毕业论文-光伏逆变器的并网控制仿真.pdf

南京工业大学本科生毕业设计（论文）摘要世界环境的日益恶化和传统能源的日益枯竭，促使了对新能源的开发和发 展。具有可持续发展的太阳能资源受到了各国的重视，各国相继出台的新能源法 对太阳能发展起到了推波助澜的作用。其中，光伏并网发电具有深远的理论价值 和现实意义，仅在过去五年，光伏并网电站安装总量已达到数千兆瓦。而连接光 伏阵列和电网的光伏并网逆变器便是整个光伏并网发电系统的关键。光伏并网逆变器是将太阳能电池所输出的直流电转换成符合公共电网要求 的交流电并送入电网的设备。首先介绍了光伏并网逆变器。其次，本文采用直流 电压外环、电流内环的双闭环控制方法，既保证了逆变器输出的静态误差为零，又保证了逆变器良好的输出波形。随后，本文详细讨论了并网过程中的软件锁相 环技术，对锁相环电路的组成、工作原理进行了研究。本文根据逆变器结构的特点，提出了基于DC-AC单级并网逆变器的结构。在DC-AC转换器中，采用输出电流控制，根据正弦脉冲宽度调制的缺点，提出空 间矢量脉宽度调制方法对逆变器进行控制，从而提高直流侧电压的利用率，减少 谐波。基于SVPWM的控制原理，在MATLAB_simulink上建立系统模型，并进行 了仿真实验。仿真结果表明输出电流与电网电压保持同相位，从而证明了原理的 可行性。关键词：光伏发电 并网逆变器SVPWM 锁相环技术I摘要ABSTRACTThe worlds environment is deteriorating and the increasing depletion of traditional energy sources to promote the development of new energy development.Solar energy resources by the countries attach importance to sustainable development,countries have introduced a new energy law has played a role in fueling the development of solar energy.Among them,photovoltaic power generation has far-reaching theoretical value and practical significance,in the past five years alone,the total photovoltaic power plant installation has reached thousands of megawatts.Connected photovoltaic arrays and grid photovoltaic grod-connected inverter is the key to the entire grid-connected PV systems.PV grid-connected inverter solar cell output DC into AC meet the requirements of the public grid and into the power grid equipment.First introduced the PV grid-connected inverter.Secondly,the DC voltage loop and inner current closed-loop control method,both to ensure zero static error of the inverter output,but also to ensure that the inverter output waveform.Subsequently,the detailed discussion of the software phase-locked loop technology and network process,the composition of the phase-locked loop circuit,the working principle of the study.According to the characteristics of the inverter structure,based on the structure of the DC-AC single-stage grid-connected inverter.DC-AC converter,the output current control,according to the shortcoming of the sinusoidal pulse width modulation,space vector pulse width modulation inverter control,thereby improving the utilization of the DC voltage and reduce harmonics.Based on the principle of SVPWM control in MATLAB_simulink system model and simulation experiment.The simulation results show that the output current and grid voltage to maintain the same phase,thus proving the feasibility of the principle.Key words:Photovoltaic power generation;SVPWM;Grid-connected inverter;PLLii南京工业大学本科生毕业设计（论文）目录摘要.IABSTRACT.II第一章绪论.11.1 光伏发电的研究背景与意义.11.2 国内外的研究现状.31.2.1 国外的研究现状.31.2.2 国内的研究现状.41.3 光伏并网逆变器技术.41.4 光伏并网逆变器的发展趋势.61.5 本文主要的研究内容.6第二章并网逆变器的概述.72.1 并网逆变器.72.2 并网逆变器的结构特点及作用.72.3 并网逆变器的分类.92.3.1 逆变器的拓扑分类.92.3.2 逆变器的回路方式.102.4 本章小结.12第三章系统的总体结构设计及工作原理.143.1 系统的总体设计.143.2 系统的总体方案.153.3 系统的工作原理.153.4 本章小结.16第四章光伏并网逆变器控制策略的初步研究.174.1 光伏并网逆变器控制目标.17ill目录4.2 基于SVPWM的电压/电流型并网逆变器控制的研究.174.2.1 控制系统数学模型.174.2.2 PI参数的设计.194.2.3 基于SVPWM的电压/电流型并网逆变器的控制方法.214.2.4 SVPWM信号的产生原理.214.3 并网逆变器中同步锁相环的研究.244.3.1 软件锁相环的基本原理.244.3.2 基于光伏并网控制的软件锁相环的工作原理.244.3.3 并网控制中的锁相算法分析.254.4 本章小结.27第五章光伏逆变器并网控制各部分模型及仿真结果.285.1 光伏逆变器并网控制仿真模型.285.1.1 电网电压锁相环子系统模型.295.1.2 产生SVPWM 驱动波形子系统模型.295.1.3 电压外环电流内环的双闭环控制器子系统模型.305.2 仿真结果及分析.305.3 本章小结.32结语.33参考文献.34致谢.35IV南京工业大学本科生毕业设计（论文）第一章绪论本章首先介绍了光伏发电的研究背景与意义，对光伏并网逆变器技术进行了 分析。随后介绍了国内外并网逆变器的研究概况，阐述了光伏并网逆变器的研究 方向。最后介绍了本文的研究内容与章节安排。1.1光伏发电的研究背景与意义能源是人类社会生存和发展的动力源泉。从原始社会的钻石取火到近现代的 化石能源以及核能、地热能、潮汐能、风能、太阳能等各种新能源的应用无不闪 现着人类的智慧之光!太阳能发电有热发电和光伏发电两种。将太阳光辐射能 通过光伏效应-直接转换为电能，称为太阳能光伏发电技术，是一种可再生的无 污染的发电方式。光伏发电成为一种改善人们生活条件、不破坏环境、受到人们 欢迎的可再生能源。太阳能光电技术已历经了半个世纪的发展，现在世界太阳电池组件的年产量 已达200MWp以上（1998年为157.4MWp）,投入应用的太阳能光电系统的累计容 量已超过UOOMWp,成为全球发展速度最快的能源。与此同时，作为应用系统的 太阳能并网发电逆变装置的研究无疑也就成为世界上太阳能光伏发电领域中最 热门的题目之一，它是太阳能并网发电的关键装置，对它的研究和开发是太阳能 应用推广的必然要求，并存在着巨大的市场前景。太阳能利用技术指太阳能的直接转化和利用技术。把太阳辐射能转换成热能 并加以利用属于太阳能热利用技术;利用半导体器件的光伏效应原理把太阳能能 转换成电能称为太阳能光伏技术叫 从文献太阳能光伏并网发电系统的研究 图了解到：光伏并网发电是太阳能利用的发展趋势，除大型光伏并网电站外，光 伏发电系统将愈来愈多地用于调峰电站和屋顶光伏并网电站。因此，对光伏并网 系统的研究必将成为光伏发电技术研究的重中之重。近年来，随着能源消耗的大规模增加、环保意识的逐渐提高，以太阳能为代 表的可再生能源发电受到了广泛重视，并网发电装置的应用逐渐增多艮 太阳能 发电有离网和并网两种工作方式。过去，由于太阳能电池成本居高不下，太阳能 发电多数被用于偏远的无电地区，都属于离网型用户。但近年来，光伏产业及市 1第一章绪论场发生了极大的变化，开始由边远地区逐渐向城市并网发电、光伏建筑集成的方 向快速迈进，太阳能已经全球性地由“补充能源”的角色被认可为下一代“替代 能源”叫随着光伏发电的迅速发展，对光伏发电提出了新的要求，需要大规模的并网 发电，与电网连接同步运行。并网逆变器作为光伏发电的核心，对其要求也越来 越高口”然而逆变技术是光伏发电并网的关键技术，并网逆变器作为太阳能电池 与电网的接口装置，在新能源的开发和利用中有着至关重要的作用，直接影响着 光伏并网发电系统的经济性和可靠性口 3光伏逆变器实现并网运行必须满足其输出电压与电网电压同频、同相、同幅值，输出电流与电网电压同频、同相，即功率因数为1,而且其输出还应满足电网的 电能质量要求。这些都依赖于逆变器的有效控制策略。其控制的整体思路是前级 Boost电路通过调节全控型器件S的占空比来调节光伏阵列的输出电压，以实现 MPPT控制；后级控制并网电流跟踪指令电流，并使电容C2的电压稳定。同时，为保证光伏逆变器安全有效地直接工作于并网状态，系统必须具备一定的保护功 能和防孤岛效应的检测与控制功能口口3光伏并网发电系统包括以下三个部分：光伏阵列模块、逆变器、控制器和电 网口”为了保证并网太阳能光伏发电站及其接入电网的安全、可靠、稳定运行，目前实施的项目中主要在发电站内采用逆变器来实现发电站的自动运行的功能，并安装了无功补偿装置及电能质量监测分析装置等，以保证电网的安全稳定运行 9O太阳能光伏发电作为可再生的清洁能源正受到日益广泛的关注与应用。近 年，太阳能光伏发电的技术水平得到快速的发展与提高。以上内容说明了光伏电 站并网逆变器选型的趋势。随着以后逆变器技术的成熟，将会提高光伏发电系统 的总效率，降低建设光伏电站的总费用。对于我国大规模的光伏并网电厂建设具 有重要的意义回。2南京工业大学本科生毕业设计(论文)12国内外的研究现状1.2.1 国外的研究现状国外并网型逆变器已经是一种比较成熟的市场产品，例如在欧洲光伏专用逆 变器市场中就有SMA、Satcon、Siemens等众多的公司具有市场化的产品，其中 SMA在欧洲市场中占有的50%的份额，出欧洲外，美国、加拿大、澳大利亚、新 西兰以及亚洲的日本在并网型逆变器方面也都已经产品化。一 SMA为例介绍目前 光伏并网发电系统用逆变器的发展情况，SMA光伏并网逆变器目前具有三大系列 产品：组串逆变器、集中逆变器和多支路逆变器，其中以SB(Sunny Boy)系列逆 变器是SMA公司推出的最成功的产品之一，应用最广泛。该产品具有如下特点：高效率、高功率因数、低THD；基于微处理器的自动功率点调节。图2为SMA 公司的SB700并网逆变器。其输入直流电压的范围是150V-250V,最大输入电流 为7A,额定输出功率为70W。输出并网交流电THD小于4肌 效率为93%,白天逆 变器损耗小于4肌 晚上损耗小于0.1W,同时具有反孤岛效应，电流保护等，符 合UL1741,IEEE219,IEEE929等相关国际安全标准。图 1-2 Sunny Boy 700多支路逆变器室SMA最新推出的产品，该产品采用最大功率跟踪和并网逆变 两级能量变换结构，多个不同支路共同用一个逆变环节，中间设置有内部直流母 线，可以是系统的灵活性大为提高；输出端无工频变压隔离器，采用最新的电网 阻抗检测和交、直流剩余电流检测来实现有效保护。与SMA相比较，西门子并网光伏逆变器则采用主从式构建系统，由主逆变器 3第一章绪论和若干个从逆变器来组建用户要求容量的并网光伏系统，灵活性和系统的扩展性 均没有SMA强。除SMA和西门子外，美国Satcon公司也根据光伏市场需要推出自己产品，系列覆盖了中、大功率范围，也可将多台功率的逆变器并联构成系统，而且逆变 器中也集成了最大功率跟踪环节。1.2.2 国内的研究现状由于我国光伏发电等可再生能源发电技术的研究仍处于起步阶段，技术水 平相对国外还有一定差距。就并网型光伏发电系统的核心技术并网型逆变器而 言，国内一些电工研究所等科研单位在这一方面进行了相关的研究，并且在“九 五”、“十五”期间，国家科技部投入相当数额的经费进行开发工作。国内对并网 逆变器的研究比较多的采用最大功率跟踪和逆变部分相分离的两级能量变换结 构，而且市场产品的种类还相对单一。并网光伏发电系统在我国还没有正式地投 入商业化运行的应用，目前所见并网发电系统如：深圳世博园1MW并网光伏系 统、首都博物馆300kW并网光伏系统都为示范工程。并网光伏发电系统的核心 并网型逆变器还主要依赖进口或者合作研究的方式获得，因此掌握并网光伏发电 系统的核心并网型逆变器技术对推广并网光伏系统有着至关重要的作用。1.3 光伏并网逆变器技术光伏并网发电系统与独立发电系统相比，省略了体积大、价格高、不易维护 的蓄电池，具有造价低，输出电能稳定的优点，因而具有更为广阔的市场前景。典型的光伏并网系统的结构包括：光伏阵列。直-直变换器（DC-DC）,直-交变换 器（DC-AC）和采样保护装置，其结构如图3所示。4南京工业大学本科生毕业设计（论文）DC/DC 变换器MPPT驱动电路PWM控制器图3光伏并网系统结构图并网逆变器是光伏并网系统中实现光伏阵列与电网间能量的传递与转换的 关键环节。并网逆变器的作用是当光伏发电系统的输出在较大范围内变化时，能 始终以尽可能高的效率将光伏电池输出的低压电流转化成与电网匹配的交流电 流送入电网。并网逆变器连接光伏阵列，电网，为用户所服务，其技术可以从电网、光伏 阵列、用户这是哪个方面来进行分析和总结：1）逆变器要与电网相连，必须满足电网电能质量、防止孤岛效应和安全隔 离接地三个要求。目前，国外的并网标准中明确规定并网逆变器输出波形的总谐 波因数应小于5%,各次谐波含量应小于3%,并且具有良好的动态特性。根据 IEEE2000-929和UL1741标准，所有并网逆变器必须具有防孤岛效应的功能，孤 岛效应发生时必须快速、准确地切除并网逆变器。随着光伏并网发电系统进一步 发展，当多逆变器并网时，可能导致上述方法失效，因此研究多逆变起的并网通 信、协同控制已成为孤岛效应检测与控制的研究趋势。2）由于日照强度和环境温度都会影响光伏阵列的输出功率，因此必须通过 逆变器的调节使得光伏阵列的输出电压趋近于最大功率点电压，以保证光伏阵列 在最大功率点附近运行而获得最大能量，提高系统的效应。最常用的最大功率点 跟踪方法有：恒定电压跟踪法、扰动法。同时，光伏阵列的输出特性也决定了逆 变器应具有较宽的直流电压输入范围。3）用户对逆变器的要求主要包括：成本低，功耗低；安全可靠性高；使用5第一章绪论寿命长。1.4 光伏并网逆变器的发展趋势从行业发展来看，把太阳能通建筑结合起来，将房屋发展为具有独立电源，自我循环式的新型建筑，是人类进步和社会科学技术发展的必然。光伏并网发电 和建筑一体化的发展，标志着光伏发电由边远地区向城市过渡，由补充能源向替 代能源过度。联合国能源机构调查报告显示，光伏建筑一体化将成为21世纪城 市建筑节能的市场热点，太阳能建筑业将是21世纪重要的新兴产业之一。从技术发展来看，随着电力电子元器件的发展、数字信号处理技术的应用以 及先进的控制方法的提出，电力电子能量变换发生了巨大的变化。首先，元器件 正向低导通损耗、快速化、智能化、封装合理化等方向发展。其次，数字信号处 理技术的应用有助于减少并网逆变器输出的直流成分；提高开关频率，减少滤波 器体积；改善输出波形，快速响应电网瞬态变化。最后，先进的控制方法将有助 于改善输出波形的质量，从而减小滤波环节的体积，提高系统的动态响应性能。因此，并网型逆变器的发展必然将沿着数字化、高频化的方向进行。1.5 本文主要的研究内容针对广光伏逆变器并网控制面临的问题，在广泛调研和深入分析的基础上，研究建立高效合理的光伏逆变器模型，基于matlab的simulink单元，应用合理 高效的控制算法，设计合理的光伏逆变器并网控制策略，具体工作如下：1、通过查找相关逆变并网器控制相关资料，了解并网逆变器外围硬件结构；阅读有关逆变并网原理及Matlab的技术资料，了解其控制方法。2、从说查阅的资料中比较各种方案的特点，最终确定设计所采用的方案。3、使用Simulink对设计逆变并网器外围硬件拓扑电路图，逆变桥臂进行动态仿 真。4、使用SimPowerSystems工具箱结合Matlab对设计的SVPWM、数字PID、PLL 等控制算法进行仿真测试。6南京工业大学本科生毕业设计（论文）第二章并网逆变器的概述2.1 并网逆变器随着微电子与信息技术的发展，应用速度快速发展。对电源品质的要求越来 越苛刻。但在某种程度上全世界均面临电力供应不足或不稳定的威胁，由于公共 电网无法保证提供高品质的稳定电源，而逆变并网器能够根据电网情况，动态调 节有功无功，因此逆变并网器将成为电力系统不可或缺的设备。微电子技术的发展为逆变技术的实用化创造了平台，传统的逆变技术需要通 过许多的分立元件或模拟集成电路加以完成，然而随着逆变技术复杂程度的增 加，所需处理的信息量越来越大，而微处理器的诞生正好满足了逆变技术的发展 要求，从8位的带有PWM 口的微处理器到16位单片机，发展到今天的32位 DSP器件，使先进的控制技术如矢量控制技术、多电平变换技术、重复控制、模 糊逻辑控制等先进的控制算法在逆变领域得到了较好的应用。总之，逆变技术的发展是随着电力电子技术、微电子技术和现代控制理论的 发展而发展，进入二十一世纪，逆变技术正向着频率更高、功率更大、效率更高、体积更小的方向发展。为此本设计方案采用DC-DC-AC结构能有效提高效率、同时由于采用高频直流升压技术使逆变并网器体积更小，安全性能大大提高；并 针对动态系统的试验问题提出了利用Simulink的参数估计功能，使理论模型根 据实验数据进行数值参数估计，从而达到理论模型充分接近实际实验环境；同时 应用SPWM技术降低对电网的谐波污染到最低；而基于模型设计的嵌入式开发 理念，更为逆变并网器的开发试探了一条稳定迅速的开发方式。2.2 并网逆变器的结构特点及作用并网逆变器的结构特点：7第二章并网逆变器的概述图1-2常见逆变并网器结构逆变器是通过半导体功率开关的开通和关断作用，把直流电能转变成交流电 能的一种变换装置，是整流变换的逆过程。按逆变方式可以粗略分为两类：其一 DC-AC-AC；其二DC-DC-AC。前者先将蓄电池中的12V直流能量逆变成低压 12V 50Hz交流能量，在经过工频变压器，最后升压变换为220V/380V交流电能 并入电网中。然而这种逆变器结构由于采用工频变压器，工频变压器由于工作频 率低电磁转换效率低，如果逆变并网器功率提高工频变压器体积将非常庞大。后 者则是先将蓄电池中的直流能量，通过高频直流逆变装置从12V变换为直流母 线中400V直流电压,再从直流母线中的400V直流电斩波形成50Hz交流电向电 网中提供有功。采用高频直流升压技术使逆变并网器体积更小，安全性能大大提高；并针对 动态系统的试验问题提出了利用simulink的参数估计功能，使理论模型根据实验 数据进行数值参数估计，从而达到理论模型充分接近实际实验环境；同时应用 SVPWM技术使对电网谐波污染降低到最低；而基于模型设计的嵌入式开发理 念，更为逆变并网器的开发试探了一条稳定迅速的开发方式。并网逆变器的作用：图2-2电网中的逆变并网器8南京工业大学本科生毕业设计（论文）由图2-2我们可以看出相对于传统电网含有逆变并网器的电网，逆变并网器 可以划归为用户组，它即可在电网电能富余时将电网能量暂时储存于蓄电池中以 待用电高峰时向电网提供有功功率，也可将常见的集中绿色能源经过整流器以直 流电能的形式存储于蓄电池，并在电网出现故障后检测出电网故障，及时断开电 网连接，避免孤岛效应，以减少人员设备损害。2.3 并网逆变器的分类2.3.1 逆变器的拓扑分类按逆变器主电路的拓扑结构分类，主要有：推挽逆变器、半桥逆变器和全桥 逆变器回。推挽式逆变器拓扑结构如图2-3所示。它结构简单，两个功率管可共 同驱动，但功率管承受开关电压为2倍的直流电压，因此适合应用于直流母线电 压较低的场合。止匕外，变压器的利用率较低，驱动感性负载困难。单相半桥电路结构简单，但主要缺点是直流侧电压利用率低，在同样的开关 频率下电网电流的谐波较大。电路原理图如图2-4所示。9第二章并网逆变器的概述图2-4单相半桥逆变器电路拓扑图目前应用最广泛的是单相全桥式逆变器，其拓扑结构如图2-5所示。该电路 不足是要求较高的直流侧电压，但其结构简单易于控制。1TNM D-光伏阵列一图2-5单相全桥逆变器电路拓扑图2.3.2 逆变器的回路方式逆变器的主电路结构按照输出的绝缘形式分为：工频变压器绝缘方式，高频 变压器绝缘方式，无变压器方式3种口叫1、工频变压器绝缘方式采用工频变压器进行绝缘和变压，具有良好的抗雷 击和消除尖波的性能，电路简单，变换只有一级，效率较高。由于电路中的半导 体器件少，可适应比较恶劣的使用条件。开关频率低，产生的电磁干扰小。一般 工频你变不采用SVPWM控制，输出时矩形波，要经过强有力的滤波措施，才能是 10南京工业大学本科生毕业设计（论文）输出正弦波形畸变5虬这种方式的逆变器主要用于独立型太阳能发电系统。图2-6为采用电压型工频变压器绝缘方式的逆变器的主电路。光伏阵列高频逆变器图2-6采用工频变压器绝缘的逆变器主电路2、高频变压器绝缘方式图2-7为采用高频变压器绝缘方式的逆变器的主电 路。图2-7中变换为三级。高频变压器比工频变压器体积小，重量低，成本低。但是经多家变换，回路较为复杂，效率问题比较突出，只要采用低损耗吸收电路 和认真选择电磁元件，仍然可以使效率超过90虬由于有SVPWM控制和周波数变 换，输出波形畸变小，不需要强有力的滤波，不过高频电磁干扰问题严重，要采 用滤波和屏蔽等抑制措施。11第二章并网逆变器的概述图2-7采用高频变压器绝缘的逆变器主电路3、无变压器方式为了进一步降低成本，提高效率，已开发的光伏并网逆变 器采用无变压器无绝缘方式逆变器主电路，如图2-8所示。电路前面为升压电路,后面为SPWM工频逆变器。升压电路可以和不同输出电压的太阳能电池匹配，把 天阳能电池的输出电压升到400V左右，有了升压部分后，可以保证逆变部分输 入电压比较稳定，同时提高了电压，减少了电流，可以降低你变部分损耗。升压 电路还可以对输入的功率因数进行校正。升压电路 工频变压器图2-8采用无变压器无绝缘的逆变器主电路逆变器无变压器无绝缘方式主电路比工频变压器绝缘方式复杂一些，比高频 变压器绝缘方式简单，仍然是两级变换效率高。没有变压器，体积小、重量轻、成本较低，是到目前为止比较好的一种主电路方式。2.4 本章小结本章首先对并网逆变器的发展进行了详细介绍，然后又分别介绍了逆变器的 12南京工业大学本科生毕业设计（论文）结构特点及作用，在此基础上又对并网逆变器的分类进行了总结。13第三章系统的总体结构设计及工作原理第三章系统的总体结构设计及工作原理3.1 系统的总体设计光伏并网逆变器按控制方式分类，可分为电压源电压控制、电压源电流控制、电流源电压控制和电流源电流控制四种方法。以电流源为输入的逆变器，其直流 侧需要串联一大电感提供较稳定的直流电流输入，但由于次大电感往往会导致系 统动态响应差，因此当前世界范围内大部分并网逆变器均采用以电压源输入为主 的方式四。按输入直流电源的性质，可将逆变器分为：电流型逆变器和电压型逆变器，结构如图3-1所示。图3-1按输入直流电流源性质分类的并网逆变器原理图市电系统可视为容量无穷大的定值交流电压源，如果光伏并网逆变器的输出 采用电压控制，则实际上就是一个电压源与电流源并联运行的系统，这种情况下 要保证系统稳定运行，就必须采用锁相控制技术以实现与十点同步，由于锁相回 路的相应较慢、逆变器输出电压值不易精确控制、可能出现环流等问题。如果你 变且输出采用电流控制，则只需要控制逆变器的输出电流以跟踪市电电压，即可 达到并联运行的目的，控制方法相对简单，因此使用比较广泛口”综上所述，本文设计的光伏并网逆变器采用电压源输入、电流源输出的控制 方式，即电压型逆变器。采用电压型逆变主电路，同时可以实现有源滤波和无功 补偿的控制，在实际中已经得到了广泛的研究和应用，可以有效地进行光伏发电、14南京工业大学本科生毕业设计(论文)提高供电质量和减少功率损耗，而且可以节省相应设备的投资。3.2 系统的总体方案经过方案的论证以及光伏发电系统输出电压波动大的特点，本设计讲光伏发电系统输出电压用直流电压源替代，所以采用单级光伏并网逆变器。图3-2为带工频变压器结构的光伏逆变系统。三相变压器三相滤波器图3-2带工频变压器结构的光伏逆变器采用三相逆变全桥，作用是将直流电源转换成220V/50Z正弦交流电，实现 逆变向电网输送功率。系统保证并网逆变器输出的正弦电流与电网的相电压同频 同相。3.3 系统的工作原理电路原理图如图3-3所示。绝缘栅双极性晶体管(IGBT)为主要开关器件的 单相全桥逆变器主电路图，其中L2为交流侧输出电感，VI-V6是主开关管IGBT,对六个开关管进行适当的SVPWM控制，就可以调节逆变器输出电流与电网保持同 相位，达到输出功率因数为1的目的。15第三章系统的总体结构设计及工作原理图3-4单相全桥逆变器的拓扑结构它是由两个桥臂并联组成，因此这种桥式拓扑，仍属于升压结构。其启动 的先决条件是交流侧滤波电容预先充电到接近电网电压的峰值，而欲使电感电流 能按照给定的波形和相位得到控制，必须保证在运行过程中，直流侧电压不低于 电网电压的峰值，否则，续流二极管将以传统的整流方式运行，电感电流不完全 可控。3.4 本章小结本章首先对并网逆变器的控制方式进行了总体的设计规划，然后对电路的结 构进行了分析，进而确定了本文所涉及的光伏并网逆变系统的总体结构，采用单 级全桥逆变方式的结构。16南京工业大学本科生毕业设计（论文）第四章 光伏并网逆变器控制策略的初步研究4.1 光伏并网逆变器控制目标光伏并网系统是将太阳能电池板产生的直流电转化为正弦交流电，从而向电 网供电的装置口叫并网逆变器的输出电流为被控量，并网逆变工作方式下的等效 电路和电压电流矢量图如图2-2所示，图中Ua为逆变电路交流侧电压，Unet为 电网电压。因为并网逆变器的输出滤波电感L的存在会使逆变电路的交流侧电压 与电网电压之间存在相位差，为了满足输出电流与电网电压同相位的关系，逆变 输出电压要滞后于电网电压。图4-1并网时的等效电路和电压电流矢量图在光伏并网发电系统中，并网逆变器工作在有源逆变状态且其功率因数应为 L以保证不对电网造成污染。当电网电压Unet 一定时，若控制Ua沿ab方向调 节，则从矢量图中可以看出电感电压矢量UL滞后电网电压矢量Unet 90,并 网输出的电流I超前电感电压矢量UL 90。，即与电网电压同相位，从而实现无 污染的并网输出。4.2 基于SVPWM的电压/电流型并网逆变器控制的研究4.2.1 控制系统数学模型17第四章 光伏并网逆变器控制策略的初步研究单相光伏并网系统的主电路拓扑结构为一个H桥，如图4-2所示，通过功率 器件的换相，直流能量转换成适合于馈入电网的交流能量，由于电网反映电压源 的特性，因此，馈入电网的能量应以电流源的形式出现。通过交流侧电感的滤波图4-2主电路拓扑结构对逆变器输出端电路，图4-2中取流经滤波电感L的电流iL为状态变量。则 由图4-2可得：Uab=Unet L+iLRL(4.1)at经过Laplace变换，可解出L(s):h=一Unet(s)=G3(S)t/ab(s)Unet(s)(4.2)sL-Rl其中，5b是未经滤波的逆变器输出电压；G3(S)为滤波电路传递函数；Rl 为电感及交流进线的等效电阻。如果忽略功率开关器件T1-T6开关延时及死区时间的非线性影响，SVPWM 控制方式下的桥式逆变环节为一个纯滞后环节，可等效为一个小惯性环节，传递 函数为：G2(s)=KpwM(4.3)。皿 S+l其中，Tpwm是一个开关周期，当开关频率取10kHz时，Tpwm为lOOus,Tpwm 为逆变器增益，与PI调节器的最大限幅值有关，由式(4.2)和(4.3)可得到系统 的并网电流闭环结构图，如图4-3所示：18南京工业大学本科生毕业设计(论文)图4-3电流闭环结构图不对逆系统进行任何控制的情况下，系统被控对象的纯涤函数为:1W(s)=aG2(s)G3(s)=的一*Rl(4.4)PWM S+1 s+Rl式(4.4)中，L为逆变器滤波电感，Rl为电感及交流进线的等效电阻，a为反馈 系数。不进行控制的逆变系统是一个有差系统，存在原理性稳态误差，响应时间 较长；而且该系统不是一个最小相位系统，稳定性差。4.2.2 PI参数的设计为获取理想的动态稳定性，并实现系统的快速响应，将系统设计为一个二阶 系统，我们用二阶最佳工程设计法对PI调节器参数进行整定。二阶闭环系统闭环传递函数一般形式为：G(s)=声上亿a?)(4.5)根据控制理论，使二阶系统的输出获得理想的动态品质，即该系统的输出量快速完全跟踪给定量，可推导出二阶品质最佳系统的开环传递函数为:(4.6)式(4.6)即为二阶品质最佳的基本公式。从快速性和稳定性角度来看，用 数字信号处理器DSP对逆变器系统进行动态校正，就是要求DSP与逆变器系 19第四章 光伏并网逆变器控制策略的初步研究统一起组成的闭环系统具有 二阶最佳设计的基本形式。令PI调节器传递函数 为：K+lG=KpS+勺J S S(4.7)其中，Kp为调节器的比例放大系数；Ki为积分时间常数。为使调节器抵消 并网逆变器系统中较大的时间常数L/Rl，可选择Kp _ LKF(4.8)于是可得控制系统的开环传递函数为:Kp 1-s+1G(s)=G(s)W(s)=a-*Mwm*S PWM S+1Kt1瓦=_L 1 Rls+1-Rl aPWM8。PWMS)(4.9)比较（4.9）与（4.6）的系数得凡aPWM(4.10)PWM可得K=-2,KPWMTPWM(4.11)带入（4.8）,得Kp=-2,KPWMTPWM(4.12)校正后系统的开环传递函数为I型系统，其形式为:pwms(Tpwm S+1)(4.13)闭环传递函数为:G0(s)G(s)1+G(s)1+2Tpwm+2Tpwm s2(4.14)K1 J 2百1G0=1120南京工业大学本科生毕业设计（论文）该电流跟踪控制环节的设计核心基于传统的PI控制技术，属于经典控制理 论的范畴。PI参数的整定建立在逆变器传递函数模型确定的基础上，式（4.3）给出的逆变器传递函数是一种经验模型，因此，给出的P、I参数的计算值是一 种理论指导值，实际调试中因为时间常数、分布参数的影响，需对P、I的参数 予以适当调整。4.2.3 基于SVPWM的电压/电流型并网逆变器的控制方法并网逆变器并网控制的基本原理：基于电压定向的矢量控制（相对于电网电 压矢量位置的电流矢量控制），在直接电流控制的前提下，如果以电网电压矢量 进行定向，通过控制并网逆变器输出电流矢量的幅值和相位（相对于电网电压矢 量），即可控制并网逆变器的有功、无功功率，以此实现逆变器的并网控制。控制系统由直流电压外环和有功无、功电流内环组成的栓闭环控制系统。直 流电压外环的作用是稳定或调节直流电压，引入直流电压反馈并通过一个PI调 节器实现直流电压的无静差控制。由于直流电压的控制可通过id的控制来实现，因此直流电压外环的PI调节器的输出量即为有功电流内环的电流参考值i，从 而对并网逆变器输出的有功功率进行调节。无功电流内环的电流参考值iq*则是 根据需向电网输送的无功功率参考值q*（由q*=ediq*运算）而得，当令iq*=O时，并 网逆变器运行于单位功率因数状态，即仅向电网输送有功功率。电流内环是在dq坐标系中实现控制的，即并网逆变器输出电流的检测值ia、ib、八经过abc/a B/dq的坐标变换转换为同步旋转dq坐标系下的直流量id、iq,将其与电流内环的电流参考值比较，并通过相应的PI调节器控制分别实现对id、iq的无静差控制。电流内环PI调节器的输出信号经过dq/a 8逆变换后，即可通 过空间矢量脉宽调制（SVPWM）得到并网逆变器的相应的开关驱动信号院、出、Sc,从而实现逆变器的并网控制。4.2.4 SVPWM信号的产生原理空间矢量脉宽调制 SVPWM（Space Vector Pulse Width Modulation）实际上 是对于三相电压源逆变器功率器件的一种特殊的开关触发顺序和脉宽大小的组 合，这种开关触发顺序和组合将在电机定子线圈中产生三相互差120。的波形失 21第四章 光伏并网逆变器控制策略的初步研究真较小的正弦波电流。实践和理论都可以证明，与直接的正弦脉宽调制(Svpwm)技术相比，Svpwm在输出电压或电机线圈的电流都将产生更少的谐波，提高了 对电压源逆变器直流供电电源的利用率。电压源逆变器可由图1所示的6个开关来等效表示。逆变器桥臂的上下开关 在任一时刻不能同时导通。不考虑死区时，上下桥臂的开关呈互补状态，因此逆 变器有8种不同的开关模式。图4-4三相电压源逆变器模型如图4-4所示，当上桥臂开通、下桥臂关断时，即Sa=1时，U=udc/2；当上桥臂关断、下桥臂开通时，即Sa=O时，U=-Udc/2；Sb、Sc亦同。逆变器的8种开关模式对应有8个电压空间矢量。采用3/2坐标变换，将 三相电压变换到dq轴系。丫 Sb 凡)=挣 a a2 V=I(U+Va+Wa2)(1)式中：a=e7-2w/3=+2 2代入不同的开关模式(Sa、Sb、Sc),通过上述的3/2坐标变换，可得图2 所示的电压空间矢量。图4-5中共有8个矢量，其中V(OOO)和V(1 1 1)为零矢量，幅值为0；其余6个矢量为有效矢量，幅值为序配相邻有效矢量的夹角为60%22南京工业大学本科生毕业设计（论文）通过不同的矢量组合可以合成新矢量，如图2所示，设相邻两个有效矢量V1和Vm,零矢量为Vo,合成新矢量Vout,矢量作用时间分别是T1、Tm、To。Tpwm是PWM脉宽周期。合成新矢量的表达式为yTVmTm+VT.=VoutxTpwm(2