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毕业设计(论文)任务书(2015届)设 计 题 目 大功率光伏逆变器建模与控制 学院名称 继 续 教 育 学 院 专 业 (班 级) 2013级电气工程及其自动化 姓 名 (学 号) 宋玉( 2013816019) 指 导 教 师 王付胜 目录英文摘要2 英文摘要 3 1 绪 论1.1 光伏并网逆变器概述1.1.2 光伏产业崛起的背景及意义1.1.2 光伏并网逆变器技术的作用与发展历程1.1.3 光伏并网逆变器的分类1.2 国内外发展现状及趋势1.2.1 国外发展现状1.2.2 国内发展现状1.2.3 发展趋势1.3 PWM控制技术简介1.3.1 PWM控制的基本原理1.3.2 SVPWM控制简介1.4 本课题的主要研究内容与意义1.4.1 课题的主要研究内容1.4.2 课题的意义2 三相光伏并网逆变器的数学模型及坐标变换原理2.1 三相光伏并网逆变器在静止坐标系下的数学模型2.1.1电路拓扑结构及建模假定条件2.1.2 三相静止坐标系下的数学模型2.2 同步旋转坐标变换( dq变换)原理与方法2.2.1 dq 坐标与三相静止坐标的关系图2.2.2 dq坐标变换的方法2.3 三相光伏并网逆变器在两相旋转坐标系下的数学模型3 三相光伏并网逆变器的控制策略3.1 三相并网逆变器的开环控制3.1.1 无源逆变的模型及仿真3.1.2 有源逆变的模型及仿真3.1.3 SVPWM的基本原理与算法实现3.2 三相并网逆变器的闭环控制3.2.1 闭环控制模型的建立3.2.2 PI电流调节器的设计3.2.3 MPPT控制的基本原理与控制方法3.2.4 闭环控制系统的仿真实现与结果分析4 结论4.1 全文总结4.2 尚待完善的工作谢 辞参考文献 中文摘要:随着市场经济和现代化工业的发展,能源短缺和环境污染,已经成为制约人类社会健康发展的两大重要因素。新能源的开发与利用愈来愈受到重视,太阳能以其清洁环保、蕴藏丰富等优点逐步得到了开发利用。光伏并网逆变器作为太阳能利用中主要的能量变换装置,是目前研究和发展的重要环节。 本文在分析三相光伏并网逆变器工作原理的基础上,设计了并网逆变器的主电路和控制结构。 首先,概述了光伏发电的意义以及我国光伏产业的国内外的发展现状及前景;介绍了PWM控制技术的原理:介绍了本课题的来源及其主要研究的内容。接着,建立三相光伏并网逆变器在不同坐标系下的数学模型,重点分析三相静止坐标系(a-b-c)、两相静止坐标系(-)和两相旋转坐标系(d-q)之间的变换原理和方法,从而建立起三相静止坐标系和两相旋转坐标系下的数学模型。随后,介绍三相并网逆变器的控制策略,以开环控制为基础,分别建立无源逆变和有源逆变的模型,分析其原理和在matlab软件中的仿真结果;同时详细介绍SVPWM控制原理和计算方法,建立起SVPWM控制模块,从而进一步建立双闭环控制模型,对两相旋转坐标系下的id,iq分别进行控制,详细介绍电流内环PI调节器的整定方法,分别对其参数进行整定,分析MPPT控制器的工作原理,得出最终的系统模型,在软件中实现仿真,并对结果进行详细分析。最后,对三相光伏并网逆变器的设计过程进行总结,阐述已达成的目标和尚待完善的工作。关键词:光伏并网逆变器;SVPWM;双闭环控制;dq坐标变换英文摘要:Along with market economy and modern industrial development, the energy shortage and environmental pollution, has restricted the healthy development of human society, wo important factors. New energy development and utilization of solar energy, more attention with its clean environmental protection, rich gradually got the advantages of exploitation. Photovoltaic (pv) grid inverter as solar energy utilization of energy conversion devices main at present, it is the important link of research and development. Based on the analysis of the three-phase photovoltaic (pv) grid inverter, the basic principle of design the grid inverter the main circuit and control structure.First, summarized the significance and photovoltaic energy photovoltaic industry at home and abroad in the developing situation and prospects; Introduces the principle of PWM control technology,; Introduced this topic source and the main research contents.Then, establish three-phase photovoltaic (pv) grid inverter in different coordinates and focuses on analyzing the mathematical model of the three-phase static coordinate system (a - b - c), two-phase static coordinate system (alpha beta) and two phase rotation coordinate system (d - q) between transform principle and method To establish the three-phase static coordinate system and two-phase mathematical model of rotating coordinates.Subsequently, introduce three-phase grid inverter control strategy, with the open-loop control established respectively for the foundation, passive and active vsi model, and analyzes its inverter in the matlab software principle and the simulation results; Meanwhile detailed introduction SVPWM control principle and calculation method, establishes SVPWM control module. Further establish double closed-loop control model, On two-phase rotating coordinate id, iq separately control,the detailed introduction of eletric circuit.and the PI adjuster, setting method of its parameters were setting, Analysis of the working principle, MPPT controller,the system model, obtain the final realization in software simulation, and the results are analyzed in detail.Finally, the three-phase photovoltaic (pv) grid inverter design process were summarized in this paper,Already goal of this work. As to perfect the monk.Keywords: Photovoltaic (pv) grid inverter; SVPWM; Closed loop control; Dq coordinate transformation1 绪 论1.1 光伏并网逆变器概述1.1.2 光伏产业崛起的背景及意义能源是人类社会存在和发展的重要物质基础。人类社会的可持续发展必然需要与之相适应的能源体系作为保障。而目前世界的能源结构是以煤炭、石油、天然气等化石能源为主体结构。化石能源是不可再生的能源,大量耗用终将枯竭。多年来,依赖大量不可再生能源的消耗来换取人类社会的快速发展,已经造成了严重的能源短缺和环境污染问题。长此以往,这必将给人类文明的前景蒙上一层阴影。因此,大力发展清洁的可再生能源已经成为当务之急。太阳能光伏发电作为一种清洁、无噪声的可再生能源越来越受到人们的青睐。光伏产业的迅速崛起对缓解能源的短缺、生态的破坏、环境的污染以及对人类社会的可持续发展都有着极其重要的意义。1.1.2 光伏并网逆变器技术的作用与发展历程据统计资料显示,目前光伏发电系统中,接近99%的安装容量为并网应用,这是因为并网应用相对独立光伏系统有成本低和免维护等优势,并网式光伏发电系统是当今发展方向,全世界并网式光伏系统年增长率约为25-30%。 并网逆变器作为光伏电池与电网的接口装置,将光伏电池的电能转换成交流电能并传输到电网上,在光伏并网发电系统中起着至关重要的作用,现代逆变技术为光伏并网发电的发展提供了强有力的技术和理论支持。并网逆变器正朝着高效率、高功率密度、高可靠性、智能化的方向发展。并网逆变器性能的改进对于提高系统的效率、可靠性,提高系统的寿命、降低成本至关重要。并网逆变器性能的改进 对于提高系统的效率、可靠性,提高系统的寿命、降低成本至关重要。 逆变器技术发展历程 逆变器技术的发展始终与功率器件及其控制技术的发展紧密结合,从开始发展至今经历了五个阶段:第一阶段:20 世纪 50-60 年代,晶闸管 SCR 的诞生为正弦波逆变器的发展创造了条件;第二阶段:20 世纪 70 年代,可关断晶闸管 GTO 及双极型晶体管 BJT 的问世,使得逆变技术得到发 展和应用;第三阶段:20 世纪 80 年代,功率场效应管、绝缘栅型晶体管、MOS 控制晶闸管等功率器件的诞生 为逆变器向大容量方向发展奠定了基础。第四阶段: 世纪 90 年代,微电子技术的发展使新近的控制技术如矢量控制技术、多电平变换技术、 20 重复控制、模糊控制等技术在逆变领域得到了较好的应用,极大的促进了逆变器技术的发展;第五阶段:21 世纪初,逆变技术的发展随着电力电子技术、微电子技术和现代控制理论的进步不断改 进,逆变技术正朝着高频化、高效率、高功率密度、高可靠性、智能化的方向发展。1.1.3 光伏并网逆变器的分类光伏并网逆变器可以按照拓扑结构、隔离方式、输出相数、功率等级、功率流向等进行分类。按照拓扑结构分类,目前采用的拓扑结构包括:全桥逆变拓扑、半桥逆变拓扑、多电平逆变拓扑、推挽逆变拓扑、 正激逆变拓扑、反激逆变拓扑等,其中高压大功率光伏并网逆变器可采用多电平逆变拓扑,中等功率光伏并网逆变器多采用全桥、半桥逆变拓扑,小功率光伏并网逆变器采用正激、反激逆变拓扑。按照隔离方式分类包括隔离式和非隔离式两类,其中隔离式并网逆变器又分为工频变压器隔离方式和高频变压器隔离方式,光伏并网逆变器发展之初多采用工频变压器隔离的方式,但由于其体积、重量、成本方面的明显缺陷,近年来高频变压器隔离方式的并网逆变器发展较快, 非隔离式并网逆变器以其高效率、 控制简单等优势也逐渐获得认可,目前已经在欧洲开始推广应用,但需要解决可靠性、共模电流等关键问题。按照输出相数可以分为单相和三相并网逆变器两类,中小功率场合一般多采用单相方式,大功率场合多采用三相并网逆变器。按照功率等级进行分类,可分为功率小于 1kVA 的小功率并网逆变器,功率等级 1kVA50kVA 的中等功率并网逆变器和 50kVA 以上的大功率并网逆变器。从光伏并网逆变器发展至今, 发展最为成熟的属于中等功率的并网逆变器,目前已经实现商业化批量生产,技术趋于成熟,光伏并网逆变器未来的发展将是小功率微逆变器也即光伏模块集成逆变器和大功率并网逆变器两个方向并行。微逆变器在光伏建筑集成发电系统、城市居民发电系统、中小规模光伏电站有其独特的优势,大功率光伏并网逆 变器在大规模光伏电站,如沙漠光伏电站,等系统具有明显优势。按照功率流向进行分类,分为单方向功率流并网逆变器和双方向功率流并网逆变器两类,单向功率流 并网逆变器仅用作并网发电,双向功率流并网逆变器除可用作并网发电外,还能用作整流器,改善电网电 压质量和负载功率因素,近几年双向功率流并网逆变器开始获得关注,是未来的发展方向之一。未来的光 伏并网逆变器将集并网发电、无功补偿、有源滤波等功能与一身,在白天有阳光时实现并网发电,夜晚用 电时实现无功补偿、有源滤波等功能。1.2 国内外发展现状及趋势1.2.1 国外发展现状近几年,随着西班牙、德国、美国、日本对本国光伏产业的政策扶持,全球光伏发电逆变器的销售额逐年递增,光伏发电用逆变器进入了一个快速增长的阶段。但目前全球光伏逆变器市场基本被国际几大巨头瓜分,欧洲式全球光伏市场的先驱,具备完善的光伏产业链,光伏逆变器技术处于世界领先地位。SMA是全球最早也是最大的光伏逆变器生产企业(德国市场占有率达50%以上),约占全球市场份额的三分之一,第二位是Fronius。全球前七位的生产企业占领了近70%的市场份额。1.2.2 国内发展现状目前国内光伏并网逆变器市场规模较小,国内生产逆变器的厂商众多,但专门用于光伏发电系统的逆变器制造商并不多,但是不少国内企业已经在逆变器行业已经研究多年,已经具备一定的规模和竞争力,但在逆变器技术质量、规模上与国外企业仍具有较大差距,目前具有较大规模的厂商有合肥阳光、北京科诺伟业、北京索英、志诚冠军、南京冠亚、上海英伟力新能源科技有限公司等企业。目前这些企业用于光伏系统的产量呈逐年上升的趋势。 国内市场规模虽然较小,但未来光伏电站市场的巨大发展空间和发展潜力给国内企业带来发展的历史机遇。目前国内光伏逆变器主要被阳光电源、艾思玛、KACO等品牌所占领,国外企业多数通过代理渠道进入国内市场,由于售后服务提供难度大整体市场占有率不高。2008年统计数字显示,合肥阳光电源公司占据70%以上的光伏逆变器市场份额,国内重点光伏项目大功率产品几乎全部选用国内产品。从技术方面来看,国内企业在转换效率、结构工艺、智能化程度、稳定性等方面与国外先进水平仍有一定差距,目前我国在小功率逆变器技术上与国外处于同一水平,在大功率并网逆变器上,大功率并网逆变器仍需进一步发展。1.2.3 发展趋势从技术层面来讲,大功率并网逆变器和小功率并网逆变器是未来的两个主要发展方向,其中小功率光伏并网逆变器微逆变器是最具发展潜力和市场应用前景的发展方向,高频化、高效率、高功率密度、高可靠性和高度智能化是未来的发展方向。从市场层面来讲,国外光伏企业起步早、技术成熟,在市场上占据了主导地位,国内下游光伏系统市场规模仍较小,但未来的发展潜力巨大,使得众多国际光伏企业纷纷抢滩国内市场,国内企业近几年发展势头迅猛,占领了国内市场的主要份额。未来国内市场将是众多光伏并网逆变器企业争夺的焦点。1.3 PWM控制技术简介PWM(Pulse Width Modulation)控制技术就是对脉冲的宽度进行调制的技术,即通过对一系列脉冲的宽度进行调制,来等效的获得所需要的波形(含形状和幅值)。1.3.1 PWM控制的基本原理脉宽调制(PWM)控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制,使输出端得到一系列幅值相等的脉冲,用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲,使各脉冲的等值电压为正弦波形,所获得的输出平滑且低次斜波谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制,即可改变逆变电路输出电压的大小,也可改变输出频率。在采样控制理论中有一个重要的结论,即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。冲量既指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同。是指该环节的输出响应波形基本相同。如把各输出波形用傅里叶变换分析,则它们的低频段特性非常接近,仅在高频段略有差异。 根据上面理论我们就可以用不同宽度的矩形波来代替正弦波,通过对矩形波的控制来模拟输出不同频率的正弦波。例如,把正弦半波波形分成N等份,就可把正弦半波看成由N个彼此相连的脉冲所组成的波形。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化。如果把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替,使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的中点重合,且使矩形脉冲和相应正弦部分面积(即冲量)相等,就得到一组脉冲序列,这就是PWM波形。可以看出,各脉冲宽度是按正弦规律变化的。根据冲量相等效果相同的原理,PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦的负半周,也可以用同样的方法得到PWM波形。 在PWM波形中,各脉冲的幅值是相等的,要改变等效输出正弦波的幅值时,只要按同一比例系数改变各脉冲的宽度即可。根据上述原理,在给出了正弦波频率,幅值和半个周期内的脉冲数后,PWM波形各脉冲的宽度和间隔就可以准确计算出来。按照计算结果控制电路中各开关器件的通断,就可以得到所需要的PWM波形.1.3.2 SVPWM控制简介SVPWM是近年发展的一种比较新颖的控制方法,是由三相功率逆变器的六个功率开关元件组成的特定开关模式产生的脉宽调制波,能够使输出电流波形尽 可能接近于理想的正弦波形。空间电压矢量PWM与传统的正弦PWM不同,它是从三相输出电压的整体效果出发,着眼于如何使电机获得理想圆形磁链轨迹。 SVPWM技术与SPWM相比较,绕组电流波形的谐波成分小,使得电机转矩脉动降低,旋转磁场更逼近圆形,而且使直流母线电压的利用率有了很大提高,且更易于实现数字化。SVPWM 的理论基础是平均值等效原理,即在一个开关周期内通过对基本电压矢量加以组合,使其平均值与给定电压矢量相等。在某个时刻,电压矢量旋转到某个区域中,可由组成这个区域的两个相邻的非零矢量和零矢量在时间上的不同组合来得到。两个矢量的作用时间在一个采样周期内分多次施加,从而控制各个电压矢量的作用时间,使电压空间矢量接近按圆轨迹旋转,通过逆变器的不同开关状态所产生的实际磁通去逼近理想磁通圆,并由两者的比较结果来决定逆变器的开关状态,从而形成PWM 波形。1.4 本课题的主要研究内容与意义1.4.1 课题的主要研究内容本课题研究的三相光伏并网逆变器,是光伏并网发电系统的重要组成部分,主要由主电路和控制电路两部分组成。主电路部分采用三相电压型PWM逆变电路,控制电路主要包含双闭环控制模块(电流内环,电压外环)、DQ坐标变换模块和SVPWM控制模块。本课题主要利用MATLAB的SIMILINK系统仿真软件,建立了三相并网逆变器的仿真模型, 构成双闭环,对这些模块的基本原理进行详细分析和参数整定(如PI调节器参数整定)。直流变换侧加入电流环为光伏电池最大功率点跟踪(MPPT)算法提供电流数据,实时跟踪功率的最大输出值,尽可能提高光伏发电系统的效率,并保证并网运行具有稳定可靠的锁相功能。 1.4.2 课题的意义本课题设计的三相光伏并网逆变器,应使输出电流为良好的正弦电流波形,并于电网电压基本同相位,具有实时控制、电流响应快、输出电压电流波形不含特定次谐波等优点。2 三相光伏并网逆变器的数学模型及坐标变换原理2.1 三相光伏并网逆变器在静止坐标系下的数学模型2.1.1电路拓扑结构及建模假定条件常用的三相电压型PWM 逆变器主电路拓扑结构如图2.1所示, 其中ea、eb、ec 为电源三相电动势, ia、ib、ic表示逆变器三相输出电流; ua、ub、uc 为逆变器输出相电压; L 为交流侧滤波电感, C 为直流侧滤波电容,Vdc为直流侧电源电压,开关器件由可控器件IGBT组成。为简化分析且又不脱离电路的实际工作情况, 在推导以便其的数学模型之前, 特做如下假设:( 1)电网为三相对称的理想电压源;( 2)三相回路等效电阻和电感相等;( 3)网侧滤波电感L是线性的, 且不考虑饱和;( 4)忽略分布参数影响;( 5)忽略开关器件的导通压降和开关损耗。2.1.2 三相静止坐标系下的数学模型不考虑逆变器变换损耗, 忽略高频分量的影响,根据基尔霍夫定律, 2.2 同步旋转坐标变换( dq变换)原理与方法在 ABC 坐标系中, 需要控制的网侧电流均为时变交流量, 因而不利于控制系统设计。因此通过坐标变换将三相ABC 静止坐标系转换成同步旋转dq 坐标系。经坐标旋转变换后, 三相对称静止坐标系中的基波正弦变量将转化成同步旋转坐标系中直流变量。另外,两相坐标系的d 轴q轴互相垂直, 因而没有磁的耦合; 仅此两点就会使数学模型简单许多, 利于控制系统的设计应用。2.2.1 dq 坐标与三相静止坐标的关系图坐标系的定义基准不同, 电气量的表达式及坐标变换的结果也就不一样。在此以IEEE 的定义标准为基准, 即以逆时针旋转方向为基准, abc 三相静止坐标逆时针排列、彼此相差, dq 坐标逆时针同步旋转(以角频率同步旋转)、d 轴与a 轴的夹角为、q 轴位于在旋转方向上比d 轴超前的位置上。dq 坐标与abc三相静止坐标的关系。2.2.2 dq坐标变换的方法坐标变换通常有等量变换和等功率变换两种方式, 所谓等量变换是指坐标变换前后电气量的通用矢量相等, 而等功率变换则是变换前后功率保持不变。本文采用等量dq 变换法来建立三相VSR的数学模型。将d 轴定向于A 轴旋转角度后的矢量方向上, q轴与之垂直, 如图2.2 所示。定义d 轴与电网电动势矢量e同相, 则d轴方向的电流分量id为有功电流, d 轴落后于q 轴, 因此q轴方向的电流分量iq为无功电流。初始条件下, 令d轴与a 轴重合。2.3 三相光伏并网逆变器在两相旋转坐标系下的数学模型式中为电感电流矢量;为逆变器桥臂输出电压矢量; 为电网电压矢量; L 为每相滤波电感。整理后可以得到三相并网逆变器在两相同步旋转坐标系下的数学模型。经过坐标变换后, 所控制的变量id, iq均为直流分量, 简化了控制系统的分析和设计。并网有功分量由id控制, 无功分量由iq控制, 控制id 和iq, 就可以实现系统有功分量和无功分量的控制。3 三相光伏并网逆变器的控制策略3.1 三相并网逆变器的开环控制三相并网逆变电路是以无源逆变电路为基础而衍生的,本节内容先研究分析无源逆变的模型及仿真,再进而研究有源逆变的模型及仿真结果。3.1.1 无源逆变的模型及仿真利用matlab软件搭建的三相无源逆变电路的模型如下:给定直流电源电压Vdc=600V,交流侧R=2,L=2mH,给定的三想调制波信号为:与计算所得出的结果基本一致,说明了理论分析的正确性。3.1.2 有源逆变的模型及仿真在无源逆变电路的基础上,建立有源逆变电路模型, 以电网电压电动势矢量为参考。分以下四种情况进行讨论分析(1)电流矢量滞后电动势矢量,此时电压矢量端点位于圆轨迹A点,交流侧呈电感特性。 (2)电流矢量与电动势矢量,此时电压矢量端点位于圆轨迹B点,交流侧呈电阻特性,如图所示:(3)电流矢量超前电动势矢量,此时电压矢量端点位于圆轨迹C点,交流侧呈电容特性当电压矢量端点在圆轨迹AB和BC上运动时,逆变器工作在整流状态,从电网吸收有功,而在AB上时还要吸收感性无功功率,BC上时吸收容性无功功率。在B点时,实现单位功率因数逆变器控制。当电压矢量端点在圆轨迹CD和DA上运动时,逆变器工作在有源逆变状态,此时逆变器向电网传输有功,而在CD上时还要向电网传输容性无功功率,DA上时向电网传输无功功率。在D点时,实现单位功率因数逆变器控制。在交流侧等效电阻很大的情况下,可以快速地得到稳定、准确的三相输出电流波形。但是在实际应用中,若交流侧等效电阻很大,则在交流侧有功功率的损耗也会很大,使逆变效率大大下降,这也是开环控制的弊端所在,所以必须进一步采用闭环控制。3.1.3 SVPWM的基本原理与算法实现空间电压矢量脉宽调制(SVPWM,Space Vector Pulse Width Modulation),也即正弦磁通的一种PWM调制方法,以逆变器在不同开关模式下所产生的磁通去逼近基准磁通圆,获得更优的运行特性。实践和理论证明:与直接利用正弦脉宽调制(SPWM)技术相比较,SVPWM在输出电压中的电流都产生更少的谐波,对于电压源逆变器直流供电电源的利用效率也有一定的提高。3.1.3.1 SVPWM基本原理三相电压源型逆变器的结构简图如图3.3所示,其主要由六个功率开关器件组成,对于任一组桥臂来说,其上下两个开关器件的开关状态是互补的,因此逆变器的工作状态可以只用三个上桥臂功率器件的开关状态来描述。此三相有源逆变器上桥臂的三个开关器件总共有八种开关状态,分别对应于逆变器的八个工作模式。则可以得到基本电压空间矢量图。逆变器的八种工作状态形成了八个基本空间电压矢量,包括六个工作矢量,在电压空间矢量图中,零矢量位于六边形的原点,相邻两非零矢量之间的夹角为60度。根据功率开关状态变换最小化的原则,每次应当只有一个功率开关器件的开关状态发生变化。利用前述的8种电压矢量的不同线性组合,就能够得到更多与基本空间电压矢量不同相位的电压空间矢量,从而形成一组幅值相等而相位不同的电压空间矢量,叠加成尽量逼近圆形旋转磁场的磁链圆。 根据平均值等效原理:在逆变器功率器件一个开关周期内通过对基本电压矢量进行组合,使其平均值与给定的电压矢量相等。通过将相邻两非零矢量与零矢量在时间上进行不同组合,就可以得到该扇区内的任意电压矢量。可以将三个矢量的作用时间同时施加,也可以在一个开关周期内分多次施加。通过对各个电压矢量作用时间的控制,可以使得空间电压矢量接近圆形旋转轨迹。由于逆变器所能产生的电压矢量只有六个基本矢量和两个零矢量,因此不可能实现输出角度变化的电压空间矢量的要求。在实际使用中,为了获得旋转的电压矢量,只有利用各个矢量作用时间的不同组合来等效合成所需的电压矢量。在一个周期内所合成的矢量越多,那么逆变器功率器件的开关频率就会越高。如图3.4所示,如需在第三扇区内得到电压矢量,则可以利用两最近的相邻基本电压矢量、以及零矢量按照伏秒平衡原则合成,那么有: (3-5) (3-6)式中: 逆变器PWM开关周期;基本矢量作用时间;基本矢量作用时间;零矢量或作用时间。式(3-5)代表:在时间内,矢量所产生的效果与在、以及时间内矢量、和零矢量分别作用的叠加效果相同。其中: (3-7) (3-8) (3-9)综合以上三式以及前述矢量的合成原理,可以得到下式: (3-10) 由于零矢量幅值为零,因此其在矢量合成时只是用来补足基本矢量作用时间的补足。利用实部和虚部分别相等,对式(3-10)进行求解,可得各矢量的作用时间分别为: (3-11) (3-12) (3-13)随着参考电压矢量幅值的不断增加,基本空间矢量、的作用时间、也线性增加,零电压空间矢量的作用时间则不断减少。为了使逆变器工作在线性调制区,必须满足:,则可推导出合成电压矢量的幅值为: (3-14)上式对任意角度成立,那么合成电压矢量的最大值为。SVPWM调制波形相当于在正弦调制波中注入了三角形波,当所调制的正弦波幅值为1时,所形成的SVPWM鞍型波幅值为。SVPWM调制法与传统的正弦PWM调制法相比,直流侧电压利用率提高了15.47%,并且可以明显减少逆变器所输出电压的谐波,从而减少对电网的污染。3.1.3.2 SVPWM算法实现根据SVPWM基本原理介绍,下面将给出其算法的实现流程。(1)确定参考电压矢量扇区在实际控制中,参考电压空间矢量一般以正交坐标分量形式给出。由SVPWM的基本原理可知,其算法的关键就是判断参考电压空间矢量所处的扇区以及基本电压矢量的作用时间。对于任意一参考电压矢量,其可表示为: (3-15)经过推算,矢量所在的扇区可以用、与0的关系来决定,因此,可定义以下变量: (3-16)然后再定义:如果,则A=1,否则A=0;如果,则B=1,否则B=0;如果,则C=1,否则C=0。A、B和C共有八种组合,但是由于这三个变量不会出现同时为1或者0的状态,因此实际上只有六种组合,A、B和C组合取不同组合值时,对应着不同的扇区,且为一一对应。为了区别六种状态并计算出扇区号,令: (3-17)通过判断A、B以及C的数值,并且带入式(3-17),可计算出N为16的数值,对应电压空间矢量的6个区间号如表3.1所示。表3.1 空间电压矢量扇区判定表扇区号N123456所在扇区(2)相邻两基本电压矢量作用时间的确定令: (3-18)那么各扇区相邻基本电压矢量的作用时间如表3.2所示。表3.2. 相邻基本矢量作用时间表扇区号N123456ZY-Z-XX-YYX-XZ-Y-Z如果出现饱和情况,即:,则应该将电压矢量端点拉回至六边形内切圆内, (3)确定矢量切换点第扇区中三相PWM波形按脉冲宽度的大小依次定义其空间矢量的切换点分别为:表3.3给出了在不同扇区内空间矢量的切换点:表3.3 开关切换时间表扇区号N1234563.2 三相并网逆变器的闭环控制在第二章中已经提到,为了实现有功电流和无功电流分别控制的目的,将基于静止ABC 坐标系的并网方程(2-1)变化为同步d-q 坐标系下的状态方程(2-8)。这样所有的交流量变换为直流量,有利于PI 电流调节器对并网电流进行闭环控制。3.2.1 闭环控制模型的建立由控制系统结构框图可知,基本控制过程如下:首先,控制系统将采集到的并网逆变器输出三相电流ia、ib、ic经过Clark 变换和Park 变换后,分解为有功电流量和无功电流量,再与指令电流比较后经过PI电流调节器后生成新的逆变器控制指令;由于并网逆变器通常需要控制为单位功率因数运行,因此,令无功电流为零,而有功电流的指令由最大功率点跟踪(MPPT)控制器给出。为使并网系统的有功功率输出达到最大,须采用锁相技术(PLL模块)控制输出电流的频率和相位与电网电压严格同步。因此,在闭环控制结构中,由于外环电流由MPPT给定,所以主要设计任务就是内环PI电流调节器的设计与MPPT控制器的设计。3.2.2 PI电流调节器的设计光伏并网逆变器的控制目标是实现输出电流对公用电网电压波形快速准确跟踪,为了获得期望的稳态和动态性能指标,光伏并网逆变器的电流调节器需要具有很好的随动性能,快速的跟踪电流控制环的给定信号。本文根据调节器设计特性选择典型I 型系统设计内环PI电流调节器。由于两电流内环的对称性, 因而以电流iq控制为例讨论电流调节器的设计。考虑电流内环信号采样的延迟和PWM 控制器的小惯性特性, 已解耦的iq电流内环结构如图3.7所示。图3.7 iq电流环控制结构图3.7中, Ts为电流内环电流采样周期(亦即为PWM开关周期) , KPWM为桥路PWM等效增益。为了使电流内环具有较好的电流跟随性能,可按照典型一阶环节进行整定, 经整定后的PI参数为: (3-21)根据上述闭环系统PI调节器的整定方法可算出电流环调节器的参数, 并由此可对系统进行仿真分析。3.2.3 MPPT控制的基本原理与控制方法3.2.3.1 MPPT控制的基本原理在常规的线性系统电气设备中,为使负载获得最大功率,通常要进行恰当的负载匹配,使负载电阻等于供电系统的内阻,此时负载上就可以获得最大功率。对于一些内阻不变的供电系统,可以用这种外阻等于内阻的简单方法获得最大输出功率,但在太阳能电池供电系统中,太阳能电池的内阻不仅受日照强度的影响,而且受环境温度及负载的影响,因而处在不断变化中,从而不可能用上述简单的方法获得最大输出功率。由太阳能电池的IV特性曲线可以看出,太阳能电池是非线性电源,当太阳能电池阵列工作电压小于最大功率点电压时,阵列输出功率随着工作电压的上升而增大,当阵列的工作电压大于时,阵列输出功率随着工作电压的上升而减小。同时,太阳能电池随着日照强度和环境温度的变化,太阳能电池输出电压和输出电流也会跟着发生变化,其输出功率也产生很大的变化。为了使太阳能电池阵列充分吸收太阳能,在不同的日照强度、温度条件下始终输出最大功率,提高系统的效率,就要对太阳能电池阵列进行最大功率点跟踪,让其始终工作在最大功率点上。太阳能电池最大功率点跟踪控制(MPPT)是一个自寻优的过程,即通过控制太阳能电池阵列的端电压,使光伏电池能在不同的日照强度和温度环境下智能化地输出最大功率。3.2.3.2 MPPT的跟踪方法目前常用的最大功率跟踪的方法包括:恒定电压法(CVT),扰动观察法,间歇扫描法,电导增量法等。而其中的扰动观察法由于其结构简单,需要测量的参数少,所以被普遍应用于光伏电池板的最大功率点跟踪,因此本文详细介绍扰动观察法。扰动观察法,又称爬山法,由于其结构简单,需要测量的参数较少,所以其被普遍应用于光伏电池板的最大功率点跟踪。其原理就是先引入一个小的变化,扰动太阳能电池板的输出电压值,如(),再测量其功率变化,将其与扰动之前的功率值相比较,若其功率值增加,则表示扰动方向正确,可朝着同一方向,即()方向扰动;若扰动后的功率值小于扰动前,则往相反()方向扰动,这样就保证了使太阳能电池板功率输出向增大的方向变化。如此反复扰动、观察与比较。使太阳能电池板达到最大功率点,实现最大功率的输出。其原理如图3.8所示: 图3.8 扰动观察法的原理图此法的最大优点在于其能够较容易在不知道光伏电池的特性曲线的情况下实现MPPT控制,且结构简单,被测参数少。通过不断扰动使阵列输出功率趋于最大,即使跟踪已达最大功率点附近,但是扰动还是不会停止。其缺点是对固定步长大小的确定。如果步长较小,光伏系统在最大功率点附近震荡的幅度越小,能量损失越小,但达到最大功率点需要扰动的次数越多,所用的跟踪时间也越长。反之,当步长较大时跟踪速度快,但在最大功率点附近波动幅度大,能量损失也严重。因此,光伏系统最大功率点跟踪的速度和稳态精确度难以同时保证,只能根据实际需求折中选取步长,以获得可接受的动态和稳态性能。同时,由于始终有的存在,在最大功率跟踪过程中将导致些微功率损失。扰动观察法的实质就是基于采样电压值和采样电流值计算出光伏电池的输出功率并观察其功率变化,再比较前一个和当前的电压值来确定电压的变化方向,计算出新的参考电压用于产生PWM的控制信号。扰动观察法的流程如下图所示,图3.9中、是新的采样测量值,根据这两个值计算功率值。将其与K点前一个测量点的功率值进行比较。功率值的大小变化决定下一步“扰动”的方向。如果功率增加,则“扰动”的方向不变;如果功率减小,则“扰动”的方向相反。而“扰动”的方向则是由是否大于来决定的。图3.9 扰动观察法的流程图3.2.4 闭环控制系统的仿真实现与结果分析运用MATLAB/SIMULINK 仿真软件对系统进行仿真分析,建立的闭环控制系统仿真模型如图3.10所示,设定直流侧电源电压Vdc=600V,直流母线电容,交流侧三相电网电压为:电感L=2mH,PI调节器参数P=0.25,I=0.25。图3.10 闭环控制系统的仿真模型为了使系统单位功率因数运行,iq电流环的给定值始终为0,id电流环的给定值由MPPT控制器给定,在仿真时先给定电流有效值为100A,观察id反馈值与给定值的比较波形为:图3.11 给定100A时id仿真波形超调仅约为3%,稳定时间仅约s,动态响应较快。模拟电流突变情形,MPPT给定值由100A突变降为50A,观察id给定与反馈波形,如图所以:图3.12 给定100A到50A突变时id仿真波形表明了系统同时具有良好的跟随性能。在交流电网侧,得到了很稳定的电流波形,以A相为例,输出的电流和电网电压波形为:图3.13 并网时的A相输出电流和电网电压波形图实现了单位功率因数运行,功率因数高,同时输出电流谐波含量低,减少对电网的污染。4 结论4.1 全文总结本文通过设计三相光伏并网逆变器的主电路和控制电路,先分别对无源逆变电路和有源逆变电路的模型进行分析,了解其基本原理,通过仿真验证分析的正确性。然后基于SVPWM控制的基本原理与算法,通过对交流侧电网的三相电流进行DQ坐标变换,分别对id,iq进行闭环控制,使逆变器单位功率因数运行;最后通过matlab软件simulink仿真系统对系统进行仿真研究,得到快速、稳定的三相电流波形,实现了单位功率因数运行,动态响应速度快,对电网产生的污染很小,做到了经济、环保、节能,基本上完成了简单的三相光伏并网逆变器的设计,达到了先前指定的目标。4.2 尚待完善的工作本文虽然初步完成的三相光伏并网逆变器的主电路和闭环控制电路的设计,但是仍有很多尚待完善的工作,如:1. 闭环控制的电压外环控制设计还不够细致;2. SVPWM调制波的具体波形分析不够全面;3. 未对三相不平衡负载情况进行研究;在以后的研究学习中,将继续对这些问题进行深入的分析与设计。谢 辞经过查资料、整理材料、写作论文,今天终于可以顺利的完成论文的最后的谢辞了,想了很久,要写下这一段谢词,表示可以进行毕业答辩了,自己想想求学期间的点点滴历历涌上心头,时光匆匆飞逝,2年多的努力与付出,随着论文的完成,得以划下了完美的句点。论文得以完成,要感谢的人实在太多了,首先要感谢王付胜老师,因为论文是在王老师的悉心指导下完成的。王老师丰富的专业知识, 严谨的治学态度, 精益求精的工作作风,诲人不倦的高尚师德,严以律己、宽以待人的崇高风范,朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。本论文从选题到完成,每一步都是在王老师的指导下完成的。王老师指引我的论文的写作的方向和架构,并对本论文初稿进行逐字批阅,指正出其中误谬之处,使我有了思考的方向,他的循循善诱的教导和不拘一格的思路 给予我无尽的启迪,他的严谨细致、一丝不苟的作风,将一直是我工作、学习的榜样。在此,谨向王老师表示崇高的敬意和衷心的感谢!谢谢王老师在我撰写论文的过程中给与我的极大地帮助。同时,论文的顺利完成,离不开其它各位老师、同学和同事的关心和帮助。在整个的论文写作中,各位老师、同学和同事积极的帮助我查资料和提供有利于论文写作的建议和意见,在他们的帮助下,论文得以不断的完善,最终帮助我完整的 写完了整个论文。另外,要感谢在函授期间所有传授我知识的老师,是你们的悉心教导使我有了良好的专业课知识,这也是论文得以完成的基础。通过此次的论文,我学到了很多知识,跨越了传统方式下的教与学的体制束缚, 在论文的写作过程中,通过查资料和搜集有关的文献,培养了自学能力和动手能力。并且由原先的被动的接受知识转换为主动的寻求知识,这可以说

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