT實現PSIM仿真圖
２.直流母線電壓Vｄ穩定及逆變器控制
單相并網逆變器實現框圖如圖７所示。實現單相并網逆變器功能必須完成以下三點，即（１）用鎖相環（PLL）獲得交流電源Vs電網相位和幅值；（２）將前級BOOST電路作為電流源以控制直流母線電壓Ｖｄ的大小；（３）為實現電網電流低擾動，對電感電流進行控制。
圖７ 單相并網逆變器實現框圖
（１）鎖相環（PLL）
鎖相環 (phase locked loop)是一種利用相位同步產生的電壓，去調諧壓控振蕩器以產生目標頻率的負反饋控制系統。根據自動控制原理，這是一種典型的反饋控制電路，利用外部輸入的參考信號控制環路內部振蕩信號的頻率和相位，實現輸出信號頻率對輸入信號頻率的自動跟蹤。鎖相環通常由鑒相器（PD，Phase Detector）、濾波器（LF，Loop Filter）和壓控振蕩器（VCO，Voltage Controlled Oscillator）3部分組成。鎖相環實現框圖如圖８所示。
圖８ 鎖相環實現框圖
（２）單相逆變器控制模型
由圖７可以發現，
這里，
1）電流控制器設計
圖9 電流控制器設計框圖
２）電壓控制器設計
圖10 電壓控制器設計框圖
在圖10中，
PSIM 仿真
在PSIM搭建模擬仿真圖如圖11所示。各控制模塊的功能如圖中標注所示。仿真結果如圖12所示。
圖11 光伏單相逆變器并網仿真圖
圖12 光伏單相逆變器并網主要變量仿真結果圖
應用PTS5000完成光伏單相逆變器并網實驗，其連接線圖如圖13所示。實驗結果如圖14所示。在圖14中， VORMS 值為 0.499V(實際值為 40.24V)，IORMS 值為 1.77A(實際值為 2.21A)。PSW 所提供輸出功率為 97W，在這種情況下，逆變器所產生的功率將送回市電電源，故所有能量被 APS-300 所吸收，因此可看見 APS 上所顯示功率-87.6W(負號表示吸收功率)。
圖13 實驗接線圖
圖14 Is、Vs 波形圖和PSW與APS－300的功率顯示
結 論
1、為確保充分利用太陽能，升壓電路（BOOST）能夠實現最大功率點跟蹤（MPPT）功能；
2、當無負載時逆變器發出的功率會全部回饋到市電交流電源。