（电气工程专业论文）光伏并网变流器关键技术研究.pdf

a b s t r a c t ：w i t ht h ei n c r e a s i n gd e p l e t i o no ff o s s i lf u e l sa n dt h eg r o w i n gp r o b l e mo f e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n , p e o p l ep a ym o r ea n dm o r ea t t e n t i o no nt h eu s eo fn e we n e r g y s o u r c c s s o l a r , w i t hi t sm a n ya d v a n t a g e s ，c o m eo u ta h e a di nt h ed e v e l o p m e n ta n d u t i l i z a t i o no fn e we n e r g y t h e r ea r es e v e r a lw a y st oa p p l yt h es o l a re n e r g y s o l a rp o w e r h a sb e c o m eam a j o ra p p l i c a t i o n i nt h i sp a p e r , ad u a l s t a g eg n d c o n n e c t e dp vs y s t e m h a sb e e ni n t r o d u c e d t h es y s t e mu s e dt h eb o o s tc i r c u i ta n dt h ep w mr e c t i f i e r st oi n c o r p o r a t ei n t o 。t h e n e t w o r k 奶n lu n i 锣p o w e rf a c t o r a r t i c l ef o c u s e so nt h ek e yt e c h n o l o g i e so ft h es y s t e m ， i n c l u d i n gt h ed e s i g na n dc o n t r o lo f b o o s tc i r c u i t , d e s i g na n dc o n t r o lo fp w m r e c t i f i e r , m a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n gt e c h n o l o g y , a sw e l la st h ea n t i i s l a n d p w mr e c t i f i e r u s e ds v p w mc o n t r o la l g o r i t h mt oa c h i e v et h es i n u s o i d a lc u r r e n tc o n t r o lo ft h en e t w o r k s i d e m a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n gm e t h o di n t r o d u c e dt h ec o n s t a n tv o l t a g em e t h o d ， c l i m b i n gm e t h o d , i n c r e m e n t a lm e t h o d ，s u c ha sa d m i t t a n c e i s l a n d i sd i v i d e di n t o p a s s i v ed e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n da c t i v ed c 童e c t i o nt e c h n o l o g y t h em a i n i sa c t i v e t h e s e c o n t r o la l g o r i t h m sa r eb a s e do nt m s 3 2 0 f 2 81 2d s p , u s i n gcl a n g u a g ep r o g r a m m i n gt o r e a l i z e f i n a l l y , t h ef e a s i b i l i t yo ft h ed e s i g nh a sb e e np r o v e dt h o u g he x p e r i m e n t k e yw o r d s - c o n v e r t e r ；s v p w m ；m p p t ；a n t i - i s l a n d i n g c l a s s n 0 ：们m 6 1 5 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期： w 悻 j 导师签名：毓序 签字日期p ? 年7 月7 日 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和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他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。 学位论文作者签名： 缛呸 签字日期：如罗年7 月心日 致谢 本论文的工作是在导师金新民教授的悉心指导下完成的，金新民教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来，金 新民老师对我的关心和指导。 金新民教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向金新民教授表示衷心的谢意。 童亦斌，刘京斗老师对于我的科研工作和论文都给了很大的帮助，在此表示 衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，唐芬、黄杏等同学对我论文和研究工作给予 了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 序 本人在研究生学习阶段，在实验室参与了i g e t 驱动，小功率开关电源等方面 的研究。在学习研究中，掌握了开关电源，逆变电源方面的知识，在实际调试中 学会了一些测量和解决问题的方法。本人研究生毕业设计题目为光伏并网变流器 关键技术研究。通过导师和同学的帮助以及自主学习，比较全面的掌握了光伏发 电方面的知识。同时，在得到导师的指导和同学的帮助下，完成了2 5 k w 光伏并 网变流器的软硬件设计，并且在实验室提供的实验条件下，完成了整个系统的满 负载试验。试验的结果验证了该方案的可行性。但是由于学识水平、实践经验以 及时间等的限制，在很多方面做得还不够完善，需要做进一步的调试。 1 1光伏发电圆 第1 章引言 能源是人类经济及文化活动的动力来源。从原始社会开始，化石能源逐步成为 人类所用能源的主要来源，这种状况一直延续至科技发达的现代社会。随着人类 对能源需求日益增加，化石能源的储量正日趋枯竭。此外，大量使用化石燃料已 经给人类生存环境带来了严重的后果。当前人类文明的高度发展与地球生存环境 的快速恶化已经形成一对十分突出的矛盾，它向全世界能源工作者提出了严峻的 命题和挑战。在本世纪，人类将面临实现经济和社会可持续发展的重大挑战，在 有限资源和环保严格要求的双重制约下发展经济已成为全球热点问题，而能源问 题将更为突出。因此，人类要解决上述能源闯题，实现可持续发展，只能依靠科 技进步，大规模地开发利用可再生洁净能源。 太阳能作为“储量无限、存在普遍、开发利用清洁以及逐渐显露出的经济 性等优势，它的开发利用将最终解决常规能源特别是化石能源带来的能源短缺、 环境污染和温室效应等问题，是人类理想的替代能源。太阳能开发利用必将在本 世纪得到长足的发展，并终将在世界能源结构转移中担当重任，成为本世纪后期 的主导能源。 根据现阶段的历史条件和技术发展水平，以新能源替代传统能源、以优势资 源替代稀缺资源、以可再生能源替代化石能源已成为一种必然趋势。其中，利用 太阳能发电的技术将得到很好的发展。 利用太阳能发电，即光伏发电是指利用太阳能电池这种半导体电子器件有效 地吸收太阳光辐射能，并使之转变成电能的直接发电方式。光伏发电具有以下明 显的优点： ( 1 ) 无污染：绝对零排放，无任何物质及声、光、电、磁、机械噪音等的“排 放 ； ( 2 ) 可再生：资源无限，可直接输出高品位电能，具有理想的可持续发展属 性； ( 3 ) 资源的普遍性：基本上不受地域限制，只是地区之间有丰富与欠丰富之 别； ( 4 ) 机动灵活：发电系统可按需要以模块方式集成，可大可小、扩容方便； ( 5 ) 通用性、可存储性：电能可以方便地通过输电线路传输、使用和存储； ( 6 ) 分布式电力系统：将提高整个能源系统的安全性和可靠性，特别是从抵 御自然灾害和战略准备的角度看，它更具有明显的意义； ( 7 ) 资源、发电、用电同一地域：可望大幅度节省远程输变电设备的投资费 用； ( 8 ) 太阳能发电系统建设周期短，由于是模块化安装，因此可用于小到太阳 能计算器的几个毫瓦，大到数十兆瓦的太阳能发电站。 1 2 国内外发展现状1 1 随着第一块太阳能电池板的问世，光伏发电在各国得到了迅猛发展。2 0 0 4 年 世界太阳能电池生产企业总产能达到1 0 0 0 m w 以上，同比增长3 5 。2 0 0 5 年，世 界太阳能电池总产量1 6 5 6 m w ，其中日本仍居首位，7 6 2 m w ，占世界总产量的4 6 ，欧洲为4 6 4 m w ，占总产量的2 8 ，美国1 5 6 m w ，占总产量的9 ，其他2 7 4 m w ， 占总产量的1 7 。国际光伏发电正在由边远农村和特殊应用向并网发电和与建筑 结合供电的方向发展，光伏发电已由补充能源向替代能源过渡。到目前为止，太 阳能光电技术的应用系统正在迈向大规模的商业应用阶段。研究表明：太阳能光 电产品的市场销量在今后十年内将以平均3 0 的速度增长，到2 0 1 0 年年销售量将 达4 6 0 0 m w 。到本世纪中叶，光伏发电电量会占世界总发电量的1 0 - - 一2 0 ，成 为世界基本能源之一。 与国际上蓬勃发展的光伏发电相比，中国落后于发达国家l o 1 5 年，甚至明 显落后于印度。但是，中国光伏产业正以每年3 0 的速度增长，2 0 0 5 年中国太阳 能电池生产总量达到1 3 9 m w ，较2 0 0 4 年猛增了1 7 9 ，2 0 0 6 年达到4 0 0 m w 。在 今后的十几年中，太阳电池的市场走向将发生很大的改变，在2 0 1 0 年以前，中国 太阳电池多数用于独立光伏发电系统，从2 0 1 1 年到2 0 2 0 年，中国光伏发电的市 场将由独立发电系统转向并网发电系统，包括沙漠电站和城市屋顶发电系统。 光伏并网交流器是光伏发电并网系统中的核心控制组件，要求其达到稳定， 高效，安全以及真正实现绿色无污染的效果。国内市场上相关的产品很多，但主 要还是进口设备。市场上主要一些产品包括德国s m a ，瑞士s p u t n i k 公司以及日本 的o l v i r o n 等。国内也很早就开展了相关技术的研究，并在最大功率点跟踪控制， 孤岛检测等方面取得了很大的成就。 1 3 关键技术 1 3 1 光伏变流器 2 光伏变流器是光伏发电系统中的关键部件，是将一种电能形式转换为另一种 电能形式的电力变换器。变换器分为直流变换器( d ( 粕c ) 和交流变换器( d c 糟c ) 两种，直流变换器将直流电压和直流电流变换为不同等级的直流电压和直流电流， 如本文采用的b o o s t 电路；而交流变换器是将直流电能变换为交流电能，通常是指 光伏逆变器，本文采用p w m 整流器的逆变工况来实现逆变功能。对于设计的光伏 交流器，尤其是并网型交流器，要求输出满足电网及用户的需求。 1 3 2 最大功率跟踪控制 光伏阵列功率输出特性具有非线性特征，受太阳辐照度、环境温度和负载情 况影响。在一定的太阳辐射度和环境温度下，光伏阵列可以工作在不同的输出电 压，但是只有在某一输出电压值时，光伏阵列的输出功率才能达到最大值，这时 光伏阵列的工作点就达到了输出功率一电压曲线( p - v 曲线) 的最高点，称之为最 大功率点( m a x i m u mp o w e rp o i n t ，m p p ) 。因此，在光伏发电系统中，要提高系统 的整体效率，一个重要的途径就是实时检测光伏阵列的输出功率，通过一定的控 制算法预测当前工况下阵列可能的最大功率输出，从而改变当前的阻抗情况，调 整光伏阵列的工作点，使之始终工作在最大功率点附近，这一过程就称之为最大 功率点跟踪( m a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n g ，m e p t ) ，相应的技术称之为最大功率 点跟踪技术。关于此技术，国内外文献提出了多种跟踪算法，根据实际情况，可 适当选择可行的跟踪方案。 1 3 3 孤岛效应 根据美国s a n d i a 国家实验室( s a n d i an a t i o n a ll a b o r a t o r i e s ) 提供的报告中给 出的定义：孤岛是指由于电气故障、误操作或自然因素等原因造成电网中断供电 时，各个用户端的太阳能光伏并网逆变器仍独立运行的现象。在这种情况下，局 部电网负载完全依靠光伏发电系统电源支配运行，就形成了与主电网隔离的“孤 岛状态。当孤岛发生时，由于并网逆变器持续供电，相连的电网将处于带电状 态，则可能危及电网线路维护人员的生命安全。同时会干扰电网的正常合闸过程， 在合闸瞬间产生的浪涌电流可能会损坏负载或并网逆变器装置。因此，光伏发电 系统需添加适当的孤岛检测措施，防止发生危险。 1 4 论文的主要研究工作 3 北京交通大学新能源研究所一直从事新能源应用领域的研究和开发，并在风 力发电、光伏发电等领域取得了重要成果，吸引了很多企业积极与新能源研究所 开展合作。本论文所做的2 5 k w 光伏并网变流器就是与北京能高自动化技术有限 公司合作而设计开发的产品。 论文在第二章将对系统主电路作详细介绍，第三章将对系统采用的控制策略 进行分析，第四章将根据前两章的内容，阐述系统软件结构，第五章将给出试验 调试的结果，并根据实验中测量到的一些波形，做出分析。 4 2 1 光伏发电系统 第2 章系统主电路拓扑 光伏发电系统( p h o t o v o l t a i cp o w e rg e n e r a t i n gs y s t e m ，简称p v 系统) 是指从 将太阳能转换为电能的太阳能电池板到最终提供给用户或并网使用的设备终端之 间的整个设备体系。 光伏发电系统按照与电力系统的关系可分为离网型发电系统和并网型发电系 统嘲。离网型发电系统属于孤立的发电系统，它不与电网相连，直接给负载供电。 一般主要应用于偏远无电地区，其供电可靠性受到气象环境以及负载情况的影响， 供电稳定性相对较差，许多时候需要加装储能装置和能量管理环节。并网型发电 系统输出与电网相连。与离网型相比，并入大电网可以给太阳能发电带来诸多好 处：首先，不必考虑负载供电的稳定性和供电质量问题：其次，光伏电池可以始 终运行在最大功率点处，由大电网来接收太阳能所发的全部电能，提高了太阳能 发电的效率；再次，系统可以省略储能装置，消除储能装置在充放电过程中的能 量损耗及运行维护的费用，同时可以消除废旧储能装置带来的间接污染。本文采 用并网型发电系统，见图2 - 1 ： 图2 1 双级式光伏并网发电系统 f i g u r e2 - id u a l s t a g e 鲥d c o n n e c t e dp vs y s t e m 光伏发电系统按照系统拓扑结构可以分为单级式发电系统和双级式发电系统。 单级式发电系统将太阳能电池板转换的直流电能通过逆变器转换为交流电能，供 给负载使用或并入电网。单级式系统仅靠逆变器实现最大功率点跟踪、并网、有 功调节、无功补偿等功能。在控制上相对复杂，但系统损耗较小，一般应用于大 功率场合。双级式发电系统在电池板与逆变器之间加入直流变换器，用于直流电 5 压和直流电流等级的转换。常见的直流变换器包括b u c k 、b o o s t 、 b u c k - b o o s t 、c u k 等电路。这一级电路除直流电压和直流电流的等级转换外， 主要用于实现光伏电池输出功率的最大功率跟踪。第二级的交流变换器则用于实 现并网、有功调节、无功补偿或者是谐波补偿等功能。在控制上相对简单，但直 流变换器增加了系统损耗，一般应用于中小功率场合。本文采用双级式发电系统， 见图2 1 。 2 2 系统工作原理 本论文考虑到系统功率偏小，同时为求控制简便，采用了双级式并网结构。 系统主电路拓扑见图2 - 2 所示，电路中的直流变换器采用b o o s t 电路，用以提高中 间直流电压的电压等级，减小中间直流电流。为方便设计选型，b o o s t 电路中的开 关管和续流二极管使用的是一组桥臂，其中开关管使用桥臂的下管，续流二极管 使用桥臂的上管，上管始终关断，只使用它的反并联二极管。流过升压电感厶的 电流正方向见下图，下文中的讨论基于此正方向。交流变换器采用电压型p w m 整 流器，本文采用的是p w m 整流器四象限运行中的逆变工况，实现单位功率因数并 网。流过滤波电感厶的电流正方向见下图，即以整流方向为正，下文中的讨论基 于此正方向。 图2 2 光伏发电系统主电路拓扑 f i g u r o2 - 2m a i nc i r c u i tt o p o l o g yo fp h o t o v o l t a i cp o w e rg e n e r a t i n gs y s t e m 2 2 1 升压式变换器 b o o s t 变换器是一种输出电压高于输入电压的单管非隔离直流变换器，通过控 制开关管的占空比，可控制升压变换器的输出电压。根据电感电流是否连续，升 6 压变换器可以分为连续工作模式、不连续工作模式和临界连续工作模式。 1 电感电流连续工作模式习 见图2 - 2 所示，假设电感厶足够大，流过电感的电流连续，即以图中电流正方 向为基准，流过电感上的电流始终大于零。 在开关管t 8 导通期间，太阳能电池板输出电压吒，加在电感两端，电感电流 线性增加，电感电流的增量为： i 【+ ) = r 挚。等玛 协1 ) 其中，太阳能池板输出电压； d 开关管导通占空比。 在t 8 关断期间，流过电感的电流经续流二极管t 7 流给输出侧，电源与电 感储能一同给电容充电，电感电流线性减小，电感电流的减小量为： = 气2 半( 1 一鹎 协2 ) 稳态工作时，t 8 导通期间的电流增量等于关断期间的电流减小量，即 戗”= 越- ) ，所以得到输入电压与输出电压之间的关系为： 丝：上 ( 2 3 ) 1 一d 忽略电路损耗，输入功率等于输出功率，可以得到平均电流与占空比之间的 关系为： 丘：l d ( 2 4 ) 厶 根据公式2 3 和公式2 4 ，可以设计出电感电流连续工作时，开关管的导通占 空比，从而控制系统按照希望的电压或电流运行。 2 电感电流断续工作模式和临界连续工作模式 在t 8 关断期间，电感电流减小，若电感电流减小到零时，t 8 关断时间还未结 束，表示电感电流出现等于零的情况，将这种工作模式称之为电感电流断续工作 模式；若电感电流减小到零时，t 8 关断时间刚好结束，表示电感电流临界连续， 将这种工作模式称之为临界连续工作模式。本文中设计的电感能够使电感电流工 作在连续工作模式，所以在此不详细分析电感电流断续工作模式和临界连续工作 7 j 匕宝交通太堂亟堂位j 金奎丕统主虫隧拓盐 模式。 2 2 2p w m 整流器嘞嘞 按照一般定义，逆变是指将直流电力变换为交流电力。对于逆变器的输入， 有两种方式：一种是利用电容滤波，直流回路的电压波形平直，输出呈低阻抗， 逆变器中开关管的通断作用就是将直流电压以一定的方向和次序分配给各相负 载，形成交流电压，这种逆变器称为电压型逆变器( v o l t a g es o u r c ei n v e r t e r ，简称 v s i ) ；另一种则是利用电感加以滤波，直流回路的电流平直，输出呈高阻抗，逆 变器中开关管的通断作用就是将直流电流以一定的方向和次序分配给各相负载， 形成交流电流，这种逆变器称为电流型逆变器( c u r r e n ts o u r c ei n v e r t e r ，简称c s d 。 随着半导体器件的不断发展以及控制技术的日趋成熟，逆变器得到了良好发展。 本文采用的逆变器是由i g b t 构成的电压型p w m 整流器，通过适当的控制， 使整流器工作在逆变工况，达到将直流电力转换为交流电力的目的。p w m 整流器已 对传统的相控及二极管整流器进行了全面改进。其关键性的改进在于用全控型功 率开关管取代了半控型功率开关管或二极管，以p w m 斩波整流取代了相控整流或 不控整流。因此，p w m 整流器可以取得以下优良性能： ( 1 ) 网侧电流近似正弦波； ( 2 ) 单位功率因数控制； ( 3 ) 电能双向传输； ( 4 ) 较快的动态响应： ( 5 ) 可进行并网逆变。 能量双向流动表现为：当p w m 整流器从电网吸取电能时，其运行于整流工作 状态；当p w m 整流器向电网传输电能时，其运行于逆变工作状态。单位功率因数 控制表现为：当p w m 整流器运行于整流状态时，网侧电压、电流同相；当p w m 整流器运行于逆变状态时，其网侧电压、电流反相。进一步研究表明，p w m 整 流器网侧电流及功率因数均可控制，因而在有源电力滤波及无功补偿方面都有着 广泛的应用。下面以单相p w m 整流器为例，分析它的功能工作原理： 8 图2 - 3p w m 整流器电路模型 f i g u r e2 - 3m o d e lc i r c u i to f p w m r e c t i f i e r 图2 - 3 为p w m 整流器电路模型，由交流回路、功率开关管桥路以及直流回路 组成。忽略电路中谐波的影响，对于基波，下面的关系式成立： e = u a b + ( 鸠+ 足) ( 2 - 5 ) 由公式2 5 可知，在网侧电压珑和阻抗u 鸠+ 墨) 一定的情况下，五的幅值 和相位仅由晓。的幅值以及与d ，的相位差决定。控制o o 。的幅值和相位，就能迫使 d ，和j 。的相位差为所需要的任意角度。根据这一原理，下面介绍p w m 整流器的 几种运行方式： ( 1 ) 图2 4 ( a ) ，玩。滞后眈角度万，丘和玩同相，电路工作在整流状态，且 功率因素为1 ，能量从交流侧流向直流侧； ( 2 ) 图2 4 ( b ) ，玩。超前晚角度万，t 和矽，反相，电路工作在有源逆变状态， 能量从直流侧流向交流侧，这是本文采用的运行方式； 图2 4 ( a ) 整流工况 f i g u r e2 = 3 ( a ) r e c t i f i e rm o d e l j i d 。u l 2 图2 - 4 ( b ) 逆变工况 f i g u r e2 - 3 ( b ) i n v e r t e rm o d e 图2 4 ( c ) 无功补偿运行状态图2 _ 4 ( d ) 电流超前任意角度 f i g u r e2 3 ( c ) r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nm o d ef i g u r e2 = 3 ( d ) c u r r e n tl e a da n ya n g l e 9 ( 3 ) 图2 - 4 ( d ) ，比滞后珑角度万， 能工作在四象限的任意象限； ( 4 ) 图2 - 4 ( c ) ，比滞后眈角度万， 功功率相当于无功补偿装置。 丘超前吨任意角度，说明删整流器 五超前吨9 0 。，电路向交流电源输送无 显然，要实现p w m 整流器的四象限运行，关键在于网侧电流的控制。一方面， 可以通过控制p w m 整流器桥臂侧电压，间接控制网侧电流；另一方面，也可以通 过网侧电流的闭环控制，直接控制p w m 整流器的网侧电流。 2 3 主电路参数设计 2 3 1 升压电感设计 在b o o s t 主电路设计中，升压电感的选择尤为重要。设计时，主要考虑电流连续 和电流纹波这两个方面： 按电流临界连续设计时，电感厶取值应满足：开关管导通期间上升的电流在 开关管关断期间刚好减小为零，即流过电感的平均电流为开关管导通期间电流增 量的一半。所以下面的公式成立： = 兰= d t , - = 亳。( 1 删 c 2 石) 由公式2 - 6 可以推导出升压电感厶取值为： 厶2 老d ( 1 加) = 旦2 1 d 。z , d ( 1 加) 2 ( 2 7 ) 其中：玩中间直流电压； 阢。，太阳能池板输出电压5 ，流过电感的平均电流5 l 中间直流电流； z ，开关管开关频率； 已开关管开关周期； d 开关管导通占空比。 按电流纹波指标设计时，电感厶取值应满足：当开关管导通占空比最小时， 电流纹波应小于一定取值( 一般取平均电流的1 0 一3 0 ) 。所以下面的公式成立： 1 0 吃等等= 鼍争 沼幻 由公式2 7 可以推导出升压电感厶取值为： 厶生出：鳖 ( 2 9 ) l r i i ，i _ r i i i l 厶 其中，螂太阳能池板输出电压最大值； 导通占空比最小值； 厶输入电流； ，纹波系数。 本论文按照额定输出功率2 5 k w 设计，将数据= 7 0 0 v ，u s o i = 3 0 0 一- 5 7 0 v ， 厶= 5 5 1 ，厶= 3 6 a ，z i = 1 0 k h z ，d = 0 1 8 - - ，0 5 8 ，r = 2 0 分别代入公式2 7 和公式 2 9 ，得到厶= 0 1 5 m h 或厶= o 9 3 m h ，从两个计算结果中取较大值，并取1 2 倍裕量， 最终选择1 2 m h 6 5 a 的电感。 2 3 2 直流支撑电容设计 在电压型p w m 整流器的主电路参数设计中，直流支撑电容的设计十分重要， 其主要作用如下： ( 1 ) 缓冲p w m 整流器交流侧与直流侧负载之间的能量交换，稳定直流母线 电压； ( 2 ) 抑制直流母线谐波电压。 所以，在设计直流支撑电容时，需综合考虑以上两个方面。首先，直流支撑 电容要能承受p w m 整流器直流侧工作时所带来的纹波电流l ，。对于采用 s v p w m 算法的p w m 整流器，其直流侧纹波电流有效值约为相电流有效值的5 5 ，纹波电压。可以取额定值的3 ，电容值应满足下述关系： q 去2 万【，一，二， ： 兰兰丝互 ( 2 1 0 ) = = - - j 一iz 2 刀x 3 u d c 厶 其中，k 流过电容的纹波电流； 乞1 相电流有效值； 电容上的纹波电压； z 2 _ p w m 整流器开关管开关频率。 其次，在变流器突加负载时，中间直流电压要能满足动态响应性能的要求， 即当变流器突加5 0 负载时，在电压环p i 调节器调用时间间隔t 内，中间直流电 压最大波动小于e 倍额定电压，见公式2 - i i - 互ic u , , 2 一三c 2 ( 1 叫2 】5 0 印 ( 2 1 1 ) 其中，只额定输出功率。 本论文按照额定输出功率2 5 k w 设计，数据= 7 0 0 v ，l = 3 8 a ，z ：- - 6 k h z ， p o - - 2 5 k w ，t = 5 0 0 p s ，- - 3 分别代入公式2 1 0 和公式2 1 l ，得到c _ 3 9 6 或 c _ 4 3 2 9 f ，从两个计算结果中取较大值，并取1 5 倍裕量，最终选择6 5 0 胪的 电容。 2 3 3 交流侧滤波电感设计啪 在电压型p w m 整流器主电路设计中，交流侧滤波电感的设计非常重要。交流 侧滤波电感的取值不仅会影响电流内环的动、静态响应，而且还制约着p w m 整流 器的输出功率、功率因数以及直流侧电压。进一步分析研究，交流侧滤波电感的 主要作用如下： ( 1 ) 隔离电网侧电压与三相桥桥臂侧交流电压。由电压型p w m 整流器的矢量 图可知，通过对三相桥桥臂侧交流电压幅值、相位的p w m 控制，可以实现电网侧 单位功率因数控制和p w l v l 整流器的四象限运行； ( 2 ) 滤除p w i v l 整流器交流侧谐波电流，从而实现交流侧正弦波电流控制； ( 3 ) 使p v n v i 整流器具有b o o s tp v v 2 v ia c d c 变换性能； ( 4 ) 使p w m 整流器获得一定的阻尼特性，从而有利于控制系统的稳定运行。 1 2 逆变工况- 图2 - 5 三相电压型p w i v i 整流器主电路拓扑 f i g u r e2 - 5m a i nc i r c u i to f t h r e e - p h a s ep w mr e c t i f i e r 为计算交流侧滤波电感值，需列写电压方程，推导计算公式。以图2 - 5 所示 的三相电压型p w m 整流器主电路拓扑结构为例：图中，玩表示中间直流电压，c 为中间直流电容，乞表示各相电网电压，玑表示整流器交流侧输出相电压， 石= 口，b ，c ，厶为网侧滤波电感。考虑a 相电压方程： 厶鲁城= 巳一( 一警磊，c 殴) 协- 2 ) 若忽略整流器交流侧电阻r ，且令= e a + 兰，尘s k ，则上式化简为 厶譬一已 ( 2 - 1 3 ) 其中，以一二值逻辑开关函数； 1 相网侧电压； _ a 相桥臂侧电压。 首先分析满足快速电流跟踪要求时的电感设计。考虑电流过零点( c o t = o ) 处附 近一个p w m 开关周期z 中电流跟踪瞬态过程，其波形如图2 - 6 。 1 3 葶 甲 ： ： i ； i b 上 o 。 r 粥： i l 。 死 毒。= 1 f j ，0 一t 图2 6 电流过零处的一个p 咖开关周期电流跟踪波形 f i g u r e2 - 6c l i r r 锄tw a v e f o r mi nap w m p e r i o d 稳定条件下，当0 t 互e l 寸s a = 0 ，且 睨一屯魄= 孥瓴+ & ) 厶等 j l 当互t 互时，s a = 1 ，且 巩一屯= 譬( - 2 + + ) 1 2 譬 j 2 若满足快速电流跟踪要求，则必须 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 燃划学厶国 协。6 ) j 2 二f ，2 综合公式2 - 1 4 至公式2 - 1 6 ，并考虑屯= = 1 ，得 厶巫 z 3 厶够2 当五= z 2 时候，将取得最大电流变化率，即 ( 2 1 7 ) 厶2 v ( 2 - 1 8 ) z 3 厶彩 其中，彩正弦波角频率； 厶相电流峰值。 以下分析抑制谐波电流时电感的设计。考虑电流峰值( 研= ) 处附近一个 p w m 开关周期z 中电流跟踪瞬态过程，其波形如图2 - 7 所示： 1 4 王 鹄丁 l i d f i 上 d ，簟 “7 。 1 5 e ) ( 2 - 2 1 ) 三相v s r 电感取值范围为： ! 兰丝二堡毖互2 厶盟( 2 - 2 2 ) 2 u d c a i m 缸 z 3 厶国 本论文按照额定输出功率2 5 k w 设计，代入数据= 7 0 0 v ，l = 5 4 a ，缈= 1 0 0 z ，乃2 = 1 6 7 # s ，综合考虑计算值，本文选择了1 8 m h 5 0 a 的电感。 1 5 拙塞交亟太堂亟堂位j 金奎丕统控劐筮略 第3 章系统控制策略 3 1 控制策略 电压型p w n 整流器在光伏并网系统中的主要作用是稳定中间直流电压和实 现电网侧单位功率因数控制。通常电压型p w m 整流器采用双闭环控制，即电压外 环和电流内环。为分析简便，首先对p w m 整流器进行建模。 3 1 1p w m 整流器建模 根据图2 5 所示电路，利用基尔霍夫定律，可得三相电压型p w m 整流器在三相 静止坐标系中的微分方程忉： 鲁= 一扣i 1 + i 1 巳 鲁= 一扣i 1 + i 1 吃 d i o r1 1-c i 一- - 岛l c i 心+ i 巳 ( 3 - 1 ) 将三相电压和电流先转换到两相静止坐标系西一筘，再转换到两相同步旋转坐标 系d q 。若使d 轴方向和电网电压空间合成矢量的方向一致，则可将时变的交流 量转换为恒定的直流量，简化控制和计算。这3 个坐标系的位置关系见图3 - 1 所示： 口 图3 1 三相静止坐标系，两相静止坐标系和两相同步旋转坐标系 f i g u r e 3 l i t t r e e - p h a s es t a t i cc o o r d i n a t es y s t e m ，t w o - p h a s es t a t i cc o o r d i n a t es y s t e mt h et w o - p h a s e s y n c h r o n o u sr o t a t i n gc o o r d i n a t es y s t e m 1 6 附：蚓嘲 ) 将公式3 - 2 应用到公式3 - i ，可得到三相电压型p w m 整流器在同步旋转坐标系下的 数学模型，其中白= e 气= o ，故巳在方程中可以省略不写： 鲁= 一扣噶一去蚴+ i i 勺 3 ) 鲁= 一乏一噶一i i 根据公式3 - 3 可以得到p w m 整流器在同步旋转坐标系下的等效电路，如图3 - 2 所 刁专： 图3 - 2 ( a ) d 轴等效电路 f i g u r e 3 - 2 ( a ) d - a x i se q u i v a l e n tc i r c u i t 3 1 2p w m 整流器的双闭环控制 图3 - 2 ( b ) g 轴等效电路 f i g u r e 3 - 2 ( b ) q - a x i se q u i v a l e n tc i r c u i t 在稳态情况下，岛和均为常量，因此它们的导数项等于零。忽略等效电阻r ， 则可以根据公式3 - 3 得到稳态的控制方程： 蚴= e a + o j l i g “g = 一础屯 ( 3 4 ) 为了将中间直流电压和网侧电流控制在给定值，公式3 - 4 中还应加入反馈控制量。 1 7 目前，同步旋转坐标系下基于p i 调节器的双闭环线性控制策略应用最为广泛，控 制框图如图3 3 所示： l q刎4 图3 - 3 双闭环控制框图 f i g u r e3 - id o u b l e - l o o pc o n t r o ld r a w i n g 电压外环控制中间直流电压魄，将的给定+ 与反馈( 即电压传感器采集 的实际值) 作差，经外环p i 调节器输出给d 轴电流的给定屯+ ，d 轴电流内环用来控 制中间直流电压的大小，g 轴电流内环用来控制网侧功率因数。在单位功率因数并 网中，应被设置为零。在计算出相应的嘞和后，就可以直接使用空间矢量脉 宽调制方法( s v p w m ) 给出主电路中各开关管的开通关断控制信号。以图2 5 中 的电压电流方向为参考方向，有以下结论： ( 1 ) 当运行于整流状态时，电压环p i 输出为正，作为指令电流大小； ( 2 ) 当运行于逆变状态时，电压环p i 输出为负，作为指令电流大小。 3 2 控制算法 3 2 1 空间矢量脉冲宽度调制( s v p w m ) 空间矢量脉冲宽度调制( s p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，简称s v p w m ) 控制策略是依据变流器空间电压( 电流) 矢量切换来控制变流器的一种思路新颖 的控制策略。早期由日本学者在2 0 世纪八十年代初针对交流电动机变频驱动而提 出的，其主要思路在于抛弃了原有的正弦波脉宽调制( s p w m ) ，而是采用逆变器 空间电压矢量的切换以获得准圆形旋转磁场，从而在不高的开关频率( 1 k 一3 k h z ) 条 件下，使交流电机获得了较s p w m 控制更好的性能，主要表现在：s v p w m 提高了 电压型逆变器的电压利用率和电动机的动态响应性能，同时还减小了电动机的转 矩脉动等。近年来，空间矢量控制在p w m 整流器控制中也获得了广泛的应用，同 时s v p w m 的控制方法也更易于采用微处理器数字实现。本节就s v p w m 的原理及 1 8 降臣湖 | ； 协5 ) 其中，疋、墨、疋三相单极性二值逻辑开关函数。 表3 - 1 三相p w m 整流器的空间电压矢量 t a b l e 3 - 1s p a c ev e c t o r so f t h r e e - p h a s ev s r 疋s bs c艺哆 圪 ooooo0 o01 一v d c一 巧 010 一一 巧 01l 一v 。c 虼 1 0 o一一 巧 lo1 一 圪 110 2 一百 k l11o00 巧 从表3 - i 中可以看出，一种开关组合就对应一个空间矢量，其中、巧为零 矢量，其他开关组合时的屹、屹为空间矢量在三相对称坐标( 咖，c ) 上的投 影。通过c l a r k 变换将空间矢量从三相静止坐标系变换到两相静止坐标系，用矩阵 表示为： 讣詈 1一! 一1 22 o 笪一鱼 22 由上述分析，复平面上的空间矢量圪可表示为： 1 9 ( 3 6 ) 上式表达为开关形式为： 卜观+ 歹2 詈e j ( k - 1 ) a r 3 ( ，6 ) ( 3 _ 7 ) 【，= 0 巧= 詈( 疋+ 瓯露 + 疋p 。2 膏，3 ) ( 歹= 0 ，7 ) ( 3 - 8 ) 对于任意给定的三相基波电压瞬时值吃，屹，匕，若考虑为三相平衡系统，即 吃+ 吃+ 匕= o ，则可在复平面内定义电压空间矢量为： y = 詈( 吃+ v , e j 2 ，3 + v c e 吖2 们) ( 3 - 9 ) j 。 公式3 9 表明：如果，吃，匕是角频率为彩的三相对称正弦波电压，那么矢量矿的 模即相电压的峰值，以角频率力按逆时针方向匀速旋转的空间矢量，而空间矢量矿 在三相坐标系( 口，6 ，c ) 上的投影就是对称的三相正弦量。 因此，s v p w m 就是利用三相桥输出的8 个电压矢量来合成指令电压矢量， 从图3 4 中可以看到，8 个电压矢量是间断的，而参考电压矢量是连续的，但是如 果开关频率足够高，则可以以一个开关周期的平均值为标准来进行等效，这是空 间矢量调制的基本原理。 n 巧巧 篇一 圪f vy 屯 攻珑 区 图3 4 复平面中的基本矢量分布 f i g u r e3 - 4b a s i cs p a t + v e c t o r so fv s k s v p w m 的简化算法实现 在实际的计算中，指令矢量y 一般给定为两相静止坐标系下矢量矿在口，坐 标轴上的分量，。通过反正切、正弦函数才能得到夹角p 的大小以及矢量的作 用时间，但这种方法的实现需要大量的快速的运算，对控制器的硬件要求很高。 本文采用了一种简化计算的方法，根据指令电压的吃，直接计算空间矢量在各 个扇区的作用时间。 指令电压矢量矿在扇区i 时，如图3 - 4 所示，其中矢量的作用时间可由下式计 算： 2 孤咖詈 2 和+ 豢 令线性调制区指令矢量为电压空间矢量形成的六边形的内切圆， 事： 五 户 事：三(旭一)2z 一 4 ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) 可以推出： 图3 - 5 第二扇区矢量的合成 f i g u r e3 - 5s y n t h e t i cm e t h o do fs p a c ev e c t o r si ns e c t o ri i 指令电压矢量矿在扇区i i 时，如图3 5 所示。由矢量k ，巧来合成指令矢量， 此时矢量作用时间的计算方法同在扇区i 中有所区别，引入辅助计算量a 、b ，根 据正弦定律可得： 彳 u 疗 一= = - - ：二- l 2 万 s 1 n s 1 1 】一 63 ( 3 1 4 ) 2 1 一 一 j l ：型l 。一= _ _ o o 一 靠死 跚j 锄了33 由图可知，k ，巧的作用时间可用a 、b 来表示： 由公式3 1 6 以及公式 ( 3 - 1 5 ) ( 3 1 6 ) ( 3 1 7 ) ( 3 - 1 8 ) ( 3 1 9 ) 用同样的方法可以计算出其他扇区中矢量的作用时间，计算的结果同扇区i 、 i i 的计算结果类似。 3 空间电压矢量的合成 对于零矢量的选择，主要考虑选择虼或巧应使开关状态变化尽可能少，以降 低开关损耗。在一个开关周期中，设零矢量插入时间为乃7 ，若其中插入r o 的时 间为毛= 线7 则插入的时间则为乃- ( i 一后) 毛7 其中o 七1 实际上，对于三相v s r 某一给定的电压空间矢量矿，常有几种合成方法，以 下讨论均考虑矿在v s r 空间矢量i 区域的合成。 ( 1 ) 将零矢量圪或巧