大功率光伏逆變器建模與控制

畢業(yè)設計〔論文〕任務書〔2023屆〕設計題目大功率光伏逆變器建模與控制學院名稱繼續(xù)教育學院專業(yè)〔班級〕2023級電氣工程及其自動化姓名〔學號〕宋玉〔2023816019〕指導教師王付勝目錄英文摘要 HYPERLINK2英文摘要31緒論４1.1光伏并網逆變器概述４1.1.2光伏產業(yè)崛起的背景及意義４1.1.2光伏并網逆變器技術的作用與開展歷程４1.1.3光伏并網逆變器的分類５1.2國內外開展現(xiàn)狀及趨勢６1.2.1國外開展現(xiàn)狀６1.2.2國內開展現(xiàn)狀６1.2.3開展趨勢６1.3PWM控制技術簡介７1.3.1PWM控制的根本原理７1.3.2SVPWM控制簡介８1.4本課題的主要研究內容與意義８1.4.1課題的主要研究內容８1.4.2課題的意義９2三相光伏并網逆變器的數(shù)學模型及坐標變換原理９2.1三相光伏并網逆變器在靜止坐標系下的數(shù)學模型９電路拓撲結構及建模假定條件９2.1.2三相靜止坐標系下的數(shù)學模型９2.2同步旋轉坐標變換(dq變換)原理與方法９2.2.1dq坐標與三相靜止坐標的關系圖１０2.2.2dq坐標變換的方法１０2.3三相光伏并網逆變器在兩相旋轉坐標系下的數(shù)學模型１０3三相光伏并網逆變器的控制策略１０3.1三相并網逆變器的開環(huán)控制１０3.1.1無源逆變的模型及仿真１０3.1.2有源逆變的模型及仿真１１3.1.3SVPWM的根本原理與算法實現(xiàn)１１3.2三相并網逆變器的閉環(huán)控制１５3.2.1閉環(huán)控制模型的建立１６3.2.2PI電流調節(jié)器的設計１６3.2.3MPPT控制的根本原理與控制方法１７3.2.4閉環(huán)控制系統(tǒng)的仿真實現(xiàn)與結果分析１９4結論２２4.1全文總結２２4.2尚待完善的工作２２謝辭２３參考文獻２４中文摘要：隨著市場經濟和現(xiàn)代化工業(yè)的開展，能源短缺和環(huán)境污染，已經成為制約人類社會健康開展的兩大重要因素。新能源的開發(fā)與利用愈來愈受到重視，太陽能以其清潔環(huán)保、蘊藏豐富等優(yōu)點逐步得到了開發(fā)利用。光伏并網逆變器作為太陽能利用中主要的能量變換裝置，是目前研究和開展的重要環(huán)節(jié)。本文在分析三相光伏并網逆變器工作原理的根底上，設計了并網逆變器的主電路和控制結構。首先，概述了光伏發(fā)電的意義以及我國光伏產業(yè)的國內外的開展現(xiàn)狀及前景；介紹了PWM控制技術的原理:介紹了本課題的來源及其主要研究的內容。接著，建立三相光伏并網逆變器在不同坐標系下的數(shù)學模型，重點分析三相靜止坐標系〔a-b-c〕、兩相靜止坐標系〔α-β〕和兩相旋轉坐標系〔d-q〕之間的變換原理和方法,從而建立起三相靜止坐標系和兩相旋轉坐標系下的數(shù)學模型。隨后，介紹三相并網逆變器的控制策略，以開環(huán)控制為根底，分別建立無源逆變和有源逆變的模型，分析其原理和在matlab軟件中的仿真結果；同時詳細介紹SVPWM控制原理和計算方法，建立起SVPWM控制模塊，從而進一步建立雙閉環(huán)控制模型，對兩相旋轉坐標系下的id，iq分別進行控制，詳細介紹電流內環(huán)PI調節(jié)器的整定方法，分別對其參數(shù)進行整定，分析MPPT控制器的工作原理，得出最終的系統(tǒng)模型，在軟件中實現(xiàn)仿真，并對結果進行詳細分析。最后，對三相光伏并網逆變器的設計過程進行總結，闡述已達成的目標和尚待完善的工作。關鍵詞：光伏并網逆變器；SVPWM；雙閉環(huán)控制；dq坐標變換英文摘要：Alongwithmarketeconomyandmodernindustrialdevelopment,theenergyshortageandenvironmentalpollution,hasrestrictedthehealthydevelopmentofhumansociety,woimportantfactors.Newenergydevelopmentandutilizationofsolarenergy,moreattentionwithitscleanenvironmentalprotection,richgraduallygottheadvantagesofexploitation.Photovoltaic(pv)gridinverterassolarenergyutilizationofenergyconversiondevicesmainatpresent,itistheimportantlinkofresearchanddevelopment.Basedontheanalysisofthethree-phasephotovoltaic(pv)gridinverter,thebasicprincipleofdesignthegridinverterthemaincircuitandcontrolstructure.First,summarizedthesignificanceandphotovoltaicenergyphotovoltaicindustryathomeandabroadinthedevelopingsituationandprospects;IntroducestheprincipleofPWMcontroltechnology,;Introducedthistopicsourceandthemainresearchcontents.Then,establishthree-phasephotovoltaic(pv)gridinverterindifferentcoordinatesandfocusesonanalyzingthemathematicalmodelofthethree-phasestaticcoordinatesystem(a-b-c),two-phasestaticcoordinatesystem(alphabeta)andtwophaserotationcoordinatesystem(d-q)betweentransformprincipleandmethodToestablishthethree-phasestaticcoordinatesystemandtwo-phasemathematicalmodelofrotatingcoordinates.Subsequently,introducethree-phasegridinvertercontrolstrategy,withtheopen-loopcontrolestablishedrespectivelyforthefoundation,passiveandactivevsimodel,andanalyzesitsinverterinthematlabsoftwareprincipleandthesimulationresults;MeanwhiledetailedintroductionSVPWMcontrolprincipleandcalculationmethod,establishesSVPWMcontrolmodule.Furtherestablishdoubleclosed-loopcontrolmodel,Ontwo-phaserotatingcoordinateid,iqseparatelycontrol，thedetailedintroductionofeletriccircuit.andthePIadjuster,settingmethodofitsparametersweresetting,Analysisoftheworkingprinciple,MPPTcontroller,thesystemmodel,obtainthefinalrealizationinsoftwaresimulation,andtheresultsareanalyzedindetail.Finally,thethree-phasephotovoltaic(pv)gridinverterdesignprocessweresummarizedinthispaper，Alreadygoalofthiswork.Astoperfectthemonk.Keywords：Photovoltaic(pv)gridinverter;SVPWM;Closedloopcontrol;Dqcoordinatetransformation1緒論1.1光伏并網逆變器概述1.1.2光伏產業(yè)崛起的背景及意義能源是人類社會存在和開展的重要物質根底。人類社會的可持續(xù)開展必然需要與之相適應的能源體系作為保障。而目前世界的能源結構是以煤炭、石油、天然氣等化石能源為主體結構。化石能源是不可再生的能源，大量耗用終將枯竭。多年來，依賴大量不可再生能源的消耗來換取人類社會的快速開展，已經造成了嚴重的能源短缺和環(huán)境污染問題。長此以往，這必將給人類文明的前景蒙上一層陰影。因此，大力開展清潔的可再生能源已經成為當務之急。太陽能光伏發(fā)電作為一種清潔、無噪聲的可再生能源越來越受到人們的青睞。光伏產業(yè)的迅速崛起對緩解能源的短缺、生態(tài)的破壞、環(huán)境的污染以及對人類社會的可持續(xù)開展都有著極其重要的意義。1.1.2光伏并網逆變器技術的作用與開展歷程據(jù)統(tǒng)計資料顯示，目前光伏發(fā)電系統(tǒng)中，接近99%的安裝容量為并網應用，這是因為并網應用相對獨立光伏系統(tǒng)有本錢低和免維護等優(yōu)勢，并網式光伏發(fā)電系統(tǒng)是當今開展方向，全世界并網式光伏系統(tǒng)年增長率約為25-30%。并網逆變器作為光伏電池與電網的接口裝置，將光伏電池的電能轉換成交流電能并傳輸?shù)诫娋W上，在光伏并網發(fā)電系統(tǒng)中起著至關重要的作用，現(xiàn)代逆變技術為光伏并網發(fā)電的開展提供了強有力的技術和理論支持。并網逆變器正朝著高效率、高功率密度、高可靠性、智能化的方向開展。并網逆變器性能的改良對于提高系統(tǒng)的效率、可靠性，提高系統(tǒng)的壽命、降低本錢至關重要。并網逆變器性能的改良對于提高系統(tǒng)的效率、可靠性，提高系統(tǒng)的壽命、降低本錢至關重要。逆變器技術開展歷程逆變器技術的開展始終與功率器件及其控制技術的開展緊密結合，從開始開展至今經歷了五個階段：第一階段：20世紀50-60年代，晶閘管SCR的誕生為正弦波逆變器的開展創(chuàng)造了條件；第二階段：20世紀70年代，可關斷晶閘管GTO及雙極型晶體管BJT的問世，使得逆變技術得到發(fā)展和應用；第三階段：20世紀80年代，功率場效應管、絕緣柵型晶體管、MOS控制晶閘管等功率器件的誕生為逆變器向大容量方向開展奠定了根底。

第四階段：世紀90年代，微電子技術的開展使新近的控制技術如矢量控制技術、多電平變換技術、20重復控制、模糊控制等技術在逆變領域得到了較好的應用，極大的促進了逆變器技術的開展；

第五階段：21世紀初，逆變技術的開展隨著電力電子技術、微電子技術和現(xiàn)代控制理論的進步不斷改進，逆變技術正朝著高頻化、高效率、高功率密度、高可靠性、智能化的方向開展。1.1.3光伏并網逆變器的分類光伏并網逆變器可以按照拓撲結構、隔離方式、輸出相數(shù)、功率等級、功率流向等進行分類。按照拓撲結構分類，目前采用的拓撲結構包括：全橋逆變拓撲、半橋逆變拓撲、多電平逆變拓撲、推挽逆變拓撲、正激逆變拓撲、反激逆變拓撲等，其中高壓大功率光伏并網逆變器可采用多電平逆變拓撲，中等功率光伏并網逆變器多采用全橋、半橋逆變拓撲，小功率光伏并網逆變器采用正激、反激逆變拓撲。按照隔離方式分類包括隔離式和非隔離式兩類，其中隔離式并網逆變器又分為工頻變壓器隔離方式和高頻變壓器隔離方式，光伏并網逆變器開展之初多采用工頻變壓器隔離的方式，但由于其體積、重量、本錢方面的明顯缺陷，近年來高頻變壓器隔離方式的并網逆變器開展較快，非隔離式并網逆變器以其高效率、控制簡單等優(yōu)勢也逐漸獲得認可，目前已經在歐洲開始推廣應用，但需要解決可靠性、共模電流等關鍵問題。按照輸出相數(shù)可以分為單相和三相并網逆變器兩類，中小功率場合一般多采用單相方式，大功率場合多采用三相并網逆變器。按照功率等級進行分類，可分為功率小于1kVA的小功率并網逆變器，功率等級1kVA~50kVA的中等功率并網逆變器和50kVA以上的大功率并網逆變器。從光伏并網逆變器開展至今，開展最為成熟的屬于中等功率的并網逆變器，目前已經實現(xiàn)商業(yè)化批量生產，技術趨于成熟，光伏并網逆變器未來的開展將是小功率微逆變器也即光伏模塊集成逆變器和大功率并網逆變器兩個方向并行。微逆變器在光伏建筑集成發(fā)電系統(tǒng)、城市居民發(fā)電系統(tǒng)、中小規(guī)模光伏電站有其獨特的優(yōu)勢，大功率光伏并網逆變器在大規(guī)模光伏電站，如沙漠光伏電站，等系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢。按照功率流向進行分類，分為單方向功率流并網逆變器和雙方向功率流并網逆變器兩類，單向功率流并網逆變器僅用作并網發(fā)電，雙向功率流并網逆變器除可用作并網發(fā)電外，還能用作整流器，改善電網電壓質量和負載功率因素，近幾年雙向功率流并網逆變器開始獲得關注，是未來的開展方向之一。未來的光伏并網逆變器將集并網發(fā)電、無功補償、有源濾波等功能與一身，在白天有陽光時實現(xiàn)并網發(fā)電，夜晚用電時實現(xiàn)無功補償、有源濾波等功能。1.2國內外開展現(xiàn)狀及趨勢1.2.1國外開展現(xiàn)狀近幾年，隨著西班牙、德國、美國、日本對本國光伏產業(yè)的政策扶持，全球光伏發(fā)電逆變器的銷售額逐年遞增，光伏發(fā)電用逆變器進入了一個快速增長的階段。但目前全球光伏逆變器市場根本被國際幾大巨頭瓜分，歐洲式全球光伏市場的先驅，具備完善的光伏產業(yè)鏈，光伏逆變器技術處于世界領先地位。SMA是全球最早也是最大的光伏逆變器生產企業(yè)〔德國市場占有率達50%以上〕，約占全球市場份額的三分之一，第二位是Fronius。全球前七位的生產企業(yè)占領了近70%的市場份額。1.2.2國內開展現(xiàn)狀目前國內光伏并網逆變器市場規(guī)模較小，國內生產逆變器的廠商眾多，但專門用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的逆變器制造商并不多，但是不少國內企業(yè)已經在逆變器行業(yè)已經研究多年，已經具備一定的規(guī)模和競爭力，但在逆變器技術質量、規(guī)模上與國外企業(yè)仍具有較大差距，目前具有較大規(guī)模的廠商有合肥陽光、北京科諾偉業(yè)、北京索英、志誠冠軍、南京冠亞、上海英偉力新能源科技等企業(yè)。目前這些企業(yè)用于光伏系統(tǒng)的產量呈逐年上升的趨勢。國內市場規(guī)模雖然較小，但未來光伏電站市場的巨大開展空間和開展?jié)摿o國內企業(yè)帶來開展的歷史機遇。目前國內光伏逆變器主要被陽光電源、艾思瑪、KACO等品牌所占領，國外企業(yè)多數(shù)通過代理渠道進入國內市場，由于售后效勞提供難度大整體市場占有率不高。2023年統(tǒng)計數(shù)字顯示，合肥陽光電源公司占據(jù)70%以上的光伏逆變器市場份額，國內重點光伏工程大功率產品幾乎全部選用國內產品。從技術方面來看，國內企業(yè)在轉換效率、結構工藝、智能化程度、穩(wěn)定性等方面與國外先進水平仍有一定差距，目前我國在小功率逆變器技術上與國外處于同一水平，在大功率并網逆變器上，大功率并網逆變器仍需進一步開展。1.2.3開展趨勢從技術層面來講，大功率并網逆變器和小功率并網逆變器是未來的兩個主要開展方向，其中小功率光伏并網逆變器——微逆變器是最具開展?jié)摿褪袌鰬们熬暗拈_展方向，高頻化、高效率、高功率密度、高可靠性和高度智能化是未來的開展方向。從市場層面來講，國外光伏企業(yè)起步早、技術成熟，在市場上占據(jù)了主導地位，國內下游光伏系統(tǒng)市場規(guī)模仍較小，但未來的開展?jié)摿薮?，使得眾多國際光伏企業(yè)紛紛搶灘國內市場，國內企業(yè)近幾年開展勢頭迅猛，占領了國內市場的主要份額。未來國內市場將是眾多光伏并網逆變器企業(yè)爭奪的焦點。1.3PWM控制技術簡介PWM〔PulseWidthModulation〕控制技術就是對脈沖的寬度進行調制的技術，即通過對一系列脈沖的寬度進行調制，來等效的獲得所需要的波形〔含形狀和幅值〕。1.3.1PWM控制的根本原理脈寬調制〔PWM〕控制方式就是對逆變電路開關器件的通斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或所需要的波形。也就是在輸出波形的半個周期中產生多個脈沖，使各脈沖的等值電壓為正弦波形，所獲得的輸出平滑且低次斜波諧波少。按一定的規(guī)那么對各脈沖的寬度進行調制，即可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。

在采樣控制理論中有一個重要的結論，即沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上，其效果根本相同。沖量既指窄脈沖的面積。這里所說的效果根本相同。是指該環(huán)節(jié)的輸出響應波形根本相同。如把各輸出波形用傅里葉變換分析，那么它們的低頻段特性非常接近，僅在高頻段略有差異。

根據(jù)上面理論我們就可以用不同寬度的矩形波來代替正弦波，通過對矩形波的控制來模擬輸出不同頻率的正弦波。

例如，把正弦半波波形分成N等份，就可把正弦半波看成由N個彼此相連的脈沖所組成的波形。這些脈沖寬度相等，都等于∏／n，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替，使矩形脈沖的中點和相應正弦等分的中點重合，且使矩形脈沖和相應正弦局部面積〔即沖量〕相等，就得到一組脈沖序列，這就是PWM波形?？梢钥闯觯髅}沖寬度是按正弦規(guī)律變化的。根據(jù)沖量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。對于正弦的負半周，也可以用同樣的方法得到PWM波形。

在PWM波形中，各脈沖的幅值是相等的，要改變等效輸出正弦波的幅值時，只要按同一比例系數(shù)改變各脈沖的寬度即可。根據(jù)上述原理，在給出了正弦波頻率，幅值和半個周期內的脈沖數(shù)后，PWM波形各脈沖的寬度和間隔就可以準確計算出來。按照計算結果控制電路中各開關器件的通斷，就可以得到所需要的PWM波形.1.3.2SVPWM控制簡介SVPWM是近年開展的一種比擬新穎的控制方法，是由三相功率逆變器的六個功率開關元件組成的特定開關模式產生的脈寬調制波，能夠使輸出電流波形盡可能接近于理想的正弦波形?？臻g電壓矢量PWM與傳統(tǒng)的正弦PWM不同，它是從三相輸出電壓的整體效果出發(fā)，著眼于如何使電機獲得理想圓形磁鏈軌跡。SVPWM技術與SPWM相比擬，繞組電流波形的諧波成分小，使得電機轉矩脈動降低，旋轉磁場更逼近圓形，而且使直流母線電壓的利用率有了很大提高，且更易于實現(xiàn)數(shù)字化。SVPWM的理論根底是平均值等效原理，即在一個開關周期內通過對根本電壓矢量加以組合，使其平均值與給定電壓矢量相等。在某個時刻，電壓矢量旋轉到某個區(qū)域中，可由組成這個區(qū)域的兩個相鄰的非零矢量和零矢量在時間上的不同組合來得到。兩個矢量的作用時間在一個采樣周期內分屢次施加，從而控制各個電壓矢量的作用時間，使電壓空間矢量接近按圓軌跡旋轉，通過逆變器的不同開關狀態(tài)所產生的實際磁通去逼近理想磁通圓，并由兩者的比擬結果來決定逆變器的開關狀態(tài)，從而形成PWM波形。1.4本課題的主要研究內容與意義1.4.1課題的主要研究內容本課題研究的三相光伏并網逆變器，是光伏并網發(fā)電系統(tǒng)的重要組成局部，主要由主電路和控制電路兩局部組成。主電路局部采用三相電壓型PWM逆變電路，控制電路主要包含雙閉環(huán)控制模塊〔電流內環(huán)，電壓外環(huán)〕、DQ坐標變換模塊和SVPWM控制模塊。本課題主要利用MATLAB的SIMILINK系統(tǒng)仿真軟件，建立了三相并網逆變器的仿真模型，構成雙閉環(huán)，對這些模塊的根本原理進行詳細分析和參數(shù)整定〔如PI調節(jié)器參數(shù)整定〕。直流變換側參加電流環(huán)為光伏電池最大功率點跟蹤(MPPT)算法提供電流數(shù)據(jù)，實時跟蹤功率的最大輸出值，盡可能提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率，并保證并網運行具有穩(wěn)定可靠的鎖相功能。1.4.2課題的意義本課題設計的三相光伏并網逆變器，應使輸出電流為良好的正弦電流波形，并于電網電壓根本同相位，具有實時控制、電流響應快、輸出電壓電流波形不含特定次諧波等優(yōu)點。2三相光伏并網逆變器的數(shù)學模型及坐標變換原理2.1三相光伏并網逆變器在靜止坐標系下的數(shù)學模型電路拓撲結構及建模假定條件常用的三相電壓型PWM逆變器主電路拓撲結構如圖2.1所示,其中ea、eb、ec為電源三相電動勢,ia、ib、ic表示逆變器三相輸出電流;ua、ub、uc為逆變器輸出相電壓;L為交流側濾波電感,C為直流側濾波電容，Vdc為直流側電源電壓，開關器件由可控器件IGBT組成。為簡化分析且又不脫離電路的實際工作情況,在推導以便其的數(shù)學模型之前,特做如下假設:(1)電網為三相對稱的理想電壓源;(2)三相回路等效電阻和電感相等;(3)網側濾波電感L是線性的,且不考慮飽和;(4)忽略分布參數(shù)影響;(5)忽略開關器件的導通壓降和開關損耗。2.1.2三相靜止坐標系下的數(shù)學模型不考慮逆變器變換損耗,忽略高頻分量的影響，根據(jù)基爾霍夫定律,2.2同步旋轉坐標變換(dq變換)原理與方法在ABC坐標系中,需要控制的網側電流均為時變交流量,因而不利于控制系統(tǒng)設計。因此通過坐標變換將三相ABC靜止坐標系轉換成同步旋轉dq坐標系。經坐標旋轉變換后,三相對稱靜止坐標系中的基波正弦變量將轉化成同步旋轉坐標系中直流變量。另外，兩相坐標系的d軸q軸互相垂直,因而沒有磁的耦合;僅此兩點就會使數(shù)學模型簡單許多,利于控制系統(tǒng)的設計應用。2.2.1dq坐標與三相靜止坐標的關系圖坐標系的定義基準不同,電氣量的表達式及坐標變換的結果也就不一樣。在此以IEEE的定義標準為基準,即以逆時針旋轉方向為基準,abc三相靜止坐標逆時針排列、彼此相差,dq坐標逆時針同步旋轉(以角頻率ωθ同步旋轉)、d軸與a軸的夾角為θ、q軸位于在旋轉方向上比d軸超前的位置上。dq坐標與abc三相靜止坐標的關系。2.2.2dq坐標變換的方法坐標變換通常有等量變換和等功率變換兩種方式,所謂等量變換是指坐標變換前后電氣量的通用矢量相等,而等功率變換那么是變換前后功率保持不變。本文采用等量dq變換法來建立三相VSR的數(shù)學模型。將d軸定向于A軸旋轉θ角度后的矢量方向上,q軸與之垂直,如圖2.2所示。定義d軸與電網電動勢矢量e同相,那么d軸方向的電流分量id為有功電流,d軸落后于q軸,因此q軸方向的電流分量iq為無功電流。初始條件下,令d軸與a軸重合。2.3三相光伏并網逆變器在兩相旋轉坐標系下的數(shù)學模型式中為電感電流矢量;為逆變器橋臂輸出電壓矢量;為電網電壓矢量;L為每相濾波電感。整理后可以得到三相并網逆變器在兩相同步旋轉坐標系下的數(shù)學模型。經過坐標變換后,所控制的變量id,iq均為直流分量,簡化了控制系統(tǒng)的分析和設計。并網有功分量由id控制,無功分量由iq控制,控制id和iq,就可以實現(xiàn)系統(tǒng)有功分量和無功分量的控制。3三相光伏并網逆變器的控制策略3.1三相并網逆變器的開環(huán)控制三相并網逆變電路是以無源逆變電路為根底而衍生的，本節(jié)內容先研究分析無源逆變的模型及仿真，再進而研究有源逆變的模型及仿真結果。3.1.1無源逆變的模型及仿真利用matlab軟件搭建的三相無源逆變電路的模型如下：給定直流電源電壓Vdc=600V，交流側R=2Ω，L=2mH,給定的三想調制波信號為：與計算所得出的結果根本一致，說明了理論分析的正確性。3.1.2有源逆變的模型及仿真 在無源逆變電路的根底上，建立有源逆變電路模型， 以電網電壓電動勢矢量為參考。分以下四種情況進行討論分析(1)電流矢量滯后電動勢矢量，此時電壓矢量端點位于圓軌跡A點，交流側呈電感特性。(2)電流矢量與電動勢矢量，此時電壓矢量端點位于圓軌跡B點，交流側呈電阻特性，如下圖：〔3〕電流矢量超前電動勢矢量，此時電壓矢量端點位于圓軌跡C點，交流側呈電容特性當電壓矢量端點在圓軌跡AB和BC上運動時，逆變器工作在整流狀態(tài)，從電網吸收有功，而在AB上時還要吸收感性無功功率，BC上時吸收容性無功功率。在B點時，實現(xiàn)單位功率因數(shù)逆變器控制。 當電壓矢量端點在圓軌跡CD和DA上運動時，逆變器工作在有源逆變狀態(tài)，此時逆變器向電網傳輸有功，而在CD上時還要向電網傳輸容性無功功率，DA上時向電網傳輸無功功率。在D點時，實現(xiàn)單位功率因數(shù)逆變器控制。 在交流側等效電阻很大的情況下，可以快速地得到穩(wěn)定、準確的三相輸出電流波形。但是在實際應用中，假設交流側等效電阻很大，那么在交流側有功功率的損耗也會很大，使逆變效率大大下降，這也是開環(huán)控制的弊端所在，所以必須進一步采用閉環(huán)控制。3.1.3SVPWM的根本原理與算法實現(xiàn)空間電壓矢量脈寬調制〔SVPWM，SpaceVectorPulseWidthModulation〕，也即正弦磁通的一種PWM調制方法，以逆變器在不同開關模式下所產生的磁通去逼近基準磁通圓，獲得更優(yōu)的運行特性。實踐和理論證明：與直接利用正弦脈寬調制〔SPWM〕技術相比擬，SVPWM在輸出電壓中的電流都產生更少的諧波，對于電壓源逆變器直流供電電源的利用效率也有一定的提高。3.1.3.1SVPWM根本原理三相電壓源型逆變器的結構簡圖如圖3.3所示，其主要由六個功率開關器件組成，對于任一組橋臂來說，其上下兩個開關器件的開關狀態(tài)是互補的，因此逆變器的工作狀態(tài)可以只用三個上橋臂功率器件的開關狀態(tài)來描述。此三相有源逆變器上橋臂的三個開關器件總共有八種開關狀態(tài)，分別對應于逆變器的八個工作模式。那么可以得到根本電壓空間矢量圖。逆變器的八種工作狀態(tài)形成了八個根本空間電壓矢量，包括六個工作矢量，在電壓空間矢量圖中，零矢量位于六邊形的原點，相鄰兩非零矢量之間的夾角為60度。根據(jù)功率開關狀態(tài)變換最小化的原那么，每次應當只有一個功率開關器件的開關狀態(tài)發(fā)生變化。利用前述的8種電壓矢量的不同線性組合，就能夠得到更多與根本空間電壓矢量不同相位的電壓空間矢量，從而形成一組幅值相等而相位不同的電壓空間矢量，疊加成盡量逼近圓形旋轉磁場的磁鏈圓。根據(jù)平均值等效原理：在逆變器功率器件一個開關周期內通過對根本電壓矢量進行組合，使其平均值與給定的電壓矢量相等。通過將相鄰兩非零矢量與零矢量在時間上進行不同組合，就可以得到該扇區(qū)內的任意電壓矢量。可以將三個矢量的作用時間同時施加，也可以在一個開關周期內分屢次施加。通過對各個電壓矢量作用時間的控制，可以使得空間電壓矢量接近圓形旋轉軌跡。由于逆變器所能產生的電壓矢量只有六個根本矢量和兩個零矢量，因此不可能實現(xiàn)輸出角度變化的電壓空間矢量的要求。在實際使用中，為了獲得旋轉的電壓矢量，只有利用各個矢量作用時間的不同組合來等效合成所需的電壓矢量。在一個周期內所合成的矢量越多，那么逆變器功率器件的開關頻率就會越高。如圖3.4所示，如需在第三扇區(qū)內得到電壓矢量，那么可以利用兩最近的相鄰根本電壓矢量、以及零矢量按照伏秒平衡原那么合成，那么有：(3-5)(3-6)式中：——逆變器PWM開關周期；——根本矢量作用時間；——根本矢量作用時間；——零矢量或作用時間。式(3-5)代表：在時間內，矢量所產生的效果與在、以及時間內矢量、和零矢量分別作用的疊加效果相同。其中：(3-7)(3-8)(3-9)綜合以上三式以及前述矢量的合成原理，可以得到下式：(3-10)由于零矢量幅值為零，因此其在矢量合成時只是用來補足根本矢量作用時間的補足。利用實部和虛局部別相等，對式〔3-10〕進行求解，可得各矢量的作用時間分別為：(3-11)(3-12)(3-13)隨著參考電壓矢量幅值的不斷增加，根本空間矢量、的作用時間、也線性增加，零電壓空間矢量的作用時間那么不斷減少。為了使逆變器工作在線性調制區(qū)，必須滿足：，那么可推導出合成電壓矢量的幅值為：(3-14)上式對任意角度成立，那么合成電壓矢量的最大值為。SVPWM調制波形相當于在正弦調制波中注入了三角形波，當所調制的正弦波幅值為1時，所形成的SVPWM鞍型波幅值為。SVPWM調制法與傳統(tǒng)的正弦PWM調制法相比，直流側電壓利用率提高了15.47%，并且可以明顯減少逆變器所輸出電壓的諧波，從而減少對電網的污染。3.1.3.2SVPWM算法實現(xiàn)根據(jù)SVPWM根本原理介紹，下面將給出其算法的實現(xiàn)流程。(1)確定參考電壓矢量扇區(qū)在實際控制中，參考電壓空間矢量一般以正交坐標分量形式給出。由SVPWM的根本原理可知，其算法的關鍵就是判斷參考電壓空間矢量所處的扇區(qū)以及根本電壓矢量的作用時間。對于任意一參考電壓矢量，其可表示為：(3-15)經過推算，矢量所在的扇區(qū)可以用、、與0的關系來決定，因此，可定義以下變量：(3-16)然后再定義：如果，那么A=1，否那么A=0；如果，那么B=1，否那么B=0；如果，那么C=1，否那么C=0。A、B和C共有八種組合，但是由于這三個變量不會出現(xiàn)同時為1或者0的狀態(tài)，因此實際上只有六種組合，A、B和C組合取不同組合值時，對應著不同的扇區(qū)，且為一一對應。為了區(qū)別六種狀態(tài)并計算出扇區(qū)號，令：(3-17)通過判斷A、B以及C的數(shù)值，并且?guī)胧健?-17〕，可計算出N為1～6的數(shù)值，對應電壓空間矢量的6個區(qū)間號如表3.1所示。表3.1空間電壓矢量扇區(qū)判定表扇區(qū)號N123456所在扇區(qū)ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ(2)相鄰兩根本電壓矢量作用時間確實定令：(3-18)那么各扇區(qū)相鄰根本電壓矢量的作用時間如表3.2所示。表3.2.相鄰根本矢量作用時間表扇區(qū)號N123456ZY-Z-XX-YYX-XZ-Y-Z如果出現(xiàn)飽和情況，即：，那么應該將電壓矢量端點拉回至六邊形內切圓內，(3)確定矢量切換點第Ⅲ扇區(qū)中三相PWM波形按脈沖寬度的大小依次定義其空間矢量的切換點分別為：表3.3給出了在不同扇區(qū)內空間矢量的切換點：表3.3開關切換時間表扇區(qū)號N1234563.2三相并網逆變器的閉環(huán)控制在第二章中已經提到，為了實現(xiàn)有功電流和無功電流分別控制的目的，將基于靜止ABC坐標系的并網方程〔2-1〕變化為同步d-q坐標系下的狀態(tài)方程〔2-8〕。這樣所有的交流量變換為直流量，有利于PI電流調節(jié)器對并網電流進行閉環(huán)控制。3.2.1閉環(huán)控制模型的建立由控制系統(tǒng)結構框圖可知，根本控制過程如下：首先，控制系統(tǒng)將采集到的并網逆變器輸出三相電流ia、ib、ic經過Clark變換和Park變換后，分解為有功電流量和無功電流量，再與指令電流比擬后經過PI電流調節(jié)器后生成新的逆變器控制指令；由于并網逆變器通常需要控制為單位功率因數(shù)運行，因此，令無功電流為零，而有功電流的指令由最大功率點跟蹤〔MPPT〕控制器給出。為使并網系統(tǒng)的有功功率輸出到達最大，須采用鎖相技術〔PLL模塊〕控制輸出電流的頻率和相位與電網電壓嚴格同步。因此，在閉環(huán)控制結構中，由于外環(huán)電流由MPPT給定，所以主要設計任務就是內環(huán)PI電流調節(jié)器的設計與MPPT控制器的設計。3.2.2PI電流調節(jié)器的設計光伏并網逆變器的控制目標是實現(xiàn)輸出電流對公用電網電壓波形快速準確跟蹤，為了獲得期望的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能指標，光伏并網逆變器的電流調節(jié)器需要具有很好的隨動性能，快速的跟蹤電流控制環(huán)的給定信號。本文根據(jù)調節(jié)器設計特性選擇典型I型系統(tǒng)設計內環(huán)PI電流調節(jié)器。由于兩電流內環(huán)的對稱性,因而以電流iq控制為例討論電流調節(jié)器的設計。考慮電流內環(huán)信號采樣的延遲和PWM控制器的小慣性特性,已解耦的iq電流內環(huán)結構如圖3.7所示。圖3.7iq電流環(huán)控制結構圖3.7中,Ts為電流內環(huán)電流采樣周期(亦即為PWM開關周期),KPWM為橋路PWM等效增益。為了使電流內環(huán)具有較好的電流跟隨性能,可按照典型一階環(huán)節(jié)進行整定,經整定后的PI參數(shù)為:〔3-21〕 根據(jù)上述閉環(huán)系統(tǒng)PI調節(jié)器的整定方法可算出電流環(huán)調節(jié)器的參數(shù),并由此可對系統(tǒng)進行仿真分析。3.2.3MPPT控制的根本原理與控制方法3.2.3.1MPPT控制的根本原理在常規(guī)的線性系統(tǒng)電氣設備中，為使負載獲得最大功率，通常要進行恰當?shù)呢撦d匹配，使負載電阻等于供電系統(tǒng)的內阻，此時負載上就可以獲得最大功率。對于一些內阻不變的供電系統(tǒng)，可以用這種外阻等于內阻的簡單方法獲得最大輸出功率，但在太陽能電池供電系統(tǒng)中，太陽能電池的內阻不僅受日照強度的影響，而且受環(huán)境溫度及負載的影響，因而處在不斷變化中，從而不可能用上述簡單的方法獲得最大輸出功率。由太陽能電池的I—V特性曲線可以看出，太陽能電池是非線性電源，當太陽能電池陣列工作電壓小于最大功率點電壓時，陣列輸出功率隨著工作電壓的上升而增大，當陣列的工作電壓大于時，陣列輸出功率隨著工作電壓的上升而減小。同時，太陽能電池隨著日照強度和環(huán)境溫度的變化，太陽能電池輸出電壓和輸出電流也會跟著發(fā)生變化，其輸出功率也產生很大的變化。為了使太陽能電池陣列充分吸收太陽能，在不同的日照強度、溫度條件下始終輸出最大功率，提高系統(tǒng)的效率，就要對太陽能電池陣列進行最大功率點跟蹤，讓其始終工作在最大功率點上。太陽能電池最大功率點跟蹤控制〔MPPT〕是一個自尋優(yōu)的過程，即通過控制太陽能電池陣列的端電壓，使光伏電池能在不同的日照強度和溫度環(huán)境下智能化地輸出最大功率。3.2.3.2MPPT的跟蹤方法目前常用的最大功率跟蹤的方法包括：恒定電壓法〔CVT〕，擾動觀察法，間歇掃描法，電導增量法等。而其中的擾動觀察法由于其結構簡單，需要測量的參數(shù)少，所以被普遍應用于光伏電池板的最大功率點跟蹤，因此本文詳細介紹擾動觀察法。擾動觀察法，又稱爬山法，由于其結構簡單，需要測量的參數(shù)較少，所以其被普遍應用于光伏電池板的最大功率點跟蹤。其原理就是先引入一個小的變化，擾動太陽能電池板的輸出電壓值，如〔〕，再測量其功率變化，將其與擾動之前的功率值相比擬，假設其功率值增加，那么表示擾動方向正確，可朝著同一方向，即()方向擾動；假設擾動后的功率值小于擾動前，那么往相反()方向擾動，這樣就保證了使太陽能電池板功率輸出向增大的方向變化。如此反復擾動、觀察與比擬。使太陽能電池板到達最大功率點，實現(xiàn)最大功率的輸出。其原理如圖3.8所示：圖3.8擾動觀察法的原理圖 此法的最大優(yōu)點在于其能夠較容易在不知道光伏電池的特性曲線的情況下實現(xiàn)MPPT控制，且結構簡單，被測參數(shù)少。通過不斷擾動使陣列輸出功率趨于最大，即使跟蹤已達最大功率點附近，但是擾動還是不會停止。其缺點是對固定步長大小確實定。如果步長較小，光伏系統(tǒng)在最大功率點附近震蕩的幅度越小，能量損失越小，但到達最大功率點需要擾動的次數(shù)越多，所用的跟蹤時間也越長。反之，當步長較大時跟蹤速度快，但在最大功率點附近波動幅度大，能量損失也嚴重。因此，光伏系統(tǒng)最大功率點跟蹤的速度和穩(wěn)態(tài)精確度難以同時保證，只能根據(jù)實際需求折中選取步長，以獲得可接受的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。同時，由于始終有的存在，在最大功率跟蹤過程中將導致些微功率損失。擾動觀察法的實質就是基于采樣電壓值和采樣電流值計算出光伏電池的輸出功率并觀察其功率變化，再比擬前一個和當前的電壓值來確定電壓的變化方向，計算出新的參考電壓QUOTEQUOTE用于產生PWM的控制信號。擾動觀察法的流程如下列圖所示，圖3.9中、是新的采樣測量值，根據(jù)這兩個值計算功率值。將其與K點前一個測量點的功率值進行比擬。功率值的大小變化決定下一步“擾動〞的方向。如果功率增加，那么“擾動〞的方向不變；如果功率減小，那么“擾動〞的方向相反。而“擾動〞的方向那么是由是否大于來決定的。圖3.9擾動觀察法的流程圖3.2.4閉環(huán)控制系統(tǒng)的仿真實現(xiàn)與結果分析運用MATLAB/SIMULINK仿真軟件對系統(tǒng)進行仿真分析,建立的閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真模型如圖3.10所示，設定直流側電源電壓Vdc=600V，直流母線電容,交流側三相電網電壓為：電感L=2mH，PI調節(jié)器參數(shù)P=0.25，I=0.25。圖3.10閉環(huán)控制系統(tǒng)的仿真模型 為了使系統(tǒng)單位功率因數(shù)運行，iq電流環(huán)的給定值始終為0，id電流環(huán)的給定值由MPPT控制器給定，在仿真時先給定電流有效值為100A，觀察id反應值與給定值的比擬波形為：圖3.11給定100A時id仿真波形超調僅約為3%，穩(wěn)定時間僅約s，動態(tài)響應較快。 模擬電流突變情形，MPPT給定值由100A突變降為50A，觀察id給定與反應波形，如圖所以：圖3.12給定100A到50A突變時id仿真波形說明了系統(tǒng)同時具有良好的跟隨性能。 在交流電網側，得到了很穩(wěn)定的電流波形，以A相為例，輸出的電流和電網電壓波形為：圖3.13并網時的A相輸出電流和電網電壓波形圖實現(xiàn)了單位功率因數(shù)運行，功率因數(shù)高，同時輸出電流諧波含量低，減少對電網的污染。4結論4.1全文總結本文通過設計三相光伏并網逆變器的主電路和控制電路，先分別對無源逆變電路和有源逆變電路的模型進行分析，了解其根本原理，通過仿真驗證分析的正確性。然后基于SVPWM控制的根本原理與算法，通過對交流側電網的三相電流進行DQ坐標變換，分別對id，iq進行閉環(huán)控制，使逆變器單位功率因數(shù)運行；最后通過matlab軟件simulink仿真系統(tǒng)對系統(tǒng)進行仿真研究，得到快速、穩(wěn)定的三相電流波形，實現(xiàn)了單位功率因數(shù)運行，動態(tài)響應速度快，對電網產生的污染很小，做到了經濟、環(huán)保、節(jié)能，根本上完成了簡單的三相光伏并網逆變器的設計，到達了先前指定的目標。4.2尚待完善的工作本文雖然初步完成的三相光伏并網逆變器的主電路和閉環(huán)控制電路的設計，但是仍有很多尚待完善的工作，如：閉環(huán)控制的電壓外環(huán)控制設計還不夠細致；SVPWM調制波的具體波形分析不夠全面；未對三相不平衡負載情況進行研究；在以后的研究學習中，將繼續(xù)對這些問題進行深入的分析與設計。謝辭經過查資料、整理材料、寫作論文，今天終于可以順利的完成論文的最后的謝辭了，想了很久，要寫下這一段謝詞，表示可以進行畢業(yè)辯論了，自己想想求學期間的點點滴歷歷涌上心頭，時光匆匆飛逝，2年多的努力與付出，隨著論文的完成，得以劃下了完美的句點。論文得以完成，要感謝的人實在太多了，首先要感謝王付勝老師，因為論文是在王老師的悉心指導下完成的。王老師豐富的專業(yè)知識，嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，精益求精的工作作風，誨人不倦的高尚師德，嚴以律己、寬以待人的崇高風范，樸實無華、平易近人的人格魅力對我影響深遠。本論文從選題到完成，每一步都是在王老師的指導下完成的。王老師指引我的論文的寫作的方向和架構，并對本論文初稿進行逐字批閱，指正出其中誤謬之處，使我有了思考的方向，他的循循善誘的教導和不拘一格的思路給予我無盡的啟迪，他的嚴謹細致、一絲不茍的作風，將一直是我工作、學習的典范。在此，謹向王老師表示崇高的敬意和衷心的感謝！謝謝王老師在我撰寫論文的過程中給與我的極大地幫助。

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