微网储能逆变器(PCS)的研究

1、分类号 密级 u d c 硕 士 学 位 论 文 微网储能逆变器（pcs）的研究 学 位 申 请 人： 卢云 学 科 专 业： 电力系统及其自动化 指 导 教 师： 王归新副教授 二一五年五月 万方数据 a dissertation submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of master of science in engineering research on micro-grid energy storage inverter graduate student: lu yun major:

2、electrical engineering supervisor: prof. wang guixing china three gorges university yichang, 443002, p.r.china may, 2015 万方数据 三三 峡峡 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 i 三峡大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果，除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文 中以明确方式标明，本人完全意识到本声明

3、的法律后果由本人承担。 学位论文作者签名： 日 期： 万方数据 三三 峡峡 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 ii 内容摘要 随着新能源户用微电网技术的兴起，光伏储能调节系统被广泛采用。储能调节系 统既可以独立运行又可以接受电力部门的合理调度。电网出现故障或者断电时，储能 系统运行在孤岛模式，为本地负荷提供可靠稳定的的电能。逆变器的控制技术是功率 调节系统中的关键技术之一，本文主要研究微网储能逆变器（pcs）的控制技术。 首先，本文建立了储能逆变器的状态空间平均模型，为以后的分析设计奠定了基 础。 同时在 matlab 的 simulink 搭建了系统的仿真模型， 为硬件电路调试

4、提供指导。 微网储能逆变器可以工作在三种工作模式，分别离网运行模式、并网运行模式和 带本地负载并网模式。微网储能逆变器工作在离网模式时，微网储能逆变系统独立为 本地负载供电，储能逆变器采用电压闭环控制。稳定储能逆变器的输出电压，使得本 地负载不间断正常工作。微网储能逆变器工作在并网模式时，微网储能逆变器与电网 直接相连，电网可视为容量无穷大的交流电压源，微网储能逆变器采用电流控制的方 式。 论文重点分析了双环控制，并进行控制系统建模分析。通过 matlab 对并网和离 网模式以及两种模式之间的相互切换进行仿真， 仿真结果证明了本文所采用的控制方 法的合理性和有效性。 锁相同步技术是并网变换器的

5、一个共性问题， 也是并网变换器控制系统的一个最 基本的问题。 锁相同步电路的性能优劣将直接关系到并网变换器的技术性能和运行稳 定性。本文研究了基于矢量变换的鉴相算法,实现了电网电压相位的实时调整,提高了 锁相同步的快速性。 最后，按照设计要求完成逆变器硬件电路制作、焊接调试及软件编写，对该逆变 系统进行试验。在完成驱动及检测回路测试，逆变器正常工作前提下，分别测试逆变 器在独立运行模式和并网模式下的运行情况。 给出了实验相关测试框图及最终的试验 波形，实验效果良好，满足最终的设计要求。 关键词：关键词： 储能系统储能系统 功率调节系统功率调节系统 并网运行并网运行 独立运行独立运行 单相锁相环

6、单相锁相环 万方数据 三三 峡峡 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 iii abstract with the rapid development of the energy storage technology, energy storage system, with power conditioning system as the interface device, can accept rational management of the power sector to play the role of “load shifting” in the power system

7、; when the grid is out of electric power, the energy storage system can provide stable and reliable power supply for local loads. inverters is the most critical power electronic conversion devices in power conditioning system. in this paper, research on control strategies for inverters operating in

8、various modes is clearly performed. assuming the current of load as disturbance input, continuous state-space model and discrete state-space model of inverter are established. a precise simulation model is also established with matlab software. these models are the bases of farther analysis. micro-g

9、rid inverter has two modes of grid-connected operation and grid-disconnected operation. on the grid-connected operation, photovoltaic micro-grid inverter is connected with electricity, and electricity can be considered infinite capacity of the ac voltage sources, micro-grid inverter with current con

10、trol strategies more appropriate. focus on hysterics current control, and control system modeling analysis. on the grid-disconnected, grid-connected inverter micro important mainly for the local load power supply, with voltage closed loop control is more appropriate. by controlling the output capaci

11、tor voltage, the voltage stability critical loads, and critical load to ensure uninterrupted power supply. by simulation, grid-connected mode and grid-disconnected model have been mutual switched, the simulation results show that the proposed control method is reasonable and effective. the phase-loc

12、ked synchronization technology is a common question in the grid-connected converters， and also is a most basic question in the converter control system. the quality of the phase-locked loop affects directly the performance of the control loops in the connected converter. this paper studies the dq ve

13、ctor transformation phase detector based on phase algorithm, has realized the real-time adjustment of power grid voltage phase, improve the fast phase-locked synchronization. at the end of the paper，according to the design requirements of complete production welding and debugging, hardware and softw

14、are compilation, the test on the inverter system. at the completion of the driving and detection circuit testing, the inverter works under normal condition, the test case respectively for inverter operation in independent operation mode and grid connected mode. the test waveforms and the final exper

15、imental correlation 万方数据 三三 峡峡 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 iv test block diagram is given, the experiment effect is good, meet the requirements of the final design. key words: energy storage system power conditioning system grid connected operation mode independent operation mode single phase locked loo

16、p 万方数据 三三 峡峡 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 v 目录 内容摘要 ii 目录 v 引言 1 1 绪论 2 1.1 微网储能逆变器的概述 2 1.2 逆变器的控制技术 3 1.3 数字化控制技术的研究现状 6 1.4 本文研究的主要内容 7 2 微网储能逆变器的建模与模式控制策略 9 2.1 微网储能逆变器的数学模型 9 2.2 微网逆变器的工作模式 17 2.3 双环控制技术 20 2.4 运行在逆变状态 21 2.5 运行在整流状态 24 2.6 锁相环设计 27 3 系统硬件电路设计 34 3.1 主控板电路设计 34 3.2 电压电流采集电路设计 35 3.3

17、 死区产生电路设计 36 3.4 保护电路设计 37 3.5 主电路及驱动电路 38 3.6 输出滤波器设计 38 4 系统仿真与实验结果 39 5 总结与展望 43 5.1 全文工作总结 43 5.2 进一步工作和展望 43 致谢 44 参考文献 45 附录：攻读硕士学位期间发表的部分学术论著 49 万方数据 三三 峡峡 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 1 引言 不可再生能源的日益匮乏和全球环境的日益恶化使社会的可持续发展受到严重 威胁。为解决这些问题，世界各国开始关注太阳能、风能等可再生能源的开发利用， 并出台了一系列保护和鼓励政策。可再生能源的最大优势就是无污染且永不枯竭

18、，用 可再生能源发电可以大大改善环境，减少雾霾的出现。目前除了发达国家，一些发展 中国家也加入到了研发利用可再生能源发电的分布式发电技术行列中。 分布式发电能 够大幅度减少传输引起的电能线损、提高电能质量和供电可靠性，因此大电网与分布 式发电结合，被认为是改善环境、节约不可再生能源、提高电网可靠性和灵活性的有 效方法 1-3。 为清除分布式电源大规模并网的障碍，充分挖掘分布式发电的效益和价值，削弱 分布式电源对电网的负面影响，专家们提出了微电网(micro-grid)的概念，建立微电 网是当前解决分布式能源并网问题的较佳途径。微电网包含分布式发电单元、控制和 保护单元、储能单元和用电单元等，具

19、有自我控制、管理和保护的能力，是一个完整 的小型发配电系统，兼有并网运行和离网运行两种模式 4-8。 户用光伏储能系统是在此基础上发展起来的， 该系统可将夜间的“谷电”或平日 富余的电能存起来，它不仅可以应对电网中断或大面积停电等突发事件 9-11，而且也 是城市电网削峰填谷的“调度高手”。同时，电池储能系统也可用于风光储系统中， 它将使太阳能、风能等可再生能源的并网发电更趋稳定。 储能逆变器是户用储能系统的核心部件，其性能决定着整个系统的性能。本文主 要研究逆变器的控制策略。 万方数据 三三 峡峡 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 2 1 绪论 电子技术从诞生之日起，就朝两个分

20、支发展：一支是以集成电路为核心，用于信 息处理的微电子技术，其发展特点是集成度越来越高，集成规模越来越大，功能越来 越全；另一支是以电力电子器件为核心，用于电力处理的电力电子技术，其发展特点 是器件越来越多，容量越来越大，性能越来越好。电力电子学是应用于电力领域的电 子学，以电力电子器件对电能进行控制和变换为主要内容，是涉及电子、电气和控制 三大工程领域的交叉边缘学科。电力电子学的研究内容包括以下几个方面 12: (1) 电力电子器件的制造； (2) 电力电子变流方式； (3) 电力电子电路的控制技术。 1.1 微网储能逆变器的概述 逆变器是户用光伏储能系统的核心组成部分。逆变器有多种分类，按

21、直流电源的 性质来分类，逆变器可分为电压型逆变器和电流型逆变器。按逆变器输出交流电能的 频率分， 可分为工频逆变器、 中频逆器和高频逆变器。 工频逆变器的频率为 5060hz 的逆变器；中频逆变器的频率一般为 400hz 到十几 khz；高频逆变器的频率一般为十 几 khz 到 mhz。按照逆变器输出电能的去向分，可分为有源逆变器和无源逆变器。凡 将逆变器输出的电能向工业电网输送的逆变器，称为有源逆变器；凡将逆变器输出的 电能输向某种用电负载的逆变器称为无源逆变器。按逆变器主电路的形式分，可分为 单端式逆变器， 推挽式逆变器、 半桥式逆变器和全桥式逆变器。 依据直流侧电源性质， 逆变器可分为电

22、压型逆变器和电流型逆变器。 电流型的特征就是直流侧采用电感进行 直流储能，从而使直流侧呈现高阻抗的电流源特性。电压型的特征是直流侧采用电容 进行直流储能，从而使直流侧呈低阻抗的电压源特性。若按输出端相数分类，逆变器 可分为单相逆变器和三相逆变器。 其中单相逆变器按结构又可分为半桥逆变器和全桥 逆变器。单相半桥逆变电路是所有复杂逆变电路的基本组成单元。 目前逆变器主要用于两类工业功率控制装置中：一是变压变频逆变器，主要用于 交流调速系统中。这是一种可获得所需要的电压、电流和频率的交流变压变频装置， 简称 vvvf 逆变器。二是恒压恒频逆变器，主要用于 ups 电源、微网电能变换、航空 机载电源和

23、机车辅助电源等应用场合。 这是一种当负载或直流电源在一定范围内波动 时，能保持输出为恒定电压和恒定频率的交流正弦波的电源装置，简称 cvcf 逆变器。 它的控制技术可分为模拟控制和数字控制。由于硬件水平的限制，早期的逆变器 都采用模拟器件来控制。 典型的方法是应用波形发生电路分别产生正弦信号波和三角 载波，两者比较生成 spwm 波，通过驱动电路控制主电路中功率器件的开通和关断。 万方数据 三三 峡峡 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 3 传统模拟控制的局限性为：(1)控制电路复杂，使用元器件多，因器件特性差异造成 各电源特性有所差异，电源的一致性不好；(2)一旦控制方法变动，必

24、须修改硬件控 制板，工作量大，设计周期长；(3)因硬件实现的局限性，控制上主要采用 pid 调节 方法，一些先进的控制方法因无法用模拟电路实现或实现起来非常困难而不能采用。 1.2 逆变器的控制技术 近年来，国内外学者对逆变器的波形控制技术进行了大量卓有成效的研究，提出 了许多控制方案，现综述如下: (1) pid 控制 pid 控制由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于自动控制领域。 早期逆变器的波形控制通常采用模拟 pid 控制，单纯采用输出电压的瞬时值反馈，利 用模拟 pid 控制器进行调节。为提高控制效果，如图 1-1 所示，可以将参考正弦波的 前馈控制与输出电压误差的 pi

25、d 控制结合起来，提高逆变器的动态响应性能，改善输 出波形的质量。由于 pid 控制无法实现对正弦指令的无静差跟踪，实际上往往需要增 设外环均值反馈以保证系统的稳态精度。 pid控制器 前馈控制器 逆变器 参考正弦波 输出电压 反馈 图图 1 1- -1 1 逆变器逆变器 pidpid 控制原理框图控制原理框图 随着 dsp 的出现，逆变器的瞬时值反馈数字 pid 控制成为可能。由于逆变器空载 时有很强的振荡性，积分环节又引入新的相位滞后，为保证系统稳定，比例环节的作 用不能太强；加上数字控制的采样保持、运算时间引入的相位滞后以及量化误差等因 素的影响，减小了最大可得到的脉宽，使得逆变器的输出

26、电压波形畸变较高，特别是 在非线性负载条件下输出电压的 thd 值较大。文献 14提出了一种预测型 pid 控制器， 较好地克服了时间滞后造成的影响。通过各种补偿措施、采用高速 a/d 和高速 dsp 以及提高开关频率的方法可以在一定程度上改善数字 pid 控制的效果， 但方案的性价 比不高。 (2) 双环控制 由于逆变器输出端 lc 滤波器具有欠阻尼二阶频率特性，单环控制对于交流电压 的调节有些力不从心。为改善性能，如图 1-2 所示，可以在 pwm 逆变器电压单环的基 础上增设电感/电容电流内环，利用电流内环快速、及时的抗扰动性能来改善输出波 万方数据 三三 峡峡 大大 学学 硕硕 士士

27、学学 位位 论论 文文 4 形。同时，通过电流内环对被控对象的改造，可以大大简化电压外环的设计 15-16。 电压控制器逆变器 参考正弦波输出电压 电压反馈 电流控制器 电流反馈 图图 1 1- -2 2 逆变器双闭环控制原理框图逆变器双闭环控制原理框图 双闭环控制要求对逆变器在不同控制器参数下的开环和闭环频率特性进行全面 的分析，此外由于电流内环为抑制输出电压和非线性负载的扰动，必须具备足够高的 带宽，才能获得满意的性能，这加大了数字控制器实现的难度。 (3) 状态反馈控制 ups 逆变器对输出波形的要求包括两个方面：高稳态精度；快动态性能。改善逆 变电源动态特性的一个方法是采用双闭环控制方

28、案， 但双环型的控制方案对控制速度 要求较高，实现起来较困难。单就改善动态特性而言，状态反馈不失为一种简单有效 的手段，如图 1-3 所示。 逆变器 输出电压 状态反馈 参考正弦波 图图 1 1- -3 3 逆变器状态反馈控制原理框图逆变器状态反馈控制原理框图 状态反馈控制利用状态反馈实现了逆变器系统极点的优化配置， 输出具有良好的 瞬态响应效果 17。 该方法可以明显的改善系统的动态性能， 减少过渡过程的响应时间。 但这种方法对系统稳态指标的影响不大，对各种干扰引起的波形畸变抑制能力较差。 (4) 无差拍控制 状态变量的无差拍控制最早是由 kalman 于 1959 年提出。1985 年，g

29、okhale 在 pesc 年会上提出将无差拍控制应用于逆变器控制 18，逆变器的无差拍控制才引起了 广泛的重视。无差拍控制是一种基于电路方程的控制方式，它利用状态反馈实现零点 和极点的对消，并配置极点于原点，如图 1-4 所示 19。 万方数据 三三 峡峡 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 5 无差拍控制器逆变器 参考正弦波 输出电压 状态反馈 图图 1 1- -4 4 逆变器无差拍控制原理框图逆变器无差拍控制原理框图 无差拍控制有其自身的局限性：(1)由于采样和计算时间的延迟，输出脉冲的占 空比受到很大限制。(2)对系统参数的变化反应灵敏，系统的鲁棒性差。对于采样和 计算延时

30、的影响， 一种方法是通过修改输出脉冲方式的方法来减小计算延时造成的占 空比局限。另一种方法是通过状态观测器对系统状态提前进行预测，用观测值替代实 际值进行控制，从而避免了采样和计算延时对系绕的影响。 为了提高系统的鲁棒性， 一种方法是采用负载电流预测方法来减小负载变动对电 源输出的影响，但实际改善的程度有限。另一种可行的方法是对系统参数进行在线辨 识，从而实时确定控制器参数，以达到良好的控制效果。但是，在线系统辨识的计算 复杂度和存储量都非常大，一般的微处理器很难在很短的时间内完成。到目前为止， 没有一种比较好的方法来解决逆变器无差拍控制鲁棒性差的问题。 (5) 重复控制 虽然以上各种 ups

31、 逆变器的控制方法在系统中都获得了良好的应用， 但它们有一 个共同的特点，对线性负载的适应能力都很好，但对于非线性负载，输出电压的畸变 率却很高。为了消除非线性负载对逆变器输出的影响，在 ups 逆变器控制中引入了重 复控制技术。 haneyoshi 及 kawamura 等人首先在 pwm 逆变器中采用重复控制消除周期 性畸变。后来，邹应屿等人进一步完善了逆变器的重复控制理论，给出了一种重复控 制器的设计方法，提出了一种自适应重复控制的策略。 重复控制是一种基于内模原理的控制方法，如图 1-5 所示，它的突出特点是稳态 特性好，控制鲁棒性强 20。 重复控制器 前馈控制器 逆变器 输出电压

32、反馈 参考正弦波 图图 1 1- -5 5 逆变器重复控制原理框图逆变器重复控制原理框图 但重复控制有一个致命的弱点， 就是它的控制实时性差， 动态响应速度慢。 因此， 重复控制一般都不单独而是与其它控制方式相结合，共同来提高整个系统的性能。 万方数据 三三 峡峡 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 6 (6)滑模变结构控制、神经网络控制、模糊控制 滑模变结构控制理论起于五十年代， 它最显著的特点是对参数变动和外部扰动不 敏感，困此非常适用于闭环反馈控制的电能变换器 21。早期的滑模变结构控制器采用 模拟电路实现，广泛应用于电力拖动系统及正弦波逆变器中。九十年代中后期，台湾 的邹应

33、屿和香港大学的 l.k.wang 等人将离散滑模变结构控制理论应用到 ups 逆变器 中。滑模变结构控制实质上是一种非连续的开关控制方法，它强迫系统的跟踪误差及 其导数运行于相平面的一条固定的滑模曲线上，与系统参数变动及外部扰动无关，系 统有极强的鲁棒性。但是，就波形跟踪质量来说，滑模控制不及重复控制。 神经网络控制是近几年来兴起的一种智能控制方式。 它模仿人的大脑实现对系统 的控制。它的最大优点是不仅适用于线性系统，而且对非线性系统也适用，而大多数 系统(包括 ups 逆变电源系统)或多或少的都带有非线性因素。90 年代初，日本的 yoshihisa 等人将人工神经网络技术应用到逆变器中，构

34、成一个数字电流调节器。 1999 年的 peds 年会上，神经网络技术被应用到 ups 逆变器输出波形控制上。由于硬 件系统的限制，目前还不能实现在线神经网络波形控制，多数应用都是采用离线学习 获得优化的控制规律，然后利用得到的规律实现系统的在线控制。 模糊控制，主要是模糊 pid 控制，是为了解决传统 pid 控制鲁棒性差的问题而提 出的一种智能控制策略。 它首先将输入的精确量(一般为跟踪误差及其导数)转换为模 糊量，根据专家经验总结的语言规则进行模糊推理，根据推理结果确定当前情况下最 适合的 pid 控制器参数。模糊控制系统就像一个有经验的专家一样，能根据实际情况 变动控制器参数，因此大大

35、提高了控制系统的鲁棒性，改善了 ups 逆变器系统对非线 性负载的适应能力。 1.3 数字化控制技术的研究现状 1.3.1国内外微网储能逆变器研究现状 微网储能逆变器研制的市场主要是欧洲的德国， 日本及其他煤炭资源匮乏的发达 国家。尤其是在欧洲从 2000 年开始，德国的上网电价政策促进了本国市场发展，截 至 2012 年底，德国光伏发电累计装机容量达 32.3gw，其中仅 2012 年一年就新增装 机 7.6gw，德国连续多年保持了全球光伏发电第一大国的地位。日本大地震引发福岛 核泄漏危机之后，电力不足引发的不安笼罩着日本老百姓的生活。这迫使日本民众脱 离国家电网的控制，实现能源的自给自足。

36、作为一个地区特例，日本的家庭储能市场 驱动力可见一斑，这也成为各大厂商争相抢占的成熟市场之一。日本市场现阶段主要 产品有京瓷 kyocera、松下 panasonic、索尼 sony、eliiypower、东芝 toshiba、nec 和 byd 比亚迪等公司的产品。 相对来说，国内储能逆变器的市场很小，但近些年一些地方也开始应用。家庭微 万方数据 三三 峡峡 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 7 网系统拥有最基本的应急电源属性，这也为其开辟了边远山区，城乡结合部等电力供 应不稳定地区的市场。特别是在中国等发展中国家，电力供应的不稳定性造就的家庭 储能市场规模将是很大的一个市场。

37、 1.3.2国内外微网储能逆变器技术现状 近年来在美国，日本和欧盟各国,分布式发电技术的研究与应用均得到了快速的 发展,同时又非常重视分布式发电发展及其给电网带来的系统稳定、电能质量等方面 的问题,并制定了严格的分布式发电并网相关标准 22。国外研究起步比较早，如今研 究出来的逆变器性能和可靠性都已经达到了很高的水平， 技术代表产品有瑞士公司研 制的 xtuder 逆变器。在国内，微网储能逆变器的数字控制技术也是热门技术，各大 高校、科研研究所，电气设备公司都积极投身于逆变器数字控制技术的研究。我国对 此项研究也给于了大量的支持,在国家 863 和 973 计划中都分别开设了微网的研究课 题。

38、其中具有代表性的是合肥阳光电源和比亚迪研究的储能逆变器，也都达到了国际 一流水平。储能逆变器广阔的市场以及其中包含的实用技术，特别是数字化控制方面 的研究，有十分重要的理论意义和实际价值。 1.4 本文研究的主要内容 关于 pcs 系统中逆变器并网运行、独立运行和并联运行的控制方法，学者和科研 单位都做了大量的研究工作，工程中也有大量成功应用的实例。本文主要针对 pcs 系统中逆变器并网运行时控制方法的选择及控制器的设计等问题、 独立运行时系统稳 态、动态特性、控制方法及控制器设计等问题、逆变器并联均流控制策略等问题展开 深入研究。主要工作分为以下几个部分： 第一章介绍了逆变技术的现状和发展趋

39、势， 对分布式发电技术及应用于其中的并 网发电技术进行了阐述，然后重点介绍了逆变器的控制技术，尤其是数字控制策略。 第二章中建立了 pwm 逆变器包括连续状态空间和离散状态空间的数学模型， 为后 续研究打下基础；详细分析了逆变器的独立运行，并网运行和带本地负载并网运行三 种工作模式模式和相对应的控制策略。基于 dq 矢量变换的鉴相算法，设计了逆变器 锁相方案，介绍各个部分的工作原理。 第三章介绍了系统硬件设计电路图，分别对逆变器控制电路，驱动电路，电压电 流检测电路，信号调理电路和保护电路进行了原理分析和电路设计，并给出了具体实 验参数。 第四章以 matlab 作为仿真工具，在 simuli

40、nk 环境中建立了逆变器主电路、电压 前馈电路、系统调制、pwm 脉冲调制电路的仿真模型，并对其仿真结果进行了分析。 第五章对本文所做工作的总结和后续研究的展望。 以上控制方法均在相应的实验 万方数据 三三 峡峡 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 8 装置上进行了实验验证， 实验结果显示所采用的控制方法以及所设计的控制其参数能 保证 pcs 系统安全稳定运行，并具有较好的稳态和动态特性。文章最后对所做的工作 进行了归纳和总结，对需要进一步展开的研究和工作进行了展望。 万方数据 三三 峡峡 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 9 2 微网储能逆变器的建模与模式控制策略

41、建立微网储能逆变器的数学模型，是后续仿真与设计实验的的基础，为调试提供 指导， 快速定位问题。 微网储能逆变的主电路的开关管工作在开关状态是非线性系统， 后面滤波电路是线性系统，线性系统与非线性系统的夹杂，加大了建立控制器数学模 型的难度。目前主流的分析方法有两种分别是软件数字仿真法和解析建模法。软件数 字仿真法按照原理搭建系统的仿真电路，反复修改参数，仿真出微网储能逆变器特性 和稳定参数。 这种仿真门槛低入门快， 通过经验凑试结构但是物理意义不明确不清晰。 而数学解析建模法，首先确定系统的参数和扰动变量，建立一个恰当的数学模型，用 控制理论的方法求解出微网储能逆变器的模型物理表达公式。 建立

42、的数学模型来分析 理解的建模方法意义非常明确、 论据充分。 可以通过建立的模型调节控制系统的参数， 方向明确快速调试出系统要求的设计目标和性能。 通常采用状态空间平均模型建立逆 变器的数学模型 22。 状态空间平均模型的必要条件是系统的周期和滤波器谐振周期远小于开关周期。 满足上述条件，单个开关周期内的瞬时值可以用相关的平均值等效代替，用这个种办 法建立系统的状态空间平均模型。 通过这种等效替换可以将非线性系统转变成我们熟 知的线性系统。这样大大降低的系统的分析难度，通过频域分析法分析和校正，为设 计实验提供的方向性指导。 2.1 微网储能逆变器的数学模型 2.1.1 主电路电路拓扑 逆变器主

43、电路拓扑可以分为以下两种类型分别是高频变压器隔离型和工频变压 器隔离型。工频隔离型由于有变压器的存在可以起到电流抑制的作用，过载抗冲击的 能力强，不容易炸管子。 图图 2.1 工频工频隔离隔离型型逆变器拓扑原理图逆变器拓扑原理图 同时文献研究表明， 只有在额定负载高频逆变器的的效率才会高于工频逆变器的 效率。在额度负载以下，工频逆变器的效率都高于高频变压器，如下图 2.2 所示 万方数据 三三 峡峡 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 10 图图 2.2 工频工频隔离隔离型型逆变器逆变器与高频变压器隔离型效率对比与高频变压器隔离型效率对比 2.1.2 调制策略 微网储能逆变器的主要

44、调制方式有双极性、单极性、多电平、交错、单极倍频和 空间矢量等方式。单向系统单极倍频调制方式等效提高了系统的开关频率，可以降后 面低滤波器的截止频率的要求，从而可以减小系统装置的体积和重量 2325。 万方数据 三三 峡峡 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 11 图图 2 2.3 .3 单极倍频的单极倍频的调制调制方法框方法框图图 具体的调制规则为： 时，为正，导通，关断。 时，为负，关断，导通。 时，为正，导通，关断。 时，vb 为负，截止，导通。 图图 2.4 2.4 单极倍频单极倍频调试调试方式方式图图 从图 2.4 中可以看出， 与单极性和双极性相比 1 个三角载波周期内

45、有两个输出脉 冲，等效开关频率提高了一倍,降低了系统的主电路开关损耗。 万方数据 三三 峡峡 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 12 2.1.3 电流跟踪技术 可以用滞环比较的方式和三角波的比较的方式方法进行对电流的控制。 相对简单 的是滞环比较的方法，直接把目标与指令电流比较。目标与指令信号相比，当目标大 于指令时，开通管子。当目标小于指令时，管断管子。滞环的环宽是设定目标与采用 反馈值的差值。设计环宽比较宽时，跟踪性能不好，开关的频率也不高，设计的环宽 窄会导致开关频率过高系统的开关损耗会大大增加。它的优点是硬件电路设计简单， 电流跟踪速度快。缺点是谐波的频率不固定，滤波器难

46、以设计。 负载 l + - i i i* vd1 vd2 v1 v2 2 ud 2 ud 图图 2.5 2.5 滞环法滞环法电流跟踪电流跟踪的原理图的原理图 ot i ii* +? ?i i* - ? ?i i* 图图 2.6 2.6 滞环法设定滞环法设定电流电流和反馈和反馈电流电流 采用三角波跟踪电流技术时，先把指令电流和检测电流做差，同过误差放大器放 大在和三角波电路进行比较，产生控制信号。误差放大器具备 pi 调节功能。它的优 点是三角波比较电路载波频率固定，所含谐波的频率也相对固定，滤波器设计简单。 电路较滞环比较的方式稍显复杂。鉴于三角波比较方式开关频率固定的优点，本文采 用三角波比

47、较方式。 万方数据 三三 峡峡 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 13 图6-27 负 载 + - iu i*u + - iv i*v + - iw i*w ud c+ - c+ - c+ - 三相三角波 发生电路 a a a 图 2.7 三角波法电流跟踪原理图 图 2.7 三角波法电流跟踪原理图 2.1.4 数学模型建立 微网储能逆变器主电路结构图如图 2.8 所示，其中 s1-s4 为主电路开关管。lc 分别为滤波电感和滤波电容，负载为 zl。对于负载模型的考虑，由于实际负载类型 多种多样，为了避免因为负载不同带来的影响，把负载电流处理为逆变器的外部扰动 输入量。 s3 s4

48、 l c s1 s2 a b i1 ic zl io vc r ud u1 图 2.8 微网储能逆变器主电路原理图 图 2.8 微网储能逆变器主电路原理图 取微网储能逆变器的滤波电感电流 0 i 和输出电容的电压 c v 为系统的状态变量， 则由图 2-6 可列出如下状态方程为： * 00 0 11 1 100 uu- c =+ic 1 ii1r 0- l ll u (2.1) 其中 * d u= u (2s - 1) (2.2) zkq 20150910 万方数据 三三 峡峡 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 14 * s=1 表示储能逆变器上下开关管轮流导通的开关函数， d

49、u 为储能电池电压 的幅值。 微网储能逆变器的主电路四个开关管 s1-s4 工作在通与断的状态， 本质上是一个 非线性系统。主电路后面的滤波、检测、反馈电路是线性系统，工作在连续状态。因 此，储能逆变器是由线性和非线性两个部分组成。经典理论中的分段线性的方法可以 解决微网储能逆变器的非线性问题，在实际操作中相当复杂和繁琐、实现难度大。电 力电子设备工程应用中通常运用状态空间平均法来简化运算分析过程。 状态空间平均 法是采用一个周期内平均等效的思路忽略周期内的暂态过程。 这种思路便于很容易理 解，而且在实际运用获得的模型准确有效，因此被广泛采用。在微网储能逆变器的开 关频率大大小于逆变器的输出频

50、率前提下，可以用线性模型将非线性的开关周期等 效，从而转变成我们熟知的经典控制理论知识的范畴。微网储能逆变器的截止频率由 滤波电感和滤波电容计算可以得出，与系统的开关频率相比小得多，因此这种等效能 够成立，大大简化了控制系统的模型。由于做了等效处理，故不能用来分析系统细节 局部的波形，是状态空间平均模型的缺点。 微网储能逆变器的状态方程的系数是一个常数，把非线性变量平均等效的方法， 代入公式（2.1）就可以推导出状态空间模型。其中 * u 可以用规则采样法求出。调制 信号是按照正弦规律分布排列的，如图 2.9，采用规则采样法。 s t 是采样周期，为占空宽度， c v 是三角载波幅值， mt

51、v sin 是调制波，其幅值为 m v 。设正弦 调制信号波为 sin rr umt 式中，m 为调制度，0m=uin/0.01 uin 图图 3 3.3 .3 电压电压检测电路图检测电路图 3.3 死区产生电路设计 微网储能逆变器的主电路上下桥臂为了避免直通，需要加死区发生电路。通过与 非门和 rcd 充放电的配合，产生死区。 图图 3 3.4.4 死区死区产生电路产生电路 万方数据 三三 峡峡 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 37 3.4 保护电路设计 为了保障系统正常工作，设计了如下保护电路。保护对象有主电路的 mosfet 管，直流侧电压，交流侧电压与欠压，交流侧过流。

52、为了防止系统因过流，造成电路 烧坏设计如下电流窗口比较电路。 r5 10k r6 10k r7 5.6k r12 10k +12 r11 10k -12 c26 1n c23 1n c24 100n c20 100n -12 +12 3 1 12 7 6 1 u6a lm339j 312 4 5 2 2 u6b lm339j -12 471 c25 4.7k r8 d2 3.3v r4 10k r10 10k r9 4.7k a_out c_over 图图 3 3.5 .5 窗口比较电路窗口比较电路 过压、 过流、 欠压三路信号通过 cd4075 三输入与门， 输入到 cd4013 的置位端。

53、 cd4013 里面合成了两个 d 触发器，给 5v 时它的置位端与复位端信号使能有用。当 系统上电时这一瞬间电容 c21 相当于短路，所有的 5v 电压都加在 cd4013 的 rst 引脚，10 脚输入高电平产生复位指令 q 输出低电平，三极管 8050 截止继电器工作在 常闭状态。一旦有过压，过流或者欠压信号三输入与门 9 腿输出高电平到 cd4013 的 set 引脚，产生置指令 q 输出搞电平，三极管 8050 导通继电器工作在吸和断开主电 路，起到保护作用。 图图 3 3.6 .6 继电器保护部分继电器保护部分电路电路 万方数据 三三 峡峡 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 38 3.5 主电路及驱动电路 微网储能逆变器的主电路开关管既有高端驱动又有低端驱动， 驱动电路可以用光 耦或者驱动芯片直