本科毕业设计容性逆变器及并联微源逆变器功率精确分配方案设计

1、目录 TOC o 1-1 h z u t 标题 2,2,标题 3,3 HYPERLINK l _Toc3903813471 绪论1 HYPERLINK l _Toc3903813481.1课题研究背景及意义1 HYPERLINK l _Toc3903813491.1.1新能源发电的背景和意义1 HYPERLINK l _Toc3903813501.1.2逆变器并联技术的背景与意义2 HYPERLINK l _Toc3903813511.2 国内外研究现状3 HYPERLINK l _Toc3903813521.3论文构成及研究内容4 HYPERLINK l _Toc3903813532 微电网

2、技术 PAGEREF _Toc390381353 h 5 HYPERLINK l _Toc3903813542.1 分布式发电介绍 PAGEREF _Toc390381354 h 5 HYPERLINK l _Toc3903813552.2 微电网介绍 PAGEREF _Toc390381355 h 6 HYPERLINK l _Toc3903813562.2.1微电网定义及优点 PAGEREF _Toc390381356 h 6 HYPERLINK l _Toc3903813572.2.2 微电网组成及其运行模式 PAGEREF _Toc390381357 h 8 HYPERLINK l _

3、Toc3903813582.3 并网逆变器工作原理 PAGEREF _Toc390381358 h 11 HYPERLINK l _Toc3903813592.3.1 可再生能源到电能的初级变换 PAGEREF _Toc390381359 h 12 HYPERLINK l _Toc3903813602.3.2 次级逆变器的拓扑应用及控制方法的研究 PAGEREF _Toc390381360 h 12 HYPERLINK l _Toc3903813612.3.3 接地问题 PAGEREF _Toc390381361 h 12 HYPERLINK l _Toc3903813622.3.4 逆变器并

4、网输出滤波器的设计 PAGEREF _Toc390381362 h 13 HYPERLINK l _Toc3903813632.3.5 逆变器并网控制技术 PAGEREF _Toc390381363 h 14 HYPERLINK l _Toc3903813643 容性等效输出阻抗逆变器控制器建模 PAGEREF _Toc390381364 h 15 HYPERLINK l _Toc3903813653.1不同性质等效输出阻抗逆变器功率分析 PAGEREF _Toc390381365 h 15 HYPERLINK l _Toc3903813663.2容性等效输出阻抗逆变器电压电流环建模 PAGE

5、REF _Toc390381366 h 16 HYPERLINK l _Toc3903813673.3环流分析和改进控制器设计 PAGEREF _Toc390381367 h 18 HYPERLINK l _Toc3903813683.3.1传统下垂控制器弊端 PAGEREF _Toc390381368 h 18 HYPERLINK l _Toc3903813693.3.2等效输出阻抗与功率分配制衡关系 PAGEREF _Toc390381369 h 20 HYPERLINK l _Toc3903813703.3.3 改进功率下垂控制器构造 PAGEREF _Toc390381370 h 21

6、 HYPERLINK l _Toc3903813714 并联逆变器的输出功率分布 PAGEREF _Toc390381371 h 23 HYPERLINK l _Toc3903813724.1 单台逆变器的等效电路 PAGEREF _Toc390381372 h 23 HYPERLINK l _Toc3903813734.2逆变器并联系统等效电路 PAGEREF _Toc390381373 h 25 HYPERLINK l _Toc3903813744.3 单台逆变器工作原理 PAGEREF _Toc390381374 h 28 HYPERLINK l _Toc3903813754.4 逆变器

7、模块输出电阻 PAGEREF _Toc390381375 h 29 HYPERLINK l _Toc3903813764.5 并联逆变器输出功率均分控制原理 PAGEREF _Toc390381376 h 30 HYPERLINK l _Toc3903813775 仿真与实验 PAGEREF _Toc390381377 h 32 HYPERLINK l _Toc3903813786 结论与展望 PAGEREF _Toc390381378 h 36第 页 共38页1 绪论1.1课题研究背景及意义1.1.1新能源发电的背景和意义随着人类社会的发展，对能源的需求日益增加，像煤炭，石油这类一次能源的储

8、量越来越少，根据21世纪对世界能源储量的调查数据显示：石油的可采量为39.9年，天然气的可采量为61年，煤炭的可采量为227年。而且其发电过程中产生的污染对自然环境以及人类的健康造成很大的危害，因此，人们开始寻找更加清洁的能源，可再生能源也越来越受到人们的重视。建立可持续能源体系已然成为了当今社会最大的挑战。目前的能源结构主要还是以石油、煤炭、天然气这类化石能源为主，另外还有水能、核能，而其它的可再生能源在目前能源体系中的比重只占极小的一部分。由于可再生能源发电具有清洁、高效、安全的优点，因此越来越多的国家开始发展可再生能源发电。大力开发新能源，满足了现代社会发展对环境保护和人类健康的要求，既

9、能有效的促进经济的高速发展，同时又能有效地降低污染和能耗。目前，世界各国都非常重视可再生能源的开辟和利用。据报道，一些发达国家拟到2050年，新能源发电将到达本国电力市场的30%50%，美国开发新能源发电的装机容量将占电网新增装机容量的20%。我国作为人口众多同时也是发展最快的发展中国家，对能源的需求与日俱增，对我国整个电力工业带来了巨大的挑战，因此建立新型的能源结构迫在眉睫。我国国家电网公司提出了立足自主创新，加快建设以特高压电网为骨干网架，各级电网协调发展，具有信息化、数字化、自动化、互动化特征的统一智能电网的发展目标，并公布了分为三个阶段推进的“坚强智能电网”建设。到2020年全面建成“

10、坚强智能电网”时，国家电网优化配置资源的能力将大幅提升，清洁能源装机比率达35%。2005年我国颁布的可再生资源法为我国可再生能源发展提出了新的战略规划，同时也使利用新能源发电的分布式发电（Disributed Energy Sources，简称DG）获得了迅速发展。近年来，分布式发电技术的性能在不断提高，成本也在逐渐降低，使得分布式发电机组在我国电力系统中所占的比重呈逐年递增。1.1.2逆变器并联技术的背景与意义随着电能变换技术的迅速发展，对逆变器的容量、可靠性的要求也越来越高，逆变器并联运行时扩大供电容量和提高电源系统可靠性的一种重要途径。当前，大容量逆变器的发展趋势是采用新型全控型高频开

11、关器件构成逆变器模块单元，再通过多个模块并联进行扩容。这样可以充分利用新型全控型高频开关器件优势，减小系统体积，降低噪声，提高动态响应速度；同时利用并联控制技术，提高逆变器的通用性、灵活性，是系统设计、安装、组合更加方便，可进一步提高可靠性。多台逆变器并联实现扩容可大大提高系统的灵活性，使电源系统的体积、重量大为降低，同时其主开关器件的电流应力也可大大减小，从根本上提高可靠性、降低成本、提高功率密度。逆变器并联运行可实现大容量供电和N+1冗余供电，是当今逆变技术发展的重要方向之一。逆变器的并联运行时提高电力系统容量、可靠性的有效方法。逆变器并联运行的优点有：1）可以用来灵活的扩大逆变器系统的容

12、量；2）可以组成并联冗余系统以提高运行的可靠性；3）具有极高的系统可维修性能，在单逆变器出现故障时，可以很方便的进行更换或者维修。逆变器并联分为逆变器之间的并联以及逆变器与电网之间的并联。逆变器之间的并联要求逆变器的交流侧并联后对负载供电，必须尽量保证逆变器处于逆变状态，且对负载电流进行均分。因此，逆变器的并联可看成是系统环流的最小化控制，其目的是实现逆变器之间均分负载的功率。为实现并联运行，各逆变模块必须满足以下两个条件：1）当一个模块处于运行状态时，其输出电压的频率、相位和幅度必须与其它工作模块精确一致，否则会导致逆变器之间存在环流，增大开关管的负担，甚至导致逆变器并联系统的损坏；2）实现

13、负载均分，否则会导致部分工作模块过载，甚至损坏功率器件。1.2 国内外研究现状多台逆变器并联可实现大容量供电和冗余供电，因而被公认为当今逆变技术发展的重要方向之一。多台逆变器并联实现扩容可大大提高系统的灵活性，使电源系统的体积重量大为降低，同时其主开关器件的电流应力也可减少，从根本上提高可靠性、降低成本和提高功率密度。由于可实现冗余供电，并联系统更提高了系统的可靠性。消除环流的影响是实现逆变器并联的一个关键问题，下面提出一些常用的控制方案：1.并联逆变器的环流分析要实现两台或多台逆变电源的并联运行，不但要求他们的输出电压的幅值趋于相等，而且要求输出电压信号的频率和相位严格一致。但是由于电路参数

14、的差异和负载的经常的变化或由于控制系统的固有特性问题，各个逆变电源之间的输出电压的瞬时值往往不可能完全相等，这样，势必存在一定的电压差，从而在系统内部形成环流，而环流对于各逆变电源的功率器件以及输出滤波器有一定的破坏影响。因而，在逆变电源并联运行系统中，必须分析和解决电压同步和均流控制问题。2.串限流电感均流抑制环流的一个有效措施是在各个交流并联电源的输出端串接限流电感。但限流电感在抑制环流的同时又由于其压降使得电源的特性变得非常软，稳压特性变差。合理解决交流电源并联工作时的动态及静态指标间的矛盾，是并联技术中的一个重要问题。3.有功、无功功率控制逆变电源并联电网系统的运行特性较常规电网要复杂

15、，控制上相应更加困难。用交流发电机供电的系统，它的输出电压频率和相位可能自同步，而采用功率开关器件的SPWM逆变器则不具有这种同步能力，需要在控制策略上实现并联时的电压同步和电流均衡。4.电压和频率下垂控制下垂均流控就是调节输出阻抗，以达到并联的逆变电源均流控制的目的。直流电源通过下垂均流控制，可以自动实现并联输出均流，逆变电源也可以通过电压频率下垂均流控制来达到并联输出的有功和无功功率的自动均分控制。通过人为引入逆变电源的电压和频率下垂特性，就可以达到并联逆变电源输出的均流控制，从而抑制并联“环流”5.自整步法并联系统中各模块是等价的，没有专门的控制模块。通过模块间的均流线实现同步和均流。6

16、.主从模块控制主从式并联系统，由一个电压控制PWM（VCPI）逆变器单元、数个电流控制PWM逆变器(CCPI)单元(功率单元)和功率分配中心（PDC）单元组成并联系统。其中包括：1）1个VCPI主控单元，其电压调节器保证系统输出幅度、频率稳定的正弦电压；2）N个CCPI从单元，设计其具有电流跟随器性质，分别跟随PDC单元分配的电流；3）PDC单元检测负载电流，并平均分配给各CCPI单元，且是同步的。除以上几种控制方法外，还有平均控制法、瞬时调制控制、分布式控制、无互联线式等控制方法等。1.3论文构成及研究内容本文主要由三部分构成，其一是微电网并网逆变器研究，对分布式发电的定义、优点和典型模型进

17、行了简要介绍，同时详细讲述了微电网的组成、运行模式及并网逆变器的工作原理。二是阐述了容性逆变器并联系统的等效变换方式，并进行容性逆变器等效输出阻抗建模。三是通过MATLAB仿真建立呈容性虚拟阻抗的逆变器控制模型及通过利用功率下垂方法实现两台容性逆变器功率精确分配本文共分为6章，其主要内容总结如下：第一章：绪论。主要论述了本论文的课题研究背景及意义，国内外研究现状和本文的主要内容。第二章：微点网技术。主要论述了当前分布式发电系统的现状和前景，讲解了微电网的基本结构，总结了当前逆变技术的研究现状和发展趋势，介绍了微电网研究的一些关节技术问题。第三章：容性等效输出阻抗逆变器控制器建模。主要是对容性等

18、效输出阻抗逆变器控制其进行数学建模分析传统下垂控制器在功率分配精度和环流方面的弊端后，给出改进的下垂控制器设计方案。第四章：并联逆变器输出功率分布。根据单台逆变器的等效电路得到了并联系统的等效电路, 给出了并联系统的在不同等效电路下环流的大小；建立了电压电流双闭环反馈控制逆变器数学模型指出逆变器PI参数和电流电压反馈系数对输出阻抗影响显著，并得到了输出阻抗计算公式。第五章：仿真与实验。本章节对两台容性逆变器功率精确分配进行MATLAB仿真。第六章：总结与展望。全面总结了本文以及所作研究，展望了并联逆变器功率分配的发展。2 微电网技术2.1 分布式发电介绍分布式发电（DG）指的是在用户现场或挨近

19、用电现场设置较小的发电机组(低于30MW)，以满足特定用户的需求，支撑现存配电网的经济运行，或同时达到这两个方面的需求。这些小的机组包含燃料电池，小型燃气轮机，小型 HYPERLINK /view/11001.htm光伏发电，小型风能与光能互补发电，或燃气轮机与燃料电池的共用设备。换言之，是指利用太阳能、风能、燃料电池等可再生能源（Renewable Energy Sources，简称RESs）的发电方式。分布式微源（Distributed Energy Resourses，简称DERs）的位置分布灵活，由于靠近用户提高了服务的可靠性和电力质量。科技的进步，环境策略的改变和电力行业的发展等原因

20、使得分布式发电成为当今社会必要的能源选择。其具有如下优点：（1）能源的二次供给，污染小，对空气的温室效应弱。（2）分布式发电系统中各电站彼此独立，用户因能够自行操控，不会产生大规模电力安全问题，因此可靠性高相较于传统发电系统高。（3）可对地区电力的质量和性能实行及时监控，适合向农、牧、山区，中、小城市的居民供电，可大大减小环保压力。（4）分布式发电可以填补大型电网安全稳定性的缺点，在发生意外时可以继续供电，是作为主要供电方式的重要弥补方案。（5）分布式发电的输配电线损很低，不需要建配电站，可以减少附加的输配电本钱，同时建设和安装的价格低（6）达到有特定要求场合的需求，如重要会议或活动的(处于热

21、备用状态的)分散式发电设备（7）调峰性能好，操作相对简略，由于正在运行的设备少，启动与停止快速，有利于实现全自动。分布式发电的分类是根据DG的技术类型、资源类型的不同、与电网接口进行分类：根据资源的种类不同，分布式发电系统可分为三类：一是基于化石能源的发电模式，如微型水轮机和微型抽水蓄能电站、柴油发电机组等；二是基于可再生资源的发电模式，如光伏发电、太阳热发电、风力发电等；三是基于新式的发电模式，如小型、微型燃气轮机和燃料电池等。根据供电接口方式的不同，分布式发电系统还可分为：一是直流电源，如燃料电池、太阳能电池、蓄电池以及储能电容器等，其并网方式如图2.1；二是交直交电源，如微轮机，其发出的

22、交流电须整流然后逆变，如图2.2所示；三是交流电源，如风力发电机和永磁同步发电机发电。（a）燃料电池（b）太阳能电池图2.1 直流逆变电源结构图图2.2 交直交电源结构图2.2 微电网介绍2.2.1微电网定义及优点分布式发电对石油、煤炭能源日益短缺的问题起到了缓解作用，对整个电网的经济性和稳定性起到了促进作用，由于分布式发电拥有传统发电方式所不具备的巨大优势，促使了分布式发电的发展和应用。分布式发电并入大电网后，客户对常规发电厂和大电网的依赖性将减少，同时对传统电力系统的结构、投资、运行及稳定性等产生了影响（如风力发电的瞬时波动性对电网产生的负面影响）。但是，分布式发电也存在弊端，首先，分布式

23、电源的成本较传统电源高；其次，控制难度高；而且，分布式发电作为不可控源，常常对其采用限制，隔离运行的方法，以保证外部电网的安全性与稳定性。各国电力专家为了平衡外部电网与分布式电源的关系，尽量扩大分布式发电的优点，并降低分布式发电对外部电网的不利因素，提出了一种新的电网形式，即微型电网，其主要的内容为将电能储备技术融合于分布式发电技术。目前并未有统一的微电网定义。美国电气可靠性技术措施解决方案联合会（Consortium for Electric Reliablity Technology Solution）对微电网提出了相对明确的概念：微电网即负荷和微小能源的集合体 HYPERLINK /us

24、er/report/static/20140531/494765_805635/static/results/37.html，能在单一系统中同时提供电力和热的方式运行，这些微笑能源的大多数是基于电力电子型，提供必要的灵活性以确保单一的受控单元，以满足当地对可靠性和安全性的要求。微电网是由分布式电源、储能装置、能量变换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，它既可以与大电网并联运行，还可以孤岛运行。微电网系统的装机容量通常为20kW100MW：网内用户的配电电压等级通常为380V，也包括10.5kV（如果并网运行，还可以根据微电网的具

25、体应用环境决定）。微电网的特征为：经济、污染小、能源利用率高、相对安全，可靠性高；适应电力行业的要求，有效地解决了西部地区用电难的问题。微电网技术不仅拥有分布式发电系统的优势，还增添了许多新的特点：（1）成本低、污染效、电压相对较低。相对于传统电网高电压，输电距离远的不足，其可以提高电力系统的稳定性。（2）能充分利用绿色能源。不论微电网处于何种运行模式，都能不间断地将二次能源转化为电能。（3）微电网提供的电能稳定可靠。当外部电网故障时，分布式发电将切换为孤岛运行模式，以保障重要负荷的运行。（4）使大电网运行更稳定。微电网的能量来源丰富，所以微电网的抗灾能力和抗扰动能力比传统电网强。 图2.3

26、微电网典型结构图2.2.2 微电网组成及其运行模式在微电网中，分布式电源主要有太阳能电池、微型燃气轮机、燃料电池、风力发电机；通过蓄电池、超级电容、飞轮等储能装置存储电能，然后通过逆变器与外部电网相联。图1.3为微电网的一种典型结构图。图2.3中字母符号的意义为：MV为高压母线，LV为高压母线，MGCC为微电网中心接点，PV为光伏发电系统，MC为静态开关，LC为负荷开关，Flywheel为飞轮储能，Battery为电池储能，FuelCell为燃料电池发电系统，Microturbine为微型燃气轮机发电系统（20100kW），CHP为热电联产技术。图中的微电网属于扩散放射网络，在每一个分路上都有

27、独立的微电源和负荷，这样便能实现就近供电，使能源得以充分利用。当联网运行时，由于微电源提供的能量有限，常由外部电网来填补功率缺额；当大电网（MV侧）发生故障时，可通过开关（MGCC）实施与大电网脱离而孤岛运行，必要时可及时切除部分非敏感负荷，以保障微电网系统的供电可靠性。微电网系统中一般都会安置有潮流控制器和能量管理器，这样可以对微电网进行控制和功率调节。微电网有不同的分类方式：按总线类型的不同分为：直流总线型和交流总线型。目前大部分分布式发电系统都是直流总线型的。但交流总线型具有许多优势，是直流总线型所没有的，因此，目前微电网的主要研究对象为交流型微电网。其特点见表2-1。表2-1 交/直流

28、总线型微电网比较类型优点缺点直流总线型不需同步并网电压兼容性差适合长距离传输直流电极易腐蚀损耗少维护安装成本高可单极运行交流电源可靠性低交流总线型可靠性高要求同步并网方便联网低功率因数和谐波标准接口和模块化结构长距离传输损耗大多电压等级和多终端匹配微电网的提出为分布式发电的运行提供了一个新的途径。从系统的观点来看，微电网作为单一可控系统，将负荷和微电源联系起来，为用户提供电能。微型电网可以和外部电网并联运行，当外部电网发生故障需要断开时，微电网也可以独立运行。微电网可当作系统内的一个可控部件，因其作为简单的可调度负荷容易被控制，响应速度快，能满足传输系统的需要；另外，微电网也可以看成是一个自由

29、定制的电源，以提高电网局部供电可靠性，提高效率，提高电压下陷校正，达到用户需求多样化的要求。微型电网拥有两种运行模式：联网运行模式和孤岛运行模式联网运行模式下，分布式发电的输出功率应为最大值。在不需要补偿无功的情况下，可设输出有功为额定功率，输出无功为零，由系统调节电压和频率，因此，在联网运行时逆变器适宜用恒定输出功率来控制。孤岛运行：大电网系统异常（电压降落，故障，停电检修等）会使得外部电网不能与微电网联网运行供电，不仅如此，外部电网的故障还会对微电网的安全运行产生威胁，因此，微电网需要从联网运行切换至孤岛运行模式。如图2.3所示，MGCC开关断开，即与外部电网隔离后，微电网将进入孤岛运行模

30、式。当输出功率低于负荷需求功率时，微电网的频率和电压都会自动降低；当输出功率大于负荷额定功率时，频率和电压也会随之升高。这些即是微电网系统不稳定运行的主要原因。就算微电网在脱离外部电网时正好处在功率平衡的状态下，也会因负荷的增减而造成系统的失稳。因此，当微电网处于孤岛运行时，需有分布式微源来承担调压和调频的任务，以确保微电网系统的电压与频率稳定。微电网既可以联网运行，也可以孤岛运行。微电网中逆变电源运行主要应该满足一下两个要求：（1）当微电网处于联网运行时，应服从能量管理器的统一调度，根据调度指令及时调整功率输出。使得微电网相对外部电网而言是一个可控的电力单元，以改善分布式发电DG对传统电力系

31、统的冲击和影响。（2）当微电网处于孤岛运行时，各逆变微电源应能够根据自身容量调节功率输出，合理分配负载；在无电网参考电压的情况下，主逆变电源应能自动调整输出维持电压增幅、频率的稳定，并保证各逆变电源输出同步。2.3 并网逆变器工作原理对于可再生能源的分布式并网发电，一般采用的是单级或者两级以上的逆变器，其功率、成本、工效、控制及用户需求决定了采用单相或是三相结构。本文介绍了可再生能源单相并网逆变器的系统结构。根据输入、输出的电气隔离性可分为隔离型逆变器和非隔离型逆变器。电气隔离通常采用变压器隔离，通常采用工频变压器或高频变压器，大多数作用都是用于升压隔离。根据功率变换器的变换技术可以分为单级型

32、逆变器和多级型逆变器，如图2.4、图2.5。单级型逆变器通过一级功率变换器将低压直流直接转换成高压交流。根据该功率变换器使用的主开关个数可以分为四-开关管型和六-开关管型。多级型逆变器根据功率变换的过程可以分为：1、DC-DC-AC型 2、DC-AC-DC-AC型 3、DC-AC-AC型。图2.4 单级逆变器变换结构图2.5 多级逆变器变换结构2.3.1 可再生能源到电能的初级变换对于风能、太阳能、燃料电池到电能的转换都需要根据实际情况考虑选择不同的拓扑电路，而对于多个风涡轮系统的变速运行，太阳能电池的串、并联和最大功率跟踪。燃料电池的废热利用等问题更要涉及到很多电路结构和控制方法上的研究。2

33、.3.2 次级逆变器的拓扑应用及控制方法的研究 逆变器的拓扑种类众多，它们分为隔离、非隔离；单级、多级：单相、三相；功率单向、双向等等。根据需要研究选取不同的结构组合。单级变换器显然有高效率低成本的优势，但是这一类变换器会因为结构的影响而限制功率等级。对于大功率，宽范围电压输入的应用会选择多级逆变器变换结构，在这种结构下，各级都有其独立的控制系统或者同步控制。 逆变器并网工作时，根据拓扑的选择和控制方法的采用，功率流可以是只由发电系统流向电网的单方向流动，也可以是功率双向流动，这样可以提供有效的无功流动路径，也可以给直流侧的电能存储装置充电。 在控制手段上，考虑选择数字或是模拟控制，现在越来越

34、多的系统控制采用数字化，可以容易的实现时序控制，并且保密性高。控制方法上，选择使用PI控制、单周控制、重复控制或者滑模控制；控制环采用单环或双环控制，选用电流峰值控制或是平均值控制等等。调制方式上，选用PWM、SPWM或滞环控制等等。2.3.3 接地问题 从安全角度考虑，为了防雷击、电磁兼容和电磁干扰等问题，输入接地也是很有必要的，而同时，作为单相逆变器和电网并网的两线中有一根零线也会要求接地。所以一个逆变器系统在拓扑选择时又必须考虑能够实现双端接地的问题，当然对于隔离型的变换结构是不受影响的。在IEEE Std 1421991标准中有关于系统接地的相关规定。2.3.4 逆变器并网输出滤波器的

35、设计并网逆变器在工作时有电压控制和电流控制两种工作模式。在电压控制模式下，逆变输出滤波器通常由电感L和电容C构成，它们影响到输出的动态响应。在电流控制模式下，会选用L或LCL的结构，主要由电感元件决定输出的动态响应。如图2.6所示的结构，(a)为逆变器作为电压源独立运行时，逆变器常用的Lc滤波器结构：(b，c，d)为逆变器作为电流源并网时，直接通过L，Lc，或者LCL和电网并联。现在更多的研究和产品选择LCL结构，采用LCL的结构比LC结构有更好的衰减特性，对高频分量呈高阻态，抑止电流谐波，并且同电网串联的电感L还可以起到抑止冲击电流的作用。（a）逆变器独立运行时滤波器结构-LC (b、c、c

36、)逆变器并网输出滤波器结构图2.6 并网逆变器两种工作模式下的输出滤波器结构2.3.5 逆变器并网控制技术 作为一个功能完整的并网逆变器系统，其工作模式比通常的独立逆变器更为复杂，既可在无市电接入时独立作为电压源逆变，也能并网作为电流源工作，将电能自动馈送给电网。所以，在其控制技术上有几个方面的研究：1)逆变器两种工作模式的无缝切换技术；2)逆变器工作过程中的同步锁相和电压跟踪技术；3)并网工作下的防孤岛技术：4)达到并网电压、电流谐波标准的闭环控制技术。3 容性等效输出阻抗逆变器控制器建模3.1不同性质等效输出阻抗逆变器功率分析以图3.1所示逆变器并联模型进行系统功率分析。把逆变器等效为一个

37、有内阻的电压源，UA、UB、U0分别为微源A逆变器输出电压、微源B逆变器输出电压、交流并联母线电压；微源逆变器 A、B等效输出阻抗表示为Zn(n=A、B)，其中A、B分别为微源 A、B的输出电压相位，A、B为输出等效输出阻抗的相位，本文将容性等效输出阻抗用虚线表示，它并不是物理上的电容，而仅是数学意义上的输出阻抗。图3.1所示并联系统模型可以描述微网中感性、阻性、容性输出阻抗逆变器并联的各种组合情况。图 3.1并联系统模型逆变型微源输出功率的表达式为： Pn=UnUocosn-n-U02cosn/ZnQn=EnU0sinn-n-U02sinn/Zn (3-1)由式(3-1)可知，输出有功功率和

38、无功功率与输出电压幅值Un和频率(n=dn/dt)都有关，并且因输出阻抗特性差异和闭环控制技术的采用，等效输出阻抗角的变化决定功率下垂控制方程的形式。表3-1为等效线路呈感性(n=90)、阻性(n=0) 以及容性(n=-90)时对应的功率表达式和下垂控制方程，表 3-1 功率表达式和下垂控制方程线路阻抗角功率输出方程（n不可忽略）功率输出方程（n较小）下垂控制方程n=90Pn=UnU0sinnZnQn=UnU0cosn-U02ZnPn=UnU0n/ZnQn=U0Un-U0Znn=*-mnPnUn=U*-nnQnn=0Pn=UnU0cosn-U02ZnQn=UnU0sinnZnPn=U0Un-U

39、0ZnQn=-UnU0nZnn=*+mnQnUn=U*-nnPnn=-90Pn=-UnU0sinnZnQn=-UnU0cosn+U02ZnPn=-UnU0nZnQn=-U0Un+U0Znn=*+mnPnUn=U*+nnQn假如在微网中设置一台或多台逆变器按照容性等效输出阻抗下垂特性运行，体现与感性等效输出阻抗逆变器相逆的控制作用，在理论上可以改善系统电压水平。例如在输出有功功率/无功功率的同时可以抬升频率/电压运行点，将有利于抵制因下垂控制、配网交换功率及负荷功率变化带来的电压和频率偏移。因频率易被配网拉入同步，本文主要关注电压调整。3.2容性等效输出阻抗逆变器电压电流环建模逆变器设计中，功率

40、控制环和电压电流环构成控制器主体，这两者功能相对独立，电压电流环主要用于改善电压输出性能，同时设计电压电流环增益可方便地控制等效输出阻抗呈感性、阻性、容性或感性阻性混合性，本节主要分析电压电流环，在 3.3.1节对控制器整体做分析。 I0(t)图3.2 逆变器电压电流换控制器e*(t)为逆变器经功率控制环得出的电压参考信号，为将分布式电源逆变器设计为基准正弦电压源和虚拟阻抗串联的形式，提出如下控制器： Urs=G1sE*s-U0s+E* （3-2） Uis=Urs-G2sIfs （3-3）式中 G1、G2 为待设计的局部控制器。微源逆变器输出电压 uf 为: Ufs=r0+sL0Ifs+U0s

41、 （3-4）本文近似 uf=u，联立式(3-3)、(3-4)可得: U0s=Urs-ZvIfs （3-5）分布式电源逆变器设置虚拟阻抗Zv为: Zv=r0+sL0+G2s （3-6）可整理得出: E*s-U0s=r0+sL0+G2sG1s+1Ifs （3-7）分布式电源逆变器的等效输出阻抗Zo为: Z0=r0+sL0+G2sG1s+1 （3-8）如果能够合理设计Zo，使其呈容性，则可以获得容性等效输出阻抗分布式电源逆变器，这就需要对局部控制器G1、G2进行设计。对比式(3-7)，显然 B逆变器等效输出阻抗已经包含虚拟阻抗在内。令等效输出阻抗的设计目标为 Zo=1/sCo，使其具备电容特性，G1

42、、G2应具备积分项，用于消除控制环跟踪稳态误差，同时应具备微分项用于提高动态性能，设计局部控制器G1为: G1s=k1s+k2s （3-9）代入式(3-8)得: Z0=r0+sL0+G2sk1s+k2s+1=1sC0 (3-10)解得: G2s=k1s2C0+k2s+1sC0-r0-sL0 (3-11)联合式(3-2)、(3-3)得:Uis=G1sE*s-U0s+E*s-G2sIfs=k1s+k2s+1E*S-k1s+ k2sU0s-k1s2C0+k2s+1sC0-r0-sL0Ifs (3-12)由滤波电容器电流与输出电压的关系及式(3-4)可得: sU0s=ICsC (3-13) sLfs=

43、Uis-U0s-r0IfsL0 (3-14)式中 IC(s)为输出滤波电容流过的电流，代入式(3-12)用于减少微分项和简化控制器，得:U0s=G1sE*s-U0s+E*s-G2sIfs=k1s+k2S+1E*s- k1sU0s+k2ICsC-k1s2C0+k2s+1sC0Ifs (3-15)式(3-15)为容性等效输出阻抗分布式电源逆变器电压电流环控制器表达式，改变式中Co即改变虚拟输出电容值，易于编程实现，同时局部控制器G1、G2的引入使得更加便于对电压电流环增益实施精确控制。其中Co的取值应能保证输出电压质量和降低谐波水平。上述建模实际效果等同于在虚拟阻抗计算通道上引入一个积分器用于产生

44、 1/sCo。功率控制环属于经典控制，不专门做建模分析，至此容性逆变器建模完成，其倾斜补偿特性的体现取决于下垂控制方程形式和虚拟阻抗性质两个条件。3.3环流分析和改进控制器设计 3.3.1传统下垂控制器弊端低压线路阻抗一般呈阻性，但是微网中分布式电源接口一般配置 LC或 LCL滤波器，且部分微源需要变压器进行升压。滤波器、变压器的存在和闭环控制技术使得微网线路阻抗一般呈现感性,另外微网中还可能存在其他旋转电机直接接口的微源，逆变器接口的微源采用有功功率/频率(P-f)、 无功功率/电压(Q-U)型的下垂控制(区别是倾斜方向不同)，与微网现有的电源接口能够很好的融合，下垂控制方程可通过如图3.3

45、所示结构左半部分实现，图3.3右半部分为电压电流控制环，首先测量逆变型微源输出的电压和电流，计算输出的平均功率(通常包括低通滤波环节)，输出平均功率与功率设定参考值比较后通过下垂控制器得到逆变器输出的角频率和电压幅值，本文测量功率与设定功率的加减关系决定下垂控制方程是适用于容性逆变器或感性逆变器，下垂系数可根据电力系统约束的频率电压波动范围选择。这样的控制方式可实现微网电源间功率分配并保证系统电压和频率在一定范围内稳定。 图3.3 传统功率控制器容性逆变器对应的下垂控制方程为: n=*+mnPnUn=U*+nnQn （3-16）式中 n 为并联的逆变器编号，n=A、B。由式(16)可得，实现不

46、同容量逆变型微源按容量比例分担负荷需满足： mAPA=mBPBnAQA=nBQB （3-17）从环流角度考虑，在包括不同额定容量微源的微网中，环流大小是衡量系统功率分配精度的重要指标。如果能按照额定容量比例 k精确分配负荷功率，精确设定电压和频率参考点，则并联系统可稳定运行并同时抑制环流。由式(3-17)易得，容量比k为下垂系数比的倒数。定义式(3-18)、(3-19)为并联系统有功和无功环流表达式：pCir=PA-KPB=U0KUBsinBZB-UAsinAZA （3-18）QCir=QA-kQB=U0kUBcosBZB-UAcosAZA-kU02ZB-U02ZA (3-19)由式(18)、

47、(19)可得，如果通过控制器设计能使得逆变器等效阻抗满足 ZA/ZB=1/k，同时输出电压幅值 ZA=ZB、相位A=B，便能较好地实现功率分配和环流抑制，抑制空载环流可通过设定相同的初始电压运行点来实现。进入稳态运行后，消除系统环流和实现功率精确分配需要两逆变器输出电压相等，即 UA=UB，可得输出电压表达式： Un=U*Znnn+U02U0cosn+Znnn (3-20)根据式(3-20)可得，当系统进入稳态运行，从消除电压偏差考虑，需要条件 ZA/Na=ZB/nB成立。可知，从环流角度考虑和电压偏差两点考虑，使不同容量微网逆变器并联精确分配功率的条件是等效输出阻抗与容量成反比，并且此条件是

48、并联运行的微源逆变器按容量分配负荷的充分条件。实际当中，由于 P-f 控制环积分环节的存在，相位条件即频率条件容易满足，系统进入稳定运行后频率会拉入同步，稳态运行时有以下条件成立： A=B (3-21) mnPn=n-*=const (3-22)故有功功率仅需要设定下垂系数成比例即可满足按容量比例分担负荷有功，如果在此基础上设计等效输出阻抗成比例，则同时具备有功环流抑制能力。考虑无功功率分配，由于线路阻抗参数漂移和采集误差的因素，精确设计逆变器等效输出阻抗成比例是非常苛刻的条件。由式(3-20)可知，满足 UA=UB 是非常难的；当存在电压偏差的情况下，很难实现无功功率按比例分配，输出阻抗变化

49、与无功功率分配精度存在较强的联系，需要解除等效输出阻抗与无功功率制衡关系从而实现按容量比分担负荷功率和消除环流。3.3.2等效输出阻抗与功率分配制衡关系等效输出阻抗为容性时，微源输出有功和无功的表达式： Pn=-UnU0sinnZn-U02nZnQn=-UnU0cosn+U02Zn-U0Un+U0Zn (3-21)可得逆变器有功功率和无功功率的表达式，如式(3-22)所示，并且与图 3.4 所示功率控制框图对应。 Pns=0s-*s1sU02Zn/1+1smnU02ZnQns=U0-U*U0Zn1+nnU0Zn (3-22)式中：* 为参考频率，亦为空载频率；U *为设定参考电压，亦为空载运行

50、点；n 为公共连接点母线频率；Uo 为公共交流母线电压。分析式(3-22)可知：因积分项的存在，稳态时逆变器输出的有功功率与等效连接阻抗 Xn 无关，同时运行频率容易满足A=B，即使各逆变器等效输出阻抗不与容量成反比，通过下垂控制机制并联运行的逆变器输出的有功功率仍能实现精确功率分配 (此时无法消除环流)；稳态时无功功率输出则与等效连接阻抗相关，因其传递函数在整个频带范围内的增益都包括 Xn,所以逆变器输出的无功功率随着等效输出阻抗的变化而变化，并且易受谐波注入和参数漂移的影响。由式(3-20)可知，等效输出阻抗的变化将使得逆变器输出电压产生偏差,即便设计等效输出阻抗与容量成反比，以这种下垂控

51、制方式为基础的功率分配策略仍然鲁棒性较差(同时无法抑制环流)，难以实现精确的无功功率分配。第3.3.1节和3.3.2节的分析方法分析同样适用于等效线路成近似阻性或呈感阻性混合情况功率分配规律，对应改变下垂控制方程形式即可。 3.3.3 改进功率下垂控制器构造根据第3.3.1节分析，有功功率可实现精确比例分配的条件是传递函数部分具有积分环节 1/s，使有功功率输出不受等效输出阻抗的影响。同理，对无功功率控制环节构造积分器 1/s，得到新的有功功率和无功功率的表达式，如式(3-23)所示，其结构图如图 6 所示。 Pns=0s-*s1sU02Zn1+1smnU02ZnQns=U0-U*1sU0Zn

52、1+1snnU0Zn （3-23）添加积分控制器有利于提高系统稳态性能，实际上等效改变了输出阻抗 Zn 变为 sZn。通过第3.3.2节的分析，电压电流环可方便地重新设计Zn，因而这种控制方式是可行的。通过控制器重新设计输出阻抗使得无功功率的分配不受输出阻抗变化的影响、具备强的鲁棒性，从而提高功率分配精度。经过重新设计的改进功率下垂控制环如图 3.4 所示，可知控制器具备数学上的对称性。从控制的角度看: 稳态时，由于积分器的输入为 0，则有： nnQn=U*-U0=const (3-24) 即具备了无功输出比例鲁棒控制性能，同时由于引入U*-U0 反馈，使逆变器输出电压能够稳定在一定范围内，抵

53、消了因负荷变动和下垂特性带来的电压波动，使功率控制器具备恒压恒频控制功能， 在孤岛运行微网中仅有功率控制器便能实现恒压恒频控制。（a）有功功率/频率控制环（b）无功功率/电压控制环 图3.4 重新设计的P-F和Q-U控制图4 并联逆变器的输出功率分布4.1 单台逆变器的等效电路图4.1为单相全桥逆变器的主电路原理图, 采用 SPWM 双极性调制方式。当开关频率 远高于逆变器输出的基波频率时, 逆变器可等效为一比例放大环节 kpwm。图4.1 全桥逆变器主电路图中 L 和 C 分别是逆变器的滤波电感和滤波电容, r为滤波电感等效电阻、功率管导通电阻以及死区等效电阻之和, 一般情况下, 此值很小,

54、 可以认为 r = 0。典型的瞬时值双环逆变 器控制框图如图4.2所示, 内环反馈量为电感电流瞬时值, 采用 P调节器, 外环反馈量为输出电压瞬时值, 采用P I调节器。图4.2 逆变器控制框图 图中, kvp和 kvi为瞬时值电压环的比例系数和积分系数, kip为电流环的比例控制系数, kpwm 为逆变器全桥主电路的等效比例放大环节, kvf 和 kif 分别为电压环和电流环的反馈系数, uj 为逆变桥输出基波分量。由于逆变 器采用 SPWM 双 极性调 制方式, 因此逆变桥在放大调制波信号的同时, 引入了高频谐波 uh。对双极 性 SPWM高频方波电压进行逆变桥输出电压含基波载波载波的m次

55、谐波及载波m次谐波的上下边 频谐波, m为相对于载波的谐波次数。 载波频率等于逆变器中开关器件的开关频率，也就是说 逆变桥输出电压谐波成分中与开关同频率的分量最大。因此，单台逆变器的等效电路就可以分为基波频率和高次谐波频率下的等效电路。在不考虑高频谐波时, 有 uO ( S ) = G( S )uref (S ) - ZO( S )io( S )( 1 ) （4-1）从 (4-1)式可看出, 一旦逆变 器的控制参数确定以后, 逆变器的空载输出电压 ( G1 ( S ) uref ( S ) )与逆变器的等效输出阻抗 (Zo ( S ) )随之确定, 也就是说逆变器的输出电压外特性也就固定了。因

56、此基波频率下逆变器的等效电路如图4.3 所示。图中, Xr为基波角频率。如果逆变器的基准电压 uref存在直流偏量或检测反馈信号的传感器存在漂移, 则逆变桥输出电压中将含有直流分量。逆变器的带宽范围必定包含直流频段, 因此图 4.3所给的基波等效电路形式同样适用于直流等效电路。因 ZO ( j0 ) = 0, 所以逆变器直流等效电路形式如图4.4所示。逆变桥采用双极性 SPWM 调制方式引入了高次谐波uh, 其频率在逆变器的带宽频率范围以外，因此逆变桥输出的高频谐波不受双闭环控制,也就是说,逆变桥的高频输出谐波分量 uh 的幅值与双环控制参数无关, 仅与逆变桥的输入直流电压有关。因此,在高频段

57、逆变器的等效电路如图 4.5所示。图4.3 逆变器基波等效电路图4.4 逆变器直流等效电路图4.5 逆变器高频等效电路4.2逆变器并联系统等效电路两台由 LC滤波的逆变器组成的并联系统主电路如图4.6所示。如果逆变器并联单元与负载之间的距离较远,则在电路中存在一定的阻性线路阻抗, 如图4.6中的电阻 R 1 和 R2,如果逆变器单元与负载之间距离很近, 可近似认为R i = 0( i = 1, 2)。一般情况下,电阻R1和R2处于逆变器单元闭环控制以外, 因此考虑到线路阻抗时, 只需在逆变器单元等效电路的基础上加线路阻抗即可。根据单台逆变器的等效电路, 图4.7给出了两台逆变器并联系统分别在基

58、波频率、直流和高频下的等效电路图。图4.6逆变器并联系统主电路（a）并联系统基波等效等效电路（b）并联系统直流等效电路（c）并联系统高频等效电路图 4.7逆变器并联系统等效电路对于上述等效电路, 由于负载阻抗值要远远大于逆变器的等效阻抗值,因此并联系统在空载和带载情况下的环流大小基本相等。为了便于分析, 分析其在空载时的环流情况。根据图 14所示并联系统的等效电路, 分别求得基波、直流和高频下的环流表达式, 分别如 (2) 式至 (4)式所示。 ihr=G1jwruref1-G2(jwr)uref2R1+R2+Zo1jwr+Zo2(jwr) （4-2） ihd=G1jOuref1-G2(jO)

59、uref2R1+R2 （4-3） ihg=uh1S2L1C+1-uh2S2L2C2+1SL1S2L1C1+1+SL2S2L1C1+R1+R2 （4-4）4.3 单台逆变器工作原理当单逆变器模块下的主电处于桥式结构时经过输出滤波电路可以得到正弦波输出。控制电路采用的是电压电流双闭环反馈控制方式，它的等效数学模型如图4.8所示。外环主要是对输出电压反馈电压调节器使用的是PI形式，其输出就是内环给确定的。内环是电流跟随器性质。使用三态离散脉冲调制电流滞环跟踪控制的方法输出电流根据电流确定就容易实现并联均流。滞环宽度和高度分别用h和M表示，滞环输入端正弦信号峰值为A。图4.8 电流电压双环逆变器数学模

60、型闭环系统的传递函数为： s=Kpv+1rsKpvNAsLiGs+Kpv+1rsKvf+KifKpiNA+1 （4-5）4.4 逆变器模块输出电阻当采用基于有功、无功功率调节控制法时，控制策略受逆变器输出阻抗的性质的直接影响。对应图4.8，记Z0(s)即为逆变器输出阻抗，U0(s)和Ur(s)分别是同一基准下空载和负载为R时的输出电压。则有： U0s-URSZ0s=URsR （4-6）经推导式(4-5)和式(4-6)，得到： Z0s=sLfs2LfCf+Kpv+1vsKrf+KifKpiNA+1 （4-7）分析式(4-7)发现，对逆变器输出阻抗的影响主要是PI调节参数、电流环反馈系数和电压环反