1、 I 并网逆变器单周控制方法研究 摘 要 本文提出的设计和分析是针对主动和被动式的单相电压源功率控制逆变器的光伏并网系统。文中主要研究其中的 DC-AC 变换，对单相并网逆变器做了总体设计，各个功能模块单元也做了详细介绍。逆变电路采用单相全桥结构，对其工作状态做了分析，采用单极性 SPWM调制技术控制开关管的开通和关断，对主电路的器件选型给出了设计方法。 项目中的控制算法方法是采用基于矢量控制的坐标变换，将电流解耦为有功电流分量和无功电流分量分别对电网功率进行控制方法。本研究的目的是控制电网的功率因 数，提高向电网传输的光伏转换电源整体效率，并降低逆变器相电流的畸变。在这项工作中，给出了详细的
2、系统数学模型，讨论使用 Matlab / Simulink软件对 6kW的光伏系统并入 220V、50HZ 电网模拟的结果。仿真结果表明，电网输入功率因数几乎是一致的，该系统的相电流畸变率被降低，不同功率条件下的总谐波失真在 5%以内。 关键词 ：单相全桥逆变 SPWM（解耦） Matlab/Simulink仿真 II Abstract This paper presents an alternative way for the current regulation of single-phase voltage-source dc ac converters in direct quadra
3、ture (dq) synchronous reference frames. In a dq reference frame, ac (time varying) quantities appear as dc (time invariant) ones, allowing the controller to be designed the same as dc dc converters, presenting infinite control gain at the steady-state operating point to achieve zero steady-state err
4、or. The common approach is to create a set of imaginary quantities orthogonal to those of the real single-phase system so as to obtain dc quantities by means of a stationary-frame to rotating-frame transformation. The orthogonal imaginary quantities in common approaches are obtained by phase shiftin
5、g the real components by a quarter of the fundamental period. The introduction of such delay in the system deteriorates the dynamic response, which becomes slower and oscillatory. In the proposed approach of this paper, the orthogonal quantities are generated by an imaginary system called fictive ax
6、is, which runs concurrently with the real one. The proposed approach, which is referred to as fictive-axis emulation, effectively improves the poor dynamics of the conventional approaches while not adding excessive complexity to the controller structure. This paper presents the design and analysis o
7、f both the active and reactive power control of a single-phase voltage source inverter for grid-connected photovoltaic system. The proposed method is based on vector control of power by decoupling control of the active and reactive current components to feed the active and reactive power to the grid
8、. The aim of this research is to control power factor at grid, to improve overall efficiency of transferring power of PV to alternate current power conversion into the grid, and to decrease phase current distortion of VSI. In this work, mathematical model of system has presented in details. The resu
9、lts of simulations of PV system 1kW connected to grid 220V, 50 Hz using MATLAB/Simulink software are also discussed. Simulation results have shown that the grid input power factor is nearly unity, and the distorting of phase current of the proposed system has been reduced, causing the total harmonic
10、 distortion for various power conditions falls within 5%. Key Words： single-phase voltage-source SPWM Matlab/Simulink simulation目 录 第一章 绪论 . I 1.1目的及意义（含国内外的研究现状分析） . 1 1.2 研究（设计）的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施 . 2 第 2 章 并网逆变器单周控制方法研究 . 4 2.1并网逆变系统基础概念介绍 . 4 2.1.1并网逆变器开关器件 . 4 2.1.2采用锁相环的电网同步 . 4 2.1.3孤岛检测方法 .
11、 5 2.1.4单相并网逆变器的拓扑结构 . 6 2.2 并网逆变器模型设计分析 . 7 2.2.1 PWM调制器数学模型 . 7 2.2.2 Park变换矩阵 . 9 2.2.3典型 I型系统 . 10 2.3并网电流控制策略的研究 . 13 2.3.1逆变器系统结构解耦 . 13 2.3.2基于 PI控制器参数设计 . 15 2.4.基于 SPWM（解耦）并网逆变器的 MATLAB/simulink 仿真 . 17 2.4.1MATLAB简介 . 17 2.4.2电路仿真模型的建立 . 17 2.4.3仿真结果 . 18 第 3章 结论 . 20 致谢 . 21 参考文献： . 22 武汉
12、理工大学毕业设计（论文） 1 第 1 章 绪论 1.1 目的及意义（含国内外的研究现状分析） 依据光伏逆变并网原理，拟设计并仿真一款 6kw 逆变器，将 350V 的 DC/DC 控制器输出的直流电转换为 220V 的单相交流电。以功率因数最优为目的，得到效率更高的逆变并网控制策略。 能源是人类生存和发展的动力。美国莱斯大学的 Richard E. Smalley 教授认为，能源是全球十大挑战之首。随着世界经济的发展和人口的增长，人类正面临着 严峻的能源危机；化石能源面临枯竭、污染环境，核能源存在安全威胁，寻找清洁、安全、可再生的能源是人类迫切需要解决的课题。太阳能、风能、水能、潮汐能、生物能
13、等能源形势受到人类的高度关注，其中，太阳能是最具商业利用价值的可再生能源之一。依照科学家估算，能利用太阳能的地区的面积占全世界面积的 75%以上，而且其中有 30%以上为资源丰富区（即每年接受太阳辐射的总能量大于 150千卡 /平方厘米）。比如，中东和非洲就是太阳能非常丰富的地区。我国也有大部分地区拥有丰富的太阳能资源 1。 太阳能有不同的利用形式，光伏发电是其中 重要的一种。光电、光热、光化学和光生物利用，是太阳能利用的四种重要形式。其中光伏发电是利用太阳光照射到半导体器件时产生电能的原理来利用太阳能的一种方式。光伏发电是将太阳能直接转换为电能的发电方式，不需要其他能量形式（如机械能）作为中
14、间过程，所以没有中间过程的能量损耗，没有机械磨损和噪声，也不需要燃烧，不产生污染环境的气体，而且能量来源是源源不断的，没有资源短缺的问题。 近几年，随着西班牙、德国、美国等国对本国光伏产业的大力扶持，全球光伏逆变器销售不断增加，光伏逆变器进入一个快速增长的阶段。随着环境问 题引起的广泛关注，各国对光伏逆变并网技术进行深入的研究，各项技术也有了明显提升，光伏发电成本也逐步下降，光伏逆变器市场容量也变得越来越大。目前国外几大光伏逆变器长商有： SMA、KACO、 Fronius、 IngetearTi、 Siemens、 studer、 xantrex、 Danfossconergy、 Power
15、-one、 Outback Power、 AE， Spwtick 等公司 2。其中 SMA、 KACO、 Fronius、 lngeteam、 Siemens 占全球市场份额 70%，逆变器的先行者德国 SMA2009 年市场占有率为 44%，销售额 9.3亿欧元，逆变器出货量达 3.4GW， 2010年销售额达到 11 亿 l3亿欧元，同比增长 18%40%。国外在光伏逆变器方面有着较强的竞争力和雄厚的技术支持，美国和德国在光伏逆变器生产方面占据着主导地位，他们生产的光伏逆变器性能好、功率高、可靠性强，相关技术非常成熟，进入光伏逆变器市场也较早，在光伏技术方面积累的经验也非常过。 自从上个世
16、纪 80 年代开始，国内就开始对光伏逆变器进行研究和开发，现在已有专门的公司研究和开发生产并网逆变器。相对于国外市场，国内光伏逆变器发展起步相对 较武汉理工大学毕业设计（论文） 2 晚，技术上与国外有一定的差距，另外，由于国内加工技术较为落后，在大功率、高电压、大电流逆变器方面，还处于探索阶段。值得欣慰的是，占据国内 60%光伏逆变器市场份额的光伏逆变器生产商合肥阳光电源公司近几年的发展势头喜人，技术也不断成熟，其业务已经拓展至美国、欧洲等国外市场；在大功率逆变器方面也取得了一定成绩。特变电工、西安爱科赛博等公司也在光伏逆变器方面取得不小进展。今后向大功率、大电流、高可靠性方向发展是国内光伏逆
17、变器设计、生产的重要方向，另外，缩小和国外大品牌的差距，走向国际市场也是光伏逆变器生产商今后 的必经之路。 同时，我国政府出台了一些列的政策，如金太阳示范工程财政补助资金管理暂行办法以及关于做好分布式电源并网服务工作的意见等，为光伏发电的发展提供了有力支撑 3。其中，最具实际意义的是 2014 年 6 月初，国家税务总局发布关于国家电网公司购买分布式光伏发电项目电力产品发票开具等有关问题的公告规定自 7月 1日起，家庭分布式光伏发电项目向国家电网公司售电，发票由供电部门开具。对于北京日报报道的北京首个个人申请的分布式光伏发电工程项目业主任凯来说，他之前遭遇的售电开发票难得问题，终于有了 解决方
18、法。在 7月初，国家电网公司常州供电公司履行代开发票义务，对家住江苏常州的吴建江自建电站第一个月售电收入开具电费发票，成为国家电网公司系统开出的首张个人分布式光伏发电上网电费发票，在售电发票难题解决后，他很快拿到了售电收入。自此，家庭分布式光伏发电项目迎来了崭新的春天。 综上分析，研制一套控制性能安全可靠，又能提高控制效率和能源利用率的太阳能光伏逆变系统十分必要。为了便于推广太阳能住宅区，将光伏发电技术应用推广到家居生活中，本课题将在这一背景下展开对逆变器控制策略的研究。 1.2 研究（设计）的 基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施 对于并网逆变器，由于其输出端与电网并联，而电网可以视为一个
19、无穷大的电压源，所以逆变器并网后其输出电压会被电网电压钳住，不容易通过输出电压对其进行控制，所以一般都是控制其输出电流，使电流与电网电压同频同相并且谐波含量尽量小（标准要求是小于 5%）。因此，对光伏并网逆变器控制技术的研究一般都关注在并网电流的控制技术上。 改进型的比例谐振（ PR）控制方法，可以解决 PI 控制中存在的稳态误差问题和重复控制中动态性能差的问题。 PR 控制方法实际上是对 PI 控制方法进行改 造而得来的，两种方法都有一个比例环节（ P），但 PR 控制把 PI控制中的积分器换成了无损谐振环节。在逆变器输出电流的基波频率处， PR 控制器具有无穷大的增益，而 PI 控制器不具
20、有这一特点，因此 PI控制中存在的稳态误差，在 PR控制中可以被消除，即做到对参考波的无静差跟踪。因此， PR控制不但具有无静差跟踪的稳态性能，而且具有快速的动态响应速度。 武汉理工大学毕业设计（论文） 3 SPWM解耦控制策略是把并网电流所在的坐标系施行旋转变换，把它变换到一个旋转正交坐标系 dq 上， dq 相对于静止坐标系的旋转角速度为工频电压对应的角速度。这时，随时间不 断变化的交流量在 dq 坐标系中转换成不随时间变化的直流量，将相对复杂的 DC/AC 逆变问题变成具有稳态特性的 DC/DC 设计。 运用解耦控制策略来描述电流和电压，使我们能以高效和优美的描述方式来研究单相系统的瞬时
21、现象。这种表达方式在研究单相系统的有功功率和无功功率分量的控制问题时特别有用。 对于本次设计中光伏电池模块、逆变主电路和控制模块（ SPWM解耦）等均采用 Matlab建立软件模型。 武汉理工大学毕业设计（论文） 4 第 2 章 并网逆变器单周控制方法研究 2.1 并网逆变系统基础概念介绍 随着世界各国对可再生能源开发重视程度的不 断提高，针对并网逆变器的技术研究也越来越多，人们对以往控制技术的不足，纷纷提出了很多的研究方向，大体可以分为以下几个方向： 2.1.1 并网逆变器开关器件 本文中采用 MOSFET，就像小功率的用于信息处理的场效应晶体管分为结型和绝缘栅型一样，电力场效应管也有这两种
22、类型，但通常主要指绝缘栅型中的 MOS 型，简称电力MOSFET，或者更精练地简称 MOS管或 MOS。电力 MOSFET是用栅极电压来控制漏极电流的，因此它的一个显著特点是驱动电路简单，需要的驱动功率小；第二个显著特点是开关速度快、工作频率高。另外，电力 MOSFET的热稳定性优于 GTR。但是电力 MOSFET电流容量小，耐压低，多用于功率不超过 10kw 的电力电子装置。同时其相对于 IGBT 能适应更高的频率，显著的减少其功率管的损耗。 2.1.2 采用锁相环的电网同步 电力系统是一个复杂的动态系统，受到各种意外因素的影响，例如，不断有负载并网和脱网、谐波电流流经导线引起的扰动和谐振、
23、雷电和电气设备运行错误造成的故障等。因此，当功率变换器连入电网时，不能将电网的变量当作幅值恒定的量，而是应该不断地监测电网的变量，以确保电网的状态适合功率变换器的正确运行。此外，当此功率变 换器调节的功率大小与连接点处电网的额定功率相比不能被忽略时，电网的变量就会受该功率变换器动作的显著影响。 电网检测和电网同步是两个紧密相连的概念。实际上功率变换器的电网同步问题就是对其所要连接的电网状态的实时监测问题。电网同步时一个自适应的过程，它是通过并网功率变换器的控制算法生成一个内部参考信号，并使该参考信号和特定的电网变量步调一致来实现，其中特定的电网变量通常取电网电压的基波分量。 单相并网变换器的电
24、网同步依赖于电网电压特性的精确检测，从而将功率变换器的控制器的内部振荡器调谐至电网的振荡信号。通常，通 过功率变换器将可再生能源发出的电力并网时，所需掌握的电网特性主要是电网电压基波频率分量的幅值和相角。然而，若要实现分布式发电装置并网功率变换器的额外功能时，例如功率调节、谐波抑制或电网阻抗检测等，其他谐波分量的检测也是需要的。因此，电网同步技术和电力系统的谐波检测技术有着一定的相似性。电网同步技术可分为两大类，即频域和时域检测方法。 武汉理工大学毕业设计（论文） 5 一个锁相环（ PLL）的基本结构如图 3.1所示。它包含 3个基本模块。 图 3.1 PLL的基本结构 1） 相角检测器（ P
25、D）。该模块产生的输出信号正比于 输入信号 v和 PLL内部振荡器多产生的信号 之间的相角偏差。在 PD 的输出信号中，高频交流分量伴随着直流相角偏差信号一起出现，具体情况因 PD类型而异。 2） 环路滤波器（ LF）这个模块具有低通滤波特性，可以削弱 PD输出中的高频交流分量。典型的 LF 模块可有一个 1阶低通滤波器或一个 PI控制器构成。 3） 电压控制振荡器（ VCO）这个模块在其输出端生成一个交流信号。该信号的频率相对给定的中央频率 c 进行移动，是 LF 所提供的输入电压信号的函数。 2.1.3 孤岛检测方法 随着包含了传统和可再生能源的技术的分布式发电越来越高的渗透率，电力系统正
26、在发生越来越大的变化。包含大量储能系统、可在孤岛模式下工作、并可通过柔性输电系统相连接的主动式电网的发展趋势已日益清晰。这种复杂区域将依据分布式发电的规模及其与电力系统互联程度的差异，对分布式发电单元提出了不同的要求。能在电网状态进行监控室不同容量分布式发电系统具有的一个重要特点。能及时检测出潜在的孤岛状态对于拥有大量分布式发电 的电力系统是非常重要的。 三种主要的孤岛检测方法是电网 -本地检测，外部开关电容检测，逆变器 -本地检测。 前两种方法需借助电力线路中的通信系统或者公共接入点处的外部开关电容来实现准确的孤岛监测，但这将增加系统的复杂性和成本。 电网 -本地检测方法以电网和光伏逆变器之
27、间的信息交换为基础，并且与其他的逆变器-本地检测技术完全不同。通信系统的信号发射器安装于线路保护开关旁，信号接收器安装在公共接入点的光伏逆变器附近 5。通信系统使用由电网作为介质的 PLCC（电力线路载波通信）线路。在正常状况下，通信 系统通过输电线路将一个特殊频率信号发送到接收器。 相角检测器 环路滤波器 电压控制振荡器 v v 武汉理工大学毕业设计（论文） 6 2.1.4 单相并网逆变器的拓扑结构 在研究并网电流控制技术时，可以把逆变桥前端的电路看作一个电压源，因此本文 研究的逆变器的电路拓扑如图 2.2所示。 图 2.2 单相并网逆变器电路拓扑 图 2.2中， dU 是直流母线电压，电容
28、 C 起缓冲无功能量的作用，逆变电路为电压型单相全桥电路，选用 MOSFET作为开关管，每个开关管都并联了一个反馈二极管，为交流侧向直流侧反馈无功能量提供通道 6。采用单电感的滤波电路， R 为滤波电感及交流进线等效阻抗。 如图 2.2 所示，功率开关元件采用四只 MOSFET 管 1V 、 2V 、 3V 、 4V ，由 DSP 输出的SPWM脉宽调制信号控制驱动 IGBT管的 导通或截止。当逆变器电路接上直流电源后，先由 1V 、 4V 导通， 2V 、 3V 截止，则电流由直流电源正极输出，经 1V 、滤 波电路、 4V 后，再回到电源负极。当 1V 、 4V 截止后， 2V 、 3V
29、导通，电流从电源正极经 3V 、滤波器、 2V 后，再回到电源负极。此时，逆变器输出端已形成正负交变的方波。利用 SPWM 控制，使得两对MOSFET管交替重复开关动作，输出等效交流电压，再经过滤波器的作用，使输出端形成正弦波交流信号。这也就是逆变电路最基本的工作原理。 武汉理工大学毕业设计（论文） 7 2.2 并网逆变器模型设计分析 光伏逆变系统输出的电能要并入电网，电压幅值、频率、功率因数等都需要满足公共电网的要求，但是随着电网 电压的波动，光伏逆变器输出电流也会发生相应的改变，这就会导致逆变器输出的电能不能满足电网要求，所以很有必要在光伏逆变器与电网之间引入电力电子整流逆变装置，通过对该
30、装置的控制使最终输出的电能满足电网要求，实现光伏逆变系统的并网运行。 2.2.1 PWM 调制器数学模型 在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上，其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。如果把各输出波形用傅里叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差 异。 图 2.3a和图 2.3b 面积等效原理 把图 2.3a 的正弦半波分 N 等分，就可以把正弦半波看成是由 N 个彼此相连的脉冲序列所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于 N/ ，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变换。如果把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，就得到图 2.3b所示的脉冲序列。这就是 PWM波形 7。可以看出，各脉冲的幅值相等，而宽度是按正弦规律变换的。根据面积等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到 PWM波
