【自动化】并网逆变器spwm(解耦)控制方法研究(01)

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ABSTRACTWITHTHEOVEREXPLOITATIONOFRESOURCES,THEGLOBALENERGYSITUATIONCONTINUEDTENSESTATESYUANCAPITALOFTHENEWENERGYDEVELOPMENTASONEOFTHEIRLONGTERMSTRATEGICOBJECTIVESWHICHUSESOLARENERGYFORITSCLEAN,ABUNDANTSOURCESOFOTHERADVANTAGESATTRACTEDWIDESPREADATTENTIONASTHEKEYPHOTOVOLTAICINVERTERNETWORK,HOWTOIMPROVECONVERSIONEFFICIENCY,REDUCETHEBURDENONTHEGRIDSYSTEMOFASMANYSCHOLARSSTUDYAIMING6KWPHOTOVOLTAICGRIDSYSTEMMODEL,ANEWCONTROLSTRATEGYANDSIMULATIONRESULTSSPECIFICEXPERIMENTSAREASFOLLOWSFIRSTLYGRIDINVERTERACCORDINGTOTHETECHNICALSPECIFICATIONSANDOVERALLDESIGNIDEAS,CHOOSESINGLEPHASEFULLBRIDGEINVERTERCIRCUITFROMSEVERALCOMMONTOPOLOGYASTHEPRIMARYCIRCUITEQUIPMENTTOMAXIMIZEEQUIPMENTEFFICIENCY,REDUCESWITCHINGLOSSES,THESYSTEMSELECTEDMOSFETCONDUCTIONCURRENTSMALLERASTHEMAINCIRCUITSWITCH,BYMOSTUBEONANDOFFTOPRODUCETHEEQUIVALENTOFASETOFSINEWAVEAMPLITUDEWIDERANGINGPULSESIGNALALSOPRODUCEDUNWANTEDHARMONICLOSSESTHROUGHTHESYSTEMFILTERCIRCUITDESIGNPARAMETERS,ASFARASPOSSIBLETOREDUCETHISPARTOFTHEREACTIVEPOWERLOSSESTHETRADITIONALGRIDCONTROLLERANDINVERTERONLYIMPLEMENTBASICNETWORKFUNCTIONSWITHTHEINCREASINGCOMPLEXITYOFTHEPOWERSYSTEM,CUSTOMERSEFFICIENTANDRELIABLE,FEATURESMORECOMPLETEANDMOREPOPULARGRIDINVERTERINTHISPAPER,BASEDSPWMDECOUPLINGSPACEVECTORCONTROLALGORITHM,GIVENTHECURRENTDECOUPLINGOFACTIVECURRENTCOMPONENTANDREACTIVECURRENTCOMPONENTSAREINPUTTOTHEINVERTERGRIDACTIVEANDREACTIVEPOWERFORCLOSEDLOOPCONTROLUNDERNORMALOPERATINGCONDITIONS,ANDINVERTERONLYACTIVEPOWERTOTHEGRIDTRANSMISSIONWHENEXCESSIVEGRIDACCESSINDUCTIVELOAD,THEINVERTERCANBEUSEDASNOVELREACTIVEPOWERGENERATOR,TOOFFSETTHISPARTOFTHEEMOTIONALPOWERTHESAMETIME,NETWORKLOADISSMALLATNIGHT,ANDTONETWORKTHECONTROLLERCANWORKINREVERSETOGRIDPOWERRECTIFIERSTOREDINBATTERIES,WHICHPOWERTHENEXTDAYPARTOFPOWERGENERATEDBYPHOTOVOLTAICPANELSTOGETHERWITHTRANSPORTTOTHEGRID,TOTHEROLELOADSHIFTINGINORDERTOVERIFYSPWMDECOUPLINGCONTROLSTRATEGYCORRECTNESS,LASTTEXTUSINGMATLAB/SIMULINKSOFTWARE6KWSINGLEPHASEINVERTERPVSYSTEMSINTO220V,50HZPOWERGRIDSIMULATIONSIMULATIONRESULTSSHOWTHATTHISCONTROLSTRATEGYCANINDEEDACHIEVEBIDIRECTIONALDC/ACCONVERSION,ACTIVEANDREACTIVEPOWERSPLITTERCONTROLKEYWORDSSINGLEPHASEVOLTAGESOURCE；SPWM；MATLAB/SIMULINKSIMULATION目录摘要IABSTRACTII第1章绪论111研究背景及意义112并网逆变系统研究现状213并网逆变器拓扑结构与模型3131单相半桥拓扑结构3132单相全桥拓扑结构414并网逆变器控制算法研究现状4141单周期控制算法5142SPWM（无解耦）615主要研究内容6第2章并网逆变器方案设计821技术指标与总体设计822并网逆变器整体结构设计8221并网逆变器拓扑结构设计9222并网逆变器滤波电路参数设计11223并网逆变器开关管的选择1223本章小结12第3章并网逆变器建模分析与控制算法设计1331并网逆变器建模13311PWM调制器数学模型13312PARK变换矩阵15313典型I型系统1632并网逆变器控制算法设计19321PID控制算法19322PID控制器设计2033本章小结23第4章SPWM（解耦）控制策略仿真实验2441MATLAB简介2442电路仿真电路的建立2443并网逆变器滤波电路工作特性2544SPWM解耦功率调节实验2645本章小结27第5章总结与展望28参考文献29致谢30第1章绪论11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RICHARDESMALLEY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、OUTBACKPOWER、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公司德国SMA2009年市场占有率为44，销售额93亿欧元，逆变器出货量达34GW，2010年销售额达到11亿L3亿欧元，同比增长18402。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，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。12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由光伏板（PV），DC/DCBUCK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11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。图11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12所示，其中DC/DC（BOOST升压电路）是为了给逆变电路提供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12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。13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。131单相半桥拓扑结构单相半桥主电路拓扑结构如图13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。DC/DCDC/AC交流负载蓄电池直流负载DC/DCDC/AC电网PV图13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。132单相全桥拓扑结构单相全桥逆变电路的拓扑结构如图14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14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等级也是半桥电路的一般。14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。141单周期控制算法单周期控制理论（ONECYCLECONTROL）是由美国加州理工学院的KMSMEDLEY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。142SPWM（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14所示图14SPWM（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。15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法功率控制做进一步的改进。2根据并网逆变器的技术指标要求，进行了适当的整体设计。比较不同的拓扑结构模型后，选取了最优的并网逆变器拓扑结构。进行了主电路滤波参数的计算，选择了合适的开光管。3对并网逆变器的频域下的数学模型进行分析，将PWM脉宽调制器简化为比例滞后的环节、合并系统结构。通过PID控制算法将系统整理成典型1型系统，实现系统的闭环控制。控制器1控制器2逆变器滤波器PLLKIK2RMSREFITSINNETU0I4对光伏逆变器进行仿真实验，检测有功功率、无功功率以及双向DC/AC的工作情况，验证实验原理的正确性，并为后续的工作提供方向。第2章并网逆变器方案设计21技术指标与总体设计本文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。逆变器的设计指标如下表116KW并网逆变器参数指标输入电压380V10V输出电压220V输出电压纹波3最大输出功率6KW开关频率10KHZ输出效率90散热方式风冷本文并入电网电压的等级为220V，其峰值电压会达到310V，迫使其输入电压高于310V，根据实验室项目经验，采用380V输入电压即可。最大输出功率6KW为总功率，系统将会根据负载的功率因数分配有功和无功的比例。22并网逆变器整体结构设计本文综合常规离网型和并网型发电系统，设计出了功能更加全面的双向并网逆变系统。系统结构图如图21所示，光伏电池板的输出电压并不是很高，通常只需要两块电池板串联即可得到；DC/DC（BUCK降压电路）采用最大功率跟踪算法，保证光伏板输出功率最大；DC/DC（BOOST升压电路）和DC/AC（逆变电路）都是双向控制。图21新型并网逆变器整体设计图项目中采用了电能双向可逆传输技术在阳光充足、用电紧张的白天，家用光伏板将产生的电能一部分传输给电池，多余电能输送给电网，实现“削峰”作用；在阳光匮乏、用电量少的晚上，由电网反向传输电能到蓄电池中，为来日白天“削峰”做好准备，实现“填谷”作用。目前我国电力短缺的重要特征是负荷高峰时段最为严峻，如果采取DC/DCDC/DC双向电表电网BATDC/AC7090VMPPT48V380V双向可逆220V进一步加大电源建设的办法，短期内无助于缓解电力短缺，实现电力需求侧管理，通过“削峰填谷”方式消化高峰负荷，则可有效降低高峰时段电力需求约1000万千瓦，大大缓解电力紧张局面。5KW的光伏并网逆变系统的设计会遇到器件的选型、印刷版的布局连线、软件编程、整体机箱设计、连线与装配和后期调试设备等问题；由于本文侧重控制策略的研究，忽略次要因素。下面将对主电路中整体结构设计进行简要的介绍。221并网逆变器拓扑结构设计考虑到220V交流电网电压的幅值已经达到了310V，若采用半桥拓扑结构，输入电压等级需要增加一倍。高等级电压对器件的耐压能力要求更高，不适合批量生产。本文采用单相全桥拓扑结构，如下图22所示图22单相全桥拓扑结构常规驱动时序图如下图23所示，当开关器件、按按照正弦规律导通时形成输1Q3出电压的正半波波形；当开关器件、按按照正弦规律导通时形成输出电压的负半波24波形；最终导致输出电压两端的电压波形为完整的正弦波。但是，当我们实际测量时发现，空载实验时为频率50HZ的方波信号，加上的负载越重才会形成正弦波。1Q234ABU0空载1Q2Q34图23常规驱动时序图正部分问题时因为空载时刻，直流侧电源不断给滤波电容充电，冲到最大值后没有放点回路而保持最大输出电压值不变，只有当电压过零才会放电；负半周情况同理可得。为了改善空载情况下的畸形的电压波形，改变了、的脉冲时序。改善后的驱动信号1Q2如下图24所示。图24改善后驱动时序需要解决这个问题时，只需要在截止时，将导通。这时，存储在滤波电容上的1Q2电能向滤波电感充电，提供了电容的放电通道。同时，滤波电感也不容易出现断流。222并网逆变器滤波电路参数设计PWM调制器控制的并网系统交流侧输出电流是一组等幅不等宽的脉冲信号，滤波电路能减少输出电流的畸变率，减少系统的谐波成分。同时还能缓冲电流，为并网系统提供一定的阻尼特性，提高系统的稳定性。故滤波电路的参数设计对于并网逆变系统的重要性不言而喻。本文采用单电感滤波电路，系统等效图如下图25所示1Q234ABU0空载LLIUEGRIDAB图25滤波电路的系统等效图从图中可以看出，滤波电感的纹波电流方程式为（21）EUTILAB其中单相逆变全桥电路的输出电压，是工频变压器的原边绕组电压，L是滤波ABU电感值。I是纹波电流。对于每个开关管的导通时间近似的表示为T（22）TTKSIN为调制系数，为开关管切换周期。将公式22带入式21可以得KT（23）TVUTILMABKIS变换公式得（24）0COSIN2TULTIMABK假设并网系统的纹波电流可以达到并网电流有效值的K倍，且当时，最CSTT大，则上式可得（25）21MKMDCILTVUI即MKDCITVUL（26）223并网逆变器开关管的选择本文中的开关器件采用MOSFET，简称MOS或MOS管。作为电压型控制器件，流过它的电流相对较小，故它的第一个特点是驱动功率较小、驱动电路较为简单；第二个特点是开关速度快、工作频率高，其相对于IGBT能适应更高的频率，高频化导致电路中需要用到的感性器件体积减小，设备所占空间体积减小。另外，电力MOSFET的热稳定性优于GTR。但是正式其导通的电流容量小，所能承受的电压较低，目前只能用在功率不超过10KW的光伏并网设备中。23本章小结本章择优选择了全桥电路作为并网逆变系统的拓扑结构，以纹波电流最小为原则提出了滤波电路的设计方式，最后选用MOSFET作为开光功率管，极大程度减少了系统的开关损耗。第3章并网逆变器建模分析与控制算法设计31并网逆变器建模需要并网的光伏逆变器的输出电压无论是在幅值、频率还是相角都会受到电网电压的限制，但是电网的电压也不是一直保持不变的，受到外界因素的影响会出现偏差，从而导致并网电压的参数不满足设计的要求，这就需要并网逆变器不断调整自身参数。下面将介绍并网系统各部分的数学模型以及如何利用负反馈消除电网电压波动对并网逆变器的影响。311PWM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31A和图23B面积等效原理把图31A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，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平N/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31B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波形。像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称SPWM波形。要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按照同一比例系数改变上述各脉冲的宽度即可。在三角波比较方式中，用调制波和三角载波比较得到的脉冲信号去驱动逆变桥的功率管。功率管的开关状态是不连续的，但根据状态空间平均法，如果三角载波的频率（即开关频率）远远大于调制波频率，在一个开关周期内，可以用变量的平均值等效代替其瞬时值。本文研究的逆变器开关频率为10KHZ，而电流调制波频率（等于电网频率）为50HZ，所以可以根据这一理论建立连续状态空间平均模型8。对于单极性的SPWM调制方式，由于在调制波的正半周期和负半周期开关管的动作原理是相同的，所以只考虑正半周期。在调制波的正半周期，逆变桥的输出电压（图22中A、B两点的电压可以ABU表示为（31）SUD式中，是逆变器的直流母线电压，是常量；S是开关函数，其定义如下DU（32）由此定义可知，S不是连接函数，所以也是不连接的，对式（22）在开关周期内ABU求平均值可得（33）SUD式中表示开关函数S的开关周期平均值,，即等于开关管的占空比STDTD采用规则采样法时，从调制波和三角载波的比较有以下几何图形图34规则采样法单极性调制原理图从图34的几何关系可以得到1，和导通；V40，和导通。3S（34）CMSCUTTTD2式中，为三角载波的周期；为某一周期的导通时间；为三角载波的峰值，是CTCM一个常数；为调制波，是一个正弦量。TUS把（34）代入（33），再代入（32）可得（35）CMSDABUTU根据状态空间平均法，可得（36）CMSDABTU即（37）PWMCMDSABKUT式中，表示逆变器的增益。PWMK因此，逆变环节可以看作一个高增益的比例环节，其传递函数可以表示为（38）PWMINVSG312PARK变换矩阵从静止两相正交坐标到旋转正交坐标系DQ的变换，称做静止两相旋转正交变换，简称2S/2R变换或PARK变换矩阵，其中S表示静止，R表示旋转，变换的原则是产生的合成总电流相等。图35静止两相坐标系到旋转两相坐标系变换图35中绘出了和DQ坐标系中的电流矢量分解图，两相交流电流、和两个直I流电流、进行矢量叠加都能合成我们所需要以工频角速度旋转总电流。DIQ由图25可见，、和、之间存在下列关系IDIQSINCOID（39）COSSINIQ写成矩阵形式，得（310）因此，从两相静止坐标系向两相旋转坐标系转换的系数矩阵为（311）从而两相旋转坐标系向两相静止坐标系转换的系数矩阵为（312）313典型I型系统许多控制系统的开环传递函数都可以表示成（313）NJJRMIISTKSW1式中，分母中的项表示该系统在S0处有R重极点，或者说，系统含有R个积分环节，RS称做R型系统。为了使系统对于阶跃给定无稳态误差，不能使用0型系统（R0），至少是I型系统（R1）；当给定是斜坡输入时，则要求是II型系统（R2）才能实现稳态无差。所以选择调节器的结构，使系统能满足所需的稳态精度，是设计过程的第一步。由于III型（R3）和III型以上的系统很难稳定，而0型系统的稳态精度低，因此常把I型和II型系统作为系统设计的目标9。I型和II型系统又都有多种多样的结构，它们的区别就在于除原点以外的零、极点具有不同的个数和位置。如果在I型和II型系统中各选择一种结构作为典型结构，把实际系统校正成典型系统，显然可使设计方法简单得多。因为只要事先找到典型系统的参数和系统动态性能指标之间的关系，求出计算公式或制成备查的表格，在具体选择参数时，只需按现成的公式和表格中的数据计算一下就可以了。这样就是设计方法规范化，大大减少设计工作量。DIQCOSINIS/2RCIS/2RCCOSINR/2SCCOSINI作为典型的I型系统，使其开环传递函数选择为（314）1TSKW式中T是系统的惯性时间常数；K是系统的开环增益。图36典型I型系统A闭环系统结构图B开环对数频率特性典型I型系统的闭环系统结构图如图36A所示，图36B表示它的开环对数频率特性。选择这样的系统作为典型的I型系统是因为其结构简单，而且对数幅频特性的忠频段以20DB/DEC的斜率穿越零分贝线，只要参数的选择能保证足够的中频带宽度，系统就一定是稳定的。在典型I型系统系统中，只包含开环增益K和系统时间常数T两个参数，时间常数T往往是控制对象本身固有的，唯一可变的只有开环增益K。设计时，需要按照性能指标选择参数K的大小。当时，由图26B的开环对数频率特性可知C1315CCKLG201LG20L所以（当）CKTC1而相角稳定裕度316TTCCARTN90ARTN9018由于，所以，可见，这样的典型I型系统TC1C45具有足够的稳定性。公式（316）表明，K值越大，截止频率也越大，系统响应越快，但相角稳定裕度C越小，这也说明快速性和稳定性之间的矛盾。在具体选择参数K时，CARTN90需在二者之间取折中。具体选择参数时，如果工艺上主要要求动态响应快，可取系统的阻尼比0506，把K选大一些；如果主要要求超调量小，可取0810，把K选小一些；如果要求无超调，则取10，K025/T；无特殊要求时，可取折中值，即取0707，K05/T；此时略有超调（）10。也可能出现这种情况无论怎样选择K值，总是顾此失34彼，不可能满足所需的全部性能指标，这说明典型I型系统不能适用，需采用其他控制方法。上述折中的0707，K05/T的参数关系就是西门子“最佳整定”方法的“模最佳系统”，或称“二阶最佳系统”，其实这知识折中的参数选择，无所谓“最佳”。真正的最佳参数是依工艺要求性能指标的不同而变的。32并网逆变器控制算法设计图22展示出了并网逆变器主电路拓扑图。其中，滤波部分是通过一系列线路电抗器滤波器和耦合变压器连接到公用电网的单线图。该滤波器是由电感器L和其相关的内部电阻R表示，这些变量也包括漏电感和耦合变压器的绕组电阻。单相并网逆变器所采用的控制策略是从基于空间矢量变换的三相系统变换而来的。首先对这种控制方法进行简要的解释，将给定量通过坐标变换分解到旋转坐标系中，达到解耦的目的。其中调节方式是采用结构简单的PI控制器。常见的解耦方法是创建一组对于单相系统进行假想的正交变量数量，以便将一个固定坐标轴，通过旋转坐标变换的方法获得对应的直流量。正交假想变量中常见的方法是通过获得了与实际电流分量有着四分之一基本周期的偏移的假象分量。这种延迟会在该系统的引入变慢和振荡的畸形动态响应。在本文中提出的方法，是由一个叫做虚构的虚轴系统，同时与真实的运行产生的正交量。所提出的方法，其被称为假想坐标轴仿真，有效地提高动态响应的同时，相对于传统的控制系统不会给控制器结构增加过多的复杂性。321PID控制算法PID算法已经问世几百年了，在此期间陆续出现了神经网络控制、模糊控制等先进算法，但任然无法捍卫PID算法的霸主地位。PID算法结构简单，包含一个比例环节、一个积分环节以及一个微分环节。各环节因控制对象情况的不同进行相互搭配形成PI、PD以及PID算法。尽管在理论上会存在一定的误差，但是实际调试的经验能很好的弥补这一缺陷。PID控制算法的原理框图如下图35所示图37PID算法原理框图在图37中所示，为控制对象的理论值，输出的实际值。通过PID算法，保TXTY证实际值能快速动态地跟随目标值。PID控制的基本表达式如式37所示。TYTX（317）DIPDTETEKTY01该式是时域内的连续函数，常见的频域中的传递函数为（318）SSGDIPC比例环节积分环节微分环节被控对象TXTYTE其中，为PID控制的比例系数，为积分系数，为微分系数。PKIKDK322PID控制器设计假设其中一个三相滤波器是通过三相线路电抗器进行滤波和一个三相耦合变压器接口到公用电网的三相系统。图22可以是这样的系统的单线图表示，假设单相变量由三相那些取代。因此，这样的系统的交流侧的动力学可以描述为（319）ABCICABCCAUDTLRIU,将方程式（319）从ABC坐标到静止坐标系变换，获得如下公式（320）,IATI当这些电气量用采用空间矢量来表示时，获得公式如下（321）SISAUDTLRIU将公式（321）中的微分方程进行拉普拉斯变换，就可以得到该系统在静止坐标系中的结构式。根据公式，转换到如图27的同步旋转坐标系（DQ坐标系）交流JWTDQEX侧中，公式如下（322）ADUQLTID/QRLWLWRDIQIDUIQRSL1IDUADU_DI图38系统解耦图根据公式（322）中，从图38旋转坐标系中获得的结构图中包含了典型的耦合项。根据公式（322），我们实现和的解耦控制，该逆变器的电压控制方程式如下DIQIDQCDAULU（323）Q和代表控制信号。通过将公式（323）代入公式（322）中，推导出一下解耦CDUQ方程式如下（324）因此，解耦系统的传递函数推导如下，其中，所述时间常数为L/R，为1/R，STSK本项目中L12MH，R005；故20，024。SKST（325）SSG1需要注意的是，由于和对于和是以一个简单的一阶传递函数来相应的，公DIQCDUQ式（325）显示了控制规则定义下的反馈回路，并使用一阶PI控制器进行控制13。基于公式（325），基于PI控制的电流调节器的结构图如图39所示。PI控制器及其相关的控制回路的设计方法详述于下一章节。CDQULDTI/QR00RDIQWLWLSL1R_AQUIQUDISGRSPESGSREFIIPUAUII图39基于PI调节的电流控制结构图采用空间矢量的电流控制环路于图39所示，其中PI控制器由表示，并且传递函RG数表示PWM调节器系统结构图。PEG（326）PECMPESTKG1式中是PWM装置的放大系数，本项目中取220；是PWM装置的延迟时CMKCPE间，由于本项目中开关频率为10KHZ，故取。PE50因此，控制回路的开环传递函数为（327）0SGSGPER通过将公式（327）和公式（326）中的和分别带入公式（225）中，可以得到系统的开环传递函数为（328）SPECMRTKSS10运用常规的PI控制器就可以使系统达到期待的动态响应，因此（329）INRSG当PI控制器的时间常数可以选择为等于所述主电路时间常数时，可以简化公式NTST（329，从而简化结果为（330）1PEIOSTKS其中，。现在开环传递函数没有了那些复杂的因素。此时系统成为我们熟SCMK1悉的典型的1型系统，为了使其拥有最佳动态响应，按照西门子“最佳整定”方法，即KT05，可以算出024，088NTI最后，系统示意图如图310所示RPWM,QDDQCURRENTCONTROLLER,4/STEPLLUTILITYGRIDLDCLINKAUCOSSINREFDI,Q,COSSINIUII图310SPWM解耦控制系统图图中D轴和Q轴的控制策略一致，只是在相位上二者相差，故Q轴上存在一个09的滞后环节以补充二者在相角上的差值。右下方的两个波形发生器模拟的是PLL锁相09环14，时刻不断的检查交流电网信号，并将检测到的相角输送给PARK坐标变换器中。33本章小结本章简要介绍了PID算法的基本结构，给出了并网逆变系统作为控制对象的数学公式，详细利用PID算法对本系统进行调节，计算出控制器的比例环节和积分环节。第4章SPWM（解耦）控制策略仿真实验41MATLAB简介MATLAB是由美国MATHWORKS公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。在一些实际应用中，如果系统的结构过于复杂，不适合用分析和编程的方法建模。在这种情况下，功能完善的SIMULINK程序可以用来方便地建立系统的数学模型。SIMULINK是由MATHWORKS软件公司1990年为MATLAB提供的新的控制系统结构图编程与系统仿真的专用软件工具。它有两个显著的功能SIMU（仿真）与LINK（连接）15。在该仿真环境下，用户程序其外观就是控制系统结构图，亦即建模过程可通过鼠标在模型窗口上画出所需的控制系统模型，然后利用SIMULINK提供的输入源模块对结构图所描述的系统施加激励，利用SIMULINK提供的输出口模块获得系统的输出响应数据或时间响应曲线。在本次设计中，控制系统的数学模型就是基于MATLAB/SIMULINK中的SIMPOWERSYSTEMS搭建的。42电路仿真电路的建立本系统采用350V直流电压源模拟直流输入，采用交流电压源模拟电网电压，电压峰值取311V，频率为50HZ，假定设计逆变器功率为6KW，可以得到并网电流峰值为386A。搭建的仿真模型如图31所示，包括单相全桥逆变器、PWM驱动信号发生器、PI控制器、滤波电感，PARK坐标变换及其逆变换。其中控制器设计是关键，控制器主要实现对电流的跟踪，减小幅值偏差、相位偏差，增强应对电网扰动的能力。仿真时采用的参数如下三角载波频率设为10KHZ，设计滤波电感为12MH，串联等效电阻005，PI参数取KP0273，KI1136。图41仿真电路图图中STEP1和STEP2是给定有功电流和无功电流值，其取值取决于电网所需提供的无功功率和有功功率大小。系统采PI调节器在D轴和Q轴分别采用电流控制负反馈，以保证输出电流为给定有功电流和无功电流的叠加。43并网逆变器滤波电路工作特性滤波电路的重要性在第二章中已经详细介绍，下面在仿真实验中观察仿真结果。开关管输出电压波形如下图42所示，其中横坐标表示时间，纵坐标表示PWM输出电压。图42PWM输出电压波形通过滤波电路后的并网电流波形如下图43所示，其中横坐标表示时间，纵坐标表示并网电流。图43滤波电流波形图通过滤波电路后的并网电流波形接近于正弦波，验证了滤波电路参数设计的正确性。44SPWM解耦功率调节实验仿真时间设置为01S，由于本项目的核心是对电流的解耦控制。在仿真的过程中我们会分别给定有功电流和无功电流，观察主电路输出总电流和电压的波形。当只给定有功电流时，示波器上的显示结构如下图44所示，其中横坐标表示时间，纵坐标表示电网电压和并网电流。图44给定有功电流时输出波形图可以看到，输入给电网的电流和电压的波形相位上是一致的，且输出的电流幅值与给定的385A基本相同，证明此事输出给电网的功率只有有功功率。与之前的理论分析基本上相符合。当只给定无功电流时，示波器的仿真结果如下图45所示，其中横坐标表示时间，纵坐标表示电网电压和并网电流。图45给定无功电流时输出电流波形可以看到，输入给电网的电流和电压的波形相位上是相差的，且输出的电流幅值09与给定的385A基本相同，证明此事输出给电网的功率只有无功功功率。且无论是感性无功还是容性无功都可以通过给定的无功电流来获得。与之前的理论分析基本上相符合。将给定有功电流值设定为负值，这电网电压和并网电流的输出波形如下图46所示，其中横坐标表示时间，纵坐标表示电网电压和