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PTS-5000系列之PEK-550三相光伏逆變器原理分解

發布日期:2022-03-24  點擊次數: 122  作者:固緯電子

(一)兩級式逆變器控制——前級Boost電路控制技術(開環)

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:


Boost升壓電路原理講解:

在電感兩端接一個直流電源,由于電感電流滿足:

因此,電感電流就會正比例增加。我們如果將負載串聯電感,根據電感電流不會發生突變的特點電感電流將會流過負載,這樣就可以通過控制電感電流來間接控制輸出電壓的大小,從而起到電力變換的效果。其中主電路圖如下:

Boost直流變換器的作用是將寬輸入、低輸入的電壓升壓到一個穩定的高壓。它的主電路拓撲,其中,Q_5是功率開關管,在這使用MOSFET,D是功率二極管,使用的是超快恢復二極管;C_b為輸出濾波電容;L_f是濾波電感;R_l是功率負載。


開關管Q_5在一個開關周期的導通與關斷,使Boost電路有2種工作模式分析過程如下:

工作模態一:開關管Q_5開通,二極管D反向截止,輸入電壓U_in給輸入電感L_f充電,電感兩端承受的電壓為U_in大于零,流經電感的電流線性增加。輸出電壓由濾波電容C_b獨自承擔,電壓下降。

工作模態二:開關管Q_5關斷、二極管D導通,此時電感的電壓是〖(U〗_in-U_o)小于零,電感電流線性減小。此時輸入電壓U_in和電感L_f共同向負載電阻提供能量,且向濾波電容C_b提供能量,電容電壓增加。

Boost直流變換器工作模式通常為連續工作模式和斷續工作模式,為了減小電感電流的電流尖峰,以及數字控制采樣的局限性,通常使直流變換器Boost電路工作在連續模式下。

電路的參數計算:

Boost主電路的技術指標:直流輸入電壓U_in為100V,輸出電壓U_o為200V,輸出功率P_o為500W,開關頻率f_s為20kHz。主電路設計參數主要為濾波電感的設計,輸出電容的確定。

濾波電感L計算:

通常情況下,濾波電感的選擇須確保在最小的負載情況下,電感電流仍工作在臨界模式。在電感電流連續的狀態下,可推導Boost的輸出電壓U_o和輸入電壓U_in的式子:

假設Boost變換器的效率為90%,負載在10%的額定載下工作于臨界模式,則根據功率平衡得:

ILf為臨界模式下的電感電流的平均值。定義電感電流的紋波系數為:

式中ΔILf為電感電流紋波得峰值。在臨界模式下電感電流紋波系數,因此由上式可得:

根據電感電壓和電流的關系,可得電感電流紋波峰值為:

故:

計算得:

濾波電容計算方法:

由于前級Boost的輸出濾波電容恰好是兩級式逆變器的母線電容。母線電容的大小和后級輸出功率,母線電壓,二次紋波電壓的大小有關。具體關系如下:

本文設計輸出功率為500W,二次紋波角頻率為314,母線電壓為200V,在本文確定二次紋波電壓為2%的母線電壓,由式(2-11)可計算出直流母線電容為:

實驗結果:

輸出電壓波形如上圖所示,我們可以清晰得看出輸出電壓是可以達到200V的升壓效果的。由于我們直接采用的方波信號作為開關管的觸發信號,因此才會出現較大的超調量。

上圖是電感電流的波形。電感電流也是符合理論值的5A額定值,上下的紋波較小且未出現斷續的狀態。

總結:本文介紹了Boost電路的仿真電路的開環設計,通過仿真我們可以發現仿真結果出現較大的超調量,這個可以通過閉環控制來進行調節。在后續的推送中我們將繼續Boost電路的設計與問題討論解決。歡迎大家繼續關注。

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