南师大电力电子大作业--发电变网逆变器的设计--

1、这次PPT讲解主要包括以下内容：1、并网逆变器设计的背景2、逆变器的建模与解耦分析3、逆变器的控制策略4、逆变器的参数设计与仿5、结论1、逆变器的设计背景 人类社会发展至今，资源问题、环境问题和能源问题困扰着世界的发展。由于我国资源分布不均衡，有些地方风能蕴藏量大，如内蒙古、沿海，有的地方太阳能蕴藏量大,因此将电资源丰富的地方发出的电并入电网是明智之举。然而分布型电能并入电网需要做到与电网同频同相同幅值，目前并网技术成为了新能源发电的瓶颈技术。因此，本文通过从并网逆变器的设计着手研究新能源并网技术。2、逆变器的建模与解耦分析 新能源发电输出的既有交流电也有直流电，风能发出的是交流电，对于发电机

2、输出交流电的发电类型，通常要先进行整流，再通过逆变器并网。常见的逆变器拓扑结构有双PWM逆变型、不可控整流+SPWM逆变型、不可控整流+Z源逆变拓扑结构。考虑到性价比，本文采用不可控整流+SPWM逆变型拓扑结构。 不可控整流+SPWM逆变型拓扑结构的整流桥的开关器件是二极管，逆变桥的开关器件是全控型电力电子器件。该拓扑结构的显著优点是成本低，控制简单。2.1三相电压全控型逆变器的工作原理三相电压全控型逆变器的结构图现做以下合理假设：1、电网电压是稳定的纯正弦波电压，分别设为Ea、Eb、Ec。2、电路参数是三相对称的。3、交流侧滤波电感L为线性电感，无饱和。4、主电路上的开关器件都是理想开关，没

3、有损耗。 任一时刻，三相桥的每对桥臂都只有一个开关导通，一个开关关断。通过SPWM对V1-V6六个IGBT进行合理控制就能输出与电网电压、频率、相位、相序相符合的电能，实现安全并网。本文所设计风电逆变器总体的动态控制结构框图如图：图中，Udc*是给定的中间直流电压，Udc是作为外环反馈的中间直流电压，二者之差作为PI调节器的调节信号进入PI调节器进行调控，调控的结果又作为内环d轴的给定电流id*。作为内环反馈的逆变器网侧并网交流电流信号经过坐标变换得到两相静止坐标系下的直轴分量id和交轴分量iq 。赋iq*值为0以获得单位功率因数。d轴和q轴各自的反馈量和给定量进行比较后分别进入独立的PI调节

4、器进行独立调控，PI调节器的输出结果注入反馈的电网电压以及轴互相之间的耦合量进行解耦，经过坐标变换将反馈调控的结果变换到两相旋转坐标系，然后把信号交给SPWM调控，对逆变器三相桥上开关器件进行控制，实现逆变器的控制。3、逆变器的控制策略3.1电流内环的设计 根据双闭环控制先内环后外环的原则，本文先设计电流内环，然后将电流内环视为电压外环的一部分，进行电压外环的设计。此处仅对轴电流的控制进行分析,得到iq内环控制的动态结构图如上电流内环简化结构图在CCM模式下，可将开关器件和逆变装置近似为一阶惯性环节，Kpwm则为三相桥开关器件和PWM逆变装置的放大系数，Ts是电流采用周期不计Ed扰动的影响，且

5、将PWM开关周期Ts与最小时间常数0.5Ts整合，则可化简得到如右图示的电流内环结构图。21.5(s)11.5iPpwmsicPpwmsk kR TWSsk kT由电流内环简化结构图可得电流内环典型型系统的闭环传递函数：其中，RL式中，Kip PI调节器的放大系数； R系统等效电阻； L系统等效电感。取最佳阻尼比0.707，则：1.50.5s P pwmTk kR求得PI调节器的放大系数Kip和积分系数KiI为：3iPpwm sRkkT3iIpwmsRkkT典型I型系统的动态跟随性能较好，但是其动态抗干扰性能较差，所以，在仿真过程中，上述两个公式计算得到的参数值并非合适值，只能作为调试的参考值

6、需要反复调试才能得到适宜的参数值。3.2电压外环的设计将电流内环视为电压外环的一个环节处理，则电压外环的动态结构图如图电压外环简化的动态结构图uIkuPk、分别为电压外环PI调节器的放大系数和积分系数。滞后环节1(1 TS)s代表电压采样延时。1(1 3TS)s是开关频率足够高时电流内环简化的传递函数。不计负载扰动iL的影响，则有电压外环简化的动态结构图。 电压外环控制是为了稳定逆变器直流侧电压，因此，电压外环设计更注重稳定性能，故本文按典型 型系统设计电压外环PI调节器。得开环传递函数为：2(1 TS)(s)(1 4TS)uIsucuPskWS k C取最佳中频宽54uPskhT并结合典型型

7、系统PI控制器的整定关系得：22132uIuPskhCkhT则可得电压外环PI调节器参数设置的表达式：32020uIsuPsCkTkT 同电流内环一样，在设置仿真参数时，可参考右边的公式大概计算外环PI调节器的参数值，但只能作为调试的参考值，需要反复调试才能得到适宜的参数值。4、逆变器的参数设计与仿真4.1并网逆变器的技术指标 本文设电网额定频率为50Hz，电网线电压额定值为690v。本文取，再参考逆变器单相并网的标准化指标，本文设计的直驱式风力发电并网逆变器的技术指标如下表所示：4.2PI调节器参数的计算4.2.1 电流内环PI调节器15pwmk，RL滤波器中的电阻为5，回路等效电阻为2，等

8、效电感为60mH，则可求得时间常数为：0.03LR则可求得电流内环PI调节器的参数：2.667388.893iPpw msiIpw msRkkTRkkT4.2.2 电压外环PI调节器电压外环的PI调节器的参数由直流侧电容值与PWM开关周期决定，由上文确定了电容值为2300F，求得电压外环PI调节器的参数：30.6920200.01uIsuPsCkTkT 计算得到的PI调节器的参数值只能作为调试的一个参考，适合系统的具体值要经过反复调试才可确定。 本文在逆变器的仿真调试中，确定的PI调节器参数值如表所示：4.3 并网逆变器并网仿真及结果分析并网逆变器在Simulink上搭建的仿真电路模型如图，由

9、于本文设计的重点是逆变器，仿真逆变器时忽略整流得到直流电压之前的环节。为了仿真逆变器的并网性能，逆变器的直流侧接一个1100V的直流电压源，设以iq*=0获得单位功率因数。仿真得到的仿真结果如图：00.10.20.30.40.50.60.70.80.9110991099.511001100.511010.870.880.890.90.910.920.930.940.95-400-2000200400逆变器直流侧电容电压逆变器交流侧相电压0.740.760.780.80.820.840.86-150-100-500501001500.360.370.380.390.40.410.420.430.44-5000500逆变器交流侧相电流逆变器并网电压与电流5、结论本文的研究思路是先建立数学模型后进行试验仿真，先设计主电路后设计控制电路，着重研究逆变器的并网控制，得到的结论如下：（1）本文的仿真结果验证了所设计的并网逆变器的数学模型是可行的，说明本文搭建的仿真模型在正确的