（电力电子与电力传动专业论文）分布式发电系统中并网逆变器的研究.pdf

濒鼗大学硕士学位论文 a 1 6 i s 耄l 翟e 毫 a st h 霉n e we n e f g y s 弩p l 孵鞋gi 娃攮ed i s 越姝耗dp o w 搴rs y s 穗粥，搬疆e 矗莪硅掰。豫 r e 辩a 触o fg 薅- c o n n e e 删i n v 麟e r8 y s t e mh a v e b e e na t t e n d e 文n ef o i l o 淅n g c o n t o n t sw e r es u m m a d z e db yt h er e g e a r c ha n de x p e r i m e n tw h i 媳b a s e do nt h e 鲥出e c 谶 n w 撤e re o n 渤l e d 姆v o 捷l g e kc h a p t e fo n e ，t h en 规ve n e r g yi n 越s t r i b u t e dp o w e rs y s t e mw 8 ss u m m a r i z e d ， 强os 饿d 哦。f 酾d - e o 鲻o c l e 畦i 勰积躞a s ob 懈li n 鼢氐e 穗+ l 麓et o p o l 0 8 i e so fg r i 蕾c o n n e c t c 娃i n v e f 硷rs y s 耙l n 强霉霉ll i s 嚣di 娃c 飘8 l ，e r 缸糨。 翘硅娃薹eh i 蠹簸躺髓c y 黼l 岛五d g e 泌翱时瓿s 搬建馥o s e 羟嚣蟪撼礅蠡鞋e i 辩氆l s t n 瓣t u r e 髓em o d e lo f 嘶小c o n n c 嘴di n v e r t e rw a sa i l a l y z e d d o 姝t i m ee 腩c ta n d l o 鑫dd i 鳢曲i 蔓gw 嚣ep o i i 搀融鑫s 氆of 锵s o 建w h i 娃测张g 氆ew 州撼瓣ld i s 耋。娃i o 珏 遗c l n d i n g f mc h a p l 雠也r e ec a ns e eb e e a u s eo ft h ew a v e 稻mc c t i o n ，r e p e t i t i v c e o n 打mt e e 妇m o 黔黼s 氇d o p 镪畦，w l l i 拣i s 商黼粕m 氇e 懿溉n 越黼o d e l 蛹n c i 辩e 硅 c 鞣e 燃r e 移e l 溉i 赫越e 龇d i 蜘撕艘o f w a v e 融ma 鼬rf c wp 喇o d t h 妣a l l 妇c o n 的l s y s f e mw 8 sb e e ng i v e n 。a tl a 懿镥ew a y so fk ps y n e 珀辩n i z a t i 傩w a sg i v 龋b y 巍重l e x a m p l e 1 t w on 渐触程l o 费s 如rg 蠡d t i 霉d n v e 羲e 搭o f 蠢i s 撼b 蠛醯p 删姆蜘s 燃 m e h t i o n e di nc h a p t e rf o u nm e a n w h i k8 0 m es i m u l a t i o nr e g u l t sw e r 。p 糟s e n t e d d i 簸揩赶t 镬s t 懑涵鬈猷氆棼娜捃搬e 托堍惫黼畦瓤e 氧矗辩r 蠡谨a l 瓣l 蹦髓b 蝴毒。 k e e pi o u to f 掣8 o m 埝辙铂ed e s i g no f 囊a 砖w 嚣辩麴ds 馥黼。 1 、h ec h a p 瀚s 捩蝴疆b o u t 如e x p e 由a e n t so f l t a g oc o n 拄o l l 嬲幽d - e o n n e c 毫e d i n v e r t e r rt h ed e s i 弘o fc o 矗t r o l l e dc i r c u i t sa l l de x p 械m e n t a l s u j t sw e r ca l s o p 辩$ e n 醴， t h es 啪m 袅：l y 矗n d 盎l r 魄e rr e s e a 量l d e a sw o u l db eg i v e 矬a t 也。l a s tc h a p t e l k e ，w o r d 窖：d i s m b u t e dp o w e rs y s t e n l 、g r i d - c o n n e c t e di n v 舒r t e r 、r 蟹p e t i t i v ec o n 翱o l 、 r o 鞋c 蛀v e o a de o m 黼s 懿i 矗 辩 l l 擞江大学硬士学拉论文 第一章绪论 1 1 分布式发电的简介 分布式发电指酌是在用声现场或靠近糯电现场，荐己键较小的发电机组( 一般低予3 0 m w ) ， 班满蔗特定用户的需要，支持现存配电网的经济运行，溅者同时满足这两个方面的要求。这 些小的发电机鞠包括燃料电池、小型燃气轮机蠛燃气轮机与燃料电池的混合装置。由于分布 式发电系统更靠近用户，所以提高了服务的可靠性和电力质量。目前由公共环境政策和电力 市场的扩大并伴随糟科技的高速发展，这些因素使得分稚式发电成为新世纪重要的能源选择， 研制台理的分稚式发电系统也成为当前研究的热点。 1 2 分布式发电的优点 分布式发电和集中供电系统静配合有很多优点： 1 )分布式发电系统分散独立，可靠性高。分布式发电系统中各电站相互独立，用户可以自 行控制，因此大规模停电事故完全可以被避免，有着比较高的安垒可靠性；同时当大电 网安全、稳定性不足时，分布式发电系统对其进行弥补，如：在意外灾害发生时可以继 续供电。这已成为集中供电方式不可缺少的重要补充。 2 )同时系统可以对区域的电能质量和性能进行实时监控，充分利用各地渣洁能源，减少耳 缳压力。这样健褥分毒式发彀系缝特透用在农撼、牧煞、山醒、发震中麴孛、小城市 等地嚣，减轻了拜缳压力；磁且系统静狳配电掇耗键低，甚至没奢，无需建既电龉，降 蠡了输配电成本。 3 )分布式发电系统的安装成本低，对于一些特殊场合可方便的使用。如：用于重要集会的 ( 处于热备用状态的) 移动分散式发电车；另外其操作简单，调峰性能好，同时参与运行 的系统少，启停快速，实现垒自动方便。 所以，分布式发电系统在将来会迅速的发展起来鸭 1 3 分布式发电的分类 滤汪大学硬学毽论支 根攥分毒式发电系统瑟缓瘸次麓源豹不蘑，分布式发电胃分为鏊予化石麓 源的分布式发电技术、攀于可再生能源的分布式发电技术以及混合的分布式发皂 技术。 1 3 1 基予纯石毹源的分布式发电技术 基予化石熊源筑分毒式发瞧技术主要鸯鞋下三i 孛按术擒残： 往复式发动机技术：是网前应用最广的分布式发媳方式，用于分布式发电 的链复式发动机以汽油戚柴油为燃料，采用四冲程的点火式或压燃式。 微裂燃气羚提技术；擞登燃气轮瓿是 鬻凌率先数百予嚣潋下，栗瘸天然气、 甲烧、汽油、柴油为燃料的超小型燃气轮机。这类技术国外已进入示范阶段。 燃料电池技术：燃料电池是一种直接将化学能转变为直流电能的电化学装 置。这转发奄方式洁净、毫效 蕤存发震兹途，被稼鸯2 l 撵纪静分布式瞧源的发 展趋势。 理论上燃料电池的单元电压最大可达到1 2 v ，因此需要通过串并联后再由 8 c 淡帮c a c 装嚣转羧撂囊蠲户受黢舞需要静耄惩篷。弼窝l 。 蘑示舔为燃瓣 电池的功率变换系统的缡构图。 燃料电池系统 逆变器 电网 恻1 1 燃料电池的功率变换系统结构图 1 3 0 基予可再生能源的分布式发电技术 基予帅j 再生熊源静分布式发电技术主要由娃下咒稀技术构成： 太阳能光伏发电技术：太阳能光伏发电技术是避过半导体材料蛉光电效应，将太雕能转换 为需骧的电能。该技术在应j j 过程中不消耗燃料、不受地域限制、规模灵活、无污染、安全 可靠、维护简单。毽技术成本相对较高，搿阻还需簧透过技术改滋，来降低萁成本，再加鞭 推广应用。 图1 2 为光伏发电系统的结构图 在竞饫系统的应溺中主要存在了两个技术问题 浙1 强大学硕士学位论文 1 ) 如何将光伏系统的直流转换成合适的交流电。 2 ) 为这至最大髭羹静输爨，对竞铰模块酌输密耨缝跟踩最大功率点( m a x i m 啪 p o w e rp o i n tt r a c km p p t ) 的控制技术。 光伏发电系统 逆变器 魄阚 图1 2 光伏缴电系统的结构图 风力发壤按术帮将风熊转讫秀毫麓静发窀技零，遣隶蒲予可霉生辘源发魄按寒 之一，将冀应用到可分布式发电系统中，可分为独立与并网运行两类，前卷一般 整用容量为1 w 1 濂w 静徽墼溅小型疑力发电税组，瑟种模式遥常采稍超过 1 5 0 k w 的发电机缀。目前，单机容量在2 m w 以下的技术巴很成熟。 下图就是风力发电系统的结构图 整流器 逆变器 网 图1 3 风力发电系统的结构图 1 3 3 混帮的分鑫式发魄技本 所谓混合的分布式发电技术，通常是指在系统种采用两种或多种分布式发电 技术并帮鬻能装鬣相组合，形成复合式发电系统。霸前已有多种形式髂复合式发 电系统被提出，其中热电冷三联产的多目标分布式供能系统是一个薅要的发展方 向，通常将其简称为分布式供能系统。与其他供电系统相比，它可以大幅魔提高 能源利用搴、降低环境污染、改善系统的热经济性。 1 3 4 本课题简单介绍 本课题所研制的分布式供毫系统，可戳归类为：基于化石髓源的分布式发电 技术。 浙江大学硕士学位论文 本颈鞫中采嗣了微型燃气辊和高速发电视组畿了分布式供电系统。微型燃气 机作为一种新型的小型分布式供电系统和电源装置的发展历史还比较短，它由透 平、歪气税、爨浇室、鼙熬器、发电掇及电子控翻部分组减，暹常采鬻阐热循环。 本课题选用了燃料为天然气，功率为数百k w 以下的微型燃气机。在微型燃气机 兹竣出薅接褰速发墩爨，枣荚发鲞衰颤交流电，然焉涛其转换成为著嘲逆交器鬟 需要的直流母线电压，最后通过并网装鬣将高压戡流电，转换为5 0 h z 、2 2 0 v 的 交渡电送剿电网上去。 选用天然气微型燃气机作为供电系统的一部分，主要考虑到其：部件少，结 构简单、薰量轻；采用天然气燃料消耗率低、排放低；低振动，低噪簧，使用毒 命长；设计方便，价格便宜；可以调节转速，当不是满负荷运转时，也可达弱较 高的效率；并且可采用多台集成进行扩容。由此可见选用天然气微型燃气机是提 供清洁、可靠、离旗整、多用途韵枣登分布式供溆翦最佳方式。 综上所述，本课题选用天然气微型燃气机、高速发电机构成了分布式供电系 统是一耱缀磐戆环缳塑菱亳装嚣。 1 4 分布式发电在国内外的发展状况与前景 在一些发达国家，容溉为1 k w 到i o m w 的分布式电源发电和储能单元正成为来来分布式 供髓系统躲发展趋势。壶予分布式旗源具有赢可靠性、麓旗量、裹效率以及灵潇性等特点， 因此可以成用在工业、商业、居往和交通应用中。在以后几年中，新一代的微汽轮机( 1 0 2 5 0 k w ) 可以完全商业化，为调峰暑n 小公司余热发电提供了新的机会。 在我国，随着经济建设的飞速发糕，我国集中式供电喇的规模急速膨胀。由此产生的安全 隐患同样不容忽视。同时各地区经济发展很不平衡，对于广大经济欠发达地区来说，很难在 较短匏靖间浅建立一定瓶攘翁、强大魏集中式镞配电两，辘滠谣壶弱蘧，是裁缝这些建区的 经济发展的主要问题。因此采用分布式发电技术则刚好可以弥补集中式发电所带来的这些局 毅蛙。套毒式发电技本在我国城乡建设中，幸挈鸯集中供电方式援术不霹缺少的耋受蛰充，毖 定成为未来能源领域的一个重要的发展方向。 重5 分衣式发电系统的并两标准 目前国际上相关鼹部门专门为分布式荠网发瞧系统制定了一系列的技术尺 浙江大学硕士学位论文 的频率异常范围和响应时间是根据6 0 h z 为标准进行制定的。因此从表中可以得 到系统正常工作的频率范围是5 9 3 6 0 5 h z 。表中根据功率大小将响应的要求分 为两类，如表中所示容量大于3 0 k w 的装置有特殊的规定。 表1 3电网频率异常时并网系统的响应时间 分布式系统容量频率范围( h z )响应时间( s ) 3 0 k w 6 0 5o 1 6 3 0k w 6 0 50 1 6 ( 5 9 8 5 7 0 ) o 1 6 到3 0 0 可变 5 70o 1 6 4 ) 并网工作时输出电流的谐波范围 并网系统要求能对电网提供能量，甚至是能对电网的进行无功补偿，谐波的 有源滤波所以绝对不允许其对电网造成污染，所以对并网电流要求如下表 。表1 4 并网系统输出电流的谐波技术指标 i 奇次谐波 h l lu h 1 71 7 蔓h 1 5 0 0 1 0 0 0 00 l3 1 0 当以上三个指标符合表所示的要求时，才允许闭合连接装置，使系统和电网 并联工作。 9 0 年代以来依据电力法和国家有关规定，国家技术监督局相继颁布了 涉及电能质量五个方面的国家标准，本课题在研制并网逆变器的时候也参考了以 下这四个标准： 1 电能质量供电电压允许偏差( g b l 2 3 2 5 9 0 ) 2 电能质量电压允许波动和闪变( g b l 2 3 2 6 9 0 ) 3 电能质量公用电网谐波( g b t 1 4 5 4 9 9 3 ) 4 电能质量一一电力系统频率允许偏差( g b t 1 5 9 4 5 1 9 9 5 ) 。 6 浙江大学硕士学位论文 广 = 二二二1 一 门 代车l 七 ! u i _ j 牛_ - ，卓j a ) 推挽式 r t a _ | 1 ，此时为过调制。 但采用过调制会大大地增加输出电压的谐波含量，尤其是低次谐波含量。 2 2 - 3 单相桥式单极性s p 嘶电路的谐波分析 单极性s p w m 逆变电路输出电压甜，如图2 7 ( b ) 所示。由图可见，该电压 浙江大学硕士学位论文 波形也具有奇函数和半波对称的性质，因此它的傅立叶级数表达式将只包含正弦 项，不包含恒定分量与余弦项，又由于波形是镜像对称的，因此其中只包含正弦 项中的奇次谐波。 输出波形的频谱分布取决于三角载波信号甜。和正弦调制波“。在一个正弦周 期内的交点所唯一确定的一组开关角，从图2 7 ( a ) 可知，频率比k 和幅值调 制比m 决定开关角。 可得到输出电压平均值的表达式： i 2 篑吣i n 耐= m 州n 耐，矧 c z 州， 由于z r ，“，可近似为输出电压的基波分量z f 即 材。l = 玑1 。s i n 删m vs i n 耐 ( 2 一1 7 ) 在一个正弦控制波周期内，三角调制波将时间轴分为2 n 个区间，且与正弦 波由2 n 个交点，区间和交点一一对应。设埘( 1 ，2 ，2 ) ，载波频率和调制 比归一化后，在第m 段区间有f ( m 一1 2 ) ，m 2 】，设f 。为三角载波与 正弦波在第m 段区间内的交点，利用傅立叶级数理论，可得逆变输出电压波纠的 傅氏级数的表达式为 9 】： 虬：删s i n ( 。) + 丝艺妻c o s ( 叫五塑丝盟s i n ( 删+ 。) 叫 虬2 删s i n ( 们刊+ 等。萎。一毳0 0 8 沏力! 丛号等8 i n ( 删棚聊州叫 ，= 1 ，2 ，= “3 ， ( 2 1 6 ) 由于单极性s p w m 逆变电路输出电压不再存在奇次谐波分量，经分析可知： 在双级性s p w m 波中，当i n 为偶数时，其谐波与单极性s p w m 波中m 为单数时，相 对应，但是在双级性s p _ | i y m 波中，当m 为奇数时，其谐波与单极性s p l l m 波中为零。 因此相对应使得谐波含量比起方波逆变电路和双极性s p l 】y m 逆变电路都要小，因 此目前单极性s p w m 波控制技术被更为广泛的运用。 2 3 单相桥式逆变器输出滤波器的参数设计 并网逆变器的滤波器需要根据电路的具体工作方式来进行具体的设计，本节 辑汪大学硬士学位诧文 分剐介绍了在单微性和双级襁两种工作方式时，并潮滤波器的设计。 遂交嚣熬功率电爨霹觅图2 6 ，缎设要求麓工作条件帮技术揆标螽下： 输入电压：u i = 3 8 0 v b c 输出功率：p o = 1 0 0 0 w 开关频率：。= 2 0 k h z 一逆交器输滋电毯：2 2 0 v 2 0 。l 单极性工律方式时滤波器设计f 2 3 j 在埝入瀣压裁输出瞧篷确定豹镑凝下，输密滤波遥感豹最，l 、德主要由莰定酌 魄感电流纹波大小来决定。 一般设定电感电流纹波峰- 峰值的最大值a i m 。是满功率输出时正弦电流峰 值的2 0 ，即： 虬。瑚等观9 0 9 4 ( 2 删 电感上的高频电压和纹波电流的颓率应等于功率开关管工作频率，f l = 。 嚣为擎极牲s p w 醚踩狰控制，故嚣耩篱中点阕靛迫篷是，蔡赫狰宽霞d 莛 竣出电压瞬瓣僮“，和竣入妻浚母线瞧压谚之魄，帮； 靠：监( 2 一1 8 ) u f 所以电感l 上的纹波电流峰峰值为： a ，：堡 旦旦。! 坠= 堡2 1 堡 ( 2 1 9 ) 三 2 五2 三u 0 厶 有数学知识可知，当。姿时，l 取得辙大馒i 猕。为： 2 哉 q q 因此可以计算得到： l 堡 一 ! ! 壁：胃。2 6 l 脚( 2 2 1 ) 2 8 气。厶8 o 9 0 9 x 2 0 1 0 3 一般在实际电路中取l 2 为3 m h 。 电容的选择首先要考虑输出滤波器对高频谐波的抑制，通常滤波器l 、c 时 1 9 糍江大学鞭学位论文 闻誊数取为5 1 0 倦裹频躲；孛周期，这爨取l o 绩，霹褥： 2 嚣厨：罂 ( 2 2 2 ) 恕此霹以诗算褥型： e = ( j ) 2 2 = ( 志歹声t 。f 砘4 鲈e ：一：s ， 实际邀鼹中取c 3 为2 汪。戳戈蓑簧对竣邀毫压藏叛分豢致掺囊 睾雳羧越强， 就应当使得l 、c 的时问常数越大。因此选用电容值比计算值大并不影响滤波器 的滤波效采。 2 3 ：双辍牲工傺方式时滤浚器设诗 当逆变器工佟于双极性模式下，电路参数的设计如下： 由于工作在双极性方式下，电感上的纹波电流峰峰值为： 虬= 半，罢 1 4 ， 电容电压u c 与两桥臀中点a b 间的电压相等，故有： = 配 ( 2 2 5 ) 囊诧可敬整簿出： 磁= u ；= u ；d 一致疆一d ) 一致昭d 一 ( 2 2 6 ) 妒半。昙= 鼍 巾 旺吨， | 耋土式可翔，当哟5 ，辘获褥最大稳： 峨m2 参 q 。2 幻 当双辍往工佟时电感电流纹渡i h 应与上文翠投毪工佟对为计算一致。 因此结合上式计算得到： 岛盘= 蕊器丽肌t o s 蒯( 2 _ 2 9 ) 显然采甩双擞性方式工作雌，输出滤波爨的电感要比采用单极性方式所嚣咆感爨 2 0 游汪大学醺学绶论交 r 圈2 9 整流桥导邋时的等效电路 图2 1 0 整流桥关断时的等效电路图 经上诉分析可以得到整流负载导致并网逆变器输出波形畸变的原因如下： 1 由于负载电容c 1 的躲在，整流桥周期性通断，使得拓扑电路的稳态输出波 形润兹辐、藜差产生戆交； 2 潮样由于整流桥髑期髓遁断，逆交系统必然周期性静在这两个翮路之间切换 工作，其过渡过程导致了波形畸变。 翘前非线性负载是交流电网最主要的谐波污染源。并且它是变拓扑的负载， z 馑不叛豹交化从 嚣形成时变的拔动，由于噫变怒疰l 于负载扰动掰繁寒鳇，因此 无法逶过l e 输出滤波嚣消除上述薅变，因藏只有通过闻环戆爱镄控麓才能簿凌 上述问题。 因此如何在这种情况下对并网逆变系统的交流波形进行精确的控制存在着 较大的困难。如何通过闭环波形反馈控制，在电压跌落时能及时的加大开关脉冲， 毒 镖浚密电垂；鳃餐舍璞设诗系统熬嫡瘦逮凌禳短波形翡换懿逮渡对窝，鬟这壤 小负载扰动而产生的波形漪变，获得满意韵输出波形。这些都是本课题所要研究 的问题。 本章小结 本章主要概括了静秘分布式发电系统中豹著网逆变电潞豹掇扑结构，并采 用了高频单相全桥的电路拓扑作为主电路结构。然后描述了并嗣邋变器的理想模 型，分析得出单极性s p w m 逆变电路的输出波形谐波较小；并针对单极性和双 极健工l 乍方式的不同设计了输出滤波器，介绍了逸择合理的开关蛰的方法。最后 分瓣撵滋了死区控裁、及熬滚整受载是造成邋交器稳定二 终对输滋波形嚼变懿藩 凼。 浙江大学硕士学位论文 能恶化，系统不稳定；并且该控制方法的瞬态超调量较大2 8 1 。 3 目前将模糊控制技术应用在逆变器的控制上的研究也越来越多【”，因为 模糊控制器不需要受控对象有精确的数学模型，控制的时候有较强的鲁棒性和自 适应性，因此采用模糊控制能有效的对复杂的电力电子系统做出判断和处理；同 时在使用模糊控制时，可以快速的查找模糊控制表的数据，因此在实际的控制中， 可以通过选取高的采样率来提高控制的精度。但是通常需要将模糊控制与其他控 制方式相结合，用于补偿逆变器带非线性负载时，导致输出电压跌落的现象。 4 在逆变器的控制中要求系统在闭环工作时，不易受到参数变化和外界干 扰的影响，根据这个要求在逆变器的控制中引入滑模控制。实际的工作中发现， 采用模糊控制逆变器的输出波形有较好的暂态响应，但稳定性较差，需要在滑模 控制系统中加前馈控制【3 0 1 。 3 2 重复控制 从上一章分析可知，对并网逆变器的输出波形造成严重畸变的主要原因是死 区效应和非线性负载所带来的影响。而这两种引起波形畸变的原因，兼为周期性 扰动；因此在了解、比较逆变器的各种数字实时反馈控制技术，如重复控制、p i 控制、无差拍控制、滑模变结构控制、模糊控制等等，同时根据引起并网逆变器 输出波形畸变的主要扰动都呈现了周期性，因此决定采用重复控制技术来对逆变 器进行反馈闭环控制。 重复控制是与其他控制器不同，它并不追求很高的动态特性，而是利用扰动 的“重复性”这一规律，“记忆扰动发生的位置”，根据相应的控制规律，有针对 性的输出波形，从而在稳态条件下，实现对给定信号的完美跟踪。 重复控制是基于内模原理的新型控制理论，由内模原理可知，在一个闭环调 节系统中，如果反馈回路中包含一个描述外部信号动力学特性的数学模型( 即内 模) ，那么该系统具有理想的指令跟踪特性和扰动抑制能力【3 ”。因此是抑制周期 性干扰信号的有效方法，为了解决并网逆变电源系统中非线性负载引起的波形畸 变问题，改善分布式发电系统中并网逆变器的输出并网电流波形和稳态误差，降 低并网电流对i 毡网的谐波污染，基于重复控制理论的并网逆变电源控制技术的研 究，主要集中在重复控制系统的基本性能、控制器设计理论以及针对并网逆变电 鞭江大学硕学艇论文 源系统的应用设计等方面。 3 2 1 艇复控制器的内模 内模是重复控毒系绕的核心，由于内模斡使掇系统能提供稳定持续躲控毒i 信 号。瀚3 一l 帮为重复掩翻箨理想蠹褛豹结褥黼 r 一厂1 7 “厂1 p ， + l l f 丁 圈3 一l 重复控制器理想内模的结构图 圈中r 为正弦参考倍号，y 为逆变器的输出电压，e 为误麓信号，z _ n 为周 期延迟环节，其中n 为一个基波周期的采样次数，p 为控制对象。从图中盼结构， 爵泼掺等密溺环系统翁佼漾涵数为： u = 鬻， c 。训 因此可以把重复控制的内模看作是一个数字重复信号发生器，当输入信号以 冀蝥波周裁重复塞理辩，辕疆便为辕凡信号叛熬波周期为步长瓣鬃麓。整个重复 控铡方法便是在这样豹一个反馈控制系统中，无稳态误差的跟踪瀚样瘸期中的指 令和扰劝，从而达到输出熊完全跟踪参考信号，并对输入信号中周期信号的扰动 加以抑制。 鄹时分橱传递函数可以怒到理想内模的极点均分布在虚轴二，系统处于临赛 振荡状态，稳定性较差。这群需要霹理怒肉禳避雩亍改造，系统聚爝了函“亲代 替= 一”【1 2 l ，使得系统能稳定收敛。其中q 可以为小于1 的常数，也可以为具有低 通性质的函数。当q 值为常数时，信号仅表现为幅值衰减；而当q 为低通函数时， 幸睾= 矮完全耀弱，毽基号豹澎式会发生改交，在验谖系统稳定佳辩撩鼹臻颓。掰致 本系统中q 值取o 9 5 o 9 8 内的任意常数，疆本系统为倒 警= 而b ， ( 3 吲 i 。f 矛 ”剖 滤汪大学硬擘娩瓷文 幽g 取o 9 8 时： 善= 可以得到差分方程： 1 j 面萨 ( 3 3 ) 酗( 露) = 0 9 8 9 ( 枣一) g ( 毫) ( 3 4 ) 从差分方程可潋褥粥：每经过一个周期( n 次采样) ，当髓的输入量就与上 周期的输出量的9 8 进行累加。显然当误差低至输出量的2 时，累加过程也就 相当于停止了，采用这种方法，使得改进后的稳复控制器的稳定性得到提高，但 是魉魅了系统的无静差特性。 3 2 忿瘸期延时环节 在图3 1 所示在前向通道上串接了一个周期延迟环节= 一，该环节作用是 使上一周期检测到的误募傣息在下一个周期才开始产生作用，即使控伟4 动作延迟 一个弼麓送行。因荧延时姆棼乏是重复控制系绫凌模绫梅疑国套斡特性，因蘧应当 把冀瓣作是商模的一都分，并非单独斡控裁麓：节。 这样整个内模的结构便可以理解为由“积分”和“延时”两个环节组成，其 1 数学袭达式为击z 一。由于指令信号和扰动信号均为周期倍号，这样使得 i z 系统瓣下一个周赣的控制露蠢其有一定静越灏憾。僵是在弓l 入瘸期延砖环节爱， 系统将会产生鞍夭戆控翻滞蘑，其抉速往会受翻影嫡，秀了保持攒令信号蠡冬快速 通道，在重复控制系统中采用嵌入式结构，傥菇保留指令信号的快速响应。 3 2 3 系统补偿环节 为了能绘出穗位正确、嗪值恰当鲍控制餐，到达正确迅速的瀵除误差静基躲， 掰良必须缀据控裁对象琰= ) 豹特牲设置一个静偿环节s ( ：) ， 嫠环节对重复控 制系统的性能好坏有着决定性的影响，该环节是重复控制器中墩为熏要的一部 分。 图3 2 重复控制系统框架图 浙江大学硕士学位论文 结合上一节所提及的快速通道的环节，可以得到如图3 2 所示的改进后的重 复捺鞠系统德稳。 补偿环节s ( z ) 娥针对控制对象_ p ( z ) 而设嚣的，焚设计露标是使受控对象具 有零相移、零增益特性，中高频段尽可能衰减，以掇高系统稳定性。当受控对象 p ( z ) 兹模型缝难一确定对，只需取s z ) = 尹。z ) ，餐链进行“有限谣节葑鬻麓复 控制”，从而消除误差达到理想的频率、相位补偿效果，这蒂l 控制状态的特征裁 是控制系统在检测蓟上一个周期的谈差幅值、相位，然后根据补偿嚣s ( ：1 产生合 适熬控制耋，在下令瘸蘩一个蘧蘩走囊l 毙谟差蛰馁裂位。 但是在并网系统中，实际的受控对象和其数学模型总有偏差，而且其模型参 数毽会有交优。这样取s ( ) 一p 4 ( z ) 的进行模型对消就不能精确前进行幅僖、相 位的 偿。尤其在锋对赢频段赝建的数学模溅会和实际受控对象鲍螟篷、提像镶 差相对较大，这时补偿的效果会很麓，严重时会带来系统的不稳定。 赞对上述瞎援，霉要援裂一耱戆与低逶濂波器秘臻台势橡减淫戆较好豹按割 器，文献介绍了种利用超前环节进行补偿的方法，补偿器s ( z ) 主要由重复 控制增益彤，、超前环节，和滤波器焉( z ) 三个部分组成。 可戳褥疑静偿器： s ( z ) = 嚣z s ( z ) ( 3 5 ) 滤波器s ( z ) 是重复控制中最为重要的部分，其作煺是改造对象特牲， 以适应重复控制的骚求。其作用可分三个方面：将逆变器的控制对 象以z ) 中低频段静增益校j e 为1 ，傻蟊，的调整范围烟一纯；抵消对 象较高盼 黪振峰篷，使之不破蓼系绞敦稳定性；增强麓瓣透遴的赢 频衰减特性，提高稳定性和抗高频干扰能力。 超籍昂节尹( 萁中k 可稼为超蘸多长) ，z 2 的主要彳窜孺是丽来脊偿滤波 嚣墨( 三) 秘控制对蒙赝弓l 入的毖鲍攘位滞爱。这样锼褥系统在经过於偿 后，存中低频段近似为零棚移。 由予s z ) 的第一个作焉，掰以重复控截增懿鬈，可设定为小于1 的常数， ) ) ) l 2 j n q 妈 浙江大学硕士学位论文 其主要作用是确定矫正量的幅值。 3 3 重复控制系统的性能 3 3 1 稳定性分析 对于图3 2 所示的嵌入式重复控制系统而言，其误差e 可以表示为 而输入输出的关系式为： p ( z ) = r ( z ) 一 r ( 2 ) + h ，】p ( z ) 一d ( z ) ， ( 3 6 ) 攀：兰警g 掣 ( 3 一，) p ( z )1 一q z “ 整理以上两式可以得到误差与指令r ( z ) 、扰动d ( ：) 的关系为 e c z ，= i ：! ；i ；端r c z ，+ i ：；= j i i ；d c 力 心，= 爵老杀两吲z ， ( 3 8 ) 由式( 3 8 ) 的误差表达式可以将图3 2 表示成为以误差e 为输出量的重复控制 框图。 图3 3 重复控制误差传递关系 因为图中所示的控制对象j p ( z ) 是稳定的，因而( 】户( z ) ) 也是一个稳定环节。 又在前面介绍9 时，将q 值设定为常数，故环节1 一q z “也必定是稳定的。由 此可见正反馈回路的稳定与否决定了整个系统的稳定与否。而正反馈回路的稳定 要求q e z 。s ( = ) 尸的增益小于1 ，这样就能保证输出误差p 有界；换句话说，就 是当满足l q ( 互) 一e 彳s ( ：，) p ( ) l 1 ，系统就能保持稳定。 同样，从误差表达式可以得到系统的特征方程为： 浙江大学硕士学位论文 l z 一”( q k ，z s 1 ( = ) p ) = 0 ( 3 9 ) 解方程可知，该方程有n 个根，系统的稳定与否需要通过根的分布位置来进行判 定。有采样控制系统稳定性理论可知：当特征方程的所有解都位于以原点为圆心 的单位圆内时，可以判定重复控制系统是稳定的。但是当n 较大时，特征方程的 阶次较高，根的求解相当麻烦。尤其当采样频率很高，n 的值越大；例如当基波 频率为5 0 h z ，而采样频率为2 0 k h z 时，n = 4 0 0 。对于一个4 0 0 阶的方程，使用常 规方法求解相当困难，尤其在系统设计时，需要不断的进行参数调整。 有分析可得，系统稳定时的充分条件为l 暑i l ，其中五为特征方程的一个根， 由此可得i 互l ” 1 ，结合特征方程( 3 9 ) 可得： f q ( 弓) 一世，s ( 毛) p ( 互) l = i 五r 1 ( 3 1 0 ) 也就是说当满足条件l q 一卵l l 时，系统必然稳定。因此可以理解为在控制 器工作的频段内，当q ( ) 一e 彳墨( 五) _ p ( z 。) 的模小于1 时，可以充分断定重复控 制系统是稳定的。 但是对于系统稳定来说式( 3 一l o ) 只是一个充分条件，并非充要条件；因 此其逆命题：“不满足( 3 一1 0 ) 式，系统必定不稳定”就不一定成立。虽然如此， 但是只要满足了式( 3 一1 0 ) ，便有充分的把握保证系统稳定，系统稳定的条件更 加严格。 为了能更加直观的判断出重复控制系统的稳定特性，文献【1 4 】借助了图形的 表达方式，直接从几何意义的分析推导出系统的稳定条件。在图3 4 中，可以看 到复平面上所画的是i q ( z ，) 一巧s ( ：，) p ( ) i 1 中各部分以频率响应的矢量形 式。其中h = q ( _ ) 一t 彳s ( 弓) p ( z ，) ；可以得到i q 一酬 1 的几何表述为：当在 。到要的变化过程中，矢量q 才s ( z ，) p ( 暑) 的末端所经过的轨迹不能超出以矢量 q 的顶端为圆心的单位圆。 由图可知，当q 的值为常数l 时，单位圆将与虚轴相切，其圆心位于点( 1 ， 0 ) 上。由于受控对象的频率特性是固定的，不能加以改变。因此若要使得 k ，z ，。( ) j p ( ) 的轨迹始终在圆内，只有通过补偿器s 来实现。当尸精确可知时， 3 l 一一 鳖堡茎兰堡主釜堡燕苎 可以使补偿器s = p 一，遗样蟹z ：s ( t ) 户( 置) 矢量的末端始终位于点( 1 ，0 ) 上， 其幅使为l ，相角等于o ，系统的稳定性最佳。但是对于实际系统的建模，总是有 一定夔误差，麴谴羚偿器s = p 。著不能瓣骥镶露提燕送行棼确憋蛰嫠。在实嚣 的工作中发现，在中低频段时，受控模型比较精确，对于要求巧彳墨( ) p ( 五) 矢 量的末端接近点( 1 ，0 ) ，完全能设计出合邋的补偿器，从而满照 石丫 岬 q 晶 k s 。( z ) p ( z ) ， e 图3 4 稳定条件的几何意义 | 9 ( 薯) 一k ，矿s ( 弓妒( 五) | 1 的条件，使系统达到稳定。但是在中高频段对受控模 墼懿蘧模误差较大，因鼗必然导致稳霞毒 偿熬误差增大。当误差壤大到一定程度 时，矢量髟彳s ( 五) p ( 置) 豹耜位角可能会超出( 一9 0 。，9 0 。) 的范围，两此时 单位圆与虚轴相切，只要砖彳s ( z ，) p ( ) 的幅值不为o ，其轨迹必然超出单位圆， 系统不稳定。如象上文所掇及将9 的值取为小予l 的常数，这样单位圆的圆心向 发移l 一9 ，这榉擎位嗣与平孪亍予应辘著经遂意( q l ，o ) 懿囊线褪留，单链 圆中也包含了2 ，3 象限的一部分。此时当蜂寸蕊( ) p ( 弓) 的相位角超出( 9 0 。， 9 0 。) 时，只要其增益程一定范围内，系统仍自保持稳定。 3 3 蕊谴波捧裁性戆 幽图3 2 所介绍静垂复控制的系统框架中w 鼓推导出扰动和误壤的关系函 数： 鬲磐葛赢吲= ) ( 3 训) 了誊瓦琢而忙) 1 ” 当受控对象尹0 ) 稳定瓣，为了分辑方便，缝合上节9 僮游逡玻，这墨将设 濒 王丈学礞圭学位论文 定q l ，这样闭环系统要到达稳定，必定癸满足条件 f i 1 一群s ( z ) 尸( ：) i i 1 ，这飘取 2 2 ；k 是补 偿器静截壹囊遴菠，强= 2 磁= 击，由表一翔，王槲，c = 2 。妒， 代入计棼得：峨一2 2 3 6 l ，磊= 3 5 6 l 。将值代入式( 3 一1 3 ) 得到二二阶羚偿嚣 赣江大学硬士学毯论文 在s 域的函数： 墨( j ) = 2 2 3 6 1 2 7 五瓦夏溺丽五西行 ( 3 1 4 ) 将獒进行z 变换可得； 踟) = 丢篆淼， 伊嘲 从以上两式可以看出当频率超过角频率z 时，频率越大，谐波的幅度会被衰 碱的越大。 3 蓬名系统蕊真建模 擞据以上所述的控制方案和控铡参数，在m a t i a b ，s i m u l i b k 的侪赢环境下建立 相应的仿真模型，模型的结构使用图2 6 所示的拓扑，采用了单极性的s p w m 调 制。协真模型见图3 5 ，熬中直流母线电压为4 0 0 v ，经过全桥拓扑的逆变电路， 最后援一个整流性负载。 i 图3 5 单榴全桥逆变器重复控制系统的仿真模型 瀚3 6 搿示帮为谤爨波形，其孛圈a 是簸臻夔压波形，簸鹫哮| 霹蔽吾塞，莲 变器工作一个周期后开始商咆压输出波形，并缎过3 个闫期之屠与漆准波型能达 到基本蕨合，并持续下去，体现了重复控制器的效果和稳定性，似怒波形总共需 要缀过4 个周期的调整才能符合要求，也说明了熏复控制的动态响应能力差，不 浙江大学硪士学位论文 能在短时阚内别这控制要求的缺点。图b 所示为输出电瀛波形。同样弭阻看到， 电流波形缀j 窭4 个周期的调整，能得到比较理想的稳杰效果，并且从黼中可牲看 出谐波含量瞬显减少，鼹样存在璃成慢蛉靛点。 对于分布式发电系统，首先要求并网逆变器的输出并网电流波形良好，并且 囊求雠稳怒淫差，并阚对遵交嚣输出电遵对曦露豹谴波薅婆簧套。在接囊孛显然 可以看到，采用了重艇控制，弗网逆变器的输出波彤祷到了静敝的控制，在系统 稳定蠢，遵交嚣翁辘搬完全髓遮嚣共阐鲶要求。 热赴蔽i 燕是? f 4 11a 掩瓣”i f r 绺j f fl 一 燃。rfl 卜； f - 对斟蓦 i f | 翔 ：矧一j 1 瞄铲 i f “ ! v 1 9j 5 0m s 糌1 t i m e 8 曲毫压渡鼯( 辕积畦压经建4 争驾赣与参考电蕴羹台稳定在2 2 瓣) 攀莲簿攀 二j = c 二焉萧：一j 二3 b ) 电流波黪( 输趣电漆经过4 个鹅期稳定在& a 窝3 6 采用重复控制稻豹仿冀波形 霜此，将熏复控制寤籍在并秘遂变嚣系绞申，改善了分布莲发氡蒙统貔输是 电流液形，殴善了稳恋浜差， 3 5 控制网路的介缨 浙江大学硕士学位论文 3 5 1 控制回路 分布式发电系统中并网逆交器总体的控制回路如图3 7 所示：汐为赢流输入 母线惫压，取为3 8 孵，交滚铡狻逛为工频荤稳2 2 9 v ，：q 帮q 为纛流滤波毫容，互 为交流侧滤波电感；图中a l 为电流霍尔元件，v l 为电联检：i 受| | 传感器；，l 、了2 分 别为崮流侧和交流侧继电器；月为直流侧缓冲电阻。 l n 图3 7 并网逆变器的控制网路 誊滚辕入溆援够经滤波宅容q 霸g 稳压嚣波螽律为莠薅道变器静鸯线电 压。电阻r 。是当电路寤动时缓冲滤波电餐充电眉，在充电完成后，继电器班阚 合，将电阻尼短路。输出经滤波储能电感感接并入电网。整个系统由 t m s 3 2 0 l 2 4 0 7 芯片控翻，翔断每逢阏淄步静信鼍、同时对输入奄压v 1 和输出 电流a l 检测，然后给定触发控制脉冲，使，2 闭台进行并网工作。 3 5 2 控制芯片的介绍 当蔫诗算瓤和售怠技术飞速发震，戈其在鼗字信号照疆器( 蛰i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ) 出现以后，各种信号处理的算法都借助其得以实现，因此在实时控制锁 城，离涟翡数字信号楚疆器越著乏越多豹被广泛静蔽丽。 d s p 控制器具有可同时访问指令和数据空间，允许数据在程序存储器和数据存 镛器之涧进行传输的特点；它可黻在进行并行操作，可阻在一个攒令周期内实现多 重操作；可以邋过不同的片内总线访问片内r a m 、r o m 、f l a s h 等存储空间；并且还 浙江大学_ 颐士学位论文 包含硬件乘法器和离性能的运算器及累加器。 本课题中采样t i 的控制芯片t m 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ，其主要有以下特点： 采霸嵩性能的静态c m o s 技术，供魄窀压饺为3 3 v ，降低了功耗，实时控翻 能力强，指令周期短为2 5 n s 。 2 片肉骞离这3 2 餮楚f l a s 壬差纛序存绪器，l 。5 字豹数据磋鋈序r a m ，5 碡4 字双盈 r a m 和2 k 字的单口r a m ； 3 。翔舂弱个事 争管壤模块e v a 秘e v b ，镣令模块孛包括嚣令1 6 位逶臻建露器；8 个1 6 位的脉宽调制( p w m ) 通道，并且拥有可编獠的p w m 死区控制器。 4 。l o 位a 国转换爨，可选择由鼹令事 牛镑理器来瓤发数鼹令8 逶道或一个1 6 逶邀 输入刖d 转换器，其最小转换时间为5 0 0 n s 。 5 看门狗定时模块( w d t ) 。 6 1 6 位的串行外设滚弱_ 模块( s p i ) 。 7 串行通信接口( s c i ) 8 。4 0 个可孳狻编程藏复锺熬邋溺瑚瞄。 9 个控制局域网络( c a n ) 2 o b 模块。 3 6 同步锁相技术 3 石。l 莠阏豹露步要求 由于本课题基于电压型并网逆变器展开研究，因此在逆变器进行并网工作 瓣，莫锁旗标准是鸯严臻要求瓣。为了减少著网装嚣在莽躅互 睾露产生麓净击， 根据电力系统准同期并列的条件，并网逆变器在实现并网工作时应同时满足以下 3 个条牛： 1 并网逆变器输出电压和市电电压接近相等，一般压蓑应在1 0 以内： 2 并网逆变器输蹬频率接近市电频率，一般频蔗不超过o 4 h z ； 3 并嘲逆变器输出电压和市电电压阐相，通常忿相位差不宣超过1 0 。 在并网逆变器系统中，要求其逆变器输出电鹾v ，与电网电压u 同步；同时 输出电压玑又要跟踪基准正弦波，因此只要要求基准正弦波与输入电网电压u ， 阍步；便可以使得并鄹遂交爨系统的竣爨藏匿波形与呶凰电压霹步。 浙江大学硕士学位论文 本课题采用了种全数字化技术、与电网电藤同步的基准正弦电路。 3 6 。2 基准正弦波形的构成 与电网电压信号同步的基准正弦电路，由电