【《三相逆变器并网策略及MATLAB仿真研究》7900字（论文）】

三相逆变器并网策略及MATLAB仿真研究目录TOC\o"1-3"\h\u27861三相逆变器并网策略及MATLAB仿真研究 123488第1章绪论 1194141.2Abstract 2215031.3并网逆变器研究目的及意义 3177801.4逆变器控制研究现状 3229681.5本文主要研究内容 34018第2章三相逆变器模型建立 5203242.1逆变器的拓扑结构 5321602.2逆变器的数学模型 5134102.3逆变器中主电路参数设计 6285242.3.1直流侧电压值选取 6300292.3.2滤波器参数设计 732733第3章并网模式下控制策略研究 920483.1d-q坐标变换 9171043.2PQ控制策略 10308913.2.1PI双闭环控制 10175143.2.2SPLL锁相环 1314113第4章仿真研究 15176644.1整体仿真模型 15283664.2锁相环模块 16106474.3d-q坐标变换模块 16310604.4闭环控制模块 17204194.5仿真结果及分析 1727059第五章总结 22绪论1.1摘要由于新能源技术的发展，并网发电技术已成为一个热门话题。微电网作为一个独立的、可控的系统，要求可以在并网和孤岛两种模式下切换运行。在微电网的不同运行模式下，应根据微电源和储能装置的作用采用不同的控制策略。本文以三相逆变器为研究对象，研究了其在并网模式下的拓扑结构、数学模型和控制方案。首先分析了逆变器的拓扑结构、工作原理，建立其在d-q坐标系下的数学模型；其次设计了理想的LC滤波器参数以及三相逆变器容量。然后设计逆变器并网运行时的PQ控制策略，选择合适的PI控制器参数，实现三相逆变器并网。最后在Matlab/simunlink中搭建三相逆变器并网模型，在不同情况下进行了仿真研究，仿真结果验证了本文所设计逆变器控制策略的合理性和有效性。关键词：微电网；三相逆变器；d-q坐标变换；PQ控制1.2AbstractGrid-connectedpowergenerationtechnologyhasbecomeahottopicduetothedevelopmentofnewenergytechnologies.Asanindependentandcontrollablesystem,microgridrequirestobeabletoswitchoperationinbothgrid-connectedandislandingmodes.Underdifferentoperationmodesofmicrogrid,differentcontrolstrategiesshouldbeadoptedaccordingtotherolesofmicropowerandenergystoragedevices.Inthispaper,thetopology,mathematicalmodelandcontrolschemeofthethree-phaseinverteringrid-connectedmodeareinvestigated.Firstly,thetopologyandoperatingprincipleoftheinverterareanalyzed,anditsmathematicalmodelind-qcoordinatesystemisestablished;secondly,theidealLCfilterparametersandthecapacityofthethree-phaseinverteraredesigned.ThenthePQcontrolstrategyforgrid-connectedoperationoftheinverterisdesigned,andtheappropriatePIcontrollerparametersareselectedtorealizethegrid-connectedthree-phaseinverter.Finally,athree-phaseinvertergrid-connectedmodelisbuiltinMatlab/simunlink,andsimulationstudiesareconductedunderdifferentconditions.Thesimulationresultsverifytherationalityandeffectivenessoftheinvertercontrolstrategydesignedinthispaper.Keywords:microgrid;three-phaseinverter;d-qcoordinatetransformation;PQcontrol1.3并网逆变器研究目的及意义目前，世界各国对新能源的利用和研究日益增多，我国现在的研究重点主要放在了新型清洁能源发电板块。在所有的新型能源发电系统中，几乎都会涉及到能量转换的功率、效率等问题，而逆变器的控制问题就是其中重点的研究内容之一。虽然清洁能源能够产生不同频率的交流电，但是需要通过三相逆变器进行功率变换，使其频率、相位、电压幅值和电网保持一致，然后并入电网，因此对三相逆变器的控制策略的研究变得及其重要REF_Ref15062\r\h[1]。并网逆变器目前基本采用SPWM脉宽调制技术。这种调制技术就是通过打开和关断逆变电路的开关器件，可以获得一系列具有相同幅度的脉冲REF_Ref10833\r\h[2]。这些脉冲与电网电压具有相同的频率和相位。但是SPWM技术只能实现波形变化的同步，同时会将其他谐波分量送入电网。采用正确有效的控制方法不仅对三相逆变器系统的稳定性具有重要影响，而且大幅度提高三相逆变器的工作效率，因此并网逆变器的策略研究在当下十分具有研究前景和意义。1.4逆变器控制研究现状并网逆变器技术的核心部分是逆变器及其控制部分。微电网中逆变器控制策略有恒功率控制（PQ控制）、Vf控制（恒压恒频控制）、下垂控制三种方式。其中最常用的就是PQ和Vf控制。PQ恒功率控制主要适用于微电网的并网模式，当一个微电网系统稳定地运行时，系统的工作电压和频率由一个较大的电网提供，PQ控制器只需要根据电网侧的需求保持有功功率和无功功率恒定即可。Vf控制则是用于微电网孤岛运行模式，此时微电网系统失去大电网支撑，需要Vf控制提供能够维持系统正常运行的电压和频率。下垂控制的实质就是检测逆变器的有功无功功率的大小，然后进行功率控制，通过下垂特性来计算电压和频率的参考值，从而达到合理控制功率分配的目的。1.5本文主要研究内容本设计中主要研究PQ控制策略在微电网并网模式下的作用。在微电网并网模式下，三相逆变器作为其中重要的环节起到了很大的作用。本设计主要利用MATLAB搭建微电网并网模式下三相逆变器的模型，并进行仿真与分析。通过此模型能够将直流侧产生的电压电流转换成符合电网侧要求的电压电流频率，以便能够顺利并网，并且在微电网失去发电能力的时侯，大电网也能够对微电网进行电压频率支撑。主要工作为：首先需要了解三相逆变器的拓扑结构、数学模式以及工作原理。然后设计三相逆变器的容量以及合适的逆变器主电路参数。其次在研究并网模式下逆变器的PQ控制策略时，需要设计锁相环、d-q坐标变换模型得到参考变量，选择功率外环电流内环的双闭环控制，设计PI控制器的参数。最后对模型进行仿真研究，分析模型各个模块的仿真图，验证控制策略的正确性，得出最后的结论。第2章三相逆变器模型建立2.1逆变器的拓扑结构并网逆变器具有很多种类，各种类型的逆变器适用于多个不同的标准。根据输入测有无能源可分为有源逆变器和无源逆变器；根据逆变器的直流侧输入方式，可分为电压型逆变器电路和电流型逆变器电路；按供电相数可分为单相、三相和多相逆变器。目前，微电网系统中最常用的逆变器分为两种：单相逆变器和三相逆变器；电压型逆变器和电流型逆变器REF_Ref17080\r\h[3]。理想的逆变器需要满足输出前后功率稳定，逆变器两侧交直流电压电流均无波动等要求。三相逆变器直流侧输入源用等效直流电压替代，为了有效保证逆变器直流侧输出电压的恒定，并且能够和负载之间进行无功功率的交换，因此一般选择电压型逆变器。另外本设计最终需要将交流侧电压合理地并入电网中，由于电网是三相交流电，故逆变器的类型一般选用三相电压型逆变器。由图2-1所示为三相电压型逆变器的拓扑结构图REF_Ref21718\r\h[4]。图2-1电压型并网逆变器拓扑结构上图中左侧Vdc为直流侧等效电压，三相逆变器由六个上下相互导通的IGBT管组成，逆变器输出正弦波电压通过滤波电容电感产生一个标准三相交流电,并接入电网。（图中L为滤波电感，C为滤波电容，R为阻尼负载）2.2逆变器的数学模型本设计中三相电压型逆变器采用SPWM调制方式，根据基尔霍夫电压定律（KVL）和基尔霍夫电流定律（KCl），建立了三相逆变器的数学模型。利用KVL和KCL建立三相电压型逆变器数学模型，用SPWM调制方式控制IGBT的开关时间。SPWM的开关频率必须远远高于三相逆变器的输出频率，这种情况下SPWM就可以比作为一阶比例环节或一阶比例延时环节。图2-1中a、b、c三点电压分别为Ua、Ub、Uc，他们是相对于中性点的三相电压，逆变器输出电流为ia、ib、ic，交流侧流向模拟负载的电流分别为i0a、i0b、i0c，负载电压为U0a、U0b、U0c可以列出下列方程：（2-1）公式(2-1)可以改为矩阵来表示静止状态下三相逆变器的数学模型REF_Ref11747\r\h[5]：（2-2）2.3逆变器中主电路参数设计2.3.1直流侧电压值选取直流电源作为三相逆变器的输入电源在选取时有一定的要求，由于三相逆变器采用SPWM调制方式，逆变器输出相电压的有效值取决于SPWM调制方式，即与SPWM的调制度有关。又因为输出的三相电压最后需要并入电网中，所以设置逆变器输出的线电压值为380V。根据公式求得：（2-3）（2-4）式中Ud为直流侧电压值，Uphl为输出侧相电压有效值，ULL1为输出侧线电压值。m为SPWM调制度，。逆变器的输入电压范围为400至850V。在本设计中，直流侧选择的输入电压为800V，交流测输出电压380V，求得调制度m值=0.776，满足要求。2.3.2滤波器参数设计三相逆变器可以通过高频脉冲宽度调制法得到等效正弦波形，但是其中会含有大量的谐波分量，因此需要通过滤波器抑制其中的谐波分量然后在接入负载或者电网。常用的滤波器有三种类型：L型、LC型、LCL型，普通的L型滤波器虽然具有滤波作用，但是缺点很明显，它对高频率谐波的抑制能力不是很强；LCL型滤波器虽然抑制能力比较强，由于引入了d-q坐标变换，后期需要解耦且控制难度较大，故本设计选用了LC型滤波器。下图所示为LC滤波器的简化图：图2-2LC滤波器简化图在选取滤波器参数方面，其谐振频率应该满足：（2-5）式中，f1为电网频率，fc=1/为滤波器截止频率，fs为SPWM载波频率REF_Ref11927\r\h[7]。在选择LC滤波器的参数时，要满足的原则：SPWM的载波频率要求远远大于逆变器的输出频率，一般情况下，fc应该是PWM载波频率的1/10到1/5。本设计中SPWM的载波频率设置为20kHz，LC滤波器的传递函数为：（2-6）式中，，为自然角频率； ，为阻尼比。fc选取载波频率的1/10，即2kHz。除了要考虑谐波频率满足要求，三相逆变器的容量也决定着滤波器的参数，根据要求本设计中三相逆变器的容量选取50KVA，逆变器交流侧的输出电流为：（2-7）由逆变器输出电压、电感电压、电感电流和负载电流可以得到：（2-8）式中UL为电感电压、U0为逆变器输出电压、Ui为逆变器输出电压基波分量，通常对于SPWM调制方式有：（2-9）将（2-8）、（2-9）两式合并计算，可以得到：（2-10）其中Udc=800V，U0=220V，IL一般不会超过逆变器输出侧电流值，另外滤波电容的取值会影响到逆变器的功率因数，因而滤波电容不应过大，其需要满足6πf1CU025%SN，其中SN代表逆变器容量，可以求得滤波电容C54μF。

根据以上公式综合计算，最终选取滤波器的参数，L=1.4mH，C=20μF，R=0.01ΩREF_Ref14317\r\h[7]。（R为阻尼电阻，目的是为了抑制系统振荡，选取的特别小） 第3章并网模式下控制策略研究3.1d-q坐标变换由于三相逆变器输出的电压电流为交流量，在对逆变器进行控制的过程中需要将交流量转化为直流量，以便于能够减小控制难度继而简化问题求解。为了简化控制模型减小控制难度，在这里引入了坐标变换。常用的坐标变换有αβ变换、d-q变换，根据需求进行具体的坐标变换。本设计采用αβ变换、d-q变换两种坐标变换方法，利用Park变换将三相交流变量转换为两相直流变量，以便于接下来控制系统（其中选取旋转坐标轴的角速度作为三相电网电压的频率）REF_Ref11450\r\h[8]。下图所示为d-q坐标变换原理图：图3-1d-q坐标变换图并网逆变器输出侧三相基波电压为u0，则三相电压为：（3-1）式3-1中ua、ub、uc为三相电压，u0为相电压幅值。定义静止坐标轴abc到dq坐标轴的变换，其公式为：（3-2）由上式可得：（3-3）由上式（3-2）、（3-3）可知，在进行Park变换之前三相电压耦合，逆变器输出侧的三相交流电从abc坐标系转换到d-q坐标系后，电压从三相电压变为d轴和q轴电压分量，d轴和q轴的电压分量可以控制系统的有功功率和无功功率。Park变换过程中，当d轴与电压矢量方向相同时，q轴电压分量为0，此时无功功率为0REF_Ref22567\r\h[9]。3.2PQ控制策略3.2.1PI双闭环控制控制方法在系统的运行中起着重要的作用。微电网需要接受三相逆变器的指令才能进行接下来的工作，逆变器的动作取决于相应的控制策略REF_Ref13968\r\h[19]。每种控制策略都有自己的特点，本设计采用了三相逆变器PQ控制策略，因此只需要关注逆变器输出侧功率变化即可。PQ控制主要由SPLL锁相环、功率外环、电流内环模块组成REF_Ref13648\r\h[11]。在微电网并网过程中，分布式电源相当于一个恒定的功率输出源。由于直流侧分布式电源在本设计中由等效电源代替，所以当分布式电源输入功率一定时，我们在用相同的输入功率源代替分布式电源的作用。PQ控制策略采用双闭环PI控制来实现控制。外环功率环控制的作用是实时监测系统的输出功率并做出调整，而内环电流环控制可以增加控制系统的带宽，提高系统的瞬态反应速度。系统适应性增强，降低了谐波电压的影响，提高了输出波形的稳定性和供电质量REF_Ref12205\r\h[9]。PQ控制策略结构如图3-2所示：图3-2PQ控制策略图PQ控制策略思想如下：三相逆变器输出电压经过锁相环模块产生坐标变换需要的参考频率ω，然后三相逆变器输出的电压U和电流i经过坐标变换模块分解成d轴、q轴的电压Ud、Uq和电流id、iq。输入额定功率与逆变器交流测输出功率通过功率外环控制模块比较产生电流内环模块参考电压idref、iqref。参考电流和Park变换分解的电流进行比较产生dq坐标轴下参考电压Udref、Uqref，在经过Park反变化产生SPWM调制信号，进而控制三相逆变器的输出值。1）PQ控制功率外环框图如图3-3所示：图3-3功率外环框图图中输入额定功率Pref、Qref和三相逆变器输出侧输出功率进行比较做差，然后通过PI控制器得到电流环的电流参考值。逆变器运行过程中，要实现对逆变器的输出功率的控制，其功率计算方法为：（3-4）当Uq=0时，逆变器无功功率为0，功率因数保持一定。公式化简为：（3-5）2）PQ控制电流内环在dq旋转坐标系下，逆变器交、直流轴的输出电压相互耦合，无法实现ud、uq的独立控制，需要解耦。本设计介绍了一种PI控制器。通过在系统输入前加入前馈项，利用前馈项消除系统中的耦合，实现了系统变量的独立控制。PI控制方程如下：（3-6）通过公式（3-6）可以得到电流内环解耦图，如图3-4所示。图3-4电流内环解耦框图并网逆变器的控制一般以最大功率因数为基础，在实际应用中，无功功率应为零。由于无功功率由交轴电流iq控制，因此交轴电流参考值iq_ref应为零。d轴电流的参考值由外部功率回路给出REF_Ref12045\r\h[8]。除了设计电流内环解耦框图，还需要设定电流环PI参数，采用PI控制器可以加快系统响应，同时可以加快系统的无静差跟踪速度。下图3-7所示为电流环控制传递框图REF_Ref14157\n\h[12]：图3-7电流内环控制框图上图中PI控制器传递函数为：(3-7)其中，=Kip/Kii=L/R.系统被控对象的开环传递函数为：

（3-8）式中Kpwm=Udc/√3为比例系数，Tpwm为逆变器延迟环节时间常数。系统闭环传递函数为：（3-9）为了实现跟踪给定量的要求，根据典型Ⅰ型系统设置，取阻尼比 则有：

（3-10）式中R，L为滤波器中电阻电感参数，Ts为电流环采样周期，即开关周期REF_Ref24850\r\h[21]。综上计算选取电流环参数，Kii=1；Kip=7.5。功率环作为外环，不仅要输出参考电流信号，还需要有较快的功率跟随性。功率外环的调节器与电流内环一样，均采用PI控制规律REF_Ref14317\n\h[17]。其传递函数为：（3-11）式中Kpp为功率环比例系数，Kii为功率环可调积分系数。当功率环的开关频率足够高的时候，功率环也相当于一个一阶惯性环节。对于PI控制来说，系统需要尽可能快的响应，工程设计中常采取中频宽带H=5，即=5Teq。所以功率外环的开环传递函数为：（3-12）上式中K=H+1/2H2Teq2=3/25Teq，Teq=Tp+3Ts（Tp为功率外环采样周期），由此可以得到功率外环控制系统的参数：（3-13）经过上述计算功率环参数选取，Kpp=5；Kpi=200。3.2.2SPLL锁相环SPLL本质上是一个具有负反馈作用的闭环控制系统。它可以利用内部反馈控制振荡器产生与参考电压信号具有相同幅度和相位角的内部信号，从而实现对电压信号的跟踪，为d-q变换提供参考角频率。如3-5所示为锁相环结构图：图3-5锁相环结构图锁相环由鉴相器、环路滤波器、电压控制振荡器三部分组成。图中左侧输入为三相逆变器输出电压，经过αβ变换公式：（3-14）通过式3-7得到αβ信号，两相静止参考坐标系下电压转换到同步旋转坐标系下得到公式3-8：（3-15）上式中θ为电网电压相角，θ’为同步旋转坐标系的位置角度。当误差Δθ为0时，则电压Ud=U0，Uq=0。此时，此时，电网电压矢量值与参考坐标系同步旋转，电网电压的相位角被锁相环控制回路锁定REF_Ref17080\r\h[20]。下图3-6为SPLL控制结构图。图3-6SPLL控制结构图上图中abc/dq坐标变换模块为检测装置，输出侧为Ud和Uq，需要保证q轴电压为0，需要将Uq与0进行“与”逻辑，PI控制器为低通滤波器，可以对q轴电压分量的偏差进行调整；ω0为前馈装置，引入前馈装置可以使锁相环的响应加快。ω经过积分作用得到参考相角值，经过负反馈作用使锁相环反应更加迅速、准确。第4章仿真研究4.1整体仿真模型为了验证整个控制策略的正确性，搭建了完整PQ控制simunlink模型如图4-1所示。图4-1PQ控制模型上图4-1所示即为PQ并网控制的完整模型，图中左下方为三相逆变器的模型，上方为PQ控制策略模型，PQ控制模块中包括锁相环模块、d-q坐标变换模块、PQ双闭环控制模块、SPWM模块，右侧为功率测量模块。本设计由于是在并网模式下进行，所以无功功率直接给0。另外为了让仿真结果更加具体，此设计在电网侧增加了一个恒定功率负载模块和突加功率负载模块。设计的仿真时间为0.3s，在0.2s到0.3s时间内，我们利用断路器突加了功率负载模块。下表4.1为PQ控制并网的参数。表4.1PQ控制仿真参数DG Udc=800V，L=1.4mH，C=20μF，R=0.01Ω逆变器容量50KVAPI控制器参数功率环：Kp=1；Ki=7.5电流环：Kp=5；Ki=200负载10KW恒定负载；5KW突加负载开关频率 20kHz4.2锁相环模块SPLL的功能是检测和跟踪电压、电流和频率。图4-2为锁相环的仿真模型：图4-2SPLL模型对电网电压进行锁相作用，q轴信号给0。经过一个PI控制器进行偏差控制，然后设计一个前馈控制以便锁相环更快的达到锁相作用，经过积分器作用然后将锁相环控制在一个2

π

周期内，这个设计可以在仿真时更好的观察锁相环是否锁相成功。4.3d-q坐标变换模块第3章中介绍了d-q坐标变换的数学模型以及工作原理，下图所示d-q变换的simulink模型：图4-3d-q坐标变换模型图中左侧输入分别为三相逆变器输出电压和锁相环提供参考频率，由上式3-1、式3-2、式3-3可以得到输出侧的dq轴信号。4.4闭环控制模块经过d-q坐标变换的输出的dq轴电压电流信号进入到闭环控制模块中，经过双闭环控制得到能够驱动SPWM信号的参考电压值Uref，最后通过SPWM信号间接控制逆变器。图4-4所示闭环控制模型图。

图4-4闭环控制模型如图4-4中，功率外环输出d轴参考电流信号，由于无功功率输入为0，所以q轴参考电流信号直接为0。参考电流信号经过电流内环与逆变器的输出dq轴电流信号进行比较，通过PI控制器、电压前馈装置、交叉解耦得到电压参考值Uref，然后控制SPWM模块产生控制信号。4.5仿真结果及分析如图4-5为逆变器输出电压经过锁相环结果图：图4-5锁相环仿真图图中下边部分为三相电压中A相电压，上边为锁相环锁相结果。通过对比能够发现A相电压每经过一个完整周期锁相环的值由0到2

π

，证明锁相环锁相成功，电压频率控制在50赫兹。图4-6所示为经过坐标变换得到的d、q轴电压值：图4-6d、q轴电压分量图图4-6中上侧为d轴电压分量，其数值为311V，即逆变器输出交流相电压峰值。下方为q轴电压分量，其值为0。由图4-6可知d-q坐标变换搭建成功，其成功将dq轴电压解耦，达到分别控制的目的。图4-7为输入侧设置30kW到40kW有功功率，无功功率设置为0W。输出侧直接接入电网，没有连接负载。图4-7未加负载仿真图由仿真结果可知，输出侧有功功率为30kW到40kW，无功功率显示为0W。仿真结果符合预期。图4-8为输入侧设置30kW到40kW有功功率，无功功率设置为0W。输出侧接入10kW恒定负载，然后接入电网。图4