（电工理论与新技术专业论文）三相电流型pwm并网逆变器的研究.pdf

浙江大学硕上学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s m a n yc o n c e r n sh a v eb e e nr a i s e do v e rt h ef o s s i l 如e l - e l e c t r i c i t y g e n e r a t i o n ，s i n c ei tp o l l u t e s0 1 1 1 e n v i r o n m e n ta n dd e p l e t e st h ee n e r g ys u p p l y o nt h e o t h e rh a n d ，a l t e r n a t i v ee n e r g ys o u r c e s ，s u c ha ss o l a re n e r g ya n df u e lc e l l s ，g a i nal o t o fa t t e n t i o nb e c a u s et h e ya r ef r i e n d l yt ot h ee n v k o n m e n ta n df l e x i b l ef o r i n s t a l l a t i o n 。h o w e v e r ，t h e s et y p e so fs o u r c e ss u p p l yd ep o w e rw h i l et h ep r e s e n t p o w e rg r i da c c e p t sa cp o w e r ；t h e r e f o r eg r i d c o n n e c t e di n v e r t e r sa r en e c e s s a r yf o r d c a cc o n v e r s i o n i no r d e rt ou t i l i z et h ec u r r e n ti n f r a s t r u c t u r eo ft h eg r i df o rp o w e r t r a n s m i s s i o na n dd i s t r i b u t i o n g r i d c o n n e c t e dd e t o a c i n v e r t e r sa r en e e d e d d i r e c t c u r r e n ts i d ev o l t a g eo ft h ec o m m o n lv o l t a g ei n v e r t e r sm u s tb eh i g h e rt h a nt h e n e t w o r kv o l t a g ep e a kv a l u e ，a n dm a i n t a i n st h ep e r m a n e n tv a l u ei si n v a f i a b l e ，a m o n g n e e d st ou s et h ev o l t a g e r i s el i n k b u tt h ec u r r e n tm o d ei n v e r t e r sh a st h ev o l t a g e r i s e c h a r a c t e r i s t i ci t s e l f , c a l lr e a l i z et h ev o l t a g et os t a r tf r o mz e r ot oa d j u s t i nt h i sp a p e r t h r e e p h a s ec u r r e n t s o u r c ep w mg r i d c o n n e c t e di n v e g e r sh a v eb e e nd e e p l ys t u d i e d i nt h e o r ya n dp r a c t i c e i nt h eb e g i n n i n g t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h r e e p h a s ec u r r e n t s o u r c ep w m g r i d c o n n e c t e di n v e r t e r sh a sb e e nf o u n d e di nt h r e e p h a s es t a t i o n a r yc o o r d i n a t ef r o m l o wf r e q u e n c ya n dh i g hf r e q u e n c yt h e ye s t a b l i s ht h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rt h e d e e p e rr e s e a r c ho nt h r e e p h a s ec u r r e n t s o u r c ep w mg r i d c o n n e c t e di n v e r t e r s t h e d i s s e r t a t i o na n a l y z e ss p w mm o d u l a t i o ns t r a t e g yo ft h r e e - p h a s ec u r r e n t s o u r c ep w m g r i d c o n n e c t e di n v e r t e r s ；i ti n t r o d u c e st r i 1 0 9 i c a ls w i t c hf u n c t i o no fc u r r e n t s o u r c e p w mg r i d c o n n e c t e di n v e r t e r st h a tc o m e sf r o mb i 1 0 9 i c a ls i g n a lo fv o l t a g e s o u r c e p w mi n v e r t e r s i tr e s e a r c h e st h et r i 1 0 9 i c a l s i g n a l sg e n e r a t i o na n dt h es w i t c h e s o p e r a t i n gm o d eo ft h r e e p h a s ec u r r e n t s o u r c ep w mg r i d c o n n e c t e di n v e r t e r s a n di t d e c i d e st h ez e r o s t a t es e l e c t i o nf r o ms w i t c h i n gc o m b i n a t i o na c c o r d i n gt ot h e m i n i m u ms w i t c hr u l e t l l i sp a p e ra l s or e s e a r c h e st h ec o n t r o ls t r a t e g y ：i ti n t r o d u c e s p a r t i c u l a r l yt h ed i r e c tc u r r e n tc o n t r o lm e t h o do ft h r e e p h a s ec u r r e n t s o u r c ep w m 嘶d c o n n e c t e di n v e r t e r s d e d u c e dt h ef o r m u l ao fi n d u c t a n c ei nd cs i d e i nt h e o r e t i c a la n a l y s i s sf o u n d a t i o n c a r r i e do nt h es i m u l a t i o nt ot h et h r e e p h a s e c u r r e n t s o u r c ep w mg r i d c o n n e c t e di n v e r t e r s t h es i m u l a t i o no b t a i n e dt h ev e r yg o o d e x p e c t a t i o ne f f e c t ，h a dt h ev e r yg o o dg u i d i n gs e n s et ot h ee x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o n t l l i sa r t i c l eh a sa l s ob u i l tas e to ft e s ti n s t a l l a t i o n a n dh a sc a r r i e do nt h eo p e n - l o o p a n dt h ec l o s e dl o o pe x p e r i m e n t t h es i m u l a t i o na n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ti n d i c a t e d i d e n t i c a l l yt h et h r e e p h a s ec u r r e n t s o u r c ep w mg r i d c o n n e c t e di n v e r t e r sc a nn o t o n l ym a k eo u t p u tc u r r e n ta r es i n u s o i d a lb u ta l s oa c h i e v eu n i t yp o w e rf a c t o r t h er e s e a r c ho ft h ep a p e ri ss u p p o s e db yn a t i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o n ( n o 5 0 7 0 7 0 3 0 ) k e y w o r d s ：c u r r e n t s o u r c ep w mi n v e r t e r s ；t r i - l o g i c a l ；s p w mm o d u l a t i o n ； d i r e c tc u r r e n tc o n t r o l ； 浙江人学硕十学位论文 1 1 课题研究的背景 第一章绪论 在2 0 世纪的世界能源结构中，人类所利用的能源主要是石油、天然气和煤 炭等化石能源。随着化石能源的逐步消耗，能源危机己展现在人类面前。在2 l 世纪初进行的关于世界能源探明储量数据的调查显示化石能源的可开采量己经 屈指可数。中国的能源资源储量情况更是危机逼人。按2 0 0 0 年底的统计，我国 探明的可开发能源总储量约占世界总量的1 0 1 ，其组成结构为：原煤占5 8 8 ， 原油占3 4 ，天然气占1 3 ，水资源占3 6 5 。中国各种一次能源的探明剩余 储量( 以储采比表示) 与世界的比较【l 】见图1 1 。由图1 1 可见，除太阳能以外，中 国各种一次能源资源均低于世界平均水平，中国的能源需求面临着更严重的挑 战。 从环境角度来看，化石能源的大量开发和利用，是造成大气和其他类型环 境污染与生态破坏的主要原因之一。如何在开发和使用能源的同时，保护好人类 赖以生存的地球环境与生态己经成为一个全球性的重要问题。2 0 世纪中叶以来， 世界各国纷纷采取提高能源效率和改善能源结构的措施，以解决这一与能源消费 密切相关的重大环境问题。即称之为能源效率革命和清洁能源革命【1 1 。 2 2 5 0 年 2 2 0 0 年 2 1 5 0 年 21 0 0 年- - - 2 0 5 0 勾z 2 0 0 0 匀z 无穷大世界巾罔 =目啊 一 墨固 孺 翻 约：3 (年 搦 豳豳 豳豳约71 年 豳约4 5 年翟等麟 勺81 年 豳5 q 瞄叫t圈疋 约5 0 s t z 溷 太阳能石油天然气煤铀 图1 1 一次能源的探明剩余储量比较 随着世界能源短缺和环境污染问题的日益严重，能源和环境成为2 1 世纪人 类所面临的重大基本问题，清洁、可再生能源的发展和应用越来越受到世界各国 的广泛关注。近些年来，太阳能光伏( p h o t o v o l t a i c ，p v ) 发电技术，风力发电技术 浙江大学硕上学位论文 得到了持续的发展。尤其随着经济的高速发展，我国很多地区的用电缺乏非常严 重，一些城市不得不实行分时分区域供电。发展新能源，充分利用绿色能源，对 我国的经济持续发展有着极其重要的意义。 鉴于我国太阳能、风力资源丰富，可以说是取之不尽、用之不竭，这为我国 发展清洁能源事业提供了很好的机遇。而在这些清洁能源利用过程中，并网逆变 器是关键。人们一直在电力电子技术的发展中探索一条“绿色 之路，对逆变装 置而言，“绿色”的内涵包括电网无谐波，单位功率因数，以及功率控制系统的 高性能，高稳定性，高效率等传统逆变装置所不具备的优越性能。在所有的变换 器中，p v f l 讽变换器由于其产生谐波损耗小，对通信设备干扰小，整机效率高，而 牢牢占据了主流产品的市场。 p w m 变换器可以实现电网交流侧电流正弦化，且运行于单位功率因数或 者功率因数可调，谐波含量很小，被称之为“绿色电能变换。p w m 变换器能 达到“绿色 逆变器的目的，已经受到国内外学者普遍的重视，成为研究的热点。 1 2p w m 逆变器的发展现状 光伏、风力等并网发电系统主要由光伏阵列、风机和并网逆变器等组成，在 可调度式系统中，还会配备蓄电池作为储能设备。其结构示意图如图1 2 所示。 由图可见，并网发电系统通过配合容量适合的逆变器连接到公共电网上，在白天 日照充足情况下，除了提供本地负载，多余电力可以提供给公共电网：夜间或阴 天情况，本地负载则直接从电网获取所需电能。 电力公司配电线 图1 2 并网发电系统结构示意图 p w g 控制技术的应用与发展为逆变器性能的改进提供了变革性的思路和手 段，结合了p w m 控制技术的新型逆变器称为p w m 逆变器。将p 1 】i m 控制技术应用于 逆变器始于2 0 世纪7 0 年代末，但由于当时谐波问题不突出，加上受电力电子器 件发展水平的制约，p w m 逆变器没有引起充分的重视。进入8 0 年代后，由于自 关断器件的日趋成熟及应用，推动了p w m 技术的应用与研究。 随着p 删控制技术的发展，如空间矢量p w m ，滞环电流p w m 控制等方案的提 2 浙江大学硕上学位论文 出，以及现代控制理论和智能控制技术的发展和应用，p 1 】i m 逆变器的性能得到了 不断提高，功能也不断扩展，p w m 逆变器网侧独特的受控电流源特性，使得p w m 逆变器作为核心设备被广泛应用于各类电力电子应用系统中，经过国内外专家学 者多年的研究，p w l v l 逆变器在电路拓扑结构，数学模型，控制方法，电网电压不 平衡，系统特性等方面取得了丰硕的研究成果。 p 删逆变器经过3 0 多年的探索和研究，取得了很大的进展，其主电路从早 期的半控型器件桥路发展到如今的全控型器件桥路；其拓扑结构从单相、三相电 路发展到多相组合及多电平拓扑电路；p 1 j i m 开关控制由单纯的硬开关调制发展到 软开关调制；功率等级也从千瓦级发展到兆瓦级，随着p 删逆变器技术的发展， 已经设计出多种p w l v l 逆变器，并可分类如下： 按照电网相数分类：单相电路，三相电路，多相电路； 按照p w m 开关调制分类：硬开关调制，软开关调制； 按照桥路结构分类：半桥结构，全桥结构； 按照调制电平分类：二电平，三电平电路，多电平电路； 对于不同功率等级以及不同的用途，人们研究了各种不同的p 1 j i m 逆变器拓扑 结构。在小功率应用场合，p q v l 逆变器拓扑结构的研究主要集中在减少功率开关 损耗。对于中等功率场合，多采用六个功率开关器件构成的p 1 i l m 逆变器，包括三 相电压型p 1 】i m 逆变器和三相电流型p 1 】l m 逆变器，这是本章介绍的重点。对于大功 率p w m 逆变器，其拓扑结构的研究主要集中在多电平拓扑结构乜一1 和软开关技术 上h 1 。多电平拓扑结构的p w l v l 逆变器主要应用于高压大容量场合。此外，由于软 开关技术( z v s 、z c s ) 在减小开关损耗、抑制电磁干扰、降低噪声等方面具有显 著的优势，近年来在电压型p w m 逆变器设计上受到了广泛的重视，并得以迅速发 展h 1 。而电流型p w m 逆变器的软开关技术研究相对较少，有待进一步研究。 根据直流储能元件的不同，p 1 l f m 逆变器又分为电压型p 1 】l m 逆变器和电流型p w m 逆变器。电压型、电流型p i l l 逆变器，无论是在主电路结构、p w m 信号发生以及 控制策略等方面均有各自的特点，并且两者间存在电路上的对偶性。其他分类方 法就主电路拓扑结构而言，均可归类于电流型或电压型p w m 逆变器之列。 1 ) 电压型逆变器 以单相电压源逆变器为例，其主电路结构如图1 4 所示。电压型逆变器一 般需要在直流侧接有平波电容，根据器件的开关动作，输出一连串的方波电压， 方波的幅值嵌位在直流电压上，逆变器是个电压源。该逆变器以对角线t 1 和t 4 ， 对角线t 2 和t 3 构成两组联动开关，两组开关交替开通，其结果是在负载端输出 分别为正和负的方波电压。具体器件的开关顺序选择，根据控制目的的不同也存 在多种控制方式，如方波逆变控制，正弦波p w i v l 逆变控制等。 浙江大学硕士学位论文 叱 图1 3 单相全桥电压型逆变器拓扑 2 ) 电流型逆变器1 3 1 图1 4 单相电流型p w m 逆变器拓扑 图1 4 是单相电流型逆变器( c u r r e n t s o u r c ep w mi n v e r t e r s ，c s i ) 拓扑，除 直流储能电感以外，与单相电压型逆变器相比，其交流侧增加了一滤波电容，其 作用与网侧电感一起组成l c 滤波器，以滤除交流侧电流中的开关谐波；另外开 关器件是由可控器件与二极管串联组成，其主要目的是阻断反向电流( 因为一般 功率开关管大都集成有反并联二极管) ，并提高功率开关管的耐反压能力。 目前大功率逆变器应用以电压型逆变器为主，已有的关于并网技术的p w m 逆变器的研究工作也主要是针对电压型逆变器n 8 。2 。这主要是由于通常的电力能 源例如发电机，电网，电池等均属电压源，而且电压型逆变器中的储能元件电容 器与电流型逆变器中的储能元件电感器相比，储能效率和储能器件的体积价格 都具有明显的优势；同时由于目前主流的功率器件是适用于电压型逆变器，应用 于电流型需要串联二极管，该二极管的使用增加了电流型逆变器的开通损耗，也 在一定程度上限制了电流型逆变器的应用。 另一方面，电流型逆变器和电压型逆变器是互为对偶的两种逆变器，各具自 己的特点。但电流型逆变器更适用于并网系统。我们知道，电压型逆变器工作的 直流侧电压必须高于电网电压峰值且保持恒值不变，在光伏并网系统中，光电池 输出电压的幅值随阳光强度的大小而变化，阳光不够充足时光电池输出电能的电 压较低而难以用一般的电压型逆变器与电网并网，系统勉强工作则必然会使电网 获得的电能含有大量的谐波，如果采用中间升压斩波器的方案，无疑会增加系统 4 浙江大学硕士学位论文 成本，并降低系统的效率；当实现最大功率点跟踪控制时，容易引起直流母线崩 溃，降低可靠性。而电流型逆变器从直流侧至交流侧具有升压特性的原理，通过 控制逆变器一桥臂上的两个开关管的重叠导通时间，来控制逆变器的直流侧电 流，可实现从弱光至强光全过程的光能利用。同时，电流型逆变器实现能量回馈 大功率点跟踪控制更方便可靠：另外，与采用电压型p w m 逆变器的系统相比，由 于电流型p 1 | i m 逆变器的储能元件为电感，系统寿命比采用电压型逆变器要长( 因 电压型的中间储能采用电解电容) ，同时在系统发生过流时也容易得到及时保护， 使得系统的可靠性有所提高。 1 3 电流型p w m 逆变器的发展现状 近几年来，适用于电流型逆变器的新型器件不断出现( 例如可双向关断 i g b t ) ，使得电流型逆变器中串联的二极管不再必需，解决了串联二极管的损耗 问题【2 2 1 。另一方面，国际和国内超导技术近年来都取得了突破性的进展，将能有 效解决电流型逆变器储能电感的效率问题。电流型p w m 逆变器的应用正越来越 受到国内外研究者们的重视【5 8 】，这些研究工作也为电流型p w m 逆变器应用于并 网系统奠定了良好的基础。电流型p w m 逆变器应用于太阳能光伏发电系统中， 能够直接实现从弱光到强光的控制，同时由于其具有良好的功率双向传输能力， 更有利于并网工作，提高电网的稳定性和可靠性。应用于光伏并网的电流型p w m 逆变器技术的研究不仅对我国光伏发电产业的发展具有重要意义，对风能、燃料 电池等新能源的并网也具有借鉴作用，对我国发展节约型社会、对国民经济的持 续发展均具有重要意义。 1 3 1 电流型p i l l 逆变器的拓扑结构 1 ) 单相电流型p w m 逆变器拓扑 图1 5 单相电流型p w m 逆变器拓扑 在小功率场合一般采用单相电流型逆变器( c s i ) 拓扑，其交流侧由l 、c 组 5 浙江人学硕上学位论文 成二阶低通滤波器，滤除交流侧电流中的开关谐波；直流侧接大电感，使直流侧 电流近似为直流；开关器件由可控器件与二极管串联组成，在可控器件关断时， 二极管起到承受反压的的作用。 2 ) 三相电流型p 删逆变器拓扑 图1 6 三相电流型p w m 逆变器拓扑 对于中等功率场合，一般采用六个开关器件构成的三相c s i ，和单相c s i 拓 扑类似，三相六开关c s i 交流侧也是由l 、c 组成二阶低通滤波器，直流侧接大 电感，开关器件由可控器件与二极管串联组成。该拓扑能实现能量的双向传输， 并且是应用范围最广泛，研究最多的一种c s i 拓扑，本文所要研究的电流型p w i d 逆变器也是基于该拓扑的。 1 3 2 电流型p w l 逆变器的控制策略 1 ) 间接电流控制 间接电流控制的基本思路是通过控制逆变器输入电压基波的幅值和相位，间 接的控制输出电感电流，使得交流侧输出相电流与交流侧相电压保持同相位，因 此又称为幅值相位控制【2 。 间接电流控制的优点是控制结构简单、无需电流传感器，并且具有良好的开 关特性，静态特性良好，便于微机实现。其缺点是动态响应慢，且对系统参数变 化灵敏，动态过程中存在直流电流偏移【9 】。 电流型p w m 逆变器的问接电流控制，是指通过控制逆变器交流侧电容电压 或交流输出电流的幅值和相位，从而间接控制电流型p w m 逆变器的网侧电流。 电流型p w m 逆变器交流输出电流的基波分量是s p w m 调制信号的线性放大， 应用s p w m 技术，通过对调制信号的控制就可以实现对逆变器输出电流相位和 幅值的调节，然后通过交流测l c 滤波器滤波作用，就可以实现逆变器的间接电 流控制，达到网侧单位功率因数。当然，为了稳定输入直流电流，间接电流控制 还需要引入电流闭环反馈。 6 浙江人学硕士学位论文 2 ) 直接电流控制 直接电流控制是一种电流瞬态跟踪控制方法，由运算求出交流侧电流指令信 号，再引入交流侧电流反馈，通过对交流侧电流的直接控制使其跟踪指令电流值。 这种控制方式具有电流内环和电压外环的双环控制结构；在电流内环中，通过对 功率因数角的控制可实现对无功功率的控制。在电压外环中，对直流电流的控制 则是通过调节交流电流的参考幅值来实现的。外环电压稳定与否取决于内环电流 能否快速准确地跟踪电流给定。由于这种控制方式能有效地跟踪负载电压的变 化，具有动态性能好，限流容易、电流控制精度高等优点f 1 0 1 ，因此受到了学术 界的广泛关注，并先后研究出各种不同的控制方案，主要包括有p i d 控制【l ，预 测电流控制【1 2 1 ，滑模变结构控制f 1 3 1 ，l y a p u n o v 方法【1 4 1 ，极点配置【15 1 ，二次型最 优控制【1 6 】，非线性状态反馈控制1 1 7 1 ，模糊控制等方式【1 引。但它们的共同特点是 需要对控制变量解耦，计算量大，实现困难，而且对状态变量的检测需要两个电 流传感器，有的还需要交流电动势传感器和电容电压传感器，成本较高。 以上分别介绍了直接电流控制和间接电流控制特点，本文采用的是直接电流 控制。 1 3 3 电流型p i l l 逆变器的调制方式 1 ) s i w l v i 技术 s p w m 技术是将正弦波调制信号与频率固定的三角载波信号相比较，交点 作为开关点，得到一系列幅值相等、宽度不等的高频脉冲序列，经过逆变器的功 率放大后，能够准确地再现调制波信息。s p w m 具有优良的传输特性、优化的 频谱分布，成为当今调制技术的基本方式。 电流型逆变器s p w m 调制技术是在传统的二逻辑双极性s p w m 调制技术的 基础上，通过一定的矩阵运算转化为三逻辑p w m 波形，这种三逻辑信号也充分 体现调制波的信息，并且在高频和低频的情况下都是解耦的，可以用其来控制主 电路开关的开通与关断，从而达到控制交流侧电流的目的。 2 ) s 技术 s v m 是八十年代中后期发展起来的，最初的应用是使电机获得圆形的旋转 磁场，称为“磁链跟踪 。相对于s p w m 技术，空问矢量调制技术( s v m 技术) 具有直流电压利用率高、采用最小开关损耗方式调制时器件的开关损耗低、便于 数字实现等优点，因此在电机传动、电力电子器件的控制等方面得到了广泛的应 用。目前，s v m 的概念远远超出了电机调速的范畴，成为与s p w m 相并行的一 种p w m 调制技术。 对于三相电流型p w m 逆变器s v m 技术，可以根据电流型p w m 逆变器开 7 浙江人学硕士学位论文 关矢量的特点推导电流空间矢量的作用时间、作用次序、判断扇区等，然后直接 用于电流型p w m 逆变器的驱动；也可利用三相电压型p w m 逆变器的电压空间 矢量调制( s v m ) 技术实现三相电流型p w m 逆变器的电流空间矢量调制技术， p , p - - 逻辑s v m 转化为三逻辑s v m 技术。目前，国内外对这方面研究还比较少， 作者仅在文献 1 9 】中见到有关这方面的研究。 1 3 4 电流型p i b 逆变器的应用 1 ) 在s m e s 中的应用1 2 0 , 2 1 l 近年来国际和国内超导技术都取得了突破性的进展，国外的研究机构已经开 发出了商用小型s m e s 系统( 储能范围为l 6m j ) ，并在电力、军事领域得到应 用。近年来，随着电力工业市场化的潮流和电力电子技术的发展，s m e s 在电力 系统的应用前景非常广阔。 大容量s m e s ( 1 g w h 等级) 可以用来平衡电网日高峰负载和夜低谷负载和 用于电力系统大块能量的管理。中小容量s m e s ( 储能容量小于1 0 m w h ) 可以 用于消除电力系统中低频振荡，用于稳定系统的频率和电压、可以用于电网无功 功率控制，谐波电流补偿和功率因数的调节，提高输电系统的稳定性和功率传输 能力，超导储能可迅速向电网输入或吸收有功功率，是灵活交流输电系统 ( f a c t s ) 的理想组件。 2 ) 在电机调速中的应用瞄】 在风机水泵类负载中，用电流型p w m 变流器实现的绕线转子感应电动机 的调速系统，既满足了风机水泵类负载的调速要求，又节约了能源，且系统具有 效率高、功率因数接近为1 、系统过流保护能力大大提高、谐波含量小、成本大 大降低等特点。 3 ) 在有源电力滤波器中的应用i 冽 由于电网中的晶闸管、二极管逆变器、电弧炉、变频器以及各种电力电子设 备用量不断增加而导致电网严重污染，这主要是因为这些负载的非线性、冲击性 和不平衡的用电特性造成的。因此，用于谐波抑制的有源电力滤波技术已成为电 力电子及电工领域的研究热点之一。 4 ) 在光伏并网中的应用 太阳能光伏发电系统是利用太阳电池半导体材料的光伏效应，将太阳光辐 射能直接转换为电能的一种新型发电系统，有独立运行和并网运行两种方式。在 光伏发电系统中，主要的问题是如何提高太阳能电池工作效率，以及提高整个系 统工作的稳定性。而解决该问题的关键在于应用合适的电力电子变换技术，也就 是选择合适的逆变器，其电力变换环节一方面要实现太阳能电池最大功率点跟 8 浙江大学硕上学位论文 踪，一方面要实现逆变电路的正弦波电流输出和相位控制。目前在实际应用系统 中通过两级或多级电路实现功率传输和最大功率点跟踪，带来了效率比较低下的 缺点，因此，单级电路实现这两种功能成为国内外光伏发电领域的一个研究热点 乜钔。而电流型p 1 l l m 逆变器正好具备这些特点必将成为未来的发展方向。 1 4 选题意义和本文的主要内容 1 4 1 选题意义 电力电子技术已成为现代技术中重要的组成部分，并对电能的变换和控制起 到了革命性的贡献。除了线性功率放大场合，电力电子装置中的功率器件大多工 作于开关状态，这种电力电子装置不加控制的扩大应用，带来的一个副作用就是 电网的“污染”。例如传统的由二极管构成的不控整流具有电路结构简单，可靠 性高的特点，但是由于从电网中吸收高峰的脉冲电流，因此网侧功率因数通常较 低，且存在输出电压不可调节的问题。 “绿色”电能变换的需求呼唤着电力电子技术的发展，而电力电子技术的发 展又促进了“绿色 电能变换的实现。p 删逆变器作为一种电力电子应用系统与 电网的接口，其发展方向是将变流技术与微电子技术和自动控制技术相融合，已 成为电力电子技术发展中的热点和亮点。 电流型p w m 逆变器能达到“绿色”逆变器的目的，已经受到国内外学者普 遍的重视，成为研究的热点。电流型p w m 逆变器在并网系统方面的研究有非常 重要的现实意义和实用价值。本论文的研究得到国家自然科学基金项目 ( 5 0 7 0 7 0 3 0 ) 的资助。 1 4 2 本文的主要内容 本文在阅读和分析国内外文献的基础上，着重研究了三相电流型p w m 逆变 器的拓扑结构、调制策略和控制策略，并进行了大量的仿真研究。此外，在理论 分析的基础上，设计了三相电流型p w m 并网逆变器的实验装置，并且实验结果 与理论分析和仿真结论相一致。论文的具体内容如下： 第一章，首先概括介绍了课题的研究背景，归纳总结了电压型p w m 逆变器 和电流型p w m 逆变器的特点，分别从电路拓扑、调制策略和控制策略等方面阐 述了电流型p w m 逆变器的研究现状。 第二章，首先分析了三相电流型p w m 逆变器在三相静止坐标系下的时域模 型和频域模型；然后分析了三相电流型p w m 逆变器s p w m 调制信号的产生和 9 浙江大学硕士学位论文 分配技术，通过自然采样规则将电压型二值逻辑开关函数转化为电流型三值逻辑 开关函数，并且按照最小开关原则，着重分析了零状态的选取；介绍了三相电流 型p w m 逆变器的直接电流控制和间接电流控制，并详细的介绍了直接电流控制 的原理和方法。 第三章，首先对三相电流型p w m 并网逆变器进行了详细的原理分析；导出 了直流侧电感的计算公式：设计了交流侧l c 滤波环节：并对d s p 控制系统的 设计作了详细的分析，给出了程序设计流程图。 第四章，在前面分析和设计的基础上，对整套实验装置作了仿真研究，并得 到了很好的预期效果，此外还构建了一套样机，分别进行了开环实验和闭环实验， 给出了实验结果，并对实验结果进行了详细的分析。 第五章，对本文所做的工作进行概括性总结，并对今后该研究课题的难点作 了总结，给出了值得进一步深入研究的方向。 1 5 本章小结 本章首先从能源短缺方面引出新能源的利用，太阳能，风能等新能源的输出 的是直流电，装置设备需要的是交流电，需要并网逆变器，将直流电转化为交流 电。然后归纳总结了电压型p w m 逆变器和电流型p w d 逆变器的特点，分别从电路 拓扑、调制策略和控制策略等方面阐述了电流型p w m 逆变器的研究现状，并对本 文的研究内容做了概括性说明。 l o 浙江人学硕士学位论文 第二章三相电流型p q v i 并网逆变器的 建模与控制 并网逆变器是并网系统的很重要的一个部分，它分电压源型和电流源型两 种。电压源型p w m 并网逆变技术比较成熟，由于其很好的双向并网逆变能力， 因而被广泛的应用于并网发电中。但电压型并网逆变器工作的直流侧电压必须高 于电网电压峰值且保持恒值不变，所以中间要加升压斩波器，这样无疑会增加系 统成本，并降低系统的效率。而三相电流型p w m 并网逆变器无需升压电路，直接 利用电流型p w m 并网逆变器自身特点即可解决直流侧电压低的并网问题，提高了 系统效率，节约了成本。建立数学模型是深入分析和研究电流型p w m 并网逆变 器的工作机理和运行特性的基础，本章从低频和高频的角度，分别建立了三相电 流型p w m 并网逆变器在三相静止坐标系下的低频和高频时域模型，并且还研究 了三相电流型p w m 并网逆变器的频域模型，此外着重研究了三相电流型p w m 并网逆变器的调制策略，给出了信号发生和分配技术，并针对s p w m 调制策略 分析了三相电流型p w m 并网逆变器的直接电流控制。 2 1 三相电流型p w m 并网逆变器的数学模型 2 1 1 三相电流型p 删并网逆变器在三相静止坐标系下的时域模型 ( 1 ) 三相静止坐标下的低频模型 三相电流型p w m 并网逆变器拓扑结构如图2 1 所示，交流侧由三、c 组成 二阶低通滤波器【2 5 1 ，以滤除交流侧电流中的开关谐波；直流侧接电感，使直流 侧电流近似为平滑的直流。开关器件由可控器件与二极管串联组成，使得在可控 器件关断时由二极管承受反压，以达到提高器件的反向阻断能力的目的。 v s 图2 - 1 三相电流型p w m 并网逆变器拓扑结构 三相电流型p w m 并网逆变器的等效电路如图2 2 所示。并网逆变器交流侧 浙江人学硕士学位论文 等效为受控电流源，其交流侧电流与调制波信号成正比，直流侧等效为受控电压 源。 分析三相电流型p w m 并网逆变器时假定三相电路完全对称，开关元件是理 想的，并且开关频率远大于电网频率，电感线性，考虑电感的内阻，设交流侧滤 波电感厶- - l b - - l 。= 工，电感和线路的内阻r 。- - r b - - r 。- r ，c 为交流侧滤波电容。 k 为直流侧滤波电感参数。1 1 为电网中点，n 为三相电容的中点。 v g 厂、l 厂、广4 r 、_ 二二【赢、 1 时 ( 2 3 2 ) 二竺坐型- m r ( r s + 1 ) ( 2 3 3 ) l d c s + r ll d c s 另一方面，当l r 较小时，可利用小时间常数的合并进行系统化简，简化后 的电流外环传递函数。( s ) 为 一k 2 m r ( r 2 + 专) s + l 吆。净i 了赢( 2 - - 3 4 ) 若采用典犁t i 犁系统设计日中颛窗h = 5 。则申j 流外环p i 调节器参数可孵 浙江大学硕十学位论文 定为： 乃= i o r c i l k 2 一型毫( 1 。一忑l 2 5 m rcrc ) z 、 2 7 2 4 本章小结 ( 2 3 5 ) 本章首先分析了三相电流型p i l l 并网逆变器在三相静止坐标系下的时域模 型和频域模型，时域模型分低频和高频两个方面来讲述，低频模型忽略了器件的 开关动作，从“平均意义 上反映逆变器的工作，是“宏观 模型，可以看成理 想的“放大器 。而频域模型是在引入开关函数，对控制变量进行频谱分析。频 域模型是从器件开关出发的“微观”模型。其次介绍了二逻辑信号与三逻辑信号 及6 个开关信号之间的关系，通过自然采样规则将电压型二值逻辑开关函数转化 为电流型三值逻辑开关函数，并且按照最小开关原则，重点分析了零状态的选取。 最后介绍了三相电流型p i l l 并网逆变器的直接电流控制和间接电流控制，并针对 实验采用的直接电流控制，详细的介绍了其控制原理和设计方法。 浙江人学硕士学位论文 第三章三相电流型p w m 并网逆变器的设计 近几年来，石油、煤炭、天然气等化石燃料引发的环境问题引起了社会各 界的广泛关注。另一方面风力发电，太阳能发电等可再生能源受到环保人士的追 捧乜引。然而这些可再生能源输出的是直流电，装置设备需要的是交流电。这就需 要d c a c 的并网逆变器作为中间环节。如图3 1 为了避免这些变换装置对电 网产生额外的谐波污染，并网逆变器必须具备低谐波、高功率因数的特点。 v g l d 。 ， 1j l 7 d c 7 e 刮 弋 a c 一 ( a )( b ) 图3 一l 理想的并网逆变器 常用的并网逆变器，一般的理想状态有：网侧功率因数为l 。设网侧电压为 u = e s i n ( t o t ) ，则网侧电流应该有j = 厶s i n ( r o t )