使用 PE-RCP 箱的带升压转换器的三相并网逆变器

导言#

本应用示例演示了使用 MATLAB Simulink 作为开发环境，在PE-RCP Box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 MATLAB 环境。要理解和执行本应用示例中给出的示例，需要以下工具：

• MATLAB R2019b 或更新版本
• 适用于 C2000 处理器的 MATLAB 嵌入式支持软件包

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. PE-RCP 盒
2. OP4510 HIL 实时模拟器
3. PELab-6PH
4. 可编程直流电源
5. 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。

工作流程#

PE-RCP Box 可直接通过 MATLAB Simulink 进行编程，这使我们能够快速制作控制系统的原型。实施系统的基本工作流程图如下所示：

下一节将简要介绍 MATLAB Simulink 模型中使用的基本模块：

1.模拟测量#

C2000 ADC 块用于测量电网相电压、线脚电流和直流链路电压。

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。还有一个用于保护的启用/禁用模块。以下是内部模块概览：

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)，可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：

升压转换器： 手动开/关控制装置，用于在系统不使用升压转换器时启用或禁用升压转换器。

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。
• 用户启用逆变器。

3.缩放#

三相逆变器和升压转换器的占空比乘以系统的定时器周期，为 ePWM 模块生成计数器信号。

4.输出生成#

C2000 ePWM 模块用于生成升压转换器和三相逆变器的 PWM 信号。行程区子模块用于安全开关。

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#

实施结果通过 PELab-6PH 系统中的 PEController 采集。PEController 与intelliSENS实时监测和记录软件集成。以下是 5 A 峰值（约 3.5 A RMS）参考点的结果。PELab 在 RCP 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. 使用监控和调整按钮将 Simulink 模型上传到 PE-RCP 盒。
3. 确保在模型中禁用升压转换器和逆变器控制。
4. 打开输入直流电源。
5. 启用模型中的升压转换器。确保直流链路调节到所需电压。
6. 打开切断开关连接电网，等待约 2 秒钟让 PLL 同步。
7. 从 Simulink 模型中启用逆变器。
8. 逆变器启用后，可通过改变注入的参考电流来监控并网逆变器的性能。

关闭程序#

1. 从 Simulink 模型中禁用逆变器。
2. 关闭切断开关，切断电网。
3. 关闭输入直流电源，等待直流链路放电。
4. 停止监控并调整会话。

结果#

实施结果通过 PELab-6PH 系统中的 PEController 采集。PEController 与intelliSENS实时监测和记录软件集成。以下是 5 A 峰值（约 3.5 A RMS）参考点的结果。PELab 在 RCP 至电源模式下运行。

结果摘要#

下载#