（电力电子与电力传动专业论文）带谐波抑制功能的分布式发电并网逆变器的研究.pdf

山东理t 大学硕十学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe n e r g ys a v i n ga n de n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n ，t h ep r o g r a m a b o u tm a k i n gu s eo fn e we n e r g yh a sb e e nr a p i d l yp r o m o t e di no r d e rt os o l v ep r o b l e m s s u c ha sp o w e rs h o r t a g e ，e n v i r o n m e n tp o l l u t i o n ，a n ds oo n d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o nh a sb e e n a t t r a c t e db ym o r ea n dm o r ec o t m t r i e si nt h ew o r l d ，a n di tw i l lb e c o m ea ni m p o r t a n tp o w e r f o r mi nt h ef u t u r e d i s t r i b u t e d g e n e r a t i o n s i n d i s t r i b u t i o nn e t w o r ka n ds u b s t a n t i a l a p p l i c a t i o no fp o w e re l e c t r o n i cd e v i c e sh a v er e s u l t e dad e c l i n ei np o w e rq u a l i t y , i th a s b e c o m ea l li m p o r t a n tp r o b l e mt h a th o wt oe f f e c t i v e l yi m p r o v et h ep o w e rq u a l i t yw h i l e f e e d b a c kg e t st ot h e 鲥di nt h ed i s t r i b u t e dp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m ，t h ei n v e r t e rh a s b e c o m eah o tr e s e a r c h t h i sp a p e rm a i n l ym a k e sad e t a i l e da n a l y s i sa n dr e s e a r c ho n s y s t e mt o p o l o g y ，c o n t r o ls t r a t e g y , p a r a m e t e rs e l e c t i o n , a n de x p e r i m e n t si nt h en e tv o l t a g e a n di n v e r t e r f i r s t l y ，a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i c s o fd i s t r i b u t i o nn e t w o r kw i t hd i s t r i b u t e d g e n e r a t i o n ，an e wp l a no fg o v e r n i n gh a r m o n i cw a v eh a sb e e np r o p o s e d ，t h a ti st oc o m b i n e a c t i v ep o w e rf i l t e rt e c h n o l o g yw h i c hc a ni m p r o v ep o w e rq u a l i t yw i t ht h ed i s t r i b u t e d i n v e r t e rp o w e rs o u r c e ，t h e nt od e s i g nan e wt y p eo fm u l t i f u n c t i o n a lg r i di n v e r t e r a s m a l l - s i g n a lm a t h e m a t i c a lm o d e la b o u t 断d - c o n n e c t e di n v e r t e rh a sb e e ns e tu pb ys w i t c h f u n c t i o nm e t h o d ，t h ec o r eo ft h ec o m p o s i t ec o n t r o ls t r a t e g yi sp ic l o s e d l o o pr e g u l a t i o n , v o l t a g ef e e d f o r w a r dc o m p e n s a t i o nh a sb e e na d a p t e dt oo f f s e tt h ei m p a c to fp o w e rg r i d v o l t a g e d i s t u r b a n c eo nc u r r e n t ，t h e n ab e t t e rc o n t r o lc a nb ea b t a i n e da b o u tt h eo u t p u t c u r r e n t ，t h ei d i qh a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i o na l g o r i t h mb a s e do ni n s t a n t a n e o u sr e a c t i v e p o w e rc a na c c u r a t e l yd e t e c ta n dt h es e p a r a t et h er e q u i r e da c t i v ea n dh a r m o n i cc o m p o n e n t ， p h a s e - l o c k e dc o n t r o la l g o r i t h mb a s e do nd s p c a nm a k ec u r r e n ta n dv o l t a g eh a v et h es a m e p h a s ea n df r e q u e n c y w h a t sm o r e ，s u b - b l o c kd e s i g nh a sb e e nc a r r i e do u to nh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h e g r i di n v e r t e rc o n t r o ls y s t e m d e t a i l e da n a l y s i sa n dd e s c r i p t i o nh a sb e e nd o n ei na d c o n v e r s i o nc i r c u i t ，i n v e r t e rd r i v ec i r c u i t , p w ms i g n a lg e n e r a t i o nc i r c u i to ft h ei n v e r t e r s y s t e m h u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o nf u n c t i o nh a sb e e nc a r r i e do u tb ys c ia s y n c h r o n o u s s e r i a lc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ew h i c hi si n s i d et h em a s t e rc h i p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ao fd s p , g r i d - m a c h i n ec o m m u n i c a t i o nf u n c t i o nh a sb e e nc a r r i d eo u tb yc a nc o n t r o lm o d u l e ，a tt h e s a m et i m e ，f l o wc y c l ea b o u tm a i np r o g r a mo ft h ec o n t r o ls y s t e ma n di n t e r r u p ts u b r o u t i n e p r o g r a mw i l lb eg i v e na tt h er u n n i n ge n v i r o n m e n to f t ld s p 2 0 0 0 1 1 山东理t 大学硕 j 学位论文a b s t r a c t 曼曼皇曼曼! ! ! ! ! 曼曼曼曼曼皇曼皇曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼皇曼鼍皇曼曼蔓曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼皇曼曼曼皇曼皇曼菖m mm 鼍曼曼曼曼曼曼鼍曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼舅 a d d i t i o n a l l y , m u l t i f u n c t i o ni n v e r t e rp o w e rs u p p l ys y s t e m sa n dr e l a t e de x p e r i m e n t a l a u x i l i a r yc i r c u i to ft h et h r e e p h a s ep w mb r i d g ei n v e r t e rm a i nc i r c u i tw h i c hc o n s i s to fi p m i np o w e rd e v i c eh a sb e e nd e v e l o p e d ，e x p e r i m e n t sa b o u ta c t i v ep o w e r so u t p u to ft h e i n v e r t e ra n dt h ee l i m i n a t i o no fh a r m o n i ch a v eb e e nf i n i s h e d ，t h em a po fp h y s i c a ld e v i c e s a n de x p e r i m e n t a lw a v e f o r m sh a v eb e e ng i v e n , c o r r e c t n e s so ft h ei n v e r t e r sw o r k i n g p r i n c i p l ea n df e a s i b i l i t yo fs y s t e md e s i g nh a v eb e e nv a l i d a t e d t h ew o r ko ft h i sp a p e rd o n et ob r o a d e nt h ei d e a so fd i s t r i b u t i o nn e t w o r ko f d i s t r i b u t e dp o w e rg e n e r a t i o nh a r m o n i cg o v e r n a n c e ，a n di th a ss o m es t r o n gt h e o r e t i c a la n d p r a c t i c a lv a l u ef o rt h ep r o m o t i o no fe n e r g y s a v i n g ，p o w e rs u p p l y , t h eu s eo fn e we n e r g y a n d i m p r o v i n gt h eq u a l i t yo fg r i de l e c t r i c i t y k e yw o r d s ：d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ；g r i d c o n n e c t e di n v e r t e r ；h a r m o n i ce l i m i n a t i o n ； i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r y i i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，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，也不包含为获得山东理工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 确的说明并表示了谢意。 妣乏、芝莆、帆叩年多咖 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在不同媒体 上发表、传播学位论文的全部或部分内容，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协议) 研究生签名： 导师签名： f 未芝稼 钢磊1 ，q 时间：q 年善其f s b 时间：彬呵年6 月 山东理| t 人学硕 ：学位论文第一章绪论 1 1 课题的研究背景和意义 第一章绪论 近年来，随着我国负荷持续快速的增长，许多省市出现了电力供不应求的局面， 造成了很大的经济损失，制约了经济的发展。电源建设滞后和电网结构不合理是造成 这种局面的主要原因。因此，解决上述问题的传统做法就是加强电源、电网的建设。 但是传统的发供电模式，一方面发电侧消耗大量煤炭、天然气等不可再生能源，并对 大气和水体产生污染；另一方面输配电设施的建设占用大量土地与资金，发、输、配 电过程中的厂用电与线损不可避免地造成了大量的电能浪费。由于石化燃料供应日益 紧张，生态环境不断恶化，人们对传统的发供电体系进行了反思。技术创新带来的小 型发电机组效率的提高，为分布式发电的再现提供了重要的技术保证。同时负荷的不 断增长致使输配电网络越来越接近运行极限，资源与环境的双重压力构成了推进分布 式发电的直接动力。所以，直接从配电侧接入电网的分布式发电技术越来越受到人们 的关注。 当前我国面临着常规能源资源约束，过分依赖煤炭污染严重，能源利用效率低等 一系列问题。如果我国重复发达国家的历史发展道路，能源消费会持续增长，据统计 到2 0 2 0 年，保守估计也需要2 5 亿到3 5 亿吨标煤、l o 亿千瓦发电装机容量；到2 0 5 0 年达到中等发达国家水平，人均消费3 到3 5 吨标煤、l 千瓦功率，人口稳定在1 5 亿左右，能源消费则需要4 5 亿到5 2 亿吨标煤、1 5 亿千瓦发电装机容量。世界上没 有任何一种常规能源能满足这种规模的需求，这是对中国自身和世界能源的巨大挑 战。由于以上种种原因的存在，以可再生能源的综合利用为核心的分布式发电势在必 行。可再生能源是重要的战略替代能源，对增加能源供应，改善能源结构，保障能源 安全，保护环境有重要作用，是建设资源节约型、环境友好型社会和实现可持续发展 的重要战略举措l l j 。发展分布式发电不仅可以推进可再生能源的合理利用，而且对于 电力系统建设运行也能带来可观的经济效益。引入分布式发电，可减少大型电厂和远 距离输电线路的建设。首先，新增负荷相当大的部分将由分布式发电来满足；其次， 由于分布式发电的削峰填谷、平衡负荷，降低了峰谷差，现有发输电设施的利用率将 大大提高。那些利用率极低、仅为满足高峰负荷需要的发输电设施将不再有建设的必 要，从而节省了大量的投资。另一方面，分布式发电的普及对电力市场的走向和格局 影响深远。电力公司和用户之间将形成新型的关系：用户可以从电力公司买电，也可 以用自己拥有的分布式电源向电力公司卖电或为电力公司有偿提供削峰、紧急功率支 持等服务：分布式发电也为其他行业，如天然气公司进入电力市场打开了大门，整个 山东理t 大学硕f ：学位论文第一章绪论 电力市场的竞争将更加激烈。从而更加有利于整个社会资源的合理优化配置。当然， 分布式电源的接入使得配电网从一个辐射式的网络变为一遍布电源和用户互联的网 络，控制和管理将变得更加复杂。需要对这种新型配电系统进行更加深入的研究，制 定相应法律法规，积极稳妥地推进分布式发电。 1 2 分布式发电发展现状 目前世界上最具商业运营前景的主要是微汽轮机，专家预测微汽轮机采用热电联 产模式将是2 1 世纪能源利用的潮流乜圳。采用热电联产模式后，其能源综合利用率可 以达到6 0 以上。但是由于其采用天然气发电，在天然气资源比较匾乏的地区就难以 推广。尽管风力发电、光伏发电等目前经济性较差，但是由于其使用可再生能源发电， 仍然受到普遍的重视。美国、日本由于电子信息产业比较发达，在太阳能利用方面走 在世界前列。欧洲在传统机械制造业方面始终保持着领先的地位，本身所处的地理位 置风能又特别的丰富，所以风力发电在欧盟快速发展。随着可再生能源技术的进一步 成熟，在世界各国的鼓励政策支持下，预计今后可再生能源利用将会得到更快，更好 的发展。今后发展较快的可再生能源除水能外，主要是风能、太阳能和生物质能。风 电将是今后2 0 年发展最快的可再生能源技术。目前，至少有4 8 个国家已利用风力发 电，而欧洲就占全球风电总装机容量的7 0 多，且主要集中在德国、丹麦和西班牙。 据预测，到2 0 2 0 年，风电将占世界发电量的1 2 。太阳能光伏发电将由发达国家的 并网发电和发展中国家的无电人口地区的独立供电逐渐发展成为发达国家和发展中 国家都以并网发电作为主要方向。太阳 能热利用的方向是实现与建筑的一体化，进一步提高其经济性和与建筑的相互协 调。欧盟计划到2 0 1 0 年太阳能热水器集热面积将达到1 亿平方米。生物质能仍是可 再生能源中( 非水电) 最重要的能源之一，主要利用方式是发电、供热和制取液体燃料。 我国可再生能源资源非常丰富，分布式发电技术已取得初步成效畸1 。根据最新水 力资源复查结果，全国水力资源理论蕴藏量6 8 9 亿千瓦，经济可开发容量4 9 3 亿千 瓦，年发电量约为6 0 4 万亿千瓦时。中国气象局风能太阳能资源评估中心采用气象 学科的数值模拟方法对全国风能资源进行最新评估，全国陆地可利用风能资源约2 5 亿千瓦，海上风能资源约7 5 亿千瓦，共计约l o 亿千瓦。初步估计陆上与近海合计 每年可提供约2 万亿千瓦时的电量，相当于2 0 0 4 年全国用电总量。截至2 0 0 8 年底我 国风电总装机容量达到1 2 2 1 万千瓦，同比增长1 0 6 ，总装机容量位列全球第四。经 过引进和吸收国外先进技术，7 5 0 千瓦风电机组的制造技术已经掌握，1 2 0 0 千瓦风电 机组已经投入试运行，1 5 0 0 千瓦和2 0 0 0 千瓦风电机组正在试制之中。我国在可再生 能源“十一五”发展规划中要求安装太阳能光伏容量达到2 5 0 姗，用于解决偏远地区 山东理t 大学硕l j 学位论文第一章绪论 ! 曼曼! 曼曼量曼! 曼曼曼m m 一一m m mm 曼曼曼曼曼曼鼍曼曼皇曼曼! 皇曼曼曼曼! 曼曼舅 居民用电和特殊商业用电( 通讯、导航和交通等分散电源) 。我国海岸线漫长，潮汐能 资源达2 亿千瓦时，也是很大的笔能源财富。签于以上丰富的资源优势，发展分布 式发电必须以可再生能源的综合开发和利用为核心。但是由于我国对分布式发电的研 究起步较晚，仍然存在一些问题，主要包括以下三个方面畸1 ： ( 1 ) 缺乏系列配套的政策法规 尽管2 0 0 5 年初可再生能源法正式出台，但因实施细则不够具体，而缺乏切实 可行的激励措旌，包括税收优惠政策、政府补贴政策、合理的电价政策、投融资及优 惠贷款政策。 ( 2 ) 技术发展规划滞后 基础研究、材料研究、应用研究、产业化研究和建设资金难以得到长期、持续的 保障。同时缺乏科技创新能力和机制，研发与产业化衔接不力。 ( 3 ) 多数可再生能源技术发电成本过高 目前我国可再生能源发电成本远高于常规能源发电成本。例如：小水电发电成本 约为煤电的1 2 倍，生物质发电( 沼气发电) 为煤电的1 5 倍，风力发电成本为煤电的 1 7 倍，光伏发电为煤电的1 1 - 1 8 倍。 1 3 分布式发电并网引起的问题及解决思路 大多数分布式发电设备都不能直接提供5 0 h z 交流电能输出，需要电力电子装置 进行电能形式的变换，为用户提供电力，同时电力电子装置还作为这些分布式电源的 功率调节系统控制功率输入和输出。再加上供电系统中非线性负载，特别是电力电子 为基础的静止变流器广泛应用就使得配电网中的电力电子设备大量存在。这些电力电 子设备的操作就可能会引起电网电流、电压波形发生畸变，造成电网的谐波污染等电 能质量问题。卜h 1 。 ， 虽然分布式发电的引入给系统带来许多不确定性，可能会造成电网电压闪变以及 引进大量谐波，使电能质量恶化，但是分布式发电存在改善电能质量的潜力。首先分 布式电源能够及时快速地提供电能，当电网负载增大时，分布式电源在相关控制策略 下用很短的时问就可以投入使用，使系统故障尽可能的减少，从而提高整个电网系统 的稳定性。其次对分布式电源中的电力电子设备的合理控制，不但可以减小它自身对 电网电能质量的影响，而且还可能改善电网中原有的电压闪变、谐波等危害，相应减 少这些危害治理的设备投资。 1 4 课题主要工作 由于分布式电源具有较强的随机性、波动性，其接入配电网后引起的电能质量问 山东理t 大学硕i j 学位论文 第一币绪论 题也具有很强的暂态性和不确定性。常规的电能质量补偿手段无法快速准确地补偿各 种暂态问题。本文针对分布式电源接入配电网后引起的谐波问题，充分发挥分布式电 源并网逆变器的潜在优势，将其与有源滤波技术结合，实现将分布式发电系统的能量 回馈至电网的同时有效抑制电网谐波，从而拓宽了带有分布式发电的配电网谐波治理 的思路，对推动我国节能供电、高质量供电、新能源的利用以及改善电网电能质量等 方面具有十分重要的理论意义和实用价值。 本文主要研究内容如下： ( 1 ) 首先根据分布式电源并网逆变器自身特点提出一种新的谐波治理思路，将改善 电能质量的有源滤波技术和分布式电源技术相结合，设计一种多功能的新型并网逆变 器。 ( 2 ) 就单相电压型并网逆变器和三相电压型并网逆变器的结构和工作原理分别做了 详细的分析。用开关函数法建立了并网逆变器小信号模型，根据分布式发电系统对逆 变电源的要求，提出了适于分布式发电用逆变电源控制方案( p i 反馈加电网电压前 馈的复合控制) 并进行了理论分析；用m a t l a b 中的s i m u l i n k 仿真工具对并网逆变器 的复合控制策略进行了仿真研究。 ( 3 ) 详细分析了基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法，提出了一种适应并网逆变 的i d i a 谐波电流检测方法及该检测方法在d s p 中的实现问题。对软件锁相控制技术 进行了研究，提出了一种基于并网控制的软件锁相方法。此外还给出适合本系统的两 种i i r 滤波器c h e b y s h e v 低通滤波器和b u t t e r w o r t h 低通滤波器的设计方法及逆变 拓扑结构主电路交直流侧参数的选取方法。 ( 4 ) 依据模块化、智能化的设计思路，对并网逆变器控制系统软硬件分别进行了设 计，介绍了各个电路单元的功能、技术特点，以及中断服务方式时的主程序和子程序 的设计。 ( 5 ) 完成了以功率器件i p m 构成三相p w m 变流桥主电路的多功能逆变电源实验系 统及相关配套辅助电路的设计，给出了装置样机的实物图。最后完成了逆变电源输出 有功功率、无功补偿及消除谐波的实验，取得了较理想的实验效果，验证了这种新型 逆变电源改善电网电能质量的有效性。 山东理工人学硕十学位论文第二市p w m 逆变器的t 作原理及摔制及控制技术 曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼! 曼! ! ! ! 曼曼曼曼曼曼鼍曼皇曼皇曼皇曼皇曼曼_ i ； i 皇! 曼曼鼍曼! 曼! 曼曼曼! 曼曼皇曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼! 曼曼曼 第二章p w m 逆变器的工作原理及控制技术 目前在逆变技术研究中，不同拓扑有着不同的特性，不同拓扑所针对的问题也不 尽相同。为准确分析并网逆变器的运行特点，获得较好的控制性能，本章首先介绍了 电压型p w m 逆变器的结构和工作原理，然后以三相电压型p w m 逆变器为出发点， 用开关函数法建立并网逆变器的小信号数学模型，并对开环和经p i 调节器校正后的 系统性能做分析研究，提出一种适于分布式发电的带有电网电压前馈的复合控制策略 并进行了理论分析和仿真验证。 2 1 电压型并网逆变器工作原理 2 1 1 单相电压型逆变器 f i d 咯d 咯点且 f = = 趔占d 一 图2 - 1 单相全桥逆变电路 a 如图2 1 所示单相全桥逆变电路，作为并网用的逆变器，理想状态时网侧功率因 数五= 1 ，即逆变器输出电流波形无畸变且与电网电压相位完全一致，回馈至电网的只 有有功功率。 假设网侧电压为 ”，= u ss i n 沏+ 口) ( 2 1 ) 其网侧电流为电感电流 f = i ls i n ( c o t + 口)(2il s i n t a , t 2 ) k 2 + 口j k - z ， 如图2 2 所示为单相电压型并网逆变器的理想工作状态，此时并网逆变器输出电 流与电网电压同相位，且电流波形无畸变。 其工作原理等效电路如图2 3 所示，通过不同的控制方式，在逆变输出端得到所 需的交流电压波形虬。i , 。与电网电压甜，形成压差叱加到电感三两端，以形成输出电 流f p 山东理t 大学硕十学位论文第二章p w m 逆变器的t 作原理及摔制及控制技术 幅 值 o 图2 ，u s 麟ta 。 呵b ? u u 图2 - 3 单相电路工作原理等效电路图 图2 - 4 ( a ) 为逆变电路在忽略电感电阻和线路电阻后并n - v 作时的矢量图。根据并 网逆变的理想状态，调节逆变输出e g 压, u 。使吼与u s 保持9 0 度相位差，此时”。超前 电网电压的相位口。即可在电感两端得到 甜l = 材一甜，= j o l i ( 2 3 ) 则输入电网的电流为 i 上= 轰= 盟j o z ( 2 4 )，= l = 二坚 ( 2 4 l 础 、7 同理，图2 4 ( b ) 中考虑电感电阻和线路电阻心时，可以得到输入电网的电流为 屯=上=u-u,jag,+r,j c o l + r , ( 2 5 )吃= l = ( 2 5 ) ( a ) j r n l i l 图2 - 4 单相并网电路矢量图 ( b ) o - , l i l 从式( 2 4 ) 和式( 2 5 ) 可以看出，当电网电压不波动时，回馈能量的调节可以通过 调节逆变器输出电压u 。的大小以改变回馈电流f ，最终达到控制回馈能量的目的；也 可以直接进行电流单环闭环控制。从矢量图来看，回馈电流f ，相位落后电压”，相位 大约9 0 。( 电感内阻实际值很小) ，和电网相位一致。假设甜。正弦，不包含谐波，则电 流亦正弦，功率因数为1 ，满足并网逆变的理想工作情况。如果并网逆变器只要求输 出有功功率，并且输出电流大小有固定要求时，测量出电感值后，然后根据各参数计 算出口值，可以根据精确的数值进行开环控制，使并网逆变器工作在理想状态。 山东理t 大学硕一l j 学位论文第一二章p w m 逆变器的t 作原理及控制及控制技术 2 1 2 三相电压型逆变器 三相电压型桥式逆变电路的主电路如图2 5 所示。 图2 5 电压型三相桥式逆变电路的主电路 三相桥电路是单相桥式电路的扩展，在拓扑结构上是完全相似的，其中各相输入 电感相等，即 。2 厶2 三。= 上 ( 2 6 ) 电网各相电压均为正弦波，即 2 万 3 2 万 + 3 ( 2 7 ) 三相并网逆变电路的等效电路如图2 6 所示，图中o 点为电网中点，o 点为直流 侧滤波电容中点，咫为电感、回路等效电阻，其它同单相电路。 橱 图2 6 三相并网逆变等效电路 图2 7 为a 相等效电路的相量图。 0 牙 甜 研 g 署 如 细咖 如 = i i = 胁 胁 山东理t 大学硕十学位论文第二章p w m 逆变器的t 作原理及控制及控制技术 ( a ) j c o l i h , 图2 - 7 等效电路a 相矢量图 ( b ) c o l i h , 如图2 7 定义a 相的开关状态为： s a = l 时，开关q l 导通，q 2 关断。 s 。= 0 时，开关q l 关断，q 2 导通。 b 相和c 相也同样定义，于是可以得到三相输出电压甜姗，z ，曲，”。 式中s 。，咒和疋为a 、b 、c 三相的开关状态，玑为逆变器输入端直流电压。 而又可以知道 ( 2 9 ) 式中i k ，么和也为逆变器a 、b 、c 三相输出电流，l 为电感，故可以得到 从以上这些方程式可以看出：( 1 ) 改变该逆变器的开关状态，就可以使输出电压相 位、幅值得到改变。( 2 ) 三相s p w m 逆变器不是简单的三个单相s p w m 逆变器的叠 加，三相控制相互不独立，改变一相的开关状态，会引起其它两相输出电压的改变。 ( 3 ) 逆变器的控制是通过调节逆变器输出电压“。，t u b 和“。的相位、幅值以改变输出 电流屯，0 和也来实现的。 丝监儿一 & 一 只一 魏一 二 二 二 &一3墨1&一3 二 二 二 差一 勘 鼬 甜 甜 + + + 功 肪 幻砣战h s s s 足r r + + +础础础 o u u = = = 曲 粥 弘 ” 甜 2 s s s瓜戤取 己 现 以 幼 眦触眦 jl，l，ill 腑批 0 0 0 切 胁 髓k k k 山东理t 火学硕， ：学位论文第二帝p w m 逆变器的下作原理及栉制及控制技术 曼曼皇曼曼曼鼍皇m mmmmmml| 量 + 玩 图2 - 1 0 三相p w m 逆变器的主电路拓扑 2 2 三相p w m 并网逆变器数学模型 模型n 纠引。如图2 - 1 0 所示，s 印，s 妒表示上半桥中分别连接a ，b ，c 相开关器件的 状态，j 硎s 册表示下半桥中分别连接a ，b ，c 相开关器件的状态，任一瞬间每一相中 1 ，曲= j e a b o 曲，) ，= 厶( j 6 。，1 ，出) ，= 厶( s ，v a k ) ，么= z ( ，) 。 表2 1 给出了三相电压型p w m 逆变器交流侧电量、乇、t 与 直流侧电量1 ，出、以及开关函数之间的关系。 三三 = 三；三； ，出= 三三 v 出 c 2 2 ， 其中 差 2 三；三兰 称为线开关状态。 山东理t 大学硕士学位论文第二章p w m 逆变器的t 作原理及摔制及控制技术 表2 1 三相电压型p w m 逆变器交流侧、直流侧电量及开关函数之间的关系 定义虚拟线电流乙，屯并满足 ? 2 一1 a b i i 口2i 曲一i i 2k j k 并且一= i 曲一乙一( 。- - l a b ) = 2 i 西一( 乙+ k ) = 3 乙 所以得 引 用开关函数表示交流侧三相电流与直流电流的关系如下 也= b 。 s 。 s 。 篆 2 b 。 & 】 一k 一么l = b 曲 s 缸 i kj 】 根据图2 一l0 列写三相电压型p w m 逆变器交流侧状态方程为 一三鲁 差三兰1 一 三；三兰l i f i 口l v c 一 ，口j 卜 1 0 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 屯s bs cl d cy a h飞c么1 ，州 v b n ，c 0oooo o0ooo 001o 1 ，出v 出2 ，c一 333 ol0bo ，出2 y 出 。1 ，出 v d c 3 33 o11o 2 1 ，出，出1 ，出 + t。，出 y d c 333 l000 2 v 出v 出y 出 l 口 v d c。，出 3 33 1o10 ，如2 v 出1 ，出 f 口+ t l p d c。，出 333 1l 00 ，出 y 出 - 2 堡 i o + k 。 33 3 l1100oo oo i n + k 七i c ，b，k l 1 3 k k l k k 。l k k 。l 吃 。l p。，l 上& k k _。l 1 一c 。l d 班 山尔j 里i 天7 仃贝l 竿化馆) ( 粥一币p w m 也父孺州i 什l - 5 t 里j r 例放住j b u t 立不 把式( 2 1 2 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 带入整理得 丢 兰 5 壶 篷 + j 三三 v 出c 2 9 ， 制坩去陶 亿2 。， 并且也2 b 曲， 芝 ，由于开关函数为不连续函数，对以上状态方程求开 i 三 2 至三 2 三! 三三； c 2 2 - ， d d t ( 如) 毛 ( 乇。) 珏 ( 乙) 五 1 3 l ( ) 五 ( 江 ( g ) r s 似) 珐 ( k ) 五 ( i o ) 珞 ( 如) 珞= k 丸屯】 + j 三三 出，珏c 2 2 ， ( i a b ) 以 ( i 缸) r s ( i ) r s ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 由以上方程得到三相电压型p w m 逆变器在a b e 静止坐标系的开关周期平均模型 等效电路如图2 1 1 所示。 b 瓦b 占 c 一 。l i 肥 一 一c l j 1j 五五b 声r芦 口 c 一 r k k d 一出 山东理t 大学硕士学位论文第二章p w m 逆变器的t 作原理及控制及挣制技术 ( 秘珐 + ( 瞄b + ( 瞄珏 + ( 曲珏 图2 - i 1 三相逆变器a b c 静止坐标系开关周期平均模型等效电路 三相静止坐标下的逆变器的数学模型具有物理意义清晰、直观的特点。但是在这 种模型中，交流侧均为时变的交流量，不利于控制系统的设计。通过坐标变换可以将 三相静止坐标系转换成与电网基波频率同步旋转的两相坐标系。坐标变换以后，三相 静止坐标系下的基波正弦量都将变换为同步旋转坐标下的直流量，从而可以简化控制 系统的设计。坐标变换矩阵为 r r ：后| j s m t o t l 通过( 2 2 5 ) 式对状态方程式( 2 2 2 ) 一( 2 2 4 ) 进行变换得到d q 匾- j 步旋转坐标系中的状 态方程 戢k 隧似戒水融一戢 ( 2 2 6 ， ( 2 2 7 ) + 玎 一 唧 ) 9 们 何 213 2 3 一 一 卜 玎 训 泐 0 嵋 “ m o 踟 咖 矗 1j b 珞 上肥 一 1，j 珞 珞 乃叫叫墨 1j 珞 b。0 r。，l 一c i i 1j 珞 屹屹 k d 一毋 c z 出，殆_ 囟。d 。t 象；： c 2 2 8 ， 其简化模型等效电路如图2 1 2 所示 二 ? 炒 r 一20 + 【， 其中厶、乇为电网中需要补偿的谐波电流的d 轴和q 轴参考值。 艺、i = 为分布式电源根据自身工况( 例如最大功率跟踪) 或电网调度要求向 电网发出的有功、无功电流参考值。 f k p s + 毛1 眩一吃) 为稳定直流电压加入的d 轴参考值。 5 即，d 轴参考电流。包括有功电流e 参考值、电网中需要补偿的d 轴谐波电流 的艺参考值和直流电压外环加入的d 轴参考值。q 轴参考电流锄包括无功电流e 参 考值、电网中需要补偿的q 轴谐波电流的乙参考值。采用直接电流控制，逆变器输 出电流完全追随参考电流变化时，就可以完成有功、无功和谐波三者的协调控制，实 现逆变器并网的同时兼具谐波抑制功能。 山东理1 = 大学硕一i ：学位论文第二章p w m 逆变器的工作原理及控制及拧制技术 2 5 逆变器控制策略仿真 用m a t l a b 的s i m u l i n k 软件包和s i m p o w e rs y s t e m s 功能模块【2 0 1 2 1 1 建立三相多功 能逆变系统的仿真模型如图2 2 0 ，对上节提出的带有电流解耦和电压前馈的复合控制 策略进行仿真研究。仿真系统的参数：直流母线前端的分布式电源等效为一个带有内 阻，电压为8 0 0 v 的直流电源。直流侧电容1 1 0 0 p f , 主电路电感3 m h x 3 。电网为3 8 0 v 的三相对称交流电源，负载为三相相控整流器负载。p w m 逆变器的开关频率为 1 6 k h z 。 图2 - 2 0 三相多功能逆变系统的仿真模型图 图2 2 l 为该仿真系统未接逆变电源时电网提供电流波形图i s ，图2 2 2 为图2 2 1 所示电流基波和主要低次谐波分量的幅值频谱，此时电流畸变率t h d = 2 5 3 8 。从 图中可见，由于非线性负载的存在，电源输出的电流发生了严重的畸变。 当查呈三查茎墼圭耋堡耋圣耋三茎呈= 善詈塑墼三堡星圣彗誓型璺篓型彗耋 图2 2 l 未接入逆变电源时电网电流 图2 - 2 2 电网电流幅值频谱 在0 0 5 s 接入逆变电源，在向电网提供1 5 k w 有功功率的同时，补偿负载的无功 功率和谐波电流。图2 2 3 为逆变器输出电流i 。和电网的电流i ；的波形。从图中可以 看出，在接入逆变电源后，逆变器向非线性负载提供了大部分的有功功率及其所需要 的无功功率和谐波，而电网只需向负载提供剩余- - 4 部分有功功率。逆变电源的接入， 既可以纠正电网电流的畸变，又可以提高电网的功率因数。 u0可谳哪圳驰奎v上地哪谢掣奎乳薯l瞄暖鼾默 幅度”：詈：宝啦o 当盏晋王查茎堡圭茎堡耋耋垩三茎：竺堡茎塞墼三堡堡堡垒丝型堡鏊型鏊銮 一 ， ， 一 ( 上) 逆变器输出电流波形图 f 下) 电网电流的波形图 图2 2 3 接入逆变电源，提供有功、无功且补偿谐波波形图 通过仿真可以看出，本文制定的这种有p i 反馈和电网电压前馈的复合控制方案 能够满足三相p w m 逆变器实现输送有功、无功、补偿电同谐波的动静态要求。 2 6 本章小结 本章就目前在并网方面应用比较广泛的电压型p 删逆变嚣进行了分析。用开关函 数法建立的并网逆变器小信号数学模型为控制器设计奠定了理论基础，在对开环和经 p l 调节器校正后的系统性能研究的基础上，根据分布式发电系统对逆变电源的要求， 提出一种适于分布式发电的带有电网电压前馈的复合控制策略i 通过m a t l a b 中的 s i m u l i n k 仿真工具对并网逆变器的复合控制策略进行了仿真研究，验证了本文控制方 案的可行性和有效性。 山东理t 人学硕l j 学位论文第三章系统柃测技术及相关参数分析 第三章系统检测技术及相关参数分析 设计输送有功功率兼具改善电能质量的新型并网逆变器，在前两章基础上，还需 要完成以下主要工作：谐波信号的检测，相位检测，数字低通滤波器的设计等。本章 在对三相电路瞬时无功功率理论及目前在实时检测中普遍使用的基于瞬时无功功率 理论的谐波检测方法进行分析的基础上，提出了一种适应并网逆变系统的i d i q 谐波电 流检测方法。接着对软件锁相控制技术进行了研究，提出了一种基于并网控制的软件 锁相方法，并用d s p 程序进行了实现，取得了较好的效果。此外还给出适合本系统 中两种i i r 滤波器c h e b y s h e v 低通滤波器和b u t t e r w o r t h 低通滤波器的设计方法及 数字化实现。最后给出了主电路交直流侧参数的选取方法，为工程实践提供理论依据。 3 1 谐波电流检测方法 谐波电流检测电路是p w m 逆变器的控制系统的重要组成部分，其检测的准确性 对逆变器运行和功能的实现有极其重要的影响。因此p w m 逆变器的关键问题之一就 是找到一种算法，该算法可以精确的提取预滤除的谐波分量的幅度和相位，从而为控 制提供参考蚴。 目前，检测谐波电流的算法有很多种，包括陷波器、频率的分解与合成、快速傅 立叶变换、瞬时空间矢量法等。本章主要对目前在实时检测中普遍使用的基于瞬时无 功功率理论的谐波检测方法进行了详细的分析。 3 1 1 三相电路瞬时无功功率理论 过3 2 变换把 - f l n 变换到两相正交的a - 1 3 坐标系中 盼料咖：豳 b ， 桃：= 罐焉乞芝2 o 山东理t 大学硕 ：学位论文第三章系统柃测技