双向储能逆变器控制及切换策略研究-检测技术自动化硕士论文

分类号 密级 UDC 注1 学 位 论 文 双向储能逆变器控制及切换策略研究 （题名和副题名） 戴梅芝戴梅芝 （作者姓名） 指导教师 王厚军王厚军 教教 授授 电子科技大学电子科技大学 成成 都都 （姓名、职称、单位名称） 申请学位级别 硕士硕士 学科专业 检测技术与自动化装置检测技术与自动化装置 提交论文日期 2014.4.20论文答辩日期 2014.5.22 学位授予单位和日期 电子科技大学 2014 年 6 月 28 日 答辩委员会主席 评阅人 注 1：注明国际十进分类法 UDC的类号。 CONTROLLING AND SWITCHING STRATEGY RESEARCH OF BIDIRECTIONAL RECTIFIER-INVERTER Master Thesis Submitted to University of Electronic Science and Technology of China Major: Detection Technology and Automatic Engineering Author: Dai Meizhi Advisor: Prof. Wang Houjun School : School of Automation Engineering 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 作者签名： 日期： 年 月 日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后应遵守此规定） 作者签名： 导师签名： 日期： 年 月 日 摘要 I 摘要 随着微电网技术的不断发展，能实现能量双向流动、并且储能和逆变状态可 自由切换的双向储能逆变器作为微电网的重要组成部分得到了足够的重视，越来 越多的科研工作者们对其展开了研究。本文针对微网中的双向储能逆变器，为了 解决能量流向自由切换的问题，从动态响应性能和稳定性两个方面对双向储能逆 变器的电流控制方法和切换方法展开了研究。 首先以实现能量的双向流动为目标，对三相双向储能逆变器系统建模，搭建 了同步旋转坐标轴下的系统模型，并提出一种 SVPWM (Space Vector Pulse Width Modulation)调制波的产生方法。其次对电流控制方法进行详细研究，采用双环直 接电流控制方法对相应的内外环进行设计。考虑模式切换过程中内环电流的变换 趋势以及内环必需的快速跟随性，对内环传递函数的斜坡响应进行了重点研究， 得到内环响应的性能指标与滤波电感取值、PI 调节器参数取值之间的关系，为滤 波电感取值、PI 调节器参数等的改进提供了依据。此外，亦从频域分析的角度验 证了所设计的内外环的稳定性。 然后结合双向储能逆变器交直流侧的电压电流特性以及对内外环控制方法的 研究，提出了变功率和变直流电动势两种双向储能逆变器的储能逆变模式切换方 法，并在 MATLAB 中搭建模型对两种切换方法分别进行仿真验证。仿真波形表 明变功率的切换方法切换较平滑，切换过程缓慢；而变直流电动势的切换方法虽 然切换过程有超调，但是切换很快速，两种方法都能实现对双向储能逆变器的模 式切换控制。 最后为了验证所研制的双向储能逆变器能实现能量的双向流动以及所提出的 两种模式切换方法，以 TMS320F2812 为主控芯片搭建了实验平台进行了储能、 逆变的单独实验，并对变电动势的切换方法进行了仿真验证。实验结果表明本文 所研制的双向储能逆变器能够以满功率因数分别稳定运行于储能、 逆变两种模式， 即可以实现能量双向流动，为模式切换方法的验证实验提供了实验基础。仿真验 证结果表明变电动势的切换方法可以有效实现储能、逆变模式的快速平滑切换。 关键关键词词：双向储能逆变器，内外环控制，模式切换控制 ABSTRACT II ABSTRACT With the continuous development of micro-grid, bidirectional rectifier-inverter which can possess the bi-direction flowing ability of energy, and switch freely between rectifier state and inverter state was widely applied. Based on the current-controlling, a series of studies to the control method and switching methods of bidirectional rectifier-inverter was conducted, from the analysis of dynamic response and stability. First, under the purpose of achieving bi-direction flowing ability of energy, the dq model of bidirectional rectifier-inverter was set up in the dq synchronous rotating coordinate system, and a SVPWM modulation wave generating method was proposed. Secondly, a detailed study was conducted to current control methods, and the double-loop control method was used for the designing of the corresponding rings. Focused on the ramp response of the inner slope transfer function, the references between inner slope performance indexes and filer inductance, PI controller parameters were obtained, which provide the basis to improve filer inductor and PI controller. In addition, the stability of the designed current loop and voltage loop was verified from the perspective of the frequency domain analysis. Then combined the voltage current characteristics of bidirectional rectifier-inverter with double-loop control method, two dual mode switching methods were put forward: “Variable DC source switching method” and “Variable power switching method”, and a MATLAB model for simulation and verification was built. Simulation waveforms show that both two dual mode switching methods can achieve bidirectional rectifier-inverter mode-switching control, but the length of time each method taken to finish the switching process and the smoothness of each switchover process were different. Finally, as the TMS320F2812 was used as main chip, an experimental platform was built for the verification test. Rectifier state and inverter state two working modes of the bidirectional rectifier-inverter were experimentally tested, and the “Variable DC source switching method” was simulation verified. All the testing results showed that the bidirectional rectifier-inverter can work at unity power factor in both rectifier mode and inverter mode and possess the bi-direction flowing ability of energy, at the same time, the harmonic content of the AC phase current can be less than 1.3%. The ABSTRACT III simulation result showed that the “Variable DC source switching method” can effectively achieve the switching between rectifier state and inverter state of the bidirectional rectifier-inverter. Key Words: bidirectional rectifier-inverter， double-loop control， dual-mode switching control method 目录 IV 目录 第一章第一章 引言引言 . 1 1.1 课题研究背景及意义 . 1 1.2 双向储能逆变器研究现状及切换控制方法概述 . 2 1.2.1 研究现状 2 1.2.2 控制技术概述 3 1.2.3 双向储能逆变器切换概述 4 1.3 本文研究目的 . 4 1.4 本文研究内容 . 5 第二章第二章 双向储能逆变器建模及系统原理双向储能逆变器建模及系统原理 . 6 2.1 双向储能逆变器系统建模 . 6 2.1.1 三相双向储能逆变器的拓扑结构 6 2.1.2 电压型双向储能逆变器的可逆运行原理 7 2.1.3 三相电压型双向储能逆变器的数学模型搭建 8 2.1.3.1 静止坐标系下数学模型分析 . 8 2.1.3.2 旋转坐标系下数学模型分析 11 2.1.3.3 三相双向储能逆变器 dq 模型优化 . 14 2.2 空间电压矢量脉宽调制（SVPWM）算法 15 2.2.1 SVPWM 控制算法的基本原理 16 2.2.2 空间电压矢量的分布与合成 16 2.2.3 SVPWM 算法与 SPWM 控制算法的比较 21 2.3 本章小结 . 21 第三章第三章 双向储能逆变器双向储能逆变器电流电流控制方法设计控制方法设计 . 22 3.1 电流控制技术研究 . 22 3.1.1 间接电流控制技术 22 3.1.2 直接电流控制技术 23 3.2 带前馈解耦的双闭环控制研究 . 24 3.2.1 电流内环设计 26 3.2.1.1 电流内环的时域分析 . 28 3.2.1.2 电流内环的频率特性分析 . 30 3.2.2 电压外环设计 33 目录 V 3.3 本章小结 . 38 第四章第四章 双向储能逆变器切换方法设计双向储能逆变器切换方法设计 . 39 4.1 双向储能逆变器的切换方法简介 . 39 4.1.1 重启动的切换方法 40 4.1.2 变电流的切换方法 40 4.2 变功率的变电流切换方法 . 42 4.2.1 变功率的切换方法原理 42 4.2.2 采用变功率切换方法的系统仿真和分析 43 4.3 变直流电动势的变电流切换方法 . 45 4.3.1 变直流电动势切换方法的原理 45 4.3.2 采用变直流电动势切换方法的系统仿真和分析 46 4.4 两种变电流切换方法的比较 . 48 4.5 本章小结 . 49 第五章第五章 软件实现与实验结果分析软件实现与实验结果分析 . 50 5.1 双向储能逆变器的软件实现 . 50 5.1.1 系统软件架构及流程图 50 5.1.2 重点子程序设计及实现 52 5.1.2.1 SVPWM 调制波生成子程序 52 5.1.2.2 PI 重复控制子程序 . 53 5.1.2.3 模式切换子程序 . 54 5.2 双向储能逆变器性能实验与测试 . 55 5.2.1 测试平台与测试方法 55 5.2.2 实验结果与分析 56 5.2.1.1 整流模式稳定性实验 . 57 5.2.1.2 逆变模式稳定性实验 . 59 5.3 模式切换方法仿真验证 . 61 5.4 本章小结 . 64 第六章第六章 总结与展望总结与展望 . 65 6.1 本文总结 . 65 6.2 工作展望 . 66 致谢致谢 . 67 参考文献参考文献 . 68 攻硕期间取得的研究成果攻硕期间取得的研究成果 . 70 第一章 引言 1 第一章 引言 1.1 课题研究背景及意义 随着科学技术的不断发展，对环境影响微弱，且可重复取用的新能源研究取 得了重大成果，形成了一批以光伏发电、风力发电为首的新能源应用系统，为了 充分有效地利用这些新能源发电系统，并且同时保证医疗、交通等重要行业的供 电安全，欧美等国率先提出了微电网的概念。作为一个由分布式电源、储能系统、 能量转换装置及系统负荷组成的小型配电子系统，微电网能在主电网和新能源发 电系统间灵活切换，当主电网平稳供电时，利用主电网为重要负载供电，新能源 发电系统所产生的电力则存储在储能系统中，而当主电网因故不能平稳供电时， 重要负载的供电者切换为新能源发电系统及储能系统，保证了对重要负载供电的 可靠性和安全性。然而微电网的搭建首先涉及到对稳定性良好的双向储能逆变系 统的研究，为了对微电网加以应用，保证对重要负载的安全供电，众多科研工作 者们逐步展开了对双向储能逆变器的研究。 光伏组件光伏组件 蓄电池蓄电池 光伏控制器光伏控制器双向储能逆变器双向储能逆变器 三相电网三相电网 风机控制器风机控制器 风机风机 负载负载 图 1-1 微网示意图 随着电力电子技术的不断发展，双向储能逆变器主电路的开关器件已经由早 期的半控型开关器件（普通晶闸管）发展为全控型开关器件（双极性晶体管、门 极关断晶闸管、 绝缘栅双极型晶体管等） 。 其中主电路使用全控型开关器件的双向 储能逆变器可以在控制方法中引入 PWM 等技术，将双向储能逆变器交流侧电流 正弦化，减小传统双向储能逆变器因使用半控型开关器件而产生的大量谐波以及 因此带给电网的谐波污染，实现真正意义上的“绿色转换” 。 双向储能逆变器包含储能和逆变两种功能，可以依照电网的电力供应情况自 电子科技大学硕士学位论文 2 动选择工作于储能模式或逆变模式，当电网电力充足时，双向储能逆变器工作在 储能模式，为储能设备（蓄电池等）充电，以图 1-1 为例，此时蓄电池作为能量 转换装置，将三相电网的能量存储在蓄电池中，而当负载用电量过大或者电网突 然断电时，双向储能逆变器以逆变模式运行，将蓄电池中存储的光伏组件、风力 发电机以及三相电网的电能逆变成交流电，馈入电网或者直接给重要负载供电， 降低电力不足或者突然断电等情况对人民的生产、生活造成的损失。作为微电网 的重要组成部分，双向储能逆变器的研究直接关系到微电网的发展情况，对提供 人民日常生活所必须的电力保障具有重大意义。 1.2 双向储能逆变器研究现状及切换控制方法概述 1.2.1 研究现状 欧美一些国家从二十世纪九十年代末就开始了对双向储能逆变技术的研究。 经过几十年的发展，像德国的 SMA，丹麦的 Danfoss，美国的 Power-one 等国外 著名企业都推出了一系列较成熟的产品，并应用在了相关的新能源领域。与此同 时，国内关于双向储能逆变技术的研究虽然起步较晚，但是经过数十年的奋起直 追，亦有了不菲的成绩，其中典型的代表公司有阳光电源、特变电工、昱能等。 随着时代的进步、科技的发展，人们对双向储能逆变器的性能指标的要求越 来越高，尤其是对谐波含量的要求越来越高，国内外亦相继出台了一系列的并网 标准，对双向储能逆变器转换后的电压、电流的谐波含量进行了相应要求，比如 英国的 G59/1 和 G57/1 工程推荐标准、IEC1000-3-2 标准、GB/T 14549-1993 标准 等。对于双向储能逆变器，交流侧电流波形质量直接影响其谐波含量。若交流侧 电流波形质量过低，谐波含量相应会过高，这样的电能馈入电网会给电网带来很 大的谐波干扰，不仅影响三相电网的电能质量，而且会缩短其他周边设备的使用 寿命。对双向储能逆变器交流侧电流波形质量影响最大的两部分分别为系统的拓 扑结构和控制策略。 随着电力电子技术的不断发展以及对双向储能逆变器研究的不断深入，科研 工作者们搭建了多种类型的双向储能逆变器拓扑结构，这些结构一般可分为电流 型和电压型两种形式。电流型的双向储能逆变器在直流侧接入电抗器缓冲无功功 率，其直流侧等效于一个电流源，这种形式的双向储能逆变器可以方便地实现四 象限切换运行，然而在其工作过程中需要对三相半桥强制换流，采用这种结构搭 建的双向储能逆变装置复杂，体积大，交流侧谐波也大，一般应用于大容量的系 统。Enjeti,P.N 等学者都对电流型的拓扑结构和数学模型进行了研究分析，并以不 同手段对该种拓扑的特性进行了相关验证1。相比电流型双向储能逆变器，电压 第一章 引言 3 型双向储能逆变器由于其在体积和性能等方面的优势，在小功率场合得到普遍应 用。对电压型拓扑的改进主要以减小功率开关管的数量和改善三相半桥交流侧的 电流波形质量、降低谐波含量为目的。比如说孙醒涛等就提出了一种改进的三相 四开关的电压型双向储能逆变器拓扑结构并进行了相关仿真验证2-3。 虽然国内关于双向储能逆变技术的研究有了一定成功，但是相比起前面提到 的国际知名电气公司，国内的电气公司不仅在双向储能逆变器的核心技术研究上 存在着一些差距，在制造工艺、外观设计等方面也相对要落后。其中生产双向储 能逆变器的部分核心器件还需要进口国外的产品，不仅生产成本偏高，并且生产 产品受制于国外器件的提供，这无疑也成为了制约国内双向储能逆变器发展的一 大因素。 1.2.2 控制技术概述 电压型双向储能逆变器的电流控制方法主要有“间接电流控制”与“直接电 流控制” 两类。 其中间接电流控制方法在 90 年代末期由学者 J.W.Dixon 和 B.T.Ooi 率先提出4，该控制方法不需要采样三相交流侧电流，亦不需要构建电流环，只 需要采样电网电压的幅值和相位信息就可以实现对三相交流侧电流的控制，控制 结构简单，但这种控制方法的动态响应性能较差，并且对系统参数的依赖性亦较 大，因此逐渐被直接电流控制技术取代。直接电流控制技术虽然需要采样交流侧 电流，构建电流环，相比间接电流控制技术需要增加采样电路数目，但正是因为 有采样交流侧电流，可以直接控制交流侧电流，让其跟踪指令电流信号，这种控 制方法动态响应性能好，鲁棒性强，适于对系统性能要求高的场合。根据控制方 式的不同，直接电流控制技术可分为无差拍控制法、PID 控制、模糊控制等5-7。 无差拍控制方法的关键就是将输出参数均分成多个小区间。只要作用在小区 间上的方波脉冲波形对称，变量在该区间结束时的值就可以由变量在该区间上的 初始值计算得到8。进而通过调整控制脉冲的占空比，就可以满足输出波形跟踪 指令波形的要求。作为一种数字化的新型控制方法，无差拍控制法可以根据采样 到的实际电流值和指令电流值间的差值，再利用空间矢量脉宽调制理论计算双向 储能逆变器的开关模式，并作用在三相半桥开关管上。该方法的优点为动态响应 性能好、数学推导严谨、不易出现过冲情况、易于在计算机上实现等。但是这种 方法的计算量很大，并且对系统参数的依赖性很大，稳定性受限。 比例单元（P） 、积分单元（I）和微分单元（D）三部分共同组成了 PID 控制 器9。其中比例系数 kp直接作用在当前采样信号与指令信号的偏差上，反映系统 的动态响应性能；积分系数 Ki则作用在采样信号与指令信号偏差的累积量上，通 电子科技大学硕士学位论文 4 过适当调节 Ki可以降低系统的稳态误差，因此积分系数反应系统的稳态性能；微 分系数 Kd作用在采样信号与指令信号偏差的变化量上，通过适当调节 Kd可以减 少波动、提高系统稳定性、降低系统振荡出现的可能性。因为通过适当控制参数 （Kp、Ki、Kd）就可以达到控制目的，PID 控制简单且易于实现，故其得到了广 泛的应用，但是 PID 控制只适用于简单线性系统，并且对于复杂系统，PID 控制 的精度不高，仅调整控制参数很难达到控制目的；对于时变的系统，为了满足其 快速跟随性，需要增大 PID 控制的比例系数，直接导致系统的稳定性变差10。 作为一种基于 PID控制结构的控制器， 模糊控制不需要对控制系统精确建模， 对系统的参数变化依赖性小，鲁棒性强。其控制过程主要由变量定义、系统模糊 化、教程建立、逻辑判断、糊化解模等部分组成，基于其不需要精确建模的特性， 模糊控制在对稳态性能要求不高的复杂系统中得到了广泛应用，但是对于需要精 确控制，并且要求保证稳态性能的系统，模糊控制难以实现控制目的。 1.2.3 双向储能逆变器切换概述 由于双向储能逆变器的特性所在，双向储能逆变器可以工作在储能和逆变两 种不同的模式下，当电能由三相电网流向直流侧储能装置时，双向储能逆变器工 作在储能模式，反之，当电能由直流侧储能装置流向三相电网时，双向储能逆变 器工作在逆变模式。虽然关于双向储能逆变技术的研究已经有了数十年的发展， 而关于这两种模式的切换目前研究得并不多。在电力富余时，双向储能逆变器工 作在储能模式，只有出现电力不足或者电网断电的情况时双向储能逆变器才需要 工作于逆变模式，为重要负载供电。因此，我们重点研究从储能状态到逆变状态 的切换控制。在参考文献11-14中，王儒等学者对双向储能逆变器的工作状态进 行了相关分析，阐述了 d 轴电流的取值符号与双向储能逆变器工作模式之间的联 系。在此基础上，对于从储能到逆变状态的切换控制，本文提出变电流切换的方 法，结合对双向储能逆变器两种模式的分析，可得两种模式的切换实质上就等效 于对 d 轴电流内环参考值输入的控制，当 d 轴电流内环参考值由大于 0 到小于 0 变化时，即实现了由储能模式到逆变模式的切换。分析双向储能逆变器的数学模 型，有两种方式可以实现变电流，即变功率的变电流法和变直流电动势的变电流 法。这两种变电流方法均能有效实现对 d 轴电流内环参考值符号的控制及切换， 即能有效控制双向储能逆变器工作模式的选择与切换。 1.3 本文研究目标 本文从电流控制的角度出发，设计相应电流控制策略和储能、逆变模式切换 第一章 引言 5 策略，保证双向储能逆变器的动态响应性能及其稳定性，为实现双向储能、逆变 及两种模式的切换提供条件。良好的动态响应性能可以保证在负载突变或者模式 切换时双向储能逆变器交流侧电流能快速跟随电压变化；良好的稳定性则可以保 证在稳定运行时双向储能逆变器交流侧电流的波形质量，为储能、逆变两种模式 间的切换提供实验基础。只要设计合适的电流控制策略保证良好的动态响应性能 和稳定性，双向储能逆变器能量的双向流动就能获得保障，再设计合适的储能、 逆变模式切换策略，就能在电网出现异常时快速平滑地实现储能、逆变两种模式 的切换。 可得本文的研究目的是设计一种电流控制策略以及储能、 逆变模式切换策略， 使双向储能逆变器能以单位功率因数稳定工作在储能、逆变两种模式中，实现能 量双向流动并且在有模式切换需要时平滑、快速地切换至另一种模式。 1.4 本文研究内容 本文立足于三相双向储能逆变器的数学模型，对双向储能逆变器的控制方法 和切换策略进行了设计及验证。全文的主要研究内容安排如下： 第二章主要分析介绍系统原理。首先研究并选定了电压型双向储能逆变器的 拓扑结构，然后分析介绍了其工作原理，接着就选定的系统进行了数学建模，最 后又在所建数学模型的基础上，对 SVPWM 算法进行了相关介绍，并经由对 SVPWM 算法的介绍引出电流控制方法。 第三章主要介绍双闭环的直接电流控制技术。首先对电流控制方法进行了介 绍分析，并选定直接电流控制方法做为本文研制的双向储能逆变器的电流控制策 略。然后在选定直接电流控制方法的基础上进行了内外环设计，并对其响应速度 和稳定性进行了相应验证分析。 第四章在双向储能逆变器储能和逆变状态切换基础上提出了变功率切换方法 和变直流电动势切换方法，并对两种切换方法分别进行了仿真认证，最后根据其 动态响应性能和本文研制的双向储能逆变器的功率取值等因数选定变直流电动势 的切换方法为本文研制的双向储能逆变器的模式切换策略。 第五章介绍了本套系统的软件实现方法，给出了总的软件流程图及重点子程 序的流程图，并在软件实现的基础上搭建实验平台，进行相关测试分析，验证本 套系统的可使用性及各项性能指标。在对所研制的双向储能逆变器性能指标测试 完成后还对变直流电动势的切换方法进行仿真验证分析， 验证该方法的切换效果。 电子科技大学硕士学位论文 6 第二章 双向储能逆变器建模及系统原理 在第一章中我们阐述了双向储能逆变器研制的意义及其研究对微电网发展的 重要性。而双向储能逆变器研制的基础就是系统建模，只有先搭建好系统模型， 以系统模型为依据，才能展开对控制方法、切换方法等的研究。此外，因为三相 双向储能逆变器的开关管的开通和关断控制复杂，为了简化控制难度，并且满足 对其开通关断状态的要求，特引入空间脉宽矢量调制 SVPWM 控制算法。 2.1 双向储能逆变器系统建模 随着电力电子技术的不断发展，双向储能逆变技术日益成熟，出现了多种类 型的双向储能逆变器15，其中最基本的分类方法就是按直流侧储能形式分类的方 法，将双向储能逆变器分成电压型和电流型两大类，因为在电路拓扑结构、PWM 调制信号产生方式和控制方法等方面，这两种类型的双向储能逆变器各有特点， 并且电压型和电流型双向储能逆变器在电路结构上存在对偶关系。 电压型双向储能逆变器的拓扑简单、响应快，并且相比电流型双向储能逆变 器更容易实现， 得到了广泛的应用与研究。 本文亦选用电压型三相双向储逆结构。 2.1.1 三相双向储能逆变器的拓扑结构 图 2-1 所示为三相半桥主电路的拓扑结构，即俗称的三相桥式电路。 VDa VDb VDc VDaVDbVDc eb ec ea C 图 2-1 三相半桥拓扑图 从上图可看出，三相半桥电路的交流侧采用的是三相对称、无中线的连接方 式， 主电路共有三个由功率开关管串联组成的桥臂， 每相开关管的控制信号互补。 因为三相半桥电路电网侧的连接方式，它比较适用于电网平衡的系统。考虑本文 研制双向储能逆变器的应用范围，选用该三相半桥拓扑结构。 第二章 双相储能逆变器建模及系统原理 7 2.1.2 电压型双向储能逆变器的可逆运行原理 双向储能逆变器可以实现能量的双向流动，它既可以把直流电源提供的直流 电逆变成交流电，供给交流负载使用或者直接馈入电网，又可以把电网的交流电 整流为直流电，供给直流负载或者给蓄电池充电。作为一个交流侧、直流侧均可 控并且可四象限运行的变流装置，双向储能逆变器在微型智能电网中获得了充分 应用，为智能电网内部的能量流动提供了可靠依据16-17。 e L R Vdc i v 图 2-2 双向储能逆变器模型电路图 从图 2-2 可以看出，直流回路、交流回路和功率管桥路三者共同组成了双向 储能逆变器。若忽略开关桥路的损耗，双向储能逆变器交流侧功率等于直流侧功 率。因而可以通过控制双向储能逆变器的交流侧达到控制直流侧的目的，或者通 过控制直流侧来实现控交流侧的目的。 稳态条件下，对双向储能逆变器的交流侧进行分析，有如式（2-1）所示矢量 关系： L EUV （2- 1） 其中E为三相电网电动势矢量， L U代表电感上的电压矢量，V为三相桥臂交 流侧的电压矢量。电感电压 L U超前相电流I90。因为双向储能逆变器交、直流 侧的功率平衡，由式（2-1）可知，若是以电网电动势为参考，控制交流侧电流矢 量I即可达到控制双向储能逆变器交流侧工作于不同负载特性情况的目标，实现 控制双向储能逆变器不同象限运行的目的。式（2-1）所示矢量关系用电压电流矢 量图表示即如图 2-3 所示。 从图 2-3 可以看出，当电网电流矢量I的起点从 A 点运动到 C 点时，双向储 能逆变器工作于储能状态，不但吸取有功功率还吸取无功功率，电网的电能通过 双向储能逆变器传送给直流侧的负载，或者提供给蓄电池充电。其中在 A 点和 C 点时，网侧电流矢量与电网电压矢量呈 90关系，只从电网吸收无功功率，而在 电子科技大学硕士学位论文 8 B 点时，网侧电流矢量与电网电压矢量完全同向，达到单位功率因数整流，只从 电网吸收有功功率。当电网电流矢量I的起点从 C 点运行到 A 点时，双向储能逆 变器工作于逆变状态， 把直流电源提供的电能转换成有功和无功功率传输给电网。 其中在 D 点位置，网侧电流矢量平行于电网电压矢量，但方向相反，呈负电阻特 性，达到单位功率因数逆变，为电网提供有功功率。 D C B A OO A B C D O O D C B A O O A B C D O O I E L U V V E L U I V V I I E E L U L U (a)纯电感特性 (b)正电阻特性 (c)纯电容特性 (d)负电阻特性 图 2-3 双向储能逆变器交流侧矢量关系图 可以看出，要实现控制双向储能逆变器不同象限运行的目标，只需要控制网 侧电流矢量I即可， 而网侧电流矢量的控制可以通过网侧电流闭环控制直接实现， 或者通过控制交流侧电压矢量间接实现。 2.1.3 三相电压型双向储能逆变器的数学模型搭建 经验告诉我们，任何一项研究都应是模型先行，作为后续研究开展的必需途 径，数学模型搭建的重要性不言而喻。本节立足于三相半桥拓扑结构，基于其电 压电流关系，搭建三相静止坐标下的三相双向储能逆变器数学模型。为了便于分 析， 还通过坐标转换， 将该坐标系中搭建的数学模型转换为 dq 同步旋转坐标系下 的数学模型。 2.1.3.1 静止坐标系下数学模型分析 本文研究的三相电压型双向储能逆变器采用常用的三相半桥拓扑结构，主电 路的拓扑如图 2-4 所示。 为了分析方便，做如下假设： 1） 、三相电网平衡，即三相电网电压（ abc eee、 、）互成 120，并且矢量和为 0； 2） 、系统不存在损耗，都是理想器件； 3） 、交流侧电感和直流侧电容足够大，不会出现饱和的情况，并且交流侧的三个 电感完全一样。 在上述假设的基础上进行建模分析，分析如下： 功率开关管存在不同的开关状态，定义开关函数为：若j桥臂上桥臂导通， 第二章 双相储能逆变器建模及系统原理 9 下桥臂断开，则1 j S ，反之则0;, , j Sja b c。 C R VDa VDa VDbVDc VDbVD c L + - a b c 0 N a e b e c e a i b i c i dc i R i dc V 图 2-4 三相双向储能逆变器拓扑图 设三相交流输入电压为18-19： cos cos120 cos120 am bm cm evt evt evt （2- 2） 其中， m v为三相相电压的幅值，为其基波角频率。 对三相双向储能逆变器拓扑结构的直流侧进行分析，直流侧电压电流存在如 下关系： dcdc dc dVtVt itC dtR （2- 3） 对式（2-3）拉式变换，有： dc dcdc Vs IssCVs R （2- 4） 因为 , , dcjj j a b c iiS （2- 5） 整理式（2-4）可得： 电子科技大学硕士学位论文 10 , , 1 dcjj j a b c R ViS RCs （2- 6） 由式（2-6）可以看出，直流侧电压的纹波与直流侧电容存在着直接关系。 分析图 2-4 所示三相双向储能逆变器主电路拓扑的交流侧可得电压关系： 00 (, , ) jjNN VVVja b c （2- 7） 其中 (, , ) jNjdc VS Vja b c （2- 8） 00 (, , ) j jLjjNN di eVVLVVja b c dt （2- 9） 由于在一个控制周期内，三相相电流 j i变化很小，所以电感上的电压值 Lj VLdidt很小，基本为 0，因此有： 00 0(, , ) jjjjNN eVeVVja b c （2- 10） 又三相电网平衡，有： , , 0(, , ) jabc j a b c eeeeja b c （2- 11） 将式（2-10）展开并相加，有： 0 , , , 30 jjNN j a b cj a b c eVV （2- 12） 再把式（2-11）代入其整理过后的式子（2-12） ，可得： 0 , , , 11 33 NjNjdc j a b cj a b c VVS V （2- 13） 因此对式（2-9）有： , , 1 (, , ) 3 j jdcjj j a b c di eLVSSja b c dt （2- 14） 对式（2-14）进行拉式变换并整理，有： 第二章 双相储能逆变器建模及系统原理 11 11 (, , ) 3 jjdcjj j ieVSSja b c sL （2- 15） 联立式 （2-2） 到 （2-15） ， 可得三相双向储能逆变器在三相静止坐标系 （a,b,c） 下的数学模型如下： , , 11 , , 11 3 dcdcjj j a b c jjdcjj j RR VIsiS RCsRCs ja b c ieVSS sL （2- 16） 用结构图表示则如图 2-5 所示： a e 1 sL jj Si a S b e 1 sL b i b S c e 1 sL c i c S aa iS bb iS cc iS 1 R sCR dc v 1 3 1 3 j S a i 图 2-5 静止坐标系中三相双向储能逆变器模型 由上图可知， 三相双向储能逆变系统交流侧的相电压 j e和相电流, , j ija b c 的瞬时值相互影响，呈相互耦合的关系，并且还与半桥的开关函数有关，不易于 控制。为了解决三相电压电流间的耦合关系，本文在三相静止坐标模型的基础上 建立了 dq 模型。 2.1.3.2 旋转坐标系下数学模型分析 上一小节本文搭建了静止坐标系中三相双向储能逆变器的模型，并且分析研 究知道该情况下， 三相双向储能逆变器需要对交流侧电压电流的瞬时值进行控制， 电子科技大学硕士学位论文 12 设计和实现该控制的难度都很大。为此，在上一小节搭建的数学模型的基础上引 入空间坐标变化，搭建 dq 模型，用 dq 坐标轴中的直流分量来表示三相静止坐标 系中的交流分量，简化系统的设计与实现。 将式（2-14）展开并整理成矩阵形式，有： 211 333 121 333 112 333 aa a bbdcb c cc Si e d eLiVS dt e iS （2- 17） dq 坐标系的“同步”是相对于静止坐标系中的电网电动势合成矢量基波频率 而言20，其中 d 轴分量代表有功、q 轴分量代表无功。为了便于分析，可以令 d 轴与电网电动势基波矢量一致，即 d 轴与电网电动势基波矢量平行且以相同角速 度旋转，q 轴与 d 轴固定成 90关系。相应的，d 轴上的电流分量为有功电流，q 轴上的电流分量为无功电流，其矢量分解图见图 2-6。 q / a b c /dE b i / a ii c i d i q i I i 图 2-6 三种坐标系下的矢量分解图 为了将三相静止坐标系下的数学模型转换成旋转坐标系中的 dq 模型， 特引入 空间坐标变换。因为无论在哪种坐标系中进行计算，三相双向储能逆变系统交流 侧的能量不变，即空间坐标变换是一种等功率变换。根据这一原理，可得, ,a b c 坐标系到, 坐标系的转换矩阵 /abc T 、 , 坐标系到,d q坐标系的变换转 阵 /dq T分别如式（2-17） 、 （2-18）所示： 第二章 双相储能逆变器建模及系统原理 13 / 11 1 22 233 0 322 131 222 abc T （2- 18） / cossin sincos dq T （2- 19） 其中t，为电网电动势基波矢量的角速度，也是 dq 轴的旋转角速度。 将式（2-18） 、 （2-19）代入式（2-17）中，可得同步旋转坐标系下电压电流关 系的矩阵表示形式为： ddd qqq eviLsL eviLLs （2- 20） 其中 d e、 q e分别是 dq 坐标系下电网电动势合成矢量的 d、 q 轴分量，di、qi则 为双向储能逆变器交流电流矢量的 d、q 轴分量，为电网电压的基波角频率，也 是 dq 轴的旋转角速度， d v、 q v分别为三相半桥交流侧控制电压矢量在同步旋转 坐标系下的 dq 轴分量，并且有 ddcd vV S， qdcq vV S。 将式（2-5）展开，并整理成矩阵形式，有： 1 a dcabcb c S R ViiiS RCs S （2- 21） 将式（2-18） 、 （2-19）代入由式（2-21）中，可得到同步旋转坐标系下直流侧 输出电压与关系的矩阵表示形式为： () 1 dcddqq R ViSiS RCs （2- 22） 联立式（2-20）和（2-22）可得同步旋转坐标系下的三相双向储能逆变系统 的数学模型为： 电子科技大学硕士学位论文 14 1 () 1 () () 1 dddcdq qqdcqd dcddqq ieV SLi Ls ieV SLi Ls R ViSiS RCs （2- 23） 则 dq 坐标下三相双向储能逆变器的数学模型结构图如图 2-7 所示： d v d i d SL q SL q v q i dc v 1 sL 1 R RCs 1 sL qq iS dd iS 图 2-7 dq 坐标系下三相双向储能逆变器的数学模型 从图 2-7 所示的数学模型可以看出，在 dq 同步旋转坐标系下，三相双向储能 逆变器的数学模型相比静止坐标系下的要简单，并且三相交流电压、电流矢量在 该坐标系下的映射 d e、 q e、 d i、 q i的符号固定，但是电流控制量 d i、 q i间仍然相 互影响，并且与三相半桥的开关函数有关，需要进一步优化。 2.1.3.3 三相双向储能逆变器 dq 模型优化 从上一小节的分析可得，在同步旋转坐标系下的三相双向储能逆变系统的数 学模型仍然存在非线性特性，为了使该数学模型线性化，做如下变换。 当不考虑三相电压型双向储能逆变系统桥路自身损耗时， 根据能量守恒定律， 交、直流侧功率相等，即有： acdc PP （2- 24） 其中有： 第二章 双相储能逆变器建模及系统原理 15 2 acaabbccddqq dcdc dcdc peieieieiei dVV PV C dtR （2- 25） 将式（2-24）代入式（2-25）中，并整理，可得： 2 2 3 22 dc dc ddqq d V VC eiei dtR （2- 26） 为了便于控制，对式（2-26）进行线性优化，令 2 dc UV、 ddd uev、 qqq uev，联立式（2-20） ，可得同步旋转坐标系下的系统优化模型： 1 1 331 2 22 ddq qqd ddqq iuLi sL iuLi sL UCseiei R （2- 27） 由式（2-27）可看出该模型为一线性化模型，结合现代控制理论，可知该优 化后的模型便于控制系统的设计和实现。 2.2 空间电压矢量脉宽调制（SVPWM）算法 前一小节已经对三相双向储能逆变器的原