（电力电子与电力传动专业论文）并网独立双模式逆变电源控制技术研究.pdf

燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t n 硷c o n t r o lt e c h n o l o g yo fg r i d - c o n n e c t e di n v e r t e r , a st h ek e yt e c h n o l o g yi n r e n e w a b l ee n e r g yg e n e r a t i o ns y s t e m , h a v ea t t r a c t e dl n o r ea n dm o r ea t t e r a i o n s 砖 p w mi n v e r t e rw h i c hh a sg 丽一c o n n e c t e d s t a n d - a l o n ef u n c t i o nc a l lr e a i i z ei n t e r a c t i v e u t i l i t y w i t h 鲫；m a i n t a i n ac o n t i n u o u s , u n i n t e r r u 帆f l e x i b l e a c p o w e r s u p p l y n l cc h a r a c t e r i s t i c so f g r i d - c o n n e c t e di n v e r t e r , a n dc l a s s i cc o n t r o lm e t h o d sw 骶 r e s e a r c h e da n dc o m p a r e di nt h i s p a p e r a c c o r d i n gt 0 t h eb i - l e v e lh y s t e r e s i s t e c h n o l o g ya n dd o u b l e - f r e q u e n c yp w mt e c h n o l o g y , an o v e lt r i - l e v e lh y s t e r e s i s t c c b n o b g yw i t hd o u b l e - f r e q u e r 珂f u n c t i o nw 般d e s i g n e d b a s e do nt h ea n a l y s i so f o p e r a t i o np r i n c i p l eo ft r i - l e v e lh y s t e r e s i st e c h n o l o g ya n dt h ec o m p a r i s o nb d ：、) l i e e n b i - l e v e la n dt r i - l e v e lh y s t e r e s i si nd i f f e r e n ta s p e c t s , t h er e l a t i o nb e t w e e nf r e q u e n c y a n dh y s t e r e s i sb a n dw 船i n d u c e d t h ec o r r e s p o n d i n gp s p i c es i m u l a t i o n r n o d e la n d1 k v ap r o t o t y p ew e r ed e s i g n e d ；r e l a t e ds i m u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t sw e r ed o n e t h e r e s u l t si l l u s t r a t e dt h a tt h eg r i d - c o n n e c t e di n v e r t e rw i t ht r i - l e v e ld o u b l e - f r e q u e n c y h y s t e r e s i sc o m r o l l e rh a dt h ea d v a n t a g e so ff a s t e rd y n a m i c a lr e s p o n s i b i l i t y , l o w e r c u r r e n tr 咖l c a n d h i g h e re f f i c i e n c y t l m a t h a t w i t h b i - l e v e l h y s t e r e s i s c o n l r o l l e r t h ee s s e n t i a lc o n d i t i o na n dr u l e so fm m s i t i o nb c t w e ng n d - c o n r 蝌e da n d s t a n d - a l o n ew e r ea m i y z e d ；ac 0 圩e 驴她t r a n s i t i o ns t r a t e g yw a s & s i g n e d s ot h e i n v e r t e rc a no n l yb eo p e r a t e di ng r i d - c o n n e c t e dm o d eo rs t a u d - a l o n cm o d e , b u ta l s o i r a n s i t i o ns e a m l e s s l yb e t w e e nt w om o d e s s ot h ei n v e r t e r - g r i di n t e r a c t i v es y s t e mc a n b e u t i u z e d , t h e r e l i a b d i t y o f p o w e rs u p p l y w a ss t r e n g a z n e d f i n a l l y , t h es i n n f l a t i o na n de x p e r 矗 n e mr e s u l t sw e 他a m a y z e dm d e 屯a i la n d s e v e r a la s s u m p t i o n sa n ds e h l 舶l l e sw 啪g i v e 虹i n t h i sp a p e r k e yw o r d si n v e r t e r s ；h y s t e r e s i sc o n t r o l ；g r i d - c o r a l e c tm o d e ；s t a n d - r l o n em o d e ； s e a m l e s st l a 蒯o n 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文并网独立双模式逆变电 源控制技术研究，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间独 立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注翡部分岁 不包 含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个 人和集体，均己在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人 承担。 作者签字矛务龙 日期： 纠g 年牛月矽日 燕山大学硕士学位论文使用授权书 并网触立双模式逆变电源控制技术研究系本人在燕山大学攻读硕 士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕山 大学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人员。本 人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授 权燕山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论 文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密留。 日期：叫6 年尹月如日 日期：o l 一年月上泪 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 可再生能源发电系统概述 1 1 1 可再生能源 能源紧缺，环境恶化是日趋严重的全球性问题。近百年来，全球能源 消耗基本趋于稳定增长态势，呈3 指数增加。尽管许多工业化国家能源 消耗基本趋于稳定，但大多数发展中国家工业化进程加快( 如中国) ，能耗 不断增加。目前，世界人口数量呈指数增加，因此预计全球未来能源消耗 态势仍将以3 的速度增长。能耗指数增长所带来的后果十分严重，它愈 来愈快地消耗掉地球上的能源储量。计算结果表明【l ，2 】，就现已探明的储 量，耗尽时间从现在开始为9 0 年。同时，燃烧这些不可再生能源将产生 环境污染。燃烧煤、石油和天然气会排放出大量的废气而导致温室效应造 成全球气候改变，同时也给当地空气造成了严重污染。 可再生能源是2 1 世纪能源发展的方向，包括风力发电、太阳能发 电、太阳能热利用、地热能以及包括燃料电池在内的一系列制氢和氢能利 用技术f 3 ，4 1 ，开发可再生能源有利于改善环境质量，减少气候变暖的危 险。 绿色，可再生是上述可再生能源的最大特点，除此之外，这些可再生 能源还具备以下特点： ( 1 ) 分布广泛，可就地取材，无需电能传输； f 2 ) 适应力强，发展潜力大。这些既可以组成大型的集中控制发电的 发电站，又可以小规模为小范围供电。其中它们作为分布式能源具有很大 发展潜力； ( 3 ) 输出功率受环境因素影响较大，若要输出稳定的功率一般需要储 能系统。输出电压均较低，而且一般为直流，无法直接供给交流负载。 中国新能源与可再生能源，经过建国5 0 多年，特别是最近3 0 多年来 的发展，在技术水平、应用规模和产业建设上，均取得了长足进展，在国 燕山大学工学硕士学位论文 民经济建设中发挥了重要作用。从优化能源结构、保护生态环境、实施经 济社会可持续发展战略的高度展望未来，中国新能源与可再生能源的发展 前景是美好的，在2 1 世纪前2 0 年将有大的发展，到2 1 世纪中叶将有可 能逐步发展成为重要的替代能源。 1 1 2 可再生能源发电并网系统 近年来，对新型可再生能源分布式发电技术的研究进展迅速。可再生 能源发电技术可用性的快速提高和其成本的降低，使得其在电力系统中所 占的比重呈现逐步增长的趋势。目前正在开发的可再生能源分布式发电具 有减轻对环境污染降低终端用户费用、改善电能质量、提高供电可靠性等 作用，具有高效性和灵活性的特点，能满足能源可持续发展的要求【5 ，6 】。 图1 1 为使用风能、太阳能与燃料电池的分布式能源图。 图1 - 1 分布式能源系统 f i g 1 - 1d i s t r i b u t eg e n e r a t i o ns y s t e m 由上述特点可见，这些可再生能源比较适合构成分布式能源系统【7 】。 太阳能电池板、风力发电机和燃料电池堆一起接入同一个直流母线，而逆 变器则负责将直流变为交流后给负载供电，也可向正常工作时的电网提供 能量以供给远程负载使用，这样就实现了分布式发电与电网的交互使用， 2 第1 章绪论 当用电高峰，电价格较高时，可以通过分布式发电降低峰值时期的用电来 节省成本；当电力系统出现问题时可以作为后备来供电，直到电网恢复供 电为止，增加了电力系统的灵活性和可靠性【8 1 。 太阳能，燃料电池等可再生能源的输出均为一个电压较小、变化较大 的直流电压，无法直接给普通交流负载提供一个稳定的电压，或者是无法 稳定地供给电网能量。因此，需要使用电力电子技术将这些直流输出进行 逆变以获得所需要的电压或者电流。并网逆变器作为可再生能源发电系统 与电网的接口在分布式发电系统中发挥着重要作用。 1 2 并网逆变器拓扑 从目前的发展来看，并网逆变器依照级数可以划分为单级式逆变器和 多级式逆变器，而这些单双级逆变器又可以分为隔离型和非隔离型。从逆 变器的功能来看，又可将其分为独立工作型逆变器、并网逆变器和混合型 逆变器 9 一l l 】。 1 2 1 单级式逆变器 如图1 2 所示的为一种单级式双b o o s t 逆变器，该逆变器由两个共输 入的b o o s t 电路构成，其中一路b o o s t 输出带偏置的正弦波，另外一路则 与第一路相差1 8 0 。相角的方式输出，每一路的输出电压均大于输入电 压，从而在接两个b o o s t 输出端的负载上获得一个正弦波。 图1 2 单级式双b o o s t 逆变器 f i g 1 - 2s i n g l es t a g ed o u b l eb o o s ti n v e r t e r 燕山大学工学硕士学位论文 图1 3 所示的双b u c k b o o s t 逆变器工作原理，和上述的双b o o s t 逆变 器类似，均为两个反向的带偏置的正弦波输出而在负载端获得一个正弦 波。与双b o o s t 不同的是，双b u c k b o o s t 的每一路输出电压可以高于或 者低于输出电压，而双b o o s t 逆变器每一路输出只能高于输出电压，这是 由本身的电路特性所决定的。 s 1 _ j s 2 - j 图1 - 3 双b u c k - b o o s t 逆变器 f i g ，1 - 3d o u b l eb u c k - b o o s ti n v e r t e r 反激变换器为隔离的b u c k b o o s t 变换器，双b u c k - b o o s t 逆变器也可 以演变成双反激逆变器，如图1 - 4 所示： 图1 - 4 双反激逆变器 f i g 1 - 4d o u b l ef l y - b a c ki n v e r t e r 单级式逆变器结构简单，成本较低，但是单级式非隔离型升压的程度 有限。其升压是靠电感的储能实现的，因此传输功率有限，仅适用于较小 功率场合。而对于并网逆变器来说，一般都需要传递比较大的能量，对于 以上几种拓扑，目前只用作独立工作模式，而未用于并网运行。 4 第1 章绪论 1 2 2 多级式逆变器 多级式逆变器一般是在前级加了一个d c d c 变换器，这样使前后级 既可以独立工作也可以相互协调工作。如图1 5 所示的两级式b o o s t 逆变 器由一个b o o s td c d c 变换器和一个电压源型全桥逆变器所组成，实现 的方式为d c d c a c 。前后可以分别独立控制，控制比较容易。 v 图1 - 5 双级式非隔离逆变器 f i g 1 - 5d o u b l ef l y - b a c ki n v e r t e r 为了增加可靠性和安全性，通常并网逆变器都需要将直流侧电源与皂 网隔离开，一种方法是可以在输出侧加隔离变压器，这种隔离变压器一般 是工频变压器，体积和重量较大，另一种方法是将非隔离的d c d c 变换 器改为隔离的d c d c 变换器即可获得隔离型多级逆变器，如图1 - 6 所 示，该拓扑前级使用了一个全桥d c d c 变换器实现了输入输出的隔离， 该逆变器的实现方式为d c a c d c a c 。 v s lz 葺拍 ：2 图1 - 6 多级式隔离型逆变器 f i g 1 - 6m u l t i s l a g ei n s u l a t e di n v e r t e r 燕山大学工学硕士学位论文 除上述的逆变器拓扑之外，图1 7 所示逆变器也是经常使用在分布式 能源变换系统中的一种拓扑。该变换器后级为接有大电感滤波，组成了电 流源型逆变器，所以它的控制方法与上面两种不同，前级开关管高频斩波 使在电感上的电流为半正弦，而后级以低频方式作开关动作，将电感电流 调理成为正弦输出。该逆变器只能作为并网逆变器使用，而前两种多级逆 变器既可独立运行，又可并网运行。 v s i _ l 二转 i2 图1 7 多级式隔离型逆变器 f i g 1 - 7m u l t i - s t a g ei n s u l a t e di n v e r t e r 1 3 逆变器并网电流控制方法 逆变器的并网输出控制分为电压控制和电流控制【1 2 】。市电系统可视 为容量无穷大的定值交流电压源，若并网逆变器采用电压控制就相当于两 个电压源的并联运行系统，容易出现环流问题。若并网逆变器采用电流控 制，则只需控制逆变器的输出电流跟踪市电电压，即可达到并联运行目 的，其控制方法相对简单，使用广泛。因此并网逆变器一般都采用电压源 输入，电流源输出的控制方式。 就正弦波逆变器并网的控制方法来说，目前无论国内还是国外普遍采 用纯正弦波并网送电技术【1 3 】。通过d c a c 电压型逆变器实现电流控制， 将电流控制成与电网同频，同相的正弦波再送入电网，实现单位功率因数 送电。以正弦波电流的方式并网送电不会对电网产生谐波干扰和过多的无 功分量。 总的来说逆变器并网电流大多采用以下几种控制方法：跟踪实时电流 的三角波比较方式【1 4 小j ，定时控制的电流瞬时值比较方式叽”】，滞环控 6 第1 章绪论 制电流瞬时值比较方式 1 9 , 2 0 。 1 3 1 实时跟踪电流的三角波比较方式 控制方式原理图如图l 一8 所示。指令电流与并网电流的实时值进行比 较，两者的误差经过放大器后与三角波进行比较，以输出p w m 信号，放 大器多采用比例或比例积分放大器。 t 广一一 p w m 信号 i 一 。j 三角波严守6 v 气一 比较器 图1 - 8 跟踪实时电流的三角波比较方式 f i g 1 - 8r e a l - t i m ec u r r e n tt r a c k i n gc o n t r o lb a s e dt r i a n g l ew a v ec o m p a r i s o n 典型代表为平均值电流控制方式。平均值电流型控制技术，将高增 益的积分电流误差放大器引入电流环，提高了电流环的增益，如图i - 9 所 示。它是将电感电流检测电阻上的电压作为电流内环的反馈信号与电压外 环的输出信号( 电流给定) 比较，经电流误差放大器放大后，并在p w m 比 较器的输入端与振荡器产生的幅值较大的锯齿波进行比较，去控制功率开 关的占空比。 l ， 图1 - 9 平均值电流型控制器原理图 f i g 1 - 9s c h e m a t i cd i a g r a mo f a v e r a g ec u r r e n tc o n t r o l l e r 7 燕山大学工学硕士学位论文 1 3 2 定时控制的电流瞬时值比较方式 该控制方式原理图如图1 1 0 所示，它使用由时钟定时控制的比较器 代替滞环比较器。每个时钟周期对f 判断一次，使得p w m 信号至少一 个时钟周期才会变化一次。 比较器 图i - 1 0 定对控制的电流瞬时值比较控制方式原理图 f i g i - l os c h e m a t i cd i a g r a mo f t i m ec o n t r o lb a s e di n s t a n t a n e o u s c u r r e n tc o m p a r i s o nc o n t r o l 该控制方案主要包括恒定截止时间峰值电流控制技术、恒定导通时 间谷值电流控制技术、恒定开通时刻峰值电流控制技术和恒定关断时刻谷 值电流控制技术四种。 】3 3 滞环控制电流瞬时值比较方式 图i - 1 l 所示为采用滞环比较器的瞬时值比较方式原理图。 滞环比较器 f ， 厂t p w m 信号 lj 一 图1 - 1 i 采用滞环比较器的电流瞬时值比较控制原理图 f i g 1 11s c h e m a t i cd i a g r a mo f h y s t e r e s i sc o n t r o l l e rb a s e di n s t a n t a n e o u s c u r r e n tc o m p a r i s o nc o n t r o l 8 第1 章绪论 电流滞环控制可以认为是峰谷值电流型控制技术的特殊情况，是最 简单，用途最广泛的一种控制技术，其控制原理如图1 1 2 所示。电感电流 或功率开关电流的反馈信号i f - - 与电压误差放大器输出的电流给定信号。经 迟滞比较器比较，当误差电流a i = o f “；。在足够高的开关频率下，根据电 感特性 舻三罢( 2 - 1 ) 在足够高的开关频率下，可得到 f ：坐( 2 - 2 ) i 在时间内，开关管s t 和s 4 导通，电感两端电压为 一= 一 0 ，电感电流i l 增大，变化量t = t t ，则 = 磊i l l ( 2 - 3 ) 在如时间内，开关管s 2 和s 3 导通，电感两端电压为 “。一“。= 一玑一 0 时，控制极脉冲分布如 图2 - 6 ( c ) 所示，由图可见，。和。都是脉冲列，但在相位上与“。：和并 不同相，这又与双极性电路不同，由图可见，。与“。，“聍与铂在相位 上互补。 图2 - 6 ( c ) 所示控制电压 o 时的脉冲时序。由图可见，1 和脉宽 由合成信号和蜘的过零点决定，其中是等幅三角载波，其重复周期丁 就是功率器件的开关周期，其幅值u 0 为恒定值；u s 为直流控制信号，图 i 6 $ 回 鼬 p 仁 p p 第2 章三态滞环电流控制技术 中有虬= u ，其极性决定电流的流向，其幅制决定电流的大小。同理，“ 和；的脉宽则由线信号一u s 的过零点决定。 实现上述电压合成电路如图2 6 ( b ) 所示，图中a i 为加法器，a 2 为减法 器，其输出电压“。和分别控制。( u 9 4 ) 和：( ) 。 ( a ) 逆变器结构( b ) 控制电路 黼，、。八八人以o z u ，一 u， 、：l ：一 vvy t yy k八八u , l 八 一 ，、：c 一 j 、vl o 王u r 一 vv |y i 1 r r 一 nn 一一 l ju ；i jl _ _ _ jl _ _ jl 1 nn-。1r 1r 1 广_ 一 广1n 广1 ： 1 广1 广一 1r 1r _ 1 卜- ： l j ht 广1几 u l j l i 厂 nr 几r “x x x x x 。 uuuuu _ 工瓦 r 幽i ! - 八八1 9 n 马， ：譬! l 】1 44j 4 1 1 4 ：41 4 】 ；2 3 ；2 2 3 3 2- 32 3 ( c ) 输出电压正半周( d ) 输出电压负半周 图2 - 6 倍频式单极性p w m 全桥电路 f i g 2 - 6p w mf u l l - b r i d g eo f s i n g l e - s t a g eo f d o u b l e - f r e q u e n c y 2 1 3 2 工作过程分析根据的极性可将电路的工作过程分为三个阶段： 1 7 燕山大学工学硕士学位论文 ( 1 ) u s 0 时的情况：控制极脉冲序列如图2 - 6 ( c ) 所示，电路具有两种 工作模式：第一种模式是墨和瓯导通( ， 0 ，。，o ) ，u o = ，负载电流 线形上升，i o o ，负载从电源吸收能量；第二种模式是s 、d 3 ( 或岛、d 2 ) 导通，2 0 = 0 ，负载电感释放能量，负载电流下降。在这种模式，输出瞬时 功率为零，由开关时序可见，功率器件互在一个开关周期中，输出电压已 经经历了两个工作循环，也即矗= 2 f 。 由图可见，输出电压平均值为 = d 式中d = 1 一岛，而d 。磊是“d 和u g ，幅值为正的脉宽。 ( 2 ) = 0 的情况：d o = l ，d = 0 ，墨和日没有同时导通的机会( 和是 也没有机会) 。因此，输出电压u o = 0 。 ( 3 ) 致c o 的情况：控制极脉冲时序如图2 - 6 ( d ) 所示，电路也具有两种 工作模式：第一种工作模式是岛和岛导通，u o = 一，负向增长；第二 种模式是马、d l ( 或、d 4 ) 导通，u o = o ，负载电感释放能量，负载电流 下降。输出电压平均值为v o = 一d 。 2 2 三态滞环电流控制技术 2 2 1电路工作模态分析 本文设计的三态滞环电流控制是在两态滞环控制的基础上结合倍频式 p w m 特性得到的。 在图2 - 7 所示的并网电路中，逆变器的输入直流电压为，输出通过 滤波电感与电网相接，电网电压为缸。，被控量为矗，实际工作中，输出电 流的相位可能超前于电网电压，也可能滞后于电网电压。忽略电感电流的 脉动，设电网电压为= s i n o d t ，电感电流为t = k s i n ( m r 一日) ，电流滞后 于电网电压的相位为d ，波形如图2 8 所示。 在一个工频周期有a 、b 、c 、d 四个模态。在电网电压的正半周期内 有两个工作模式a 、b 。模态a 中，电网电压与电感电流反向，此时主要 是逆变器向直流输入端回馈能量；模态b 中，电网电压与电感电流同向， 第2 章三态滞环电流控制技术 此时主要是直流输入端通过逆变器向电网输入能量。在电网电压的负半周 期也有两个工作模式c 、d 。模态c 中，电网电压与电感电流同向，此时 主要是直流输入端通过逆变器向电网输入能量；模态d 中，电网电压与电 感电流反向，此时主要是逆变器向直流输入端回馈能量。 图2 - 7 单相逆变器并刚主电路 f i g 2 - 7m a i nc i r c u i to fg r i d c o n n e c t e ds i n g l e p h a s ei n v e r t e r 7 g ，瓜 。 心 ? 攀 0 罴 x 2 2 卅口 厶 7 、 ， 。a = 。 = = b _c 。 ，- d - 图2 8 输出电压和电感电流波形 f i g 2 - 8w a v e f o r mo f o u t p u tv o l t a g ea n di n d u c t o rc u r r e n t 在电网的正半周期( o c o t 丌) ，模态a 和b 的工作情况为： 当i l k 时，s 卜s 4 导通，输入端电压为u d 一“。直流侧电压，电感电 流正向增长，电路拓扑如图2 - 9 ( a ) 所示。则 【k = u d( 2 9 ) 三睾= 飞 ( 2 1 0 ) 硪 “ 8 、 当k 0 ，电感电流屯增大。 2 瓦h l ( 2 - 1 7 ) 在f 2 时间内，开关管s i 、s 3 或s 2 、s 4 导通，电感两端电压为 “一u g = 0 一“。= 一“g ，电感电流t 减小。 乞：堡( 2 - 1 8 ) 1 9 电感电流脉动一次周期为 i t 。t + 2 i 云；竺： i c z - ， 开关管开关频率为 r 一1 f 坠二生( 2 - 2 0 ) 。t 2 h l u 。 每半个正弦周期开关次数总和为 第2 苹三态滞环电流控制技术 肚严挚2 h l= 墼4 h l ：u 。u 。 、 当电网电压为直流侧电压的一半时，得到最大开关频率为 五“2 面t a d ( 2 - 2 2 ) 比较式( 2 - 7 ) 、( 2 - 8 ) 和( 2 - 2 1 ) 、( 2 - 2 2 ) ，可以得出以下结论：在相同电流 环宽的情况下，三态滞环总开关频率和最高开关频率约为两态滞环控制开 关频率的l ，4 ，电路的开关损耗会明显降低瞰1 。 2 3 仿真分析 本文对两态滞环调制和三态滞环调制的并网控制系统进行了p s p i c e 仿真。仿真参数如下：直流侧电压3 5 0 v ，交流侧电压峰值3 1 lv ，频率 5 0h z ，电感为5m h ，额定输出电流峰值为1 0a ，电流环宽为0 7a 。图 2 - 1 2 0 的( a ) 和( b ) 分别是两态滞环和三态滞环调制的电感电流波形，参考电 流与输出电流无静差。图( c ) 和图( d ) 是对两种电流波形进行快速傅立叶变换 得到的频谱，经比较得出三态滞环控制的频率变化范围较小，电感电流脉 动最高频率约为两态滞环控制的1 2 。因为三态滞环中开关频率是电感电 流脉动频率的1 2 ，所以三态控制的开关频率为两态控制的1 1 4 。图( e ) 、( d 、 ( g ) 分别是不同时刻两种控制方法开关管驱动及电感电流波形，其中为三 态滞环控制的电感电流，f 为两态滞环控制的电感电流，在电流脉动环宽 相等的情况下，在任何时刻三态滞环控制都比两态控制的开关频率低。 i a 8 4 0 _ 4 - 8 1 2 “a 8 4 o - 4 - 8 - 】2 ( a ) 两态滞环控制电流波形( ”三态滞环控制电流波形 燕山大学工学硕士学位论文 i m a 3 0 2 0 1 0 0 “山山 h 佣h h r1r 伸w _ i m a 3 0 2 0 1 0 0 i j i il i i i。灿4 01 02 03 04 0f k h z0 1 02 03 04 0 f k h z ( c ) 两态滞环控制电流频谱 ( d ) 三态滞环控制电流频谱 n k 1 2 1 1 1 0 9 8 7 f ； k，。 j - r 、一 a 2 1 0 1 - 2 3 3 4 9 3 5 13 5 3 ( e ) 峰值处 3 2 03 2 23 2 43 2 6 3 2 8 ( o 中间值处 2 9 0 2 9 42 9 83 0 2 3 0 6 ( 曲过零点处 图2 1 2 两态滞环和三态滞环控制波形比较 f i g 2 - 1 2 c o m p eo f w a v e f o r m b e t w e e n b i l e v e la n d t r i - l e v e l h y s t e r e s i s 第2 章三态滞环电流控制技术 2 4 本章小结 本章首先研究了滞环控制的技术基础，分析了两态滞环调制和倍频调 制技术的原理，在此基础上，设计了一种具有倍频功能的三态滞环调制技 术，并分析了采用三态滞环控制器的并网逆变器的工作过程。理论分析和 仿真结果表明在在输出电流环宽相等的情况下，三态调制可在相对低的开 关频率下获得较快的动态响应，且具有电流脉动小、效率高等优点。 燕山大学工学硕士学位论文 第3 章双模式逆变器系统分析 目前的逆变器基本上是单一用途的：或作并网运行，或作独立工作 运行。独立工作运行的逆变器则是无法高效地利用设备，当负载较小的时 候则不能将多余的电能供给其他远程负载使用。交换器的高效率、高功率 密度、高可靠性和低成本仍然是现代电源变换器的要求与目标，同时，还 要求提高可再生能源利用率。其中高可靠性与提高可再生能源利用率可以 通过独立工作并网双模式运行来实现：当电网正常时逆变器并网运行， 逆变器可以将多余的电能送入电网从而实现较高的电能与设备利用率。而 在电网不正常时可以自行从电网断开，逆变器以独立模式工作，为负载提 供可靠的电能，该功能类似于u p s 的功能，能够保障本地负载的可靠运 行。 3 1双模式逆变器系统主电路的构成 并网逆变器主电路如图3 - 1 所示，它是由三相整流器，全桥逆变器， 静态开关，隔离变压器组成。采用3 8 0v 三相交流电压整流得到的直流侧 电压代替可再生能源发电系统输出的直流电压。负载在共同连接点与逆变 器相连接。为了能够控制逆变器同电网分离，用双向可控硅开关作为静态 开关( s t s ) 。一旦发生事故，三端可控硅能保证电网在半个工频周期内被 断开。隔离变压器是为了保证安全性的需要，使逆变器与电网隔离。 _ 一 。 。 出粤c s 例 i s 一 i l l 8 1 j 审8 3 j 甲 户u _ _ 一 _ - 一一 c l = l c 2 = 2 州管 卜 i2【2l以。af 1 。甲“。甲 一 并网逆变器主电路 f i g 3 - 1m a i nc i r c u i to f 鲥d c o n n e c t e di n v e r t e r 2 6 电网 第3 章双模式逆变器系统分析 当p w m 逆变器工作与电网连接时，它工作在电流控制模式，需要调 节输入到p c c 点的电流。电网被看作一个相对稳定的系统来保持通过负 载的电压。在独立运行模式，p w m 逆变器工作在电压控制模式。逆变器 输出到负载的电压受到控制。因此，逆变器必须具备在电流控制和电压控 制模式之间转移的功能，以用来当电网有问题的时候维持负载的电压。 3 2 逆变器并网运行模式分析 3 2 1 滤波器的选择 电压型逆变器都是通过滤波器与电网连接的。一般滤波器的种类有 l 、l c 与l c l 三种，其形式如图3 2 所示。 l ll 】k o _ j 1 y 、_ _ o o _ j y y 、_ t _ oo _ j 1 y 、_ y y k c 丰。士 图3 - 2l 、l c 与l c l 滤波器 f i g 3 - 2l ，l ca n dl c lf i l t e r l 、l c 与l c l 滤波器特点不一样，应用场合也不一样。 单l 滤波器为一阶滤波器，滤波效果较差。但是由于l 滤波器简 单，并网逆变器中常用单l 滤波器【3 6 1 。而在逆变器独立工作时，由于滤 波效果差而很少用到。 l c 滤波器为二阶滤波器，滤波效果较好，独立工作运行的逆变器大 部分使用l c 滤波器，电容能够在空载时提供一定的无功电流，对电压电 流双环控制在空载时的稳定工作有利。 在并网逆变器中也可使用l c 滤波器，经过电容后的输出电流作为了 并网电流。但是如果控制量是电感电流，由于电容的存在，那么输出的并 网电流将与电感电流的基波有一定的相位差，该相位差与电网电压及输出 电流相关。图3 3 表示的是并网工作时电压和电流的矢量的关系，电感电 流与电网电压之间存在相位差矿。 u t c ，= 钍g c n 缸1 ( 销 i l = 压面 ( 3 1 ) ( 3 - 2 ) ( 3 3 ) 闻3 4 输出电流与电网电压的相位关系 吼轰3 器- 4 也p h 穆a s e 三r e 阶l a t i 滤o n 删b e t w e e n o u 一，t p u 滤tc 凝u r 骰r e n t a n d g r i dv o l t a 她g e 变器中常 系 矩姆 蒜荆 = 酏 并= 圭电 器争和 滤曲流 k 哪妣 粥眦输 圈”o 培腻 第3 章双模式逆变器系统分析 用。但当这种l c l 滤波器应用于逆变器独立运行的情况时，就会出现问 题：对于图3 - 2 中的l c l 滤波器，如果负载接在电容端a 点，那么在并 网时负载电压与电网电压有差，当电网电压较高时，有可能负载电压会过 高而不能正常的工作。如果负载接在电感端b 点，则在独立运行时要求更 高直流母线电压，使整机效率变差。所以这种滤波器不适于双模式的并网 逆变器 4 0 a i j 。 本文设计的并网逆变器是双模式逆变器，要求逆变器即能在并网情况 下运行又能工作在并网情况下，根据以上对三种滤波器的比较分析，采用 l c 滤波器。 3 2 2 并网模型分析 在很多逆变器并网的实例 4 2 , 4 3 1 ，逆变器的被控制目标是输出电压， 逆变器被看作为一个电压源。并网的逆变器相当于一个同步发电机，通过 控制输出电压的相位和幅值来调节输入到电网的有功功率和无功功率。电 压控制逆变器并网模型如图3 5 所示。 图3 - 5电压控制逆变器并网模型 f i g 3 - 5m o d e lo f g r i dc o n n e c t e ds y s t e mw i t hi n v e r t e ru n d e rv o l t a g ec o n t r o l 图3 5 中，u o 表示电压控制逆变器输出侧电压，z 为逆变器所带负 载，i o 为逆变器输出电流，f z 为负载电流，为注入电网的电流。逆变器 并网工作时，电流i o 为负载所需电流和注入到电网的电流之和，即 i o = i z + f 。“。为逆变器输出电压，“。为电网电压。z 。为电网的阻抗，在 弱电网系统中，电网阻抗比较大，在大电网系统中，电网的阻抗很小，可 近似为零。如果忽略电网阻抗，把负载与电网看作一体，则可以得到并网 系统的简化模型如图3 - 6 所示。 燕山大学工学硕士学位论文 图3 - 6 电压控制逆变器并网系统简化模型 f i g 3 - 6s i m p l em o d e lo fg r i dc o n n e c t e ds y s t e mw i t hi n v e r t e ru n d e rv o l t a g ec o n t r o l 在这种控制模式下，逆变器的输出侧的电压是理想的标准正弦波，并 网系统相当于两个电压源并联，于是输出电流质量取决于电网电压的质 量，输入到电网的电流质量很容易受到电网电压的质量的影响，电流容易 发生畸变。如果电网电压是畸变的或者在逆变器和电网之间存在电压差， 输出的电流也就产生了畸变。逆变器和电网之间是通过一个较低的阻抗连 接，逆变器与电网的电压不平衡使得输出电流发生较大的畸变，所以并网 系统不宜采用电压控制。 并网系统的另外一种控制方法是电流控制方法。当逆变器并网运行 时，电网被看作是一个容量无穷大的电压源，逆变器工作在电流控制方式 下，输出电压由负载的情况决定，逆变器等效为一理想电流源i o 。并网 系统模型如图3 7 所示。 图3 7 电流控制逆变器并网模型 f i g 3 - 7m o d e lo f g r i dc o n n e c t e ds y s t e mw i t l li n v e r t e ru n d e rc u r r e n tc o n t r o l 同电压控制逆变器的简化模型相似，在大电网系统中，电网的阻抗很 小，可近似为零，同时把负载看作为电网负载，则把负载与电网成为 第3 章双模式逆变器系统分析 体。电流控制逆变器并网模型也可以简化，简化模型如图3 8 所示。工作 在电流控制模式下并网运行的逆变器系统就相当于一个电流源和一个电压 源串联，电流由逆变器决定，电压由电网决定。 图3 - 8电流控制并网简化模型 f i g 3 - 8s i m p l em o d e lo f g r i dc o n n e c t e ds y s t e mw i t hi n v e r t e ru n d e rc u r r e n tc o n t r o l 采用这种电流源控制模式，对电网来说，并网逆变器呈现出高阻抗特 性。电网电压的扰动对输出电流的影响较小，从而改善了输出电源的质 量。 在本文中，认为逆变器输出电流屯为逆变器并网时输出电流，此时负 载z 认为是电网上的一个负载，它和电网上的其它负载地位是一样的，而 在独立运行时把z 当作本地负载。逆变器的输出电压即为电网电压。为了 能够持续不断地向电网提供电能，输出电流必须与电网电压同频率，否则 由于频率不同会导致的相位不断变换，使逆变器不能向电网提供一个稳定 的功率。在电网电压频率与输出电流频率同频率的情况下。逆变器输出有 功功率与无功功率为 p = l u g 。厶| c o s ( l 一么厶) ( 3 - 4 ) q = i o , 厶i , m ( l o , - - i o ) ( 3 - 5 ) 为了能达到高效的功率输入输出，希望逆变器输出的功率尽量增加有 功功率即要求输出功率因数接近1 ，要求q “0 ，即 么哝一么乇* k n ( 3 - 6 ) 所以在并网系统中，要求逆变器输出电流与电网电压同频同相，这样 才能是直流侧电能以最大功率输送到电网。 燕山大学工学硕士学位论文 3 2 3 并网电流滞环控制分析 将电流滞环控制应用于并网逆变器电路中，可以控制输出电流跟踪电 网电压，使输出电流与电网电压同频同相，实现高功率因数并网，同时也 提高了系统的动态性能。 电流滞环控制的原理图如图3 - 9 所示，电流环为电感电流瞬时值反馈 的电流环，滞环调节器作为控制器，以电感电流为控制对象；t 为电流基 准，1 k 为电流反馈系数，6 为滞环环宽，f ，分别为滤波电感三的反馈电 流，g 。为滤波电容c 厂与负载并联的传递函数。其控制原理为：为给定 电流，f ，为电感反馈电流，两电流误差通过滞环比较器产生p w m 波，控 制开关管动作，从而实现了滞环控制的电流工作模式。 图3 - 9 电流滞环控制并网系统原理框图 f i g 3 - 9s c h e m a t i cd i a g r a mo f g r i dc o n n e c t e ds y s t e mw i t hh y s t e r e s i sc o n t r o l 当调制频率远高于输出滤波器带宽时，可将电流环等效为个放大系 数为k 的比例环节【“4 卯，则可将图3 - 9 线性化为如图3 1 0 所示的并网系 统。显然，线性化后电流环降阶，消除了滤波电感给系统带来的影响，使 单电流滞环控制系统成为一个稳定