Einleitung #
Dieses Anwendungsbeispiel demonstriert die Implementierung eines dreiphasigen Netzwechselrichters mit Aufwärtswandler auf PEController unter Verwendung von STM32CubeIDE als Entwicklungsumgebung.
Erforderliche Werkzeuge #
Stellen Sie sicher, dass Sie die STM32CubeIDE-Umgebung vorbereiten, indem Sie die im Getting Started Guide beschriebene Vorgehensweise befolgen. Die folgenden Tools sind für das Verständnis und die Implementierung dieses Anwendungsbeispiels erforderlich:
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:
- PELab-6PH mit PEController
- OP4510 HIL-Echtzeitsimulator
- Programmierbare DC-Stromversorgung
- Drei-Phasen-Netzversorgung
Betriebsbedingungen #
Die folgende Tabelle enthält relevante Implementierungsspezifikationen:
| PARAMETER | WERT |
| PWM-Schaltfrequenz | 40 kHz |
| Dead-Time | 200 nSek |
| Sollwert der Zwischenkreisspannung | 720 VDC |
| Netzspannung | 380 VAC L-L |
| Netzfrequenz | 50 Hz |
| DC-Eingangsspannung | 180 V - 200 V |
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.
Kontrollsystem Konfiguration #
Die Konfigurationen für die Grid-Tie-Anwendung können in der Datei grid_tie_config.h im Abschnitt UserFiles des CM7-Projekts geändert werden. Im Folgenden sind die verfügbaren Konfigurationen aufgeführt:
| Parameter | BESCHREIBUNG |
| PWM_PERIOD_Us | Legt die PWM-Zeitspanne in Mikrosekunden fest (Ganzzahl zwischen 1-250) |
| GRID_FREQ | Geschätzte Netzfrequenz |
| L_OUT | Ausgangsinduktivität in Henries |
| BOOST_COUNT | Die Anzahl der parallel geschalteten Boost-Wandler. Die Boost-I/Os können in der Datei main_controller.c eingestellt werden. Wenn Sie sich nicht sicher sind, lassen Sie diesen Wert auf 3. Um Signale an alle drei Beine zu senden |
| BOOST_VSET | Erforderliche DC-Zwischenkreisspannung |
| KP_BOOST | Proportionalverstärkung für den PI-Regler für die Zwischenkreisspannung |
| KI_BOOST | Integrale Verstärkung für den PI-Regler für die Zwischenkreisspannung |
| KP_PLL | Proportionalverstärkung für den PI-Regler der PLL |
| KI_PLL | Integralverstärkung für den PI-Regler der PLL |
| KP_I | Proportionalverstärkung für den Phasenstrom-PI-Regler |
| KI_I | Integralverstärkung für den Phasenstrom-PI-Regler |
| BOOST_DUTYCYCLE_MAX | Maximales Tastverhältnis für die PWM des Aufwärtswandlers |
| RELAIS_EINSCHALTEN_VBST | Relais schalten EIN Schwellenspannung |
| RELAIS_ABSCHALTEN_VBST | Relais schaltet ab Schwellenspannung |
| INVERTER_DEADTIME_ns | Totzeit des Wechselrichters in Nanosekunden |
*Die Messabtastrate kann in der Datei user_config.h im Abschnitt Common des CM7/CM4-Projekts eingestellt werden.
Arbeitsablauf #
Der folgende Arbeitsablauf wird wie unten kurz beschrieben umgesetzt:
1. Analoge Messungen #
Der CM4-Kern wird für die Messung von Netzspannungen, Beinströmen und Zwischenkreisspannung verwendet. Der Zeitgeber für die Messung wird synchron mit den PWM-Zeitgebern gestartet. Dadurch wird sichergestellt, dass bei gleicher Mess- und PWM-Frequenz die Messung immer zu Beginn eines jeden PWM-Zyklus erfolgt.
2. Kontrollsystem #
Das Steuersystem verfügt über einen Duty-Cycle Estimator-Block, mit dem die erforderlichen Duty-Cycle-Werte für den Wechselrichter und den Hochsetzsteller berechnet werden. Das Steuerungssystem enthält die folgenden Abschnitte:
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 die Space Vector Pulse Width Modulation (SVPWM), die für einen dreiphasigen Wechselrichter eine höhere Spannung, eine starke Reduzierung der dominanten Oberwellen und eine geringere Gesamtoberschwingungsverzerrung bietet.
F. Aktivieren/Deaktivieren der Steuerung #
Die Steuerung der Freigabe/Sperrung ist wie folgt implementiert:
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 Schätzung der Netzphase sollte in einem gültigen Fehlerbereich liegen.
3. Output Generation #
Die PWM-Treiber in der PEControllerBSP werden zur Erzeugung der PWM-Signale für die Aufwärtswandler und den dreiphasigen Wechselrichter verwendet. Die Wechselrichter-Aktivierungsfunktion wird verwendet, um den Wechselrichter beim Wechsel zwischen gültigen und ungültigen Zuständen zu aktivieren/deaktivieren.
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 selbst im PELab-6PH-System erfasst. Der PEController bietet eine Integration in die intelliSENS Echtzeit-Überwachungs- und Aufzeichnungssoftware. Nachfolgend sind die Ergebnisse für den Referenzpunkt 5 A Spitze (~3,5 A RMS) dargestellt. Das PELab wird im UC- 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:
WARNUNG! BEIM EIN- UND AUSSCHALTEN DES SYSTEMS MÜSSEN DIE FOLGENDEN VORGEHENSWEISEN BEFOLGT WERDEN. NICHTBEACHTUNG KANN ZU DAUERHAFTEN SCHÄDEN AN DER ANLAGE FÜHREN.
Einschaltverfahren #
- Stellen Sie sicher, dass alle Schutzvorrichtungen des PELab-Systems aktiviert sind und der Zwischenkreis entladen ist.
- Programmieren Sie den PEController mit dem Beispielcode.
- Schalten Sie die DC-Eingangsstromversorgung ein.
- Stellen Sie sicher, dass der DC-Link auf die gewünschte Spannung geregelt wird.
- Schalten Sie den Trennschalter ein, um die Verbindung zum Netz herzustellen.
- Der Wechselrichter wird nach der Synchronisierung des Netzes automatisch aktiviert .
Verfahren abschalten #
- Schalten Sie den Trennschalter aus, um das Netz zu unterbrechen.
- Schalten Sie die DC-Eingangsstromversorgung aus und warten Sie, bis der DC-Link entladen ist.
Ergebnisse #
Die Durchführungsergebnisse werden mit dem PEController selbst im PELab-6PH-System erfasst. Der PEController bietet eine Integration in die intelliSENS Echtzeit-Überwachungs- und Aufzeichnungssoftware. Nachfolgend sind die Ergebnisse für den Referenzpunkt 5 A Spitze (~3,5 A RMS) dargestellt. Das PELab wird im UC-to-Power-Modus betrieben.
Zusammenfassung der Ergebnisse #
| Parameter | HIL-Implementierung | Leistung Implementierung | Einheit |
| Iu | 3.512 | 3.588 | A (RMS) |
| Iv | 3.528 | 3.534 | A (RMS) |
| Iw | 3.505 | 3.581 | A (RMS) |
| Iboost1 | 9.589 | 4.973 | A (AVG) |
| Iboost2 | 9.740 | 4.913 | A (AVG) |
| Iboost3 | 9.718 | 5.368 | A (AVG) |
| Vu | 238.648 | 215.246 | V (RMS) |
| Vv | 238.731 | 217.155 | V (RMS) |
| Vw | 238.566 | 214.313 | V (RMS) |
| Iu Strom THD | 3.452 | 2.545 | % |
| Iu Strom THD+N | 5.772 | 7.737 | % |
| Ausgangsleistung | 2.505 | 2.30 | kW |
| Leistungsfaktor | 0.998 | 0.996 | - |
