使用 PEC 控制器的带升压转换器的三相并网逆变器

文章内容

• 导言
  • 所需工具
  • 硬件概述
• 控制实施
  • 要求
  • 运行条件
  • 控制算法
    • 逆变器控制
    • 升压转换器控制
  • 控制系统配置
  • 工作流程
    • 1.模拟测量
    • 2.控制系统
      • A.锁相环（PLL）
      • B.转变
      • C.电流控制
      • D.升压转换器控制
      • E.SVPWM 发生
      • F.启用/禁用控制
    • 3.输出生成
• 实施与成果
  • HIL 实时仿真 (OP4510)
    • 成果
  • 电力电子硬件实施（PELab-6PH）
    • 开启程序
    • 关闭程序
    • 成果
  • 成果摘要
• 下载

导言

本应用示例演示了使用 STM32CubeIDE 作为开发环境，在PEController上实现带有升压转换器的三相并网逆变器。    

所需工具

请务必按照《入门指南》中提供的步骤准备好 STM32CubeIDE 环境。了解和实施本应用示例需要以下工具：

• STM32CubeIDE
• PEC 控制器板支持软件包 (PEControllerBSP)

硬件概述

本示例使用一个 2 电平逆变器、一个升压转换器（3 个转换器并联）和一个带断开继电器的 EMC 滤波器。转换器电路简化示意图如下：

控制实施

要求

本示例的实际验证需要以下设备/设施：

1. 带 PEController 的 PELab-6PH
2. OP4510 HIL 实时模拟器
3. 可编程直流电源
4. 三相电网供电

运行条件

下表提供了相关的实施规范：

控制算法

逆变器控制

三相并网逆变器采用矢量电流控制。下图描述了所实施算法的基本控制图：

测量到的电网相电压和电流被转换到旋转参考 (DQ) 框架。锁相环 (PLL) 用于估算转换中使用的电网相位角。然后使用 PI 控制器补偿相电流误差。然后，在计算出的占空比中加入电感去耦补偿和归一化。然后使用 SVPWM 技术为逆变器开关生成门控信号。

升压转换器控制

升压转换器控制采用了一个简单的 PI 控制器，以实现所需的直流链路电压。请注意，这种控制非常简单，需要额外的基于硬件的电流保护，以避免电感器饱和和脚电流过载（PELab-6PH 系统中提供）。此外，还必须根据输入电压为升压转换器 PWM 设置最大占空比限制，以避免电感饱和导致短路。如果向逆变器提供的输入电压高于设定值，则逆变器运行时不需要升压转换器。总之，直流链路电压必须至少比电网峰值电压高 50V，以确保逆变器到电网的电流正常。

控制系统配置

并网应用程序的配置可通过 CM7 项目 UserFiles 部分中的grid_tie_config.h文件进行更改。以下是可用配置：

*测量采样率可通过 CM7/CM4 项目通用部分的user_config.h文件设置

工作流程

工作流程如下：

1.模拟测量

CM4 内核用于测量电网电压、支路电流和直流链路电压。测量定时器与 PWM 定时器同步启动。这确保了在测量和 PWM 频率相同的情况下，测量总是在每个 PWM 周期开始时进行。

2.控制系统

控制系统有一个占空比估算模块，用于计算逆变器和升压转换器所需的占空比值。控制系统包含以下部分：

A.锁相环（PLL）

PLL 模块用于将控制与电网相角同步。获取的相位角用于 Park/Clarke 变换以及电网相电压和注入相电流的同步。

B.变换

执行变换，在静止帧（ABC 和 αβ）和旋转帧（DQ）之间进行转换。

C.电流控制

对变换后获得的 DQ 电流实施基于 PI 的电流控制。为实现稳健的电流控制，还实施了电感去耦补偿。

D.升压转换器控制

执行 PI 控制器，为升压转换器设定占空比

E.SVPWM 生成

采用空间矢量脉宽调制 (SVPWM)，为三相逆变器提供更高的电压、更高的主谐波抑制和更低的总谐波失真。

F.启用/禁用控制

启用/禁用控制通过以下方式实现：

继电器：继电器只有在确保直流链路充电后才会开启，以避免来自电网的浪涌电流损坏功率模块。请注意，这一点是绝对必要的，因为当直流链路未充电时，逆变器开关体内的二极管会充当不受控制的整流器，因此不可避免的短路电流可能会流入逆变器，并永久性地损坏开关。

三相逆变器：只有满足以下条件才能启用：

• 直流链路经过预充电，电压高于电网电压。
• 测量的电网电压幅值在指定范围内。
• 网格相位估计应在有效误差范围内。

3.输出生成

PEControllerBSP 中的 PWM 驱动器用于为升压转换器和三相逆变器生成 PWM 信号。逆变器激活功能用于在有效和无效状态之间切换时启用/禁用逆变器。

实施与成果

本应用示例使用 HIL 实时模拟器（OPAL-RT 技术公司的 OP4510）以及 PELab-6PH 电力电子快速开发系统的实际电力电子硬件进行测试。

HIL 实时仿真 (OP4510)

使用 OPAL-RT Technologies 提供的 OP4510 HIL 实时模拟器对电源、电力电子设备和电网进行模拟。

HIL 仿真由 RT-LAB 使用基于 eHS FPGA 的求解器运行。以下电源电路是使用 OPAL-RT 原理图编辑器实现的：

结果

实施结果是通过 PELab-6PH 系统中的 PEController 本身获取的。PEController 集成了intelliSENS实时监测和记录软件。以下是 5 A 峰值（约 3.5 A RMS）参考点的结果。PELab 在 UC 至 HIL 模式下运行。

电力电子硬件实施（PELab-6PH）

功率级的硬件实现采用 PELab 系统。PELab-6PH 配置提供了两个三相逆变器。第一个逆变器用作两电平三相逆变器，第二个逆变器用作并联升压转换器。PELab-6PH 还提供电感器、EMC 滤波器和继电器。下图显示了 PELab-6PH 的连接图：

开启程序

1. 确保 PELab 系统上的所有保护功能都已启用，且 DC-Link 已放电。
2. 使用示例代码对 PEC 控制器进行编程。
3. 打开输入直流电源。
4. 确保直流链路调节到所需电压。
5. 打开切断开关，连接电网。
6. 电网同步后，逆变器将自动启用。

关闭程序

1. 关闭切断开关，切断电网。
2. 关闭输入直流电源，等待直流链路放电。

结果

实施结果是通过 PELab-6PH 系统中的 PEController 本身获取的。PEController 集成了intelliSENS实时监测和记录软件。以下是 5 A 峰值（约 3.5 A RMS）参考点的结果。PELab 在 UC 至电源模式下运行。

结果摘要