并网逆变器单周控制方法研究——毕业论文

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Abstract This paper presents an alternative way for the current regulation of single-phase voltage-source dcac converters in directquadrature (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 dcdc converters, presenting infinite control gain at the steady-state operating point to achieve zero steady-state error. 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 shifting 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 axis, 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 of 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. 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 results 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 distortion for various power conditions falls within 5%. Key Words：single-phase voltage-source SPWM Matlab/Simulink simulationIII目 录第一章 绪论11.1目的及意义（含国内外的研究现状分析）41.2 研究（设计）的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施5第2章 并网逆变器单周控制方法研究72.1并网逆变系统基础概念介绍72.1.1并网逆变器开关器件72.1.2采用锁相环的电网同步72.1.3孤岛检测方法82.1.4单相并网逆变器的拓扑结构92.2 并网逆变器模型设计分析102.2.1 PWM调制器数学模型102.2.2 Park变换矩阵122.2.3典型I型系统132.3并网电流控制策略的研究162.3.1逆变器系统结构解耦162.3.2基于PI控制器参数设计182.4.基于SPWM（解耦）并网逆变器的MATLAB/simulink仿真20 2.4.1MATLAB简介202.4.2电路仿真模型的建立202.4.3仿真结果21第3章 结论23致谢24参考文献：25武汉理工大学毕业设计（论文）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-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。 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。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、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。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。v电压控制振荡器环路滤波器相角检测器图3.1 PLL的基本结构1） 相角检测器（PD）。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。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，是直流母线电压，电容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、，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、导通，、截止，则电流由直流电源正极输出，经、滤波电路、后，再回到电源负极。当、截止后，、导通，电流从电源正极经、滤波器、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。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，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2.2中A、B两点的电压)可以表示为： （2.1）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1，和导通； S=0，和导通。 （2.2） 由此定义可知，S不是连接函数，所以也是不连接的，对式（2.2）在开关周期内求平均值可得 （2.3）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 2.4 规则采样法单极性调制原理图从图2.4的几何关系可以得到 （2.4） 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，是一个常数；为调制波，是一个正弦量。把（2.4）代入（2.3），再代入（2.2）可得 （2.5）根据状态空间平均法，可得 （2.6）即 （2.7） 式中，PWMK 表示逆变器的增益。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 （2.8）2.2.2 Park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2.5 静止两相到旋转两相坐标变换图2.5中绘出了和dq坐标系中的各相电流矢量，两相交流电流、和两个直流电流、产生同样的以角速度旋转的合成电流i。由图2.5可见，、和、之间存在下列关系： （2.9） 写成矩阵形式，得 = - =（2.10）因此，静止两相正交坐标系到旋转正交坐标系的变换阵为 - =（2.11） -则旋转正交坐标系到静止两相正交坐标系的变换阵是- =（2.12）2.2.3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 （2.13）式中，分母中的项表示该系统在s=0处有r重极点，或者说，系统含有r个积分环节，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（r=0），至少是I型系统（r=1）；当给定是斜坡输入时，则要求是II型系统（r=2）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（r=3）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。作为典型的I型系统，使其开环传递函数选择为 （2.14）式中T是系统的惯性时间常数；K是系统的开环增益。图2.6 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2.6a所示，图2.6b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2.6b的开环对数频率特性可知 (2.15)所以（当）而相角稳定裕度 (2.16)由于，所以，可见，这样的典型I型系统具有足够的稳定性。 公式（2.16）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，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=0.50.6，把K选大一些；如果主要要求超调量小，可取=0.81.0，把K选小一些；如果要求无超调，则取=1.0，K=0.25/T；无特殊要求时，可取折中值，即取=0.707，K=0.5/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=0.707，K=0.5/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。2.3并网电流控制策略的研究图2.2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。单相并网逆变器所提出的控制策略主要是基于三相系统的矢量控制技术。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。其中调节方式是基于结构简单的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。2.3.1逆变器系统结构解耦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2.2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 （2.17）将方程式（2.17）从abc坐标到静止坐标系变换，获得如下公式： （2.18）当这些电气量用空间矢量表示时，获得公式如下： （2.19）将公式（2.19）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2.7的同步旋转坐标系（dq坐标系）交流侧中，公式如下： R -Lw +Lw R+L=（2.20）R_ wL-wL _R图2.7 系统解耦图根据公式（2.20）中，从图2.7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（2.20），我们实现和的解耦控制，该逆变器的电压控制方程式如下： （2.21） 和代表控制信号。通过将公式（2.21）代入公式（2.20）中，推导出一下解耦方程式如下： 0 RR 0+L= （2.22）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，本项目中L=12mH，R=0.05；故=20，=0.24。 （2.23）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，公式（2.23）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（2.23），基于PI控制的电流调节器的结构图如图2.8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。-图2.8基于PI调节的电流控制结构图2.3.2基于PI控制器参数设计采用空间矢量的电流控制环路于图2.8所示，其中PI控制器由表示，并且传递函数表示PWM调节器系统结构图。PWM控制与变换器的动态数学模型和晶闸管触发与整流装置基本一致。按照上述对PWM变换器工作原理和波形的分析，不难看出，当控制电压改变时PWM变换器输出平均电压按线性规律变换，但其响应会有延迟，最大的延时是一个开关周期T。因此，PWM控制器与变换器（简称PWM装置）也可以看成是一个滞后环节，其传递函数可以写成： （2.24） 式中是PWM装置的放大系数，本项目中取=220；是PWM装置的延迟时间，由于本项目中开关频率为10kHz，故取=。因此，控制回路的开环传递函数为： （2.25）通过将公式（2.23）和公式（2.24）中的和分别带入公式（2.25）中，可以得到系统的开环传递函数为: （2.26） 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： （2.27） 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（2.26），从而简化结果为： （2.28）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KT=0.5，可以算出=0.24，=0.88最后，系统示意图如图2.9所示：图2.9 SPWM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。2.4.基于SPWM（解耦）并网逆变器的MATLAB/simulink仿真2.4.1MATLAB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Sim Power systems搭建的。2.4.2电路仿真模型的建立 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38.6A。搭建的仿真模型如图3.1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0.05，PI参数取Kp=0.273，Ki=1.136。 图2.10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。2.4.3仿真结果 仿真时间设置为0.1s，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2.11 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38.5A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2.12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，且输出的电流幅值与给定的38.5A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。第3章 结论光伏发电系统是现今最热门的新能源发电方向之一，拥有来源充足、清洁安全等优势。本文对其中的逆变并网控制策略进行了相关阐述和仿真设计。首先，分析了单相并网逆变器的主电路拓扑结构，然后给出了本系统的总体设计方案，并对主电路参数设计方法和相关的硬件设备作了介绍。由于这部分不是本文章的主体部分，所以只对重要部分进行了简单的概述； 然后，对本文中提到的逆变并网的控制策略进行了详细的分析，剖析了PI控制对系统的动态响应的改善，并解释了局部模块得数学模型，为后面的仿真设计提供理论依据。最后，利用Matlab/Simulink对控制策略进行仿真，对给定有功电流和无功电流分别得到仿真结果，并验证了有功功率和无功功率的解耦控制的有效性。通过对并网电流的控制，可以实现并网电流与电网电压的同频同相。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。同时，控制策略中所提到的“虚轴虚构”能减少系统滞后环节对虚轴反馈控制的影响，能进一步提高控制系统的稳定性。 由于个人能力有限，对PR控制和“虚轴虚构”的了解不够深入，仿真中没法