固纬电子电力电子教学小课堂 | 第三十一讲: PEK-510模块之单相光伏并网逆变器PQ下垂控制
PTS-系列之PEK-500系列教学
PEK-510模块之单相光伏并网逆变器PQ下垂控制
写在前面的话
PQ下垂控制是一种基于电流和电压的控制方法，通过测量负载的电流和电压与设定的参考值进行比较，然后根据比较结果来调整逆变器的输出电流和电压，使其满足负载的需求，具体来说，当负载的功率需求增加时，逆变器会增加输出电流和电压；当负载的功率需求减少时，逆变器会减小输出电流和电压；PQ控制具有较好的稳定性和响应速度，具有精确性高、效率高、稳定性好等优点，在光伏并网系统中具有广泛的应用。本节通过PKE-510单相光伏并网逆变器PQ控制功能进行教学与分析，为老师提供相关实验与教学资源参考。
PEK-510
单相光伏并网逆变器
PEK-510模组介绍：
PEK-510 为单相光伏逆变器模组(Single Phase PV Inverter Module)，模组实物照片如图1 所示，主要两级组成，前级为升压式转换器(Boost Converter)，后级为单相全桥逆变器(Single Phase Inverter)，同时还具有主要变量的检测和DSP控制功能部分。该模组实验目的是为使用者提供基于DSP控制的电力变换器学习平台，即借助 PSIM 软件完成仿真和实验。第一实验者可以在PSIM上建立模拟（连续）仿真电路，以学习电力变换器的原理、分析和功能设计；第二将电力变换器的控制转化去数字（离散）仿真部分，进行仿真研学；第三借助DSP芯片内部所具有的A/D转化器、数据处理和PWM信号生成功能，再次进行数字（离散）仿真；第四通过PSIM 之 C代码生成功能，将控制部分生成C代码；最后将生成的C代码下载于PEK-510的DSP之中，以备实物实验。这样设计的最大优点方便实验者能够快速完成DSP对变换器主电路的控制。
进行实验除需要PEK-510 模组外，仍需配置PEK-005A(辅助电源)和 PEK-006 (JTAG 下载器)等，并在 PTS-5000 的实验平台上完成。
PTS-5000 实验平台
单相光伏并网逆变器PQ控制组成
单相光伏并网逆变器实验系统组成如图3所示，即主要由DC电源、单相逆变电路、交流电源、检测单元模块和DSP数据采集、处理及PWM信号模块组成。
图3 单相光伏并网逆变器实验系统
单相光伏并网逆变器PQ控制方案：
逆变器是微源与主网之间的接口，其功能在于控制输出的有功和无功功率。PQ下垂控制即有功、无功给定控制，通过控制逆变器输出电压的幅值和相角来调节发出的有功和无功功率，当输出阻抗特性为纯感性时，即
时，逆变器输出的有功功率与逆变器功角
无功功率与母线电压幅值Uo成一次函数关系（下垂特性）：
为了保持与电力系统的一致性及有功功率的准确均分，可通过控制算法将分布式电源的等效电阻设为感性，即逆变器输出的有功功率与逆变器功角
无功功率与母线电压幅值 Uo 成一次函数关系。
图4 下垂特性图
图5 PQ控制结构示意图
其中，Pref为有功额定值，Qref为无功额定值。图中，有功分量和无功分量由外部给定功率参考值，其与测量到的电网交流侧的有功、无功作差，经过PI调节器，来控制逆变器的相角和幅值，达到无差调节，使稳态误差为零，进而达到控制输出有功和无功的目的。另外，利用锁相环（PLL）技术，可使得PQ控制的微电网逆变器能够获得频率支撑。
实 验：
应用PTS-5000完成光伏单相并网逆变器PQ控制，其连接线图如图5所示，交流电源APS-300设置为50Hz，相电压40V，操作于1P2W模式下，参数设置如图6所示，模拟光伏电源PSW160-7.2参数如：开路电压为65V、短路电流2.7A、最大功率点电压50V及最大功率点电流2.4A，设置如图7所示。设定完毕后，通过SAS程式开启PSW输出，并开启APS-300输出，再将PEK-510开启。当电网发生电压或频率变化时，逆变器将根据当前的状况借由系统的PQ控制器调整功率（有功功率和无功功率实功或虚功）输出。
图6 实验接线图
图7 交流电源参数设置
图8 模拟光伏PSW参数设置
有功功率控制（p- ω）
利用SAS（程式）程序输出，逆变器输出功率很快到达最大功率点，如图8所示。
图9 逆变输出至最大功率点
在此条件下，将APS-300频率调整为51Hz，此时PSM_Poset因ω的上升而下降，逆变器输出功率PSM_Po随之降低，当系统不再以最大功率输出时，则PV曲线必然偏离最大功率点以维持功率平衡，如图9所示，反之亦然。
图10 逆变输出偏离最大功率点
无功功率控制（q-v）
APS-300输出电压40V，此时逆变器无功功率（无虚功）输出，逆变输出电压PSM_Vs与逆变输出电流PSM_Is无相位差，将APS-300输出电压调为36V，逆变器有无功功率(虚功)产生，PSM_Vs与PSM_Is有相位差产生，电流超前电压。输出电压调整前后波形与相位差波形分别如图16、17所示。反之亦然。
图11 APS-300电压设定调整
图12 PSM_Vs与PSM_Is相位变化波形
结 论：
当电网频率上升时，逆变器会依据频率变化的程度降低其输出有功的大小，当电网电压变化时，逆变器会依据电压变化调整其输出无功的大小。