并網(wǎng)逆變器單周控制方法研究

并網(wǎng)逆變器單周控制方法研究摘要本文提出的設計和分析是針對主動和被動式的單相電壓源功率控制逆變器的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)。文中探討的對象是其中的DC-AC變換，對光伏并網(wǎng)逆變器所涉及到的基本概念做了粗略介紹，同時對仿真中采用的數(shù)學模型做了詳細介紹。主電路采用的是單相全橋逆變拓撲結構，開關器件選擇的是功率損耗較小的MOSFET；驅動電路則是單極性SPWM脈寬調(diào)制技術，通過開關管的導通和關斷對主電路不同的工作狀態(tài)進行切換。項目中的控制算法方法是采用基于空間矢量控制的坐標變換，將給定電流解耦為有功電流分量和無功電流分量分別對電網(wǎng)有功功率和無功功率進行閉環(huán)控制的方法。本研究的目的是控制電網(wǎng)的功率因數(shù)，提高向電網(wǎng)傳輸?shù)墓夥D換電源整體效率，并降低逆變器相電流的畸變。在這項工作中，本文給出了詳細的系統(tǒng)數(shù)學模型，討論使用Matlab/Simulink軟件對6kW的光伏單相逆變系統(tǒng)并入220V、50HZ電網(wǎng)模擬的結果。仿真結果表明，電網(wǎng)輸入功率因數(shù)幾乎是一致的，該系統(tǒng)的相電流畸變率被降低，不同功率條件下的總諧波失真在5%以內(nèi)。關鍵詞：單相全橋逆變SPWM（解耦）Matlab/Simulink仿真

AbstractThispaperpresentsanalternativewayforthecurrentregulationofsingle-phasevoltage-sourcedc–acconvertersindirect–quadrature(dq)synchronousreferenceframes.Inadqreferenceframe,ac(timevarying)quantitiesappearasdc(timeinvariant)ones,allowingthecontrollertobedesignedthesameasdc–dcconverters,presentinginfinitecontrolgainatthesteady-stateoperatingpointtoachievezerosteady-stateerror.Thecommonapproachistocreateasetofimaginaryquantitiesorthogonaltothoseoftherealsingle-phasesystemsoastoobtaindcquantitiesbymeansofastationary-frametorotating-frametransformation.Theorthogonalimaginaryquantitiesincommonapproachesareobtainedbyphaseshiftingtherealcomponentsbyaquarterofthefundamentalperiod.Theintroductionofsuchdelayinthesystemdeterioratesthedynamicresponse,whichbecomesslowerandoscillatory.Intheproposedapproachofthispaper,theorthogonalquantitiesaregeneratedbyanimaginarysystemcalledfictiveaxis,whichrunsconcurrentlywiththerealone.Theproposedapproach,whichisreferredtoasfictive-axisemulation,effectivelyimprovesthepoordynamicsoftheconventionalapproacheswhilenotaddingexcessivecomplexitytothecontrollerstructure.Thispaperpresentsthedesignandanalysisofboththeactiveandreactivepowercontrolofasingle-phasevoltagesourceinverterforgrid-connectedphotovoltaicsystem.Theproposedmethodisbasedonvectorcontrolofpowerbydecouplingcontroloftheactiveandreactivecurrentcomponentstofeedtheactiveandreactivepowertothegrid.Theaimofthisresearchistocontrolpowerfactoratgrid,toimproveoverallefficiencyoftransferringpowerofPVtoalternatecurrentpowerconversionintothegrid,andtodecreasephasecurrentdistortionofVSI.Inthiswork,mathematicalmodelofsystemhaspresentedindetails.TheresultsofsimulationsofPVsystem1kWconnectedtogrid220V,50HzusingMATLAB/Simulinksoftwarearealsodiscussed.Simulationresultshaveshownthatthegridinputpowerfactorisnearlyunity,andthedistortingofphasecurrentoftheproposedsystemhasbeenreduced,causingthetotalharmonicdistortionforvariouspowerconditionsfallswithin5%.KeyWords：single-phasevoltage-sourceSPWMMatlab/Simulinksimulation目錄TOC\o"1-3"\h\u17013第一章緒論 I型系統(tǒng)不能適用，需采用其他控制方法。上述折中的§=0.707，K=0.5/T的參數(shù)關系就是西門子“最佳整定”方法的“模最佳系統(tǒng)”，或稱“二階最佳系統(tǒng)”，其實這知識折中的參數(shù)選擇，無所謂“最佳”。真正的最佳參數(shù)是依工藝要求性能指標的不同而變的。

2.3并網(wǎng)電流控制策略的研究圖2.2展示出了并網(wǎng)逆變器主電路拓撲圖。其中，濾波部分是通過一系列線路電抗器濾波器和耦合變壓器連接到公用電網(wǎng)的單線圖。該濾波器是由電感器L和其相關的內(nèi)部電阻R表示，這些變量也包括漏電感和耦合變壓器的繞組電阻。單相并網(wǎng)逆變器所采用的控制策略是從基于空間矢量變換的三相系統(tǒng)變換而來的。首先對這種控制方法進行簡要的解釋，將給定量通過坐標變換分解到旋轉坐標系中，達到解耦的目的。其中調(diào)節(jié)方式是采用結構簡單的PI控制器。常見的解耦方法是創(chuàng)建一組對于單相系統(tǒng)進行假想的正交變量數(shù)量，以便將一個固定坐標軸，通過旋轉坐標變換的方法獲得對應的直流量。正交假想變量中常見的方法是通過獲得了與實際電流分量有著四分之一基本周期的偏移的假象分量。這種延遲會在該系統(tǒng)的引入變慢和振蕩的畸形動態(tài)響應。在本文中提出的方法，是由一個叫做虛構的虛軸系統(tǒng)，同時與真實的運行產(chǎn)生的正交量。所提出的方法，其被稱為假想坐標軸仿真，有效地提高動態(tài)響應的同時，相對于傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)不會給控制器結構增加過多的復雜性。2.3.1逆變器系統(tǒng)結構解耦假設其中一個三相濾波器是通過三相線路電抗器進行濾波和一個三相耦合變壓器接口到公用電網(wǎng)的三相系統(tǒng)。圖2.2可以是這樣的系統(tǒng)的單線圖表示，假設單相變量由三相那些取代。因此，這樣的系統(tǒng)的交流側的動力學可以描述為（2.17）將方程式（2.17）從abc坐標到靜止坐標系變換，獲得如下公式：（2.18）當這些電氣量用采用空間矢量來表示時，獲得公式如下：（2.19）將公式（2.19）中的微分方程進行拉普拉斯變換，就可以得到該系統(tǒng)在靜止坐標系中的結構式。根據(jù)公式，轉換到如圖2.7的同步旋轉坐標系（dq坐標系）交流側中，公式如下：R-LwR-Lw+LwR+L=+LwR+L=（2.20）RR____wLwL-wL-wL____RR圖2.7系統(tǒng)解耦圖根據(jù)公式（2.20）中，從圖2.7旋轉坐標系中獲得的結構圖中包含了典型的耦合項。根據(jù)公式（2.20），我們實現(xiàn)和的解耦控制，該逆變器的電壓控制方程式如下：（2.21）和代表控制信號。通過將公式（2.21）代入公式（2.20）中，推導出一下解耦方程式如下：0RR0+L=0RR0+L=（2.22）因此，解耦系統(tǒng)的傳遞函數(shù)推導如下，其中，所述時間常數(shù)為L/R，為1/R，本項目中L=12mH，R=0.05?；故=20，=0.24。（2.23）需要注意的是，由于和對于和是以一個簡單的一階傳遞函數(shù)來相應的，公式（2.23）顯示了控制規(guī)則定義下的反饋回路，并使用一階PI控制器進行控制[13]。基于公式（2.23），基于PI控制的電流調(diào)節(jié)器的結構圖如圖2.8所示。PI控制器及其相關的控制回路的設計方法詳述于下一章節(jié)。圖2.8基于PI調(diào)節(jié)的電流控制結構圖2.3.2基于PI控制器參數(shù)設計采用空間矢量的電流控制環(huán)路于圖2.8所示，其中PI控制器由表示，并且傳遞函數(shù)表示PWM調(diào)節(jié)器系統(tǒng)結構圖。138（2.24）式中是PWM裝置的放大系數(shù)，本項目中取=220；是PWM裝置的延遲時間，由于本項目中開關頻率為10kHz，故取=。因此，控制回路的開環(huán)傳遞函數(shù)為：（2.25）通過將公式（2.23）和公式（2.24）中的和分別帶入公式（2.25）中，可以得到系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為:ASD（2.26）運用常規(guī)的PI控制器就可以使系統(tǒng)達到期待的動態(tài)響應，因此：（2.27）當PI控制器的時間常數(shù)可以選擇為等于所述主電路時間常數(shù)時，可以簡化公式（2.26），從而簡化結果為：（2.28）其中，?，F(xiàn)在開環(huán)傳遞函數(shù)沒有了那些復雜的因素。此時系統(tǒng)成為我們熟悉的典型的1型系統(tǒng)，為了使其擁有最佳動態(tài)響應，按照西門子“最佳整定”方法，即KT=0.5，可以算出=0.24，=0.88最后，系統(tǒng)示意圖如圖2.9所示：圖2.9SPWM解耦控制系統(tǒng)圖圖中d軸和q軸的控制策略一致，只是在相位上二者相差，故q軸上存在一個的滯后環(huán)節(jié)以補充二者在相角上的差值。右下方的兩個波形發(fā)生器模擬的是PLL鎖相環(huán)[14]，時刻不斷的檢查交流電網(wǎng)信號，并將檢測到的相角輸送給Park坐標變換器中。

2.4.基于SPWM（解耦）并網(wǎng)逆變器的MATLAB/simulink仿真2.4.1MATLAB簡介MATLAB是由美國Mathworks公司發(fā)布的主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學領域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設計語言的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。MATLAB可以進行矩陣運算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應用于工程計算、控制設計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設計與分析等領域。在一些實際應用中，如果系統(tǒng)的結構過于復雜，不適合用分析和編程的方法建模。在這種情況下，功能完善的Simulink程序可以用來方便地建立系統(tǒng)的數(shù)學模型。Simulink是由Mathworks軟件公司1990年為MATLAB提供的新的控制系統(tǒng)結構圖編程與系統(tǒng)仿真的專用軟件工具。它有兩個顯著的功能：Simu（仿真）與Link（連接）[15]。在該仿真環(huán)境下，用戶程序其外觀就是控制系統(tǒng)結構圖，亦即建模過程可通過鼠標在模型窗口上―畫‖出所需的控制系統(tǒng)模型，然后利用Simulink提供的輸入源模塊對結構圖所描述的系統(tǒng)施加激勵，利用Simulink提供的輸出口模塊獲得系統(tǒng)的輸出響應數(shù)據(jù)或時間響應曲線。在本次設計中，控制系統(tǒng)的數(shù)學模型就是基于MATLAB/Simulink中的―SimPowersystems搭建的。2.4.2電路仿真模型的建立本系統(tǒng)采用350V直流電壓源模擬直流輸入，采用交流電壓源模擬電網(wǎng)電壓，電壓峰值取311V，頻率為50Hz，假定設計逆變器功率為6kW，可以得到并網(wǎng)電流峰值為38.6A。搭建的仿真模型如圖3.1所示，包括單相全橋逆變器、PWM驅動信號發(fā)生器、PI控制器、濾波電感，Park坐標變換及其逆變換。其中控制器設計是關鍵，控制器主要實現(xiàn)對電流的跟蹤，減小幅值偏差、相位偏差，增強應對電網(wǎng)擾動的能力。仿真時采用的參數(shù)如下：三角載波頻率設為10kHz，設計濾波電感為12mH，串聯(lián)等效電阻0.05Ω，PI參數(shù)取Kp=0.273，Ki=1.136。圖2.10仿真電路圖圖中step1和step2是給定有功電流和無功電流值，其取值取決于電網(wǎng)所需提供的無功功率和有功功率大小。系統(tǒng)采PI調(diào)節(jié)器在d軸和q軸分別采用電流控制負反饋，以保證輸出電流為給定有功電流和無功電流的疊加。2.4.3仿真結果仿真時間設置為0.1s，由于本項目的核心是對電流的解耦控制。在仿真的過程中我們會分別給定有功電流和無功電流，觀察主電路輸出總電流和電壓的波形。當只給定有功電流時，示波器上的顯示結構如下：圖2.11給定有功電流時輸出波形圖可以看到，輸入給電網(wǎng)的電流和電壓的波形相位上是一致的，且輸出的電流幅值與給定的38.5A基本相同，證明此事輸出給電網(wǎng)的功率只有有功功率。與之前的理論分析基本上相符合。當只給定無功電流時，示波器的仿真結果如下：圖2.12給定無功電流時輸出電流波形可以看到，輸入給電網(wǎng)的電流和電壓的波形相位上是相差的，且輸出的電流幅值與給定的38.5A基本相同，證明此事輸出給電網(wǎng)的功率只有無功功功率。且無論是感性無功還是容性無功都可以通過給定的無功電流來獲得。與之前的理論分析基本上相符合。

第3章結論光伏發(fā)電系統(tǒng)是現(xiàn)今最熱門的新能源發(fā)電方向之一，擁有來源充足、清潔安全等優(yōu)勢。本文對其中的逆變并網(wǎng)控制策略進行了相關闡述和仿真設計。首先，分析了單相并網(wǎng)逆變器的主電路拓撲結構，然后給出了本系統(tǒng)的總體設計方案，并對主電路參數(shù)設計方法和相關的硬件設備作了介紹。由于這部分不是本文章的主體部分，所以只對重要部分進行了簡單的概述；然后，對本文中提到的逆變并網(wǎng)的控制策略進行了詳細的分析，剖析了PI控制對系統(tǒng)的動態(tài)響應的改善，并解釋了局部模塊得數(shù)學模型，為后面的仿真設計提供理論依據(jù)。最后，利用Matlab/Simulink對控制策略進行仿真，對給定有功電流和無功電流分別得到仿真結果，并驗證了有功功率和無功功率的解耦控制的有效性。通過對并網(wǎng)電流的控制，可以實現(xiàn)并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓的同頻同相。PI控制中存在的穩(wěn)態(tài)誤差，在PR控制中可以被消除，即做到對參考波的無靜差跟蹤。因此，PR控制不但具有無靜差跟蹤的穩(wěn)態(tài)性能，而且具有快速的動態(tài)響應速度。同時，控制策略中所提到的“虛軸虛構”能減少系統(tǒng)滯后環(huán)節(jié)對虛軸反饋控制的影響，能進一步提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由于個人能力有限，對PR控制和“虛軸虛構”的了解不夠深入，仿真中沒法用到，只能作為對該控制策略進一步的展望，希望能在今后的學習中能收集資料、解決這些問題，不斷完善仿真結果。

致謝大學四年的學生生活即將結束，回想著匆匆而過的四年時間里。從軍訓時那個懵懂無知的青年到現(xiàn)在處在畢業(yè)季的“老油條”。我們有過過多的歡笑、汗水和淚水，隨著時間的飛逝都成了過往云煙，留下的只有一張張照片。不過我永遠都會對那些曾經(jīng)幫助過我的人心懷感激。地感謝我的導師黃老師。當我面對科學的高峰有些彷徨時，是導師在鼓勵我，“攻堅莫畏難，只怕肯登攀”；當我在科學的殿堂中步履蹣跚時，是導師在指點我，“問渠哪得清如許，為有源頭活水來”；當我埋頭于書本執(zhí)迷不悟時，是導師在明示我，“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”；當我在實際工作中遇到困難時，是導師在引導我，“壁立千仞無欲則剛，海納百川有容乃大”。我的導師，學識淵博，對專業(yè)孜孜以求，精益求精。百忙之余仍然讀書不輟，不斷探求；為人師表，率先垂范；傳道授業(yè)，嘔心瀝血。如果說我從導師那里學會了怎樣做好學問，那么首先應該說我從導師那里領略了真正的學術精神，導師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度和堅韌的探索精神將使我終生受益。感謝陪我一起學習的室友，在日常的生活、學習中給了我很大的幫助。一起看出、一起復習、一起愉快的玩耍。希望我們的友誼能天長地久。感謝我的親人們對我無私的關懷，不管在我失落低沉還是驕傲自滿時，都能成為我傾訴的對象，為我排憂解難。他們不求回報的關心將是我一生的財富。最后感謝武漢理工大學，給我提供了學習的環(huán)境，讓我有機會交識到這么多的良師益友，不斷地促進我進步。

參考文獻：[1]沈輝、曾祖勤.太陽能光伏發(fā)電技術[M].北京：化學工業(yè)出版社.2005（8）：14-16.[2]曾曉生.基于準比例諧振控制的光伏并網(wǎng)逆變器的研制[J].華南理工大學.2012：25-46[3]BhaktaB.Rath，JamesM.Marder.PoweringtheFutureDoestheFuelGag