1、本科毕业论文（20 届）基于单片机电阻炉炉温控制系统的设计所在学院 专业班级 自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 II摘要太阳能并网系统的控制目标是实现正弦电流并网，使其工作在单位功率因素并网模式。并网逆变器输出电流波形直接影响光伏发电系统的供电质量，正因为如此，并网逆变器输出电流控制策略是太阳能发电系统的研究的一大热点，在本论文的研究设计中，我们采用的是近年兴起的空间矢量控制技术（SVPWM） ，它具有谐波小，直流电压利用率高，易于数字化实现等优点，被广泛用于太阳能并网发电中。本文通过对三相并网逆变器进行连接负载和并网接入，分析了 SVPWM 控制技术的原理以及 SVP
2、WM 控制技术在此次太阳能三相并网逆变器中控制作用。SVPWM 控制技术根据 - 复平面空间中的状态开关矢量，直接合成参考电压空间矢量，进行相关矢量作用时间的求取，计算量适中，实时性好，逆变器输出电流谐波小，同时给出了相关的数学推导来证实相关原理和算法理论，然后根据这一理论利用 MATLAB/SIMULINK 动态仿真工具来实现对 SVPWM 控制算法的动态仿真。在本次设计中，我们建立了基于SVPWM 控制技术的三相并网逆变器的仿真模型，利用模型进一步分析了 SVPWM 控制技术在并网逆变器中的应用与实现，最后给出了仿真波形，并对仿真结果进行了分析，仿真结果达到了设计指标，符合预期设想。在世界
3、能源形势日益紧张的今天，SVPWM 控制技术在逆变节能方面具有广阔的应用前景。关键词：空间矢量脉宽调制;逆变技术;动态仿真;矢量控制;SIMULINKIIIABSTRACTSolar energy grid system control goal is to realize the sine current grid, make its work in the unit power factor grid pattern. Grid inverter output current waveform directly influence (pv) power system of power su
4、pply quality, because of this, grid inverter output current control strategy is to solar power system one of the hot spot, in this paper the research design, we use is the space of the rise in recent years of vector control (SVPWM), it has the harmonic small, dc voltage efficiency is high, easy to d
5、igital realizable, is widely used in the solar energy grid generation.This article through to the three-phase grid inverter for connects the load and grid access, analyzes the principle and the SVPWM control technology in the solar energy SVPWM control technology in the three-phase grid inverter con
6、trol function. SVPWM control technology according to alpha complex planar space vector of the state switch, the direct synthesis of reference voltage space vector, relative vector effect time deriving, moderate amount of calculation, good real-time, inverter output current harmonic small, and presen
7、ts the related mathematical reasoning to confirm related principles and algorithm theory, and then based on the theory of using MATLAB/SIMULINK tool to achieve the dynamic simulation of SVPWM control algorithm of dynamic simulation.In this design, we established based on SVPWM control technology of
8、the three-phase grid inverter simulation model, using the model to analyze the SVPWM control technology in the grid inverter application and implementation, and finally presents the simulation waveform, and the simulation results are analyzed, and the simulation results to reach the design index, in
9、 line with expectations. In the world energy situation of increasingly scarce today, SVPWM control technology in energy conservation in inverter has wide application prospects.Key words: space vector pulse width modulation;inverter technology;dynamic simulation;vector control;SIMULINK目录 摘要 .IIVABSTR
10、ACT.II目录 .III1 绪论 .11.1 课题研究背景和意义 .11.2 国内外研究现状 .21.3 本论文主要完成的工作 .52 太阳能三相并网逆变器的结构设计 .62.1 太阳能三相并网发电总体结构介绍 .62.2 太阳能三相并网逆变电路系统结构 .72.3 LC 滤波电路的设计与分析 .93 基于 SVPWM 控制的太阳能三相并网逆变器原理 .113.1 SVPWM 基本原理 .113.2 SVPWM 法则推导 .133.3 SVPWM 控制算法 .163.4 SVPWM 的物理意义 .224 太阳能三相并网逆变器的仿真研究 .254.1 基于 SVPWM 控制的三相并网逆变器系统
11、 .254.2 MATLAB/SIMULINK 简介 .254.3 基于 SVPWM 控制技术的三相并网逆变器仿真 .26结束语 .35参考文献 .36附录一 .37附录二 .38附录三 .39致谢 .4011 绪论1.1 课题研究背景和意义太阳能作为一种清洁的可再生能源，成为了国际社会公认的理想替代能源。根据国际权威机构的预测，到 21 世纪 50 年代，全球直接利用太阳能的比例将会发展到世界能源结构中的 1315之间，而整个可再生能源在能源结构中的比例将大于 50。可以看到，太阳能在未来的能源结构中所占的比重将会越来越大。光伏发电是太阳能开发利用的主要形式之一 1。目前各种发电方式的碳排放
12、率(g 碳/( )为：煤发电 275，油发hkW电 204，天然气发电 l81，太阳能热发电 92，太阳能光伏发电 55，核能发电 8，水力发电6。这些数据是以各种发电方式所用原料的开采和运输、发电设备的制造、电源网架的建设、电源发电的运行维护和废气物的排放与处理等所有环节所消费的能源，按照各种发电方式在寿命期间的发电量计算得出的。由上述可见，以太阳能为代表的新能源和可再生能源是保护地球生态环境的清洁能源；它将逐渐减少和替代化石能源的使用，它的广泛应用是保护生态环境、走经济社会可持续发展的必经之路 2。当今世界各国特别是发达国家对太阳能发电技术十分重视，针对其制定规划，增加投入，大力发展。20
13、 世纪 80 年代以来，即使是在世界经济处于衰退和低谷的时期，光伏发电技术产业也在保持着以 1015的递增速度在发展。90 年代后期，发展更为迅速，成为全球增长速度最快的高新技术产业之一。2003 年以来，全球经济进入了一个繁荣的黄金时期，能源价格暴涨，原油价格在 5 年内涨至 2003 年的 5 倍，这一现象在很大程度上促进了光伏产业的快速发展。据欧洲光伏工业协会数据显示，2007 年全球光伏累计装机容量容量达到了 9100 ，2008 年达到了 14721 。20002008 年间，累计装机PMWPMW容量增长了将近 10 倍，年复合增长率达到 33.9。根据 SOLARBUZZ 统计资料
14、，2008年全球光伏产量为 6.8 较 2007 年增长了将近 100。而据前面数据 2008 年全球光G伏装机量为 5.6 ，产量过剩超过 1。但 2009 年随着金融危机的过去以及各国政策的P大力支持，过剩应该能缓解 3。在全球太阳能电池生产结构中，2008 年光伏组件最大生产国为中国，占 32.9，然后是德国、日本、中国台湾、美国。特别是中国太阳能电池的生产在近几年迅猛发展，2004 年中国光伏电池产量不足 100 ，到 2007 却达到了PMW1.2 ，2008 年达到了 2.0 ，为世界光伏电池产量第一位。PGWPGW中国于 1958 年开始研究光伏电池，1971 年成功地首次应用于
15、中国发射的东方红二号卫星上。于 l973 年开始将光伏电池用于地面。中国的光伏工业在 80 年代以前尚处于雏形，光伏电池的年产量一直徘徊在 10 以下，价格也很昂贵。由于受到价格和产量的限制，Pk市场的发展很缓慢，除了作为卫星电源，光伏电池在地面上的使用仅限于小功率电源系统，如航标灯、铁路信号系统、高山气象站的仪器用电等，功率一般在几瓦到几十瓦之2间 3。在 19811990 年期间，中国十分弱小的光伏电池工业得到了巩固并在许多应用领域建立了示范工程，如微波中继站、部队通信系统、农村载波电话系统、小型户用系统和村庄供电系统等。同时，先后从国外引进了多条光伏电池生产线。光伏电池不再仅仅用于小功率
16、电源系统，而开始广泛用于通信、交通、石油、农村电气化、民用产品等各个领域。光伏并网发电技术是当今世界光伏发电的趋势，是光伏技术步入大规模发电阶段，成为电力工业组成部分之一的重大技术步骤 4。1.2 国内外研究现状1.2.1 光伏发电系统独立光伏发电系统主要解决偏远的无电地区和特殊领域的供电问题，且以户用及村庄用的中小系统居多。独立光伏发电系统主要由太阳能光伏电池阵列充电控制器蓄电池组正弦波逆变器等组成。它的工作原理是：光伏电池将照射到其上的太阳辐射能量转换成电能，该电能是直流电，经稳压后可直接供给直流负载或者通过正弦波逆变器变换为交流电后给交流负载供电。在光照充足时，多余的能量经充电控制器后化
17、学能的形式储存在蓄电池中，而在夜晚或者光照不足时，则可将储存在蓄电池中的能量经变换后继续给负载供电，从而可以保证系统的持续运行 5。光伏并网发电系统是将太阳电池发出的直流电转化为和电网电压同频同相 的交流电，从而既向负载供电，又向电网发电的一个系统。并网系统的核心是并网逆变器，它同时也应该具有其它光伏发电系统的一些功能和特点。通常，市电电网可视为容量为无穷大的交流电，并网逆变器的输出可以控制为电压源或者电流源。若控制并网系统的输出为一个交流电压源，则太阳能并网系统和电网实际上就是两个交流电压源的并联。要保证系统的稳定运行，则必须同时严格控制并网系统输出电压的幅值和相位。由于输出电压幅值不易精确
18、控制，并且锁相回路的响应速度较慢等原因，这种并网系统和电网之间可能会出现环流，系统不能稳定运行，甚至会发生故障。因此，光伏并网系统常常被设计成电压型的电流源系统，这样并网系统和电网实际上就是一个交流电流源和电压源的并联。逆变器的输出电压幅值自动被钳位为电网电压，通过采用锁相控制技术实现并网电流与电网电压的相位同步，保证系统输出的功率因素为 1。实际系统中，还可以通过调整并网系统输出电流的大小及相位来控制系统的有功输出与无功输出。一般地，光伏并网发电系统按照系统的设计要求可以分为两类 :一种是不含储能环节的“不可调度式光伏并网发电系统” ；另一种是含有储能环节的“可调度式光伏并网发电系统” 。
19、不可调度式光伏并网发电系统中，正常工作时，并网逆变器将光伏阵列产生的直流电能直接转化为和电网电压同频、同相的交流电能馈入电网，当主电网断电或夜间无光照时，系统则自动停止向电网馈电。该系统的一个突出特点是并网的时间和并网的功率3大小完全由日照和环境温度等因素来决定。 可调度式光伏并网发电系统主要由充电控制器和并网逆变器组成，在有光照 的情况下，系统首先对蓄电池进行充电，然后根据需要将系统用作并网或者经逆变后独立使用，系统工作时间和并网功率大小可以人为设定。当电网断电或者无光照时，逆变器自动切断和电网的电气连接，同时可以根据需要选择是否进行独立逆变，用以对本地负载继续供电。相对于不可调度式光伏并网
20、发电系统，该系统在功能上有一定的优势，但是它的一个致命的缺点就是增加了蓄电池储能环节，从而带来了若干严重的问题：蓄电池组有寿命问题、价格昂贵、体积笨重。正是由于上述缺点的存在，使得可调度式光伏并网发电系统的推广应用受到了很大的局限，目前绝大部分光伏并网发电系统仍采用不可调度式并网结构。1.2.2 光伏发电三相并网逆变器的研究现状在太阳能三相并网发电系统中，并网逆变器主要由电力电子开关器件连接电感构成，以脉宽形势向电网送电。其主要起着以下作用：实现电能转换，将太阳能光伏列阵产生的直流电能转换成 220V、50Hz 的三相正弦波交流电能；其电流和电压的畸变率均要求较小； 实现系统的安全保护要求，如
21、输出过载保护、输入接反保护、输出短路保护、交流过压和欠压保护、直流过压保护、 “孤岛“保护等； 实现光伏列阵最大功率点跟踪，调节其输出功率。按控制方式的不同来，逆变器可分为电流源电压控制和电流源电流控制、电压源电压控制和电压源电流控制四种。在光伏发电系统中，用于实现并网功能的逆变器一般采用电压源电流控制型逆变器。太阳能三相并网发电系统的控制目标是实现正弦电流并网，并网逆变器输出的电流波形直接影响太阳能三相并网发电系统的供电质量，所以，逆变器输出电流控制策略是光伏发电系统研究的一大热点。现有的控制方法有 PI控制、滞环电流控制、空间矢量控制(SVPWM)等。这些控制方法都有着自身的优缺点，如 P
22、I 控制具有算法简单、开关频率固定、易于设计等特点，但存在着动态响应相对较慢，跟踪存在偏差的缺陷；滞环控制能够实现实时控制，所以电流响应速度较快，但其开关频率不固定等。随着现代控制理论的发展，许多先进的算法也被应用到逆变系统的控制中，比如神经网络、自适应控制和模糊控制等。对于今后光伏并网逆变器技术的发展，总是伴随并跟踪电力电子技术、控制技术、计算机技术、新型功率器件及应用、模块电源技术等的发展趋势。从这几项技术的发展，可以推测太阳能三相逆变器可能的技术发展与创新：新型电路拓扑结构的设计、智能控制技术的应用，神经网络技术的结合、高频开关技术、软开关技术、智能检测与保护技术、模块化技术的应用与改进
23、、 “孤岛 保护、电磁兼容性等。其目标就是逆变器系统的效率更高、可靠性更好、功率密度更高、成本更低。随着光伏发电技术的迅速发展，光伏并网发电成为大规模开发和利用太阳能的主要形式。一般来说，太阳能三相并网发电系统主要由光伏列阵、并网逆变器以及控制器组成 6。41.2.3 光伏并网系统控制方法的研究光伏并网系统的控制目标是实现正弦电流并网，使其工作在单位功率因数并网模式。并网逆变器输出电流波形直接影响光伏发电系统的供电质量，正因如此，并网逆变器输出电流控制策略是光伏发电系统研究的一大热点。现有的控制方法有 PI 控制、滞环电流控制、空间矢量控制（SVPWM ）等 PI 控制具有算法简单、可靠性高、
24、开关频率固定、易于设计等特点，是目前最常用的控制方法之一。一般光伏发电系统采用电压外环电流内环的双闭环 PI 控制来实现直流电压的稳定及调节并网电流的幅值。但是常规的 Pl 控制在开关频率不够高的情况下，存在电流动态响应相对较慢，跟踪存在偏差以及跟踪速度慢等缺点 7。因此有人提出电流双闭环控制方式，外环为电流有效值闭环，内环为电流瞬时值闭环，通过实时的电流反馈，修正电流的输出波形，既保证了对输出电流幅值和波形的要求，又易于软件实现，还具有动态响应快的优点滞环电流控制技术是根据电流跟踪偏差来决定功率器件的开关状态的一种控制方法，这种控制技术没有传统的电流调节器。它具有实时控制、电流响应快、输出电
25、压电流波形不含特定次谐波等优点，但功率器件的开关频率不固定，增加了系统参数设计的难度。针对滞环电流控制的开关频率不固定的缺陷，有人提出了一种准固定频率的滞环电流控制方法，该方法的关键是在滞环电流控制电路中引入频率反馈，这样就保证了开关频率能够基本固定，从而解决了固定频率电流控制方法中的次谐波振荡问题，并且具有稳定性好、响应速度快、控制精度高的优点。SVPWM 控制策略是依据逆变器空间电压电流矢量切换来控制逆变器的一种新颖思路的控制策略，它能在功率器件开关频率不高的情况下输出较好质量的正弦波，并且能提高直流电压的使用效率。由于传统的 SVPWM 控制策略涉及复杂的反正切函数正弦函数和平方根计算使
26、得控制算法异常复杂，因此有人提出了一种空间矢量简化算法，该方法根据两相笛卡儿坐标系上的电压空间矢量，直接确定电压控制矢量所在扇区，从而计算出当前的开关状态及控制占空比，避免了传统控制策略中关于反正切正弦查表等繁杂工作，简化了运算过程。1.2.4 孤岛效应的检测与防止技术的研究现状孤岛效应是并网发电系统中普遍存在的一个问题。它是指当电网停电时，系统没有检测到电网停电状态，从而不能及时切断和电网的电气连接，而与本地负载一起构成了电力系统中的“孤岛” 。这种孤岛现象会对维修人员和用电设备甚至电网产生严重的后果，因此系统要能及时地检测到电网断电并使系统停止运行。通常对孤岛效应的检测和防止都是通过同时使
27、用几种主动和被动的方法来实行对电网的监控。目前常用的被动检测方法有:电压谐波监测法、相位跳动检测法、频率变化率检测法、输出功率变化率检测法；常用的主动检测方法有:频率偏移法、自动频率漂移法、滑差式频率位移法等方法。51.3 本论文主要完成的工作设计一款太阳能三相并网逆变器，了解太阳能并网发电系统结构，并对系统后级的直流- 三相交流逆变部分进行建模仿真设计。三相逆变器的输入源为前级太阳能直流-直流转换器的输出，电压为范围 540-600V，逆变器的输出为三相四线式 380V 交流电，输出功率 10kw，THD5% 以下， HD3%以下。采用高频调制技术，确定电路架构，设计电路参数，建立电路模型并
28、仿真；研究电网入网标准，为使逆变器输出能顺利并网，设计 PID控制器，通过仿真确定 PID 参数。第 2 章是根据设计要求对太阳能三相并网逆变器的总体设计框架进行了介绍并以提出了本文重点研究部分并网逆变器的总体设计方案。并且对逆变器的各个重要组成部分的拓扑结构进行分析和比较。第 3 章将对 SVPWM 控制技术进行详细的介绍，以及在本次设计中的应用。第 4 章是在基于 MATLAB 的 SIMULINK 仿真，在设计出太阳能三相并网逆变器的仿真模型之后，对于其进行仿真并且通过观察波形来得出最后设计的并网逆变器是否符合题目设计指标。2 太阳能三相并网逆变器的结构设计2.1 太阳能三相并网发电总体
29、结构介绍前文介绍了太阳能三相并网发电系统的主要组成部分以及各部分的国内外研究现状。在接下来的论文中，我们即将开展的是研究太阳能三相并网逆变电路的结构设计以及控制策略。系统设计指标：输入直流母线电压额定值：540VDC；额定电网电压：380VDC;并网逆变器额定功率：10KW ； 并网逆变器输出电流总谐波畸变率（THD ）: 45%。如图所示为本次设计的太阳能三相并网发电系统的总体方案。本文设计的太阳能三相并网发电系统的总体方案： DC/DC 电路设计及其控制：DC/DC 电路是连接太能电池 1板和并网逆变器的能量变换环节，其主要作用是进行电压等级的变换； 逆变器的主电 2路及其控制方法：DC/
30、AC 逆变器维持直流母线中间电压稳定并将电能转换成 220V/50HZ的正弦交流电。本文采用空间矢量控制方法，该方法坐标变换，将三相电流变换到预期波频率同步旋转的两相坐标系，稳态时三相正弦电流变成了直流量，而 PI 调节器对直流6信号的放大倍数为无穷大，电流稳态跟踪误差接近于零，可以实现电流的无差跟踪控制，因此，空间矢量控制方法可以获得高功率因素低谐波的三相并网电流，可以较好的应用在太阳能三相并网逆变器的控制； 滤波器的设计：三相并网逆变器会产生大量的谐波 3注入电网。为了减少开关频率次或者倍数次的电流谐波，通常采用在电网加装 L 或者 LC滤波器 8。图 1-1 太阳能三相并网发电系统总体结构图2.2 太阳能三相并网逆变电路系统结构2.2.1 三相并网逆变电路拓扑结构三相逆变桥是光伏系统的核心，可将 PV 阵列输出的直流电转换成工频交流电源并入三相电网。三相逆变器逆变桥主要有两电平逆变桥、三电平逆变桥、H 桥并联等几种典型拓扑。目前在光伏三相并网发电系统中，两电平逆变器拓扑结构应用最为广泛，主要因为该拓扑结构简单，易于控制，易于实现 SPWM 和 SVPWM 调制技术。三电平逆变器拓扑结构输出电流谐波含量低，电感体积较小，但算法较为复杂，目前处在研究试验阶段。所以在本次的设计中我们采用的是两电平逆变器拓扑结构 9。
