1、 I 摘 要 随着资源的过度开采，全球能源形势的不断紧张。各国元首都将新能源的开发作为本国长期战略目标之一。其中太阳能以其使用清洁、来源充足等优势受到广泛关注。逆变器作为光伏并网的关键所在，如何提高转换效率，减少系统对电网产生的负担成为众多学者研究的课题。本文针对 6kw 光伏并网系统模型，提出了新型的控制策略及仿真结果。具体实验内容如下： 文中首先根据并网逆变器的技术指标和总体设计思路，从几种常见的逆变拓扑结构中选择单相全桥电路作为设备的主电路。为了尽可能提高设备转换效率、减小开关损耗，系统选用导通电流较小的 MOSFET 作为主电路中的开关管，通过 MOS 管的导通与关断产生与正弦波等效的
2、一组等幅不等宽脉冲信号。同时也产生了不必要的谐波损耗，通过对系统滤波电路的参数设计，尽可能的减少这部分无功损耗。 传统的并网控制器仅仅实现基本的逆变并网功能。随着电力系统的复杂程度与日俱增，客户对高效可靠、功能更加齐全的并网逆变器更加青睐。本文采用基于空间矢量的SPWM（解耦）的控制算法，将给定电流解耦为有功电流分量和无功电流分量分别对逆变器输入电网的有功功率和无功功率进行闭环控制。在正常工作情况下，并网逆变器仅仅向电网传输有功功率；当 电网接入过多的感性负载时，逆变器可以作为新型无功功率发生器，抵消这部分感性功率；同时，在夜间电网负荷较小情况下，并网控制器可以反向工作将电网电能整流后储存在蓄
3、电池中，次日白天这部分电能与光伏板产生的电能一同输送给电网，达到削峰填谷的作用。 为了验证 SPWM（解耦）控制策略的正确性，文中最后使用 Matlab / Simulink 软件对6kW 的光伏单相逆变系统并入 220V、 50HZ 电网进行模拟仿真。仿真结果表明，这项控制策略的确可以实现双向 DC/AC 变换，有功功率和无功功率分离控制。 关键词 :单相全桥逆变； SPWM（解耦）； Matlab/Simulink 仿真 II Abstract With the over-exploitation of resources, the global energy situation cont
4、inued tense. States yuan capital of the new energy development as one of their long-term strategic objectives. Which use solar energy for its clean, abundant sources of other advantages attracted widespread attention. As the key photovoltaic inverter network, how to improve conversion efficiency, re
5、duce the burden on the grid system of as many scholars study. Aiming 6kw photovoltaic grid system model, a new control strategy and simulation results. Specific experiments are as follows: Firstly grid inverter according to the technical specifications and overall design ideas, choose single-phase f
6、ull-bridge inverter circuit from several common topology as the primary circuit equipment. To maximize equipment efficiency, reduce switching losses, the system selected MOSFET conduction current smaller as the main circuit switch, by MOS tube on and off to produce the equivalent of a set of sine wa
7、ve amplitude Wide ranging pulse signal. Also produced unwanted harmonic losses through the system filter circuit design parameters, as far as possible to reduce this part of the reactive power losses. The traditional grid controller and inverter only implement basic network functions. With the incre
8、asing complexity of the power system, customers efficient and reliable, features more complete and more popular grid inverter. In this paper, based SPWM (decoupling) space vector control algorithm, given the current decoupling of active current component and reactive current components are input to
9、the inverter grid active and reactive power for closed-loop control. Under normal operating conditions, and inverter only active power to the grid transmission; when excessive grid access inductive load, the inverter can be used as novel reactive power generator, to offset this part of the emotional
10、 power; the same time, Network load is small at night, and to network the controller can work in reverse to grid power rectifier stored in batteries, which power the next day part of power generated by photovoltaic panels together with transport to the grid, to the role load shifting . In order to v
11、erify SPWM (decoupling) control strategy correctness, last text using Matlab / Simulink software 6kW single phase inverter PV systems into 220V, 50HZ power grid simulation. Simulation results show that this control strategy can indeed achieve bidirectional DC / AC conversion, active and reactive pow
12、er splitter control. Key Words： single-phase voltage-source； SPWM； Matlab/Simulink simulation目 录 摘 要 . I Abstract.II 第 1 章 绪论 . 1 1.1 研究背景及意义 . 1 1.2 并网逆变系统研究现状 . 2 1.3 并网逆变器拓扑结构与模型 . 3 1.3.1 单相半桥拓扑结构 . 3 1.3.2 单相全桥拓扑结构 . 4 1.4 并网逆变器控制算法研究现状 . 4 1.4.1 单周期控制算法 . 5 1.4.2 SPWM（无解耦） . 6 1.5 主要研究内容 . 6 第
13、 2 章 并网逆变器方案设计 . 8 2.1 技术指标与总体设计 . 8 2.2 并网逆变器整体结构设计 . 8 2.2.1 并网逆变器拓扑结构设计 . 9 2.2.2 并网逆变器滤波电路参数设计 . 11 2.2.3 并网逆变器开关管的选择 . 12 2.3 本章小结 . 12 第 3 章 并网逆变器建模分析与控制算法设计 . 13 3.1 并网逆变器建模 . 13 3.1.1 PWM 调制器数学模型 . 13 3.1.2 Park 变换矩阵 . 15 3.1.3 典型 I 型系统 . 16 3.2 并网逆变器控制算法设计 . 19 3.2.1 PID 控制算法 . 19 3.2.2 PID
14、 控制器设计 . 20 3.3 本章小结 . 23 第 4 章 SPWM（解耦）控制策略仿真实验 . 24 4.1MATLAB 简介 . 24 4.2 电路仿真电路的建立 . 24 4.3 并网逆变器滤波电路工作特性 . 25 4.4 Spwm(解耦 )功率调节实验 . 26 4.5 本章小结 . 27 第 5 章 总结与展望 . 28 参考文献： . 29 致谢 . 30 武汉理工大学毕业设计（论文） 1 第 1 章 绪论 1.1 研究背景及意义 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压转换为 220V 的单相交流电压。以功率
15、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，资源短缺是未来社会发展最大的阻碍之一。随着全世界经济的不断发展和人口数量的急剧增长，各国都面临着越来越严重的资源危机；诸如煤、石油和天然气为代表的化石燃料面临着来源短缺、污染环境；核能安全性和废料回收的问题得不到解决；导致风能、太阳能、潮汐能、水能、生物能等能源方式受到国内外专家的大力关注，其中，太阳能依靠其来源充足的优势从中脱颖而出 1。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
16、阳辐射的总 能量大于 150千卡 /平方厘米）。比如，赤道附近的国家有相当大的优势。我国大部分地区特别是西北沙漠无人区拥有巨大的光伏产业潜力。 光热、光电、光生物和光化学利是最常见的四种利用太阳能的方式。在众多从太阳能中提取电能的方法之中，光伏发电是其中利用最为广泛的、最亲近广大人民群众的一种。光伏发电是利用太阳光照射到光伏板中的半导体器件时由于电子的转移而产生电能的原理来利用太阳能发电的一种方式。这种方式是将太阳能直接转换为电能，不需要其他能量形式（如机械能）作为中间过程，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
17、缺的问题。 过去的几年中，由于诸如美国、德国等发达国家对自己本土光伏企业的补助，光伏设备的应用范围和销量的不断的扩大提升，光伏产业进入了一个飞速发展的时代。生活环境的不断恶化正逐步倒逼着各国领导人对光伏产业加大投资力度，效率的提高和成本的下降将为光伏产业迎来繁荣的春天。当今全球掌握核心技术的几家公司有： SMA、 studer、 KACO、Fronius、 IngetearTi、 Siemens、 xantrex、 Outback Power、 Spwtick 等公司。其中 SMA、 KACO、Fronius、 lngeteam、 Siemens 占全球市场份额 70%，特别是生产逆变器的大头
18、公司德国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%2。由于国外光伏企业进入市场较早，拥有雄厚的资金和先进的技术，特别是德国和美国的企业长期占领着整个市场。生产出来的设备效率高、稳定性好，深受客户喜爱。 从上个世纪 90 年代初，国内就有部分目光长远的企业涉足光伏 逆变产业，自主研发武汉理工大学毕业设计（论文） 2 建立了光伏并网逆变器以及生产流水线，生产规模初具雏形。但是相对于国外企业，国内产品在高频、大功率的性能指标上都有所欠缺；同时，国内半导体材料加工技术仍需突破，基础
19、器件性能有待提高。令人高兴的是，合肥阳光电源公司通过不断的技术突破，在占据中国 60%以上的市场后，开始把目标指向了欧美等国家；特变电工、西安爱科赛博等公司也在大电流、大功率和高频化等方面取得了优秀的成绩。今后，高效、集成和大功率的产品将成为主流，中国的光伏逆变企业也将会在国际市场上和外国企业一决雌雄。 同时，我国政府出台了一些扶持 国内光伏产业的政策，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，为光伏发电技术的进步提供了有力帮助。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
20、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之类的人来说，这些政策的颁布成功的解决了售电开发票难的问题 7。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。 综上所述，设计并开发一款高效节能、安全可靠的光伏逆变并网系统是十分具有商业价值的。为了降低设备成本，
21、提高光能利用率，本文将对一种集合逆变整流、功率控制等多种功效的控制算法进行研究。 1.2 并网逆变系统研究现状 随着光伏技术瓶颈的不断突破，产品应用市场更加细化。目 前，主要有以下两种研究方向：光伏离网型和光伏并网发电方式。光伏离网式发电系统主要应用在地处较为偏远的山区或者并网较为困难的岛屿。这部分的用电对象往往是结构较为简单的大功率负载，与电网分离，形成类似于孤岛效应的发电系统；往往需要储能设备调节能量偏差。光伏并网式发电系统的输电对象仅仅是电网。通过并网逆变器，将光伏板产生的太阳能转化为适合电网传输的交流电。依靠其具有高效、可不断扩展容量而而成为目前发展的主要趋势。 光伏离网式发电系统主要
22、由：光伏板（ PV）， DC/DC(Buck 降压电路 )、交直流负载、储能器件（蓄电 池、锂电池等）以及 DC/AC（逆变电路）。如图 1.1 所示，其中蓄电池是为了解决光伏板产生的能量与交流负载不匹配时，暂时缓存一部分电能； DC/DC（ Buck降压电路）是为了和市场上蓄电池仅有 12V、 24V、 48V 的电压等级相匹配。 武汉理工大学毕业设计（论文） 3 图 1.1 光伏离网型发电系统示意图 并网式发电系统主要是由光伏板、 DC/DC（ Boost 升压电路）、 DC/AC（逆变电路）以及电网组成。如图 1.2 所示，其中 DC/DC（ Boost 升压电路）是为了给逆变电路提供
23、350V输入电压，由于并网前需要检查电网的相关参数以及电网 出现故障时的孤岛效应。所以相对于离网式发电系统，并网式的控制方式将更加复杂。 图 1.2 光伏并网型发电系统示意图 随着电力系统复杂程度不断加深，用户对高性能的光伏产品呼声越来越高。传统的光伏系统发电方式无论在容量扩充还是性能上都受到严重的挑战。新的设计方式也在不断被提出。 1.3 并网逆变器拓扑结构与模型 对于需要并入电网的逆变器来说，一款好的拓扑结构至关重要。拓扑主电路的不同对开关管数量、开关器件耐压值都会有影响。根据主电路桥臂的数量，常见的拓扑电路主要有：单相全桥电路和单相半桥电路。 1.3.1 单 相半桥拓扑结构 单相半桥主电
24、路拓扑结构如图 1.3 所示，直流侧串联了两个容量完全相同的电容保证正负半周负载承受的电压完全相等，同时也会保证输入直流电压基本上不会出现波动。通过上下桥臂开关管的导通与关断模拟出交流电压正向和负向。开关管上并联的续流二极管为电感提供能量反馈的通道。 D C / D C D C / A C交 流负 载蓄 电 池直 流负 载D C / D C D C / A C电 网P V武汉理工大学毕业设计（论文） 4 图 1.3 单相半桥逆变电路 单相半桥逆变电路结构形式相对较为简单，所需要的开关器件较少。一定程度上从侧面减少开关管损耗，提高逆变电路效率。同时从反面上导致直流侧电压利用率较低，只有输入电压的
25、一半，在使用该拓扑电路 之前一般都会在前级串联一段升压电路，弥补这一部分缺陷。但这也就导致了需要投入更多的成本，得不偿失。往往这一拓扑结构仅仅用于理论研究。 1.3.2 单相全桥拓扑结构 单相全桥逆变电路的拓扑结构如图 1.4 所示。减小直流侧电压脉动只需一个电容即可，通过两组斜对管的互补导通实现负载两端电压的正负切换。并联在开关器件上的续流二极管同样为能量的反馈提供回路。 图 1.4 单相全桥逆变电路 相对于半桥电路，全桥电路需要添加一组开关器件，不可避免会提高整体电路的开关损耗，降低转换效率。但是此拓扑结构的电压 利用率是半桥的一倍，大大的降低了电路需要输入电压等级。开关管需要承受的额电压
26、等级也是半桥电路的一般。 1.4 并网逆变器控制算法研究现状 并网逆变器的控制目标是通过调节器处理，将逆变系统的功率因素无限接近于 1 以保证最大功率的输出。不断观察控制对象的频谱特性曲线，使用闭环控制提高系统的动态响+-+-武汉理工大学毕业设计（论文） 5 应速度。同时通过脉宽调制技术，尽可能较少输出电压基波中的高频谐波成分，较少发电系统对电网的影响。 同时，并网逆变器是一个不断需要检测电网信号、改善自身系统参数的自适应系统。是一个不管在并网还是离网状态下都能安全、稳定工作的设 备。在正常工作状态下，并网逆变器需要根据电网上的负载切换提供相应的视在功率；在电网出现异常状态、甚至是断电时，系统
27、此时应能在孤岛状态下继续为本地负荷供电。这些复杂情况都需要控制算法给出相应的处理方法。 并网逆变器的控制算法受到许多国内外学者的深入研究。通过一段时间的探讨，业内人士已经在这方面取得了辉煌的成就。目前主要有两种得到公认的控制算法，一种是针对控制对象的瞬时值跟踪完成，称为单周期控制算法；另一种方式的研究对象是系统的传递函数，通过对其频率特性曲线的矫正找到合适的动态响应。 1.4.1 单周期控制算法 单周期控制理论（ One-CycleControl）是由美国加州理工学院的 K.M.Smedley 博士于上世纪 90 年代初提出的一种大信号非线性控制理论方法，它是在开关放大器 PWM 控制的基础上
28、发展起来的。该控制理论的特点是不管系统处于静态稳定还是动态变化的状态下，PWM 的输出量始终保证正比于基准值。由于其控制的是每个脉冲周期的冲量值，故其反应速度相当快，能有效抑制干扰信号对系统的影响。 由于并网逆变器输出电压被电网电压钳制住，系统一般会采用电流闭环负反馈输出与电网电压同频的正弦波电流。当开关管的开关频率确定时，系 统通过脉宽调制技术输出一组等幅不等宽的脉冲信号，保证时刻与给定值匹配。以一个工频周期为例，将正弦波给定电流分解成为一个个离散的脉冲信号，通过控制 PWM 调制器在每个开关周期中的占空比不断跟踪给定的离散信号，达到瞬时控制的目的。当然分离的离散信号个数越多即开关管的开关频
29、率越高，系统的控制效果越好，同时也加重了控制器的负担。本仿真设计中 PWM脉宽调制器模拟的是 50Hz 工频电流，开光频率是 10KHz，故需要进行 200 个单周期控制。通过采样板测量出这一时刻的采样点电流，同时主程序中的中断函数需要计算出下一次脉冲电流数 值。通过实际测量值与下一次理论计算相比较，决定下一次单周期脉宽调制器输出的占空比。最后，中断函数计数器数值加一，为下一次的输出电流值做好理论计算。 单周期控制算法是一种由单极性拓扑方式计算出来的 PWM 调制方式，因其控制周期短而在逆变器中得到了广泛的应用。在 10KW 以下的逆变系统中，调制的输出电流波形稳定、系统的动态响应较快，能显著
30、较少电网电压对控制系统的干扰，转换效率较高、谐波成分较少。 武汉理工大学毕业设计（论文） 6 1.4.2 SPWM（无解耦） 通常情况下对于需要并入电网的逆变器来说有两个重要的要求：输送给电网的电流作为调节量要与电 网的电压频率相同，相角根据负载差异变化；尽可能的抑制电网电压波动对系统的干扰。故常规的控制算法应是对输出电流和电网电压同时调节的双重控制策略。系统结构简图如下图 1.4 所示： 图 1.4 SPWM（无解耦）系统结构简图 其中内环采用瞬时电流闭环负反馈控制，用于保证输出电流时刻跟踪给定电流。但是由于系统的单闭环控制存在原理上的缺陷，输出的电流幅值上会和给定值存在稳态误差。且通过对
31、PI 参数的调节也不能完全消除稳态误差、而且还会恶化系统的动态响应。外环的控制正是为了解决这一缺陷。不断检测内环输出的 并网电流的幅值和相角，通过外环的 PI控制器来弥补内环的稳态误差。同时，外环的控制也不会影响内环的动态响应的速度。这种控制算法相对于单周期控制能很好的释放控制器资源，极大的减少软件出错的概率。但当并入电网的负载是电动机之类存在无功功率的供给时， SPWM（无解耦）控制算法无法做出迅速的调节。 1.5 主要研究内容 由于常规的两种逆变控制算法存在或多或少的缺陷，无法适应越来越复杂的输电环境。本文首先分析了并网逆变系统主电路工作状态，建立了时域下的数学模型，对传统的控制策略进行了改进，最后进行了模拟仿真实验。其中重点 是并网逆变器建模分析与算法控制设计，改进了常规的 SPWM（无解耦）控制算法。并通过 PI 控制改善了系统的动态响应速度。 (1)首先详细的介绍本文的研究背景以及国内外研究现状。本文从国内外光伏发电现状、国内政策导向、逆变电路拓扑结构以及常规逆变控制算法四个方面介绍了并网逆变器的技术现状，其中重点是控制算法中的 SPWM（无解耦）算法。文中的控制策略是对该算控 制 器 1 控 制 器 2 逆 变 器 滤 波 器P L LK IK 2R M S+-+-+-refI tsi n netU0I
