Dreiphasiger netzgekoppelter Wechselrichter mit Aufwärtswandler mit PE-RCP Box

Einleitung #

Dieses Anwendungsbeispiel demonstriert die Implementierung eines dreiphasigen Netzwechselrichters mit Hochsetzsteller auf einer PE-RCP Box unter Verwendung von MATLAB Simulink als Entwicklungsumgebung.    

Erforderliche Werkzeuge #

Bereiten Sie die MATLAB-Umgebung vor, indem Sie die Anweisungen im Getting Started Guide befolgen. Die folgenden Werkzeuge sind für das Verständnis und die Implementierung des Beispiels in diesem Anwendungsbeispiel erforderlich:

• MATLAB R2019b oder neuere Version
• MATLAB Embedded Support-Paket für C2000-Prozessoren

Hardware-Übersicht #

In diesem Beispiel werden ein 2-Pegel-Wechselrichter, ein Aufwärtswandler (3 Wandler parallel) und ein EMV-Filter mit Abschaltrelais verwendet. Nachstehend ist ein vereinfachtes Schaltbild des Umrichterkreises dargestellt:

Kontrolle der Umsetzung #

Anforderungen #

Für die praktische Überprüfung dieses Beispiels sind die folgenden Geräte/Einrichtungen erforderlich:

1. PE-RCP-Box
2. OP4510 HIL-Echtzeitsimulator
3. PELab-6PH
4. Programmierbare DC-Stromversorgung
5. Drei-Phasen-Netzversorgung

Betriebsbedingungen #

Die folgende Tabelle enthält relevante Implementierungsspezifikationen:

Steuerungsalgorithmus #

Wechselrichter-Steuerung #

Der dreiphasige netzgekoppelte Wechselrichter wird mit einer vektoriellen Stromregelung gesteuert. Die folgende Abbildung zeigt das grundlegende Regeldiagramm des implementierten Algorithmus:

Die gemessenen Netzphasenspannungen und -ströme werden in das rotierende Bezugssystem (DQ) umgerechnet. Der Phasenregelkreis (PLL) wird zur Schätzung des Netzphasenwinkels verwendet, der für die Umrechnung herangezogen wird. Anschließend wird ein PI-Regler eingesetzt, um den Fehler in den Phasenströmen zu kompensieren. Danach werden eine induktive Entkopplung und eine Normalisierung zu den berechneten Arbeitszyklen hinzugefügt. Eine SVPWM-Technik wird dann verwendet, um die Torsignale für die Wechselrichterschalter zu erzeugen.

Aufwärtswandler Steuerung #

Für die Steuerung des Aufwärtswandlers wird ein einfacher PI-Regler eingesetzt, um die gewünschte Zwischenkreisspannung zu erreichen. Bitte beachten Sie, dass diese Steuerung sehr einfach ist und zusätzliche hardwarebasierte Stromsicherungen erforderlich sind, um eine Sättigung der Induktivität und eine Überlastung des Beinstroms zu vermeiden (im PELab-6PH-System verfügbar). Es ist auch wichtig, ein maximales Tastverhältnis für die PWM des Hochsetzstellers in Abhängigkeit von der Eingangsspannung festzulegen, um einen Kurzschluss aufgrund von Induktorsättigung zu vermeiden. Wenn eine höhere Eingangsspannung als der Sollwert an den Wechselrichter geliefert wird, wird der Hochsetzsteller für den Wechselrichterbetrieb nicht benötigt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Zwischenkreisspannung mindestens 50 V höher sein muss als die Spitzenspannung des Netzes, um einen ordnungsgemäßen Stromfluss vom Wechselrichter zum Netz zu gewährleisten.

Arbeitsablauf #

Die PE-RCP Box kann direkt in MATLAB Simulink programmiert werden, was es uns ermöglicht, schnell einen Prototyp unseres Steuerungssystems zu erstellen. Das grundlegende Arbeitsablaufdiagramm des implementierten Systems ist unten dargestellt:

Der folgende Abschnitt gibt einen kurzen Überblick über die wesentlichen Blöcke, die im MATLAB-Simulink-Modell verwendet werden:

1. Analoge Messungen #

C2000 ADC-Blöcke werden für die Messung von Netzphasenspannungen, Beinströmen und der Zwischenkreisspannung verwendet.

2. Kontrollsystem #

Das Steuerungssystem verfügt über einen Duty-Cycle Estimator-Block zur Berechnung der erforderlichen Duty-Cycle-Werte für den Wechselrichter und den Hochsetzsteller. Und einen Enable/Disable-Block für den Schutz. Nachfolgend finden Sie eine Übersicht über die internen Blöcke:

A. Phasenregelkreis (PLL) #

Der PLL-Block wird zur Synchronisierung der Steuerung mit dem Netzphasenwinkel verwendet. Der erfasste Phasenwinkel wird für die Park/Clarke-Transformationen sowie für die Synchronisierung der Netzphasenspannungen und der eingespeisten Phasenströme verwendet.

B. Transformationen #

Führt Transformationen durch, um zwischen stationären Rahmen (ABC und αβ) und rotierenden Rahmen (DQ) zu konvertieren.

C. Aktuelle Kontrolle #

Eine PI-basierte Stromregelung wird für die nach der Transformation erhaltenen DQ-Ströme implementiert. Für eine robuste Stromregelung wird eine induktive Entkopplungskompensation implementiert.

D. Aufwärtswandler-Steuerung #

Implementierung eines PI-Reglers zur Erzeugung des Tastverhältnisses für den Aufwärtswandler

E. SVPWM-Erzeugung #

Implementiert Space Vector Pulse Width Modulation (SVPWM), die eine höhere Spannung, eine starke Reduzierung der dominanten Oberwellen und eine geringere Gesamtverzerrung für einen dreiphasigen Wechselrichter bietet.

F. Aktivieren/Deaktivieren der Steuerung #

Die Steuerung der Freigabe/Sperrung ist wie folgt implementiert:

Aufwärtswandler: Eine manuelle Ein/Aus-Steuerung, um den Aufwärtswandler zu aktivieren oder zu deaktivieren, wenn er vom System nicht verwendet wird.

Relais: Die Relais werden erst dann eingeschaltet, wenn sichergestellt ist, dass der Zwischenkreis geladen ist, um einen Einschaltstrom aus dem Netz zu vermeiden, der die Leistungsmodule beschädigen kann. Beachten Sie, dass dies absolut notwendig ist, da die Schalterdioden des Wechselrichters als unkontrollierter Gleichrichter fungieren, wenn der Zwischenkreis nicht geladen ist, und daher ein unvermeidbarer Kurzschlussstrom in den Wechselrichter fließen und die Schalter dauerhaft beschädigen kann.

Dreiphasen-Wechselrichter: Er ist nur aktiviert, wenn die folgenden Bedingungen erfüllt sind:

• Der DC-Link ist vorgeladen und hat eine höhere Spannung als die Netzspannung.
• Die gemessene Höhe der Netzspannung liegt im angegebenen Bereich.
• Die Freigabe des Wechselrichters erfolgt durch den Benutzer.

3. Skalierung #

Die Arbeitszyklen des dreiphasigen Wechselrichters sowie des Aufwärtswandlers werden mit der Timer-Periode unseres Systems multipliziert, um ein Zählersignal für die ePWM-Blöcke zu erzeugen.

4. Output Generation #

C2000 ePWM-Blöcke werden zur Erzeugung der PWM-Signale für den Hochsetzsteller und den dreiphasigen Wechselrichter verwendet. Das Trip-Zone-Submodul wird zum sicheren Schalten verwendet.

Umsetzung & Ergebnisse #

Dieses Anwendungsbeispiel wurde sowohl mit dem HIL-Echtzeitsimulator (OP4510 von OPAL-RT Technologies) als auch mit der tatsächlichen Leistungselektronik-Hardware unter Verwendung des PELab-6PH Leistungselektronik-Schnellentwicklungssystems getestet.

HIL-Echtzeitsimulation (OP4510) #

Die Stromversorgung, die Leistungselektronik und das Netz werden mit dem Echtzeitsimulator OP4510 HIL von OPAL-RT Technologies simuliert.

Die HIL-Simulation wird von RT-LAB unter Verwendung des eHS FPGA-basierten Solvers durchgeführt. Die folgende Leistungsschaltung wird mit dem OPAL-RT Schematic Editor implementiert:

Ergebnisse #

Die Durchführungsergebnisse werden mit dem PEController erfasst, der Teil des PELab-6PH-Systems ist. Der PEController ermöglicht die Integration mit der intelliSENS Echtzeit-Überwachungs- und Aufzeichnungssoftware. Nachfolgend sind die Ergebnisse für den Referenzpunkt 5 A Spitze (~3,5 A RMS) dargestellt. Das PELab wird im RCP- bis HIL-Modus betrieben.

Hardware-Implementierung für Leistungselektronik (PELab-6PH) #

Die Hardware-Implementierung der Leistungsstufe erfolgt mit dem PELab-System. Die PELab-6PH-Konfiguration bietet zwei dreiphasige Wechselrichter. Der erste Wechselrichter wird als 2-stufiger dreiphasiger Wechselrichter verwendet, während der zweite Wechselrichter als paralleler Aufwärtswandler eingesetzt wird. Induktivitäten, EMV-Filter und Relais sind ebenfalls im PELab-6PH verfügbar. Die folgende Abbildung zeigt das Anschlussschema des PELab-6PH:

Einschaltverfahren #

1. Stellen Sie sicher, dass alle Schutzvorrichtungen des PELab-Systems aktiviert sind und der Zwischenkreis entladen ist.
2. Laden Sie das Simulink-Modell auf die PE-RCP-Box hoch, indem Sie die Schaltfläche "Monitor and Tune" verwenden.
3. Vergewissern Sie sich, dass die Steuerung des Hochsetzstellers und des Wechselrichters im Modell deaktiviert ist.
4. Schalten Sie die DC-Eingangsstromversorgung ein.
5. Aktivieren Sie den Hochsetzsteller des Modells. Stellen Sie sicher, dass der DC-Link auf die gewünschte Spannung geregelt wird.
6. Schalten Sie den Trennschalter ein, um eine Verbindung zum Netz herzustellen, und warten Sie etwa 2 Sekunden, bis sich die PLL synchronisiert hat.
7. Aktivieren Sie den Wechselrichter über das Simulink-Modell.
8. Nach der Freigabe des Wechselrichters kann die Leistung des netzgekoppelten Wechselrichters durch Änderung des Referenzstroms für die Einspeisung überwacht werden.

Verfahren abschalten #

1. Deaktivieren Sie den Wechselrichter im Simulink-Modell.
2. Schalten Sie den Trennschalter aus, um das Netz zu unterbrechen.
3. Schalten Sie die DC-Eingangsstromversorgung aus und warten Sie, bis der DC-Link entladen ist.
4. Stoppen Sie den Monitor und stimmen Sie die Sitzung ab.

Ergebnisse #

Die Durchführungsergebnisse werden mit dem PEController erfasst, der Teil des PELab-6PH-Systems ist. Der PEController ermöglicht die Integration mit der intelliSENS Echtzeit-Überwachungs- und Aufzeichnungssoftware. Nachfolgend sind die Ergebnisse für den Referenzpunkt 5 A Spitze (~3,5 A RMS) dargestellt. Das PELab wird im RCP-to-Power-Modus betrieben.

Zusammenfassung der Ergebnisse #

Downloads #