毕业设计（论文）-直驱式风力发电并网逆变电路设计(软件).doc

本科生毕业设计（论文）摘 要风力发电因其环保性、经济性、灵活性等诸多优点，正受到日益广泛的关注，并在世界范围得以迅猛发展。并网逆变控制器是风电机组与公共电网的能量接口，其性能优劣直接影响机组输出特性及电网电能质量。本文针对小型并网逆变控制器，从其模型分析、检测控制以及软件实现等方面展开研究与设计，主要包括以下几方面的工作：首先，根据机组电压及功率等级，确定了并网逆变控制器功率电路的拓扑结构，并分析推导了其在三相坐标系下的静态数学模型、d-q旋转坐标系下的等效受控源模型及其动态小信号模型，为主电路参数选取和控制环节的补偿校正提供理论基础。其次，将瞬时无功功率理论引入检测与控制环节，将其与PID控制策略结合，实现并网逆变控制器的电压、电流双环控制，并辅以仿真软件对控制环节的补偿校正参数进行计算优化，以保证在发电、馈电平衡的前提下，减小或避免风电机组对电网的负面影响。基于上述理论基础，计算确定了功率电路中藕合电感、直流母线电容等关键参量；根据系统的双环控制结构，以TMS320F2812型DSP为核心，设计了系统控制环节中信号采样、锁相跟踪、PI调节、SPWM形成等各功能模块。最后，采用仿真软件MATLAB/SIMULINK对并网逆变器功率电路及控制环节进行了仿真与分析；并在 CCS 的编译环境下，采用 C 语言进行编程。关键词：风力发电；并网逆变器；SPWM；双环PID控制ABSTRACT Wind power is attracting more attention due to its performance of environmental protection, economy, and flexibility and so on, and is rapidly developing in the world. Grid-connected inverter is an energy interface between wind power generation system and power quality of the grid. In this paper, the model, detection and control of low-voltage grid-connected inverter, and its realization of software, were investigated, the work mainly includes the following aspects:First of all, power circuit topology of grid-connected inverter was determined based on voltage and power grade of wind power generation system. Its static mathematic model in the three-phase coordinate, equivalent controlled resource model in d-q rotating coordinate and dynamic small-signal model were analyzed derived, which provided theoretical basis for parameter selection of the main circuit and compensation and correction of control section.Secondly, the instantaneous reactive power theory to the test and control link, with the combination, realize PID control strategy of grid inverter controller voltage, current 2-ring control, supplemented by simulation software to control links compensation correction parameter optimization, to ensure that the calculated in power generation, feeder balance premise, reduce or avoid the wind generator for grid negative influence.Based on above foundation, calculate and determine the theory of the power circuit coupling inductor, key parameters dc bus capacitor; According to the systems 2-ring control structure, take TMS320F2812 type DSP core, design the system control signal sampling, link of phase-locked tracking, PI adjustment, the function module formation of SPWM.Finally, using the simulation software MATLAB/SIMULINK for grid inverter power circuit and control links are simulated and analyzed; And in the compiler environment, CCS using C programming language.Keywords：Wind power; Grid-Connected Inverter; SPWM; Dual-Loop PID Control第一章 绪论1.1 风力发电的概况能源，是人类生存的基本要素，也是国民经济发展的主要物质基础。风能是一种干净的、储量极为丰富的可再生能源，它和煤、石油、天然气等矿物燃料能源不同，它不会随着本身的转化和利用而减少，因此可以说是一种取之不尽、用之不竭的能源。风力发电作为一种绿色电力，受到广泛的关注，随着技术的发展，风电必然成为重要的洁净能源。风力发电技术是涉及空气动力学、自动控制、机械传动、电机学、力学、材料学等多学科的综合性高技术系统工程。系统建模和分析技术是风力发电机组优化设计分析技术的关键基础技术。1.2 国内外风力发电产业发展现状自20世纪70年代中期以来，世界主要发达国家和一些发展中国家都在重视风能的开发利用。近20年来，发达国家在风能的开发利用方面已取得了惊人的成就。2007年全球新增风电装机容量2000万KW，分布在全球70多个国家和地区，其中，排在前三位的是美国（520万KW）、西班牙（350万KW）、中国（330万KW） 1。能源和环境危机与国民经济可持续发展之间的矛盾，促进了风力发电产业的迅猛发展，风电在我国能源结构中的地位日益受到重视。中国发展并网风力发电始于1990年，到2010年我国的风电装机将达到14001500万KW，到2020年有望实现1.21.5亿KW。1.3 课题研究现状风力发电包含两个能量转换过程：首先将风能转换为机械能，这一部分主要由风轮来实现；其次将机械能转换为电能，这部分转换任务由发电机及其控制系统来承担。两部分之间并不是相互独立的，而是息息相关的，每个转换过程采用的装置结构、运行方式都影响着另一转换过程的效率。因此要选用合适的风力发电机系统以保证风电能量转换的高效率、高可靠性以及良好的供电性能2。 风力发电系统有两种运行方式：一是离网运行方式，它又包括两种：独立发电，即由一台小型风力发电机单独向用户提供电能，它用蓄电池蓄能，以保证无风时的用电；混合发电，即风力发电与其他发电方式（如柴油机发电、太阳能发电等）相结合，向一个单位或一个村庄或一个海岛供电；二是并网运行方式，即向大电网提供电能，常常是一处风电场安装几十台甚至几百台风力发电机。DDPMSG （Direct-drive permanent magnet synchronous generator wind即直驱风力永磁同步发电机）通过变频器与电网相连，其频率和电网的频率彼此独立，不存在并网时产生冲击电流、冲击力矩以及并网后失步的问题，逆变器不仅可以调节并网电压和频率，而且还可调节有功功率，保证系统的功率因数可调，是一种稳定的并网方式3。对于独立运行的逆变器，其拓扑以及控制策略的研究已经很多，并且目前已经有众多非常成熟的电路应用于产品中，而用作并网功能的，由于其特殊的功能要求，还是一个不成熟的领域。对于并网逆变器的研究国内起步较晚，与国外有着一定的差距，目前主要有以下几个研究方向：逆变器的拓扑结构研究；并网逆变器控制策略研究；逆变器输出侧滤波器结构设计；孤岛效应检测和保护的研究；工作模式的无缝切换技术的研究；同步锁相技术的实现等。其中，拓扑结构以及相应的控制策略是逆变装置的关键部分。1.4 本文主要研究内容本课题中采用直驱式风力发电系统，以变速恒频方式运行，发出的电经整流装置变为直流24V，电容滤波，再经三相逆变器将直流电变为幅值、相位、频率与电网匹配的交流电后，并入电网。逆变器的控制器采用TMS320F2812型DSP 芯片，它一方面检测直流侧、逆变器及电网等的相关参数，一方面根据检测到的参数，利用设定的控制算法对逆变器功率开关器件的开通关断等进行控制。针对该系统，课题主要研究内容概括为：（1）根据机组电压及功率等级，确定了并网逆变控制器功率电路的拓扑结构，介绍了其工作原理，分析推导了其在三相坐标系下的静态数学模型、d-q旋转坐标系下的等效受控源模型及其动态小信号模型，为主电路参数选取和控制环节的补偿校正提供理论基础。（2）将瞬时无功功率理论引入检测与控制环节，避免了传统同步坐标系下实现有功、无功的复杂计算;将其与PID控制策略结合，实现并网逆变器的电压、电流双环控制。对并网控制环节中电流内环和电压外环分别进行动态分析。（3）计算确定了功率电路中电感、直流母线电容等关键参量；根据系统的双环控制结构，以TMS320F2812型DSP为核心，设计了系统控制环节中信号采样、锁相跟踪、PI调节、SPWM形成等各功能模块。（4）然后利用 Matlab/simulink 建立风力发电逆变装置动态仿真模型，验证模型和控制策略的可行性。针对逆变器并网控制要求，提出合适的逆变器的并网控制策略，并对其进行详细的讨论和仿真分析；（5）根据仿真的结果对系统逆变部分进行软件设计。第二章 风力发电并网逆变电路的需求分析2.1 直驱式风力发电系统简介风力发电要经过两次能量转换，首先需要风轮机将风能转换成机械能，再由发电机及其控制系统将机械能转换成电能。永磁发电机变速恒频风力发电系统所采用的发电机为永磁式发电机，转子为永磁式结构，无需外部提供励磁电源，提高了效率。其变速恒频控制在定子电路实现的，把永磁发电机的变频交流电通过变频器转变为电网同频的交流电。采用永磁发电机可做到风力机与发电机的直接耦合，省去齿轮箱，即为直接驱动式结构，这样可大大减小系统运行噪声，提高可靠性。随着电力电子技术和永磁材料的发展，在直驱永磁风力发电系统中，占成本比例相对较高的开关器件和永磁体，在性能不断提高的同时，成本也正在不断下降，使得直驱永磁风力发电系统众多变速恒频风力发电系统中脱颖而出，具有很好的发展前景5,6。在我国直驱式风力发电机多用于中小型风力发电系统(30kW以下)中，发电机采用低速永磁同步发电机，电能变换装置主要用于蓄电池的储能控制。由于风能密度的问题，该系统的发电机同样工作在低转速下，并且输出的电能不稳定，须采用电能变换装置来提高输出电能质量。目前在国内对直驱风力发电系统的研究有价值的成果不多，尤其是对电能变换装置的研究。虽然国内已经研制出用于直驱风力发电系统的小型电能变换装置，但是这些装置还存在着功能比较单一，对供电电源的选择性较强，未实现全数字化控制，可靠性不高等缺点。因而，逆变器的控制策略是我们研究的重点。将现代电力电子技术、先进控制技术与风力发电相结合，在直驱风力发电系统的电能变换装置方面进行深入的研究，以提高直驱风力发电系统电能变换装置的性能与质量，实现装置的全数字化控制增强其功能，进一步拓展风力发电市场。永磁同步发电机与电励磁同步发电机的主要区别在于永磁电机磁路中有永磁体存在，导致磁路结构有所不同。永磁体主要有以下两个作用：一是作为发电机的励磁源，二是构成较大磁阻的磁路段。2.2 并网系统总体设计所谓逆变是将直流电转换为交流电，与整流正好相反为整流的逆向过程，因此称之为“逆变”。具体实现是通过功率半导体开关器件的开通和关断作用，把直流电能变换成交流电能7,8。并网逆变器采用先进的SPWM 调制技术，具有完善的保护功能，可以灵活调节系统的有功和无功功率，减小开关损耗，提高效率，使并网功率最大化。并网系统总体方案如图2.1所示。本文主要围绕风电机组并网逆变器展开研究，由于风力发电系统需要与电网并网发电，因此要求系统输出的交流电流必须与电网电压同频同相。同时风力发电系统存在着风速变化或风速较低的时候，风力发电系统输出的电能电压幅值变化较大且频率变化，不符合电网并网标准条件，所以不能将风力发电机与电网直接相连并入电网，因此在风力发电机的输出端设计一个电力电子界面-并网逆变器作为风力发电机与电网之间的接口。该并网逆变器实现了风力发电系统的并网运行和低风速时风能的利用问题。图2.1 风力发电并网系统总体方案系统主要包括以下模块：三相整流模块、逆变电路模块、直流电压电流采样模块、并网电流采样模块、电网电压电流采样模块、辅助电源模块、微处理器 DSP 主控单元模块。由图所知有3个采样程序：直流母线的电压采样，网侧的电流采样，电网电压电流采样。1）直流母线电压采样电路：检测整流后电压是否满足并网条件；系统正常运行时，为系统提供各种正确参数或指标；当系统发生故障时，输送至主控器进行故障定位及自诊断并进行相应处置，即利用继电器开关控制 IGBT 驱动电路，同时使 DSP 封锁SPWM引脚输出脉冲信号。2）并网电流采样电路：过流、输入欠压、过压及断电保护。从主电路的电流互感器的次级线圈得到交流采样信号，若高于设定值时保护电路启动。3）电网电压反馈信号采样电路：采样获得电网频率、相位信号，送至 DSP 的捕获引脚，通过软件锁相程序使输出SPWM脉冲信号相位及频率与电网电压同步；将电压幅值信号模数转换调理后，由相应控制算法调节SPWM脉冲信号占空比，进而改变输出电压大小。在逆变器的控制策略上提出三种方案：电压型逆变器分别采用SVPWM、SPWM控制策略和三电平逆变器采用SPWM方法。重点分析它们输出电压和电流的谐波。第三章 并网逆变系统控制策略研究3.1 逆变器分类和控制技术的发展早期的逆变器是通过改变功率电路的设计来改善输出电压波形质量，其输出为阶梯波，如通过对输出变压器的特殊设计来提高输出电压波形的正弦度;脉宽调制技术（PWM）问世后，逆变器广泛采用此调制技术控制功率变换器件的导通与关断，既能降低谐波，又提高了快速性，还改善了功率因数。以往电力电子整流逆变控制技术采用PID模拟控制，其主要缺点是温漂大、调整不方便。随着控制技术的发展，采用模拟电路和PWM技术相结合的闭环控制方法，使逆变器输出电压质量得到进一步提高。高速微处理器的问世，特别是具有高速运算、处理和控制能力的 DSP(Digital Signal Processor)的出现，使逆变器控制技术的全数字化成为现实，许多先进的现代控制理论和方法在逆变器中得到应用，逆变器的稳定性和可靠性大幅度提高。逆变器的种类很多，可按照不同的方法进行分类。（1）按储能分为电压型和电流型两大类电压型逆变器中储能元件电容储能效率高，储能器件体积小，价格低，从而制约了电流型并网逆变器的应用和研究。但是，直接将电压型并网逆变器应用于可再生能源并网发电系统中时，也存在一些问题，主要是可再生能源发电系统一般输出电压比较低，电压输出幅值变化范围比较大，往往需要经过升压和稳压变换后才能实现电压型并网发电，这必然增加系统的复杂性和成本。电流型并网逆变器的储能元件电感储能效率相对较低，储能器件体积大，价格高。具有并网电流不受电网影响，在电网波动或者畸变的情况下也能实现高质量馈电;同时，电流型逆变器不受输入电压幅值限制，即使在输入电压低于电网峰值电压的情况下也能实现并网发电，拓宽了输入电压范围。（2）按调压方式可分为脉幅调制（PAM）和脉宽调制 (PWM)采用PWM控制技术的并网逆变器由于其交流侧具有可控功率因数以及正弦化输出电流波形，同时可以实现电能的双向传输而受到广泛关注。但同时存在输送到电网的谐波电流难以控制的问题，只有通过加大并网电感或加装滤波器来衰减输出电流中的谐波分量，这将增加并网逆变器的成本和体积，降低效率，也不利于逆变器的控制。脉宽调制可以采用谐波消除 (Harmonic Elimination简称HE)、电流滞环(Current Hysteresis简称CH)和空间矢量 (Space Vector简称SV)三种控制策略。HE技术的基本原理是消除那些难以被滤波器直接滤除的低次谐波；CH控制的基本原理是通过控制逆变器输出电流，使它在与给定参考值偏差保持在一定范围之内变化，输出电流在给定电流上下做锯齿状变化；SV控制技术可以使得逆变器输出电流谐波失真非常小，从而可以得到更高的电能质量。（3）按输出电流的控制方式分为直接电流控制和间接电流控制两种7间接电流控制又称作幅值相位控制，是通过控制逆变器交流侧电压而达到控制交流侧电流的目的。其电流控制的依据是变流器的空间矢量图，对电流的控制是开环的。其优点是静态性能很好，控制简单，一般无需电流反馈控制，由于不需要电流传感器，成本也比较低。但是间接控制时，电流的动态响应不够快，甚至在交流侧电流中含有直流分量、且对系统参数波动较敏感，因而常用于对变流器动态响应不高且控制结构要求简单的场合。直接电流控制与间接电流控制相反，在控制电路中引入交流输入电流反馈信号，对输入电流进行直接控制，称为直接电流控制。根据电流跟踪方法的不同，直接电流控制可分为滞环电流比较法控制、定时瞬时电流比较法控制和三角波比较法控制等。在直接电流控制中直接检测交流侧电流信号加以控制，系统响应快，动态响应好，但检测量过多，控制复杂。间接电流控制从稳态相量关系出发进行电流控制，尽管动态响应较慢，但其具有结构简单、检测量少、控制简单、概念清晰的特点。3.2 两种控制方式下SPWM原理3.2.1脉冲宽度调制基本原理在采样控制理论中有一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性环节上时，其效果基本相同。这个结论是PWM波形调制的主要理论依据。冲量即窄脉冲的面积，这里效果基本相同，是指输出响应波形基本相同。如果把各输出波形用傅立叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。此原理称之为面积等效原理，它是PWM控制技术的重要理论基础。利用PWM调制可有效调节逆变输出电压和降低谐波含量，应用十分广泛。随着各种高性能数字信号处理器的广泛应用，先进的数字控制方法应用于并网逆变器已成为可能，对开关管的通断控制在调制方式上，有 PWM，SPWM，SVPWM 等先进的数字化调制算法。目前,基于微控制器的 PWM产生方法种类很多，但是在各种实际应用场合中，使用最多的还是基于对称或不对称规则采样法的正弦波脉冲调制 SPWM方法，这主要是因为SPWM具有算法简单、硬件容易实现、谐波较小等优点。3.2.2 单极性 SPWM 方法SPWM调制的控制思想是正弦波作为调制波，等腰三角波做为载波,当三角波与正弦波曲线相交时，在交点的时刻产生控制信号，利用功率开关管的高频率通断特性，按正弦波变化规律控制元件开通与关断，这样可以得到一系列等幅而且脉冲宽度正比于对应区间正弦波曲线的函数值的矩形脉冲序列。如图 3.1 所示为正弦波一个周期波形，将其划分为N等份，看成由N个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲的宽度相等，都等于，但幅值不等，且脉冲顶部是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化，即PWM波的占空比值按正弦规律变化。若把此脉冲序列用个等幅而不等宽的矩型脉冲序列来代替，使矩形脉冲中点和相应的正弦脉冲中点重合，且两者对应部分脉冲面积相等，如面积，如果将每一等份的正弦曲线与横轴所包围的面积用一个与此面积相等的等高矩形脉冲代替，就得到如图 3.1 所示的脉冲序列。图3.1 SPWM调制基本原理示意图SPWM控制技术根据控制信号极性的不同可分为单极性和双极性两种。单极性SPWM是一个载波周期内，逆变桥的输出电压(即两桥臂中点间电压) 只有0和正电压或0和负电压；双极性SPWM在一个载波周期内，逆变桥的输出电压既有正电压，又有负电压。但是在双极性SPWM控制方式中，同一相上下两个臂的驱动信号是互补的功率管都以相同的频率通断，开关次数比单极性调制方式增多，增大了开关损耗，而且输出电压正负交替出现，使输出电压基波幅值减小，谐波分量加大。在单相脉宽调制中不如单极性SPWM控制方式。单极性 SPWM 调制功率管一半是以高频工作，另外一半是以低频工作，所以开关管的开关损耗较小，电磁干扰EMI较小，同时其偶次谐波也不存在。可见，对于单相逆变器单极性SPWM控制方式比较优势明显。图3.2 单极性SPWM调制示意图3.2.3 双极性 SPWM 方法如果在正弦调制波半个周期内，三角载波在正负极性之间连续变化，则SPWM波也是在正负之间变化，叫做双极性控制方式。图3.3双极性PWM控制方式3.2.4 SPWM 技术和 SVPWM 技术的概念与比较SPWM 法是以三相正弦波（以对称电压为基准的正弦波称为调制波），用一系列等幅的三角波（称为载波）与正弦波相交，由它们的交点来确定逆变器的开关模式，使定子旋转磁场接近圆形。SPWM已被广泛应用于逆变器中，针对SPWM直流电压利用率低，又提出了一些改进办法，如三次谐波注入法。该方法有效地解决了直流电压利用率问题。但在电压闭环控制时存在调制波和注入的二次谐波如何同步的问题。另外，传统的高频三角波与调制波比较生成PWM波的方式适合模拟电路，不便于数字化方案实现。80年代中期，国外学者在交流电机调速中提出了磁通轨迹控制的思想，进而发展产生了电压空间矢量（Space Vector）的概念。其物理概念清晰，算法简单且适合数字化方案，故一经提出即受到关注，SVPWM目前也己经得到应用。从分析电压空间矢量的原理入手，证明了SVPWM具有最高直流电压利用率。对 SPWM和 SVPWM 输出波形的分析表明，SVPWM实质是一种对在三相正弦波中注入了零序分量的调制波进行规则采样的一种变形SPWM。3.3并网逆变器工作原理并网逆变器是将直流电转换为交流电的装置，是并网型发电机组与公共电网的能量交换接口，主电路由三相全桥电路、滤波器等组成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，但由于此一大电感往往会导致系统动态响应差。因此，国内外大部分并网逆变器均采用以电压源输入为主的方式。由于电压型逆变器中储能元件电容与电流型逆变器中储能元件电感相比，储能效率和储能器件体积、价格等都具有明显的优势，本文采用电压型并网逆变器。电压型并网逆变器是对逆变器输出的三相电流进行控制的一类电压源型逆变器，其工作原理就是控制与逆变器连接的滤波电感上的电流，使其跟踪指令电流的变化。在电压源输入电压源输出模式中，系统参考跟踪量是电网电压，并网电流和电压的质量完全取决于电网电压，只有当电网电压质量很高时，才能得到高质量的并网电流和电压。一旦电网电压受到扰动或出现不平衡时，并网电流电压相应的就会受到扰动，而降低了输出电能质量。而在电压源输入电流型输出模式中，系统被控制量为输出电流，它的质量受到电网电压的影响较少，同比之下可以使电能高质量并网。因此，采用这种模式可以减小电网电压的扰动对输出电流和电压的影响，提高输出电能质量。鉴于此，本设计采用电压源输入电流型输出的控制方式。并网逆变器控制目标是输出正弦电流，且其相位与电网电压相位一致，以避免对电网的谐波污染，使逆变器工作在单位功率因数并网模式。由于SPWM控制技术能使并网逆变器交流侧具有可控功率因数，正弦化输出电流波形，以及可以实现电能的双向传输等优点，因此系统采用SPWM控制技术10。一般来说，对于SPWM电流控制的基本要求主要有以下几点:（1）输出电流无相位误差;（2）系统动态响应好;（3）能够限制或保持开关频率恒定，使电力晶体管工作在安全工作区内;（4）谐波含量低;（5）直流电压利用率高11。3.4 主电路工作状态分析一般SPWM逆变器的直流侧由一相对稳定的直流电源供电，交流侧可以是交流负载，也可以接交流电压源，典型的三相电压型SPWM逆变器的拓扑结构如图3.4所示。图3.4 并网型电压源逆变器的电路结构各功率开关管 IGBT 的控制规律：定义开关函数 ： （3.1） （3.2） （3.3）因此，逆变器的开关信号可以产生8种状态。表3.1列举了在所有开关组合状态下的逆变器的输出电压情况。表 3.1 逆变器输出电压与直流电压的关系开关状态输出电压输出线电压000000000001-1/3-1/32/30-11010-1/32/3-1/3-110011-2/31/31/3-1011002/3-1/3-1/310-11011/3-2/31/31-101101/31/3-2/301-1111000000注：表中的电压值均要乘上直流电压由表3.1，可以得到用开关信号表示的逆变器交流端输出的相电压和线电压，它们分别为： （3.4） （3.5）式（3.4）的电路平衡方程为： （3.6） 即： （3.7）3.5 并网逆变器数学模型获得控制对象数学模型是开展严密理论分析和实验研究的基础。本节将对由三相全桥电路构成的并网逆变器，建立适合于控制系统设计的数学模型。为建立并网逆变器数学模型，在不影响系统建模准确性的前提下可做如下假设12，13：（1）电网电动势为三相平稳的纯正弦波电动势，瞬时值表达式为: （3.8）（2）网侧三相滤波电抗为线性元件，且不考虑饱和；（3）功率开关管为理想开关，不计开关损耗；（4）逆变器开关频率远高于电网电压频率；逆变器并网发电运行的主要控制问题是逆变器输出正弦波电流（即并网电流）控制技术，要求并网电流能实时跟踪电网电压频率、相位和并网容量给定的变化，且电流的总畸变失真要低，以减小对电网的谐波影响14，15。电流的控制既可以在静止坐标系，也可以在同步坐标中进行。在同步坐标系下可以实现电流的无静差跟踪，电流响应也快一些。早期的电流控制主要用模拟电路，要实现坐标变换还非常复杂，所以控制器一般在静止坐标系实现。随着处理器技术的发展，数字化系统正在逐步取代模拟电路，在数字化系统中进行坐标变换非常方便，所以现在使用的控制器大都建立在同步坐标系中。电流控制并网型电压源逆变器是对逆变器输出的三相电流大小进行控制的一类电压源逆变器，其工作原理就是控制与逆变器连接的滤波电感上的电流大小，使其跟踪指令电流的变化，而电网电压又是恒定的，从而使逆变器经滤波后的输出功率能够随着指令电流的变化而成正比的变化。逆变器是整个系统并网的关键环节，下面重点讨论。3.5.1三相并网型电压源逆变器的数学模型图3.1所示的并网型电压源逆变器在静止三相坐标系ABC中的状态方程为： （3.9）其中，是逆变器的输出电流矢量，是逆变器的输出相电压矢量，是电网相电压矢量，是每相滤波电感的大小，为逆变器到电网之间的电阻大小，在式（3.9）中忽略不计。因为在两相旋转坐标系 中，所有基波频率的交流量都变为了直流量，所以为了后面更好的分析电流控制并网型电压源逆变器的控制方法，我们将基于三相静止坐标系的式（3.9）转换为基于两相旋转坐标系的式（3.10）。 （3.10）式（3.10）中，标示分别表示 轴上的变量，表示电网的基波角频率大小。由三相静止坐标系到两相旋转坐标系的PARK变换见（3.11）。 （3.11）式（3.11）中，表示电网相角与 轴之间的夹角。图 3.5 表示了电网相角，坐标系和 坐标系之间的关系。图3.5 电网相角，和 三个坐标系的关系图在 坐标系中，三相并网型电压源逆变器输出的有功和无功功率可表示为: （3.12）如果电网的三相电压是标准的正弦波，那么式（3.12）中电网电压的轴分量为： （3.13）其中，表示的是电网相电压的峰值。在实际情况下，电网电压都会存在诸如高次谐波等非正弦因素，因此，和并不会保持不变，而是包含幅值和频率随谐波电压变化的交流分量。但是，在稳态下，的平均值还是为0。因此，在稳态下，式（3.12）可简化为式（3.14）： （3.14）由式（3.14）可得，在稳态下，有功功率与有功电流成正比，无功功率与无功电流成正比。由此，我们得到了电流控制的三相并网型电压源逆变器输出的有功和无功功率的控制方法，即分别控制逆变器输给电网的电流的有功分量和无功分量的的大小就能按照要求给电网输送对应大小的有功和无功功率。根据有没有引入电流反馈，可以将电流控制并网型电压源逆变器分为间接电流控制型和直接电流控制型，下面分别予以介绍。3.5.2 间接电流控制型间接电流控制也称为相位和幅值控制。这种控制方法就是按照图3.5的向量关系来控制逆变器交流输出电压，使得输出电流和电网电压保持某一要求的相位和频率，从而得到所需大小的有功和无功功率的一种控制方法。（1）控制原理其控制的基本原理如图3.4，图3.6所示，将直流支撑电容看成两个等效电容串联，以两个等效电容的公共接点的电位作为参考零电位。设为逆变器某相相对参考零电位的输出电压矢量，为相对参考零电位的电网电压矢量，为并网电感电压降矢量，为逆变器输出的单相入网线电流矢量。 根据以上向量定义，设逆变器输出端滤波电感为，损耗电阻为，建立矢量图，如图3.6所示。其中为电网电压矢量与逆变器输出电压矢量之间的夹角。为逆变器输出的入网电流矢量与电网电压矢量之间的夹角。 图3.6 逆变器输出电压、电流与电网电压矢量关系图从图中可以看出如下的数学关系： （3.15） （3.16） （3.17） （3.18）分下面几种情况进行讨论：（1）当时，逆变器输到电网的功率全为有功功率，即输出功率因数为 1，此时（2）当 时，逆变器向电网输送的功率包括有功功率和感性无功功率，功率因数；（3）当，逆变器向电网只输送感性无功功率，功率因数；（4）时，逆变器向电网输送的功率包括有功功率和容性无功功率，功率因数；（5）当时，逆变器向电网只输送容性无功功率，功率因数。图3.7电压源逆变器间接电流控制原理3.5.3直接电流控制型在这种控制方法中，通过运算求出交流输出电流指令值，再引入交流电流反馈，通过对交流电流的直接控制而使其跟踪指令电流值，因此这种控制方法称为直接电流控制。针对风力发电系统的特性，设计了与电网并联的SPWM逆变器控制系统，此系统将瞬时无功功率理论引入检测与控制环节，避免了传统同步坐标系下实现有功、无功解祸的复杂计算;将其与PID控制策略结合，实现并网逆变器的电压、电流双环控制，并网逆变器的电流内环采用电流瞬时值反馈控制。直接以电网电压同步信号为逆变器输出电流跟踪指令，以取得网侧电流的快速跟随性和直流侧电压的抗扰性，保证单位功率因数正弦波电流的输出；电压外环控制的目的是稳定直流侧电压，在单位功率因数条件下使并网逆变器输入输出功率平衡。由于内环的动态响应速度远快于外环，因此双环的动态响应可近似视为相对独立，即当处理外环时可认为电流环已完全实现跟踪；在处理内环时则可假设输出电压尚处于稳态，这种双环分离的思路对简化电路设计很有好处。该控制系统并没有将电路具体参数纳入控制中，因此对主电路参数的精确度没有要求。但是，系统引入了电网电压锁相环节，对它们却提出了很高的要求。图3.8 直接电流控制系统框图其中 为了实现正弦电流输出和相位控制，使逆变器工作在单位功率因数并网模式，该调节方法中，使用了与相电网电压同相位的正弦信号和对应的余弦信号。它们由一个锁相环和一个正弦、余弦信号发生电路产生。由于轴的控制结构具有对称性，下面以轴控制结构进行分析。将直流侧电压取样反馈，与给定参考电压比较，比较误差作为电压控制器的输入，这是电压控制的基本结构17，电压控制器的调节算法为PI调节；电压控制器输出与有功电流给定进行比较，比较误差作为内环有功电流给定值，有功电流给定值与电网有功电流的差值经PI调节的出，然后进行式（3.20）所示变换，用三相电压矢量去产生触发脉冲。电网有功电流、无功电流的计算公式： （3.19）式中电网各相电流： （3.20）对于无功电流给定理论值为零，与电网无功电流的差值进行PI调节得出场，同样也要进行式（3.20）所示变换，这样通过对无功电流和有功电流的调节，使其在并网过程中输出电流与电网电压同步17。这种调节方法通过3/2变换和静止/旋转变换后，基波分量变换为直流，非常方便数字低通滤波器的DSP程序实现。如果a相电压的锁相精确，有功和无功基波电流也能得到准确分离。在实际系统中使用，得到了很好的效果。同间接电流控制相比，采用直接电流控制可以获得更好的动态响应与高质量电流波形，直接电流控制的结构和算法比间接电流控制复杂，要求电流采样信号具有较高的实时性。随着数字信号处理技术的发展，功能强大的 DSP的推广使用，直接电流控制应用更加广泛。所以本次设计选择这种方式。3.5.4电流内环动态结构由于同步旋转坐标系下解藕的轴电流小信号模型具有对称性，因而可以选择任意轴的模型分析电流控制环的动态结构。本节以轴电流进行分析，基于电流环反馈信号的采样延迟和PWM调解器的小惯性环节，包含校正器的轴电流控制环动态结构如图3.9所示。图3.9 电流环动态结构（1）输出电流滤波环节传递函数由逆变器小信号模型等效电路得出输出电流滤波环节传递函数： （3.21）式中：-输出滤波时间常数，（2）PWM调制器传递函数采用三角波比较法的PWM调制器可以看成一个滞后环节，其传递函数为： （3.22）式中：-三角载波幅值，-开关周期。其传递函数可以等效为一阶惯性环节为： （3.23）（3）电流反馈环节传递函数该环节采用一阶低通滤波器实现，电流反馈环节传递函数为: （3.24） 式中：-电流反馈滤波环节时间常数，-电流反馈系数（4）电流控制环传递函数电流控制环开环传递函数可以表示为： （3.25）式中：-逆变桥放大系数， 一般情况下反馈信号滤波器时间常数满足，开关周期与输出电流滤波时间常数相比满足因此将式（3.25）中的小时间常数项合并，得出未校正电流内环开环传递函数: （3.26）（5）PI调节器对电流环进行校正对式（3.26）所描述的被控对象进行PI校正，PI调节器传递函数： （3.27）式中：-比例系数，-积分系数加入PI环节后电流环开环传递函数： （3.28）按典型I型系统标准设计控制器参数18，PI参数首先满足： （3.29）将式（3.29）代入式（3.28）得： （3.30）按典型I型系统标准设计控制器参数:阻尼系数，（其中） （3.31）依据一台额定功率为300w的三相并网逆变器实验样机的设计参数：表3.2 逆变器的主要设计参数表项目符号参数网侧等效电阻R网侧滤波电感L逆变器开关频率fs逆变桥放大系数Kpwm150电流反馈系数Kf0.04直流母线侧电容C0.001F将表中的值代入（3.23）中，。PI调节器传递函数： （3.32）加入PI环节后电流环开环传函数： （3.33）电流内环闭环传递函数为： （3.34）3.5.5电压外环动态结构电压控制环的目的是为了稳定逆变器直流电压，根据图3.1得到系统直流侧受控源模型等效电路如图3.10所示。图3.10 并网逆变器直流侧受控源模型等效电路根据基尔霍夫电流定律得出图3.9直流电压动态方程为:（-整流输出电流） （3.35）假设逆变器输出电流为： （3.36）式中：-逆变器输出电流有效值，-电网电压基波角频率依据文献19中只考虑开关函数中低频分量时的开关函数表示，并将式(3.36)代入式(3.35)化简后得: （3.37）式中：-调制比，-开关函数基波初始相位角式（3.37）中的时变性是由系数引起的。实际系统中该系统的变化将引起控制环路增益的和变化。通常环路增益的最大值对系统的稳定性影响最大，因此如果用常数，代替该时变量参与控制系统设计是可以满足要求的。经过上述处理后，直流电压控制环动态结构如图3.11所示：图3.11 直流电压控制环动态结构-电压校正器 -电流内环等效传递函数 -电压反馈系数-直流输出受控电流控制系数 （1）电流内环等效传递函数由于并网逆变器的电流内环按典型I型系统进行设计，这种情况下，电流内环通常可近似等效成一阶惯性环节，其传递函数可以表示为：（-惯性环节时间常数，） （3.38）（2）时变系数依据上文分析，时变系数用其最大值作为参数参与电压控制环路的设计。因此，根据式（3.37）可以得到如下结果： （3.39）（3）电压控制环传递函数由于电压外环的设计需要以电流内环的设计为基础，依据上面的推导，电压开环传递函数可以表示为: （3.40）按典型型系统校正，PI调节器传递函数： （3.41）校正后电压开环传递函数： （3.42）设计各参数与性能指标的关系： （3.43）将，代入式（3.43）得：电压校正传递函数: （3.44）校正后电压开环传递函数： （3.45）第四章 系统的仿真与分析4.1 MATLAB 仿真软件综述MATLAB，即 Matrix Laboratory，代表“矩阵实验室”。MATLAB 是一种交互式系统，它的基本数据单元