畢業(yè)設計（論文）直驅(qū)式風力發(fā)電并網(wǎng)逆變電路設計(軟件)

1、摘 要風力發(fā)電因其環(huán)保性、經(jīng)濟性、靈活性等諸多優(yōu)點，正受到日益廣泛的關注，并在世界范圍得以迅猛發(fā)展。并網(wǎng)逆變控制器是風電機組與公共電網(wǎng)的能量接口，其性能優(yōu)劣直接影響機組輸出特性及電網(wǎng)電能質(zhì)量。本文針對小型并網(wǎng)逆變控制器，從其模型分析、檢測控制以及軟件實現(xiàn)等方面展開研究與設計，主要包括以下幾方面的工作：首先，根據(jù)機組電壓及功率等級，確定了并網(wǎng)逆變控制器功率電路的拓撲結構，并分析推導了其在三相坐標系下的靜態(tài)數(shù)學模型、d-q旋轉(zhuǎn)坐標系下的等效受控源模型及其動態(tài)小信號模型，為主電路參數(shù)選取和控制環(huán)節(jié)的補償校正提供理論基礎。其次，將瞬時無功功率理論引入檢測與控制環(huán)節(jié)，將其與pid控制策略結合，實現(xiàn)并網(wǎng)逆

2、變控制器的電壓、電流雙環(huán)控制，并輔以仿真軟件對控制環(huán)節(jié)的補償校正參數(shù)進行計算優(yōu)化，以保證在發(fā)電、饋電平衡的前提下，減小或避免風電機組對電網(wǎng)的負面影響?；谏鲜隼碚摶A，計算確定了功率電路中藕合電感、直流母線電容等關鍵參量；根據(jù)系統(tǒng)的雙環(huán)控制結構，以tms320f2812型dsp為核心，設計了系統(tǒng)控制環(huán)節(jié)中信號采樣、鎖相跟蹤、pi調(diào)節(jié)、spwm形成等各功能模塊。最后，采用仿真軟件matlab/simulink對并網(wǎng)逆變器功率電路及控制環(huán)節(jié)進行了仿真與分析；并在 ccs 的編譯環(huán)境下，采用 c 語言進行編程。關鍵詞：風力發(fā)電；并網(wǎng)逆變器；spwm；雙環(huán)pid控制abstract wind powe

3、r is attracting more attention due to its performance of environmental protection, economy, and flexibility and so on, and is rapidly developing in the world. grid-connected inverter is an energy interface between wind power generation system and power quality of the grid. in this paper, the model,

4、detection and control of low-voltage grid-connected inverter, and its realization of software, were investigated, the work mainly includes the following aspects:first of all, power circuit topology of grid-connected inverter was determined based on voltage and power grade of wind power generation sy

5、stem. its static mathematic model in the three-phase coordinate, equivalent controlled resource model in d-q rotating coordinate and dynamic small-signal model were analyzed derived, which provided theoretical basis for parameter selection of the main circuit and compensation and correction of contr

6、ol section.secondly, the instantaneous reactive power theory to the test and control link, with the combination, realize pid control strategy of grid inverter controller voltage, current 2-ring control, supplemented by simulation software to control links compensation correction parameter optimizati

7、on, to ensure that the calculated in power generation, feeder balance premise, reduce or avoid the wind generator for grid negative influence.based on above foundation, calculate and determine the theory of the power circuit coupling inductor, key parameters dc bus capacitor; according to the system

8、s 2-ring control structure, take tms320f2812 type dsp core, design the system control signal sampling, link of phase-locked tracking, pi adjustment, the function module formation of spwm.finally, using the simulation software matlab/simulink for grid inverter power circuit and control links are simu

9、lated and analyzed; and in the compiler environment, ccs using c programming language.keywords：wind power; grid-connected inverter; spwm; dual-loop pid control第一章 緒論1.1 風力發(fā)電的概況能源，是人類生存的基本要素，也是國民經(jīng)濟發(fā)展的主要物質(zhì)基礎。風能是一種干凈的、儲量極為豐富的可再生能源，它和煤、石油、天然氣等礦物燃料能源不同，它不會隨著本身的轉(zhuǎn)化和利用而減少，因此可以說是一種取之不盡、用之不竭的能源。風力發(fā)電作為一種綠色電力，受

10、到廣泛的關注，隨著技術的發(fā)展，風電必然成為重要的潔凈能源。風力發(fā)電技術是涉及空氣動力學、自動控制、機械傳動、電機學、力學、材料學等多學科的綜合性高技術系統(tǒng)工程。系統(tǒng)建模和分析技術是風力發(fā)電機組優(yōu)化設計分析技術的關鍵基礎技術。1.2 國內(nèi)外風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀自20世紀70年代中期以來，世界主要發(fā)達國家和一些發(fā)展中國家都在重視風能的開發(fā)利用。近20年來，發(fā)達國家在風能的開發(fā)利用方面已取得了驚人的成就。2007年全球新增風電裝機容量2000萬kw，分布在全球70多個國家和地區(qū)，其中，排在前三位的是美國（520萬kw）、西班牙（350萬kw）、中國（330萬kw） 1。能源和環(huán)境危機與國民經(jīng)濟可持續(xù)

11、發(fā)展之間的矛盾，促進了風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，風電在我國能源結構中的地位日益受到重視。中國發(fā)展并網(wǎng)風力發(fā)電始于1990年，到2010年我國的風電裝機將達到14001500萬kw，到2020年有望實現(xiàn)1.21.5億kw。1.3 課題研究現(xiàn)狀風力發(fā)電包含兩個能量轉(zhuǎn)換過程：首先將風能轉(zhuǎn)換為機械能，這一部分主要由風輪來實現(xiàn)；其次將機械能轉(zhuǎn)換為電能，這部分轉(zhuǎn)換任務由發(fā)電機及其控制系統(tǒng)來承擔。兩部分之間并不是相互獨立的，而是息息相關的，每個轉(zhuǎn)換過程采用的裝置結構、運行方式都影響著另一轉(zhuǎn)換過程的效率。因此要選用合適的風力發(fā)電機系統(tǒng)以保證風電能量轉(zhuǎn)換的高效率、高可靠性以及良好的供電性能2。 風力發(fā)電系統(tǒng)有兩種

12、運行方式：一是離網(wǎng)運行方式，它又包括兩種：獨立發(fā)電，即由一臺小型風力發(fā)電機單獨向用戶提供電能，它用蓄電池蓄能，以保證無風時的用電；混合發(fā)電，即風力發(fā)電與其他發(fā)電方式（如柴油機發(fā)電、太陽能發(fā)電等）相結合，向一個單位或一個村莊或一個海島供電；二是并網(wǎng)運行方式，即向大電網(wǎng)提供電能，常常是一處風電場安裝幾十臺甚至幾百臺風力發(fā)電機。ddpmsg （direct-drive permanent magnet synchronous generator wind即直驅(qū)風力永磁同步發(fā)電機）通過變頻器與電網(wǎng)相連，其頻率和電網(wǎng)的頻率彼此獨立，不存在并網(wǎng)時產(chǎn)生沖擊電流、沖擊力矩以及并網(wǎng)后失步的問題，逆變器不僅可以調(diào)

13、節(jié)并網(wǎng)電壓和頻率，而且還可調(diào)節(jié)有功功率，保證系統(tǒng)的功率因數(shù)可調(diào)，是一種穩(wěn)定的并網(wǎng)方式3。對于獨立運行的逆變器，其拓撲以及控制策略的研究已經(jīng)很多，并且目前已經(jīng)有眾多非常成熟的電路應用于產(chǎn)品中，而用作并網(wǎng)功能的，由于其特殊的功能要求，還是一個不成熟的領域。對于并網(wǎng)逆變器的研究國內(nèi)起步較晚，與國外有著一定的差距，目前主要有以下幾個研究方向：逆變器的拓撲結構研究；并網(wǎng)逆變器控制策略研究；逆變器輸出側濾波器結構設計；孤島效應檢測和保護的研究；工作模式的無縫切換技術的研究；同步鎖相技術的實現(xiàn)等。其中，拓撲結構以及相應的控制策略是逆變裝置的關鍵部分。1.4 本文主要研究內(nèi)容本課題中采用直驅(qū)式風力發(fā)電系統(tǒng)，以

14、變速恒頻方式運行，發(fā)出的電經(jīng)整流裝置變?yōu)橹绷?4v，電容濾波，再經(jīng)三相逆變器將直流電變?yōu)榉?、相位、頻率與電網(wǎng)匹配的交流電后，并入電網(wǎng)。逆變器的控制器采用tms320f2812型dsp 芯片，它一方面檢測直流側、逆變器及電網(wǎng)等的相關參數(shù)，一方面根據(jù)檢測到的參數(shù)，利用設定的控制算法對逆變器功率開關器件的開通關斷等進行控制。針對該系統(tǒng)，課題主要研究內(nèi)容概括為：（1）根據(jù)機組電壓及功率等級，確定了并網(wǎng)逆變控制器功率電路的拓撲結構，介紹了其工作原理，分析推導了其在三相坐標系下的靜態(tài)數(shù)學模型、d-q旋轉(zhuǎn)坐標系下的等效受控源模型及其動態(tài)小信號模型，為主電路參數(shù)選取和控制環(huán)節(jié)的補償校正提供理論基礎。（2）將

15、瞬時無功功率理論引入檢測與控制環(huán)節(jié)，避免了傳統(tǒng)同步坐標系下實現(xiàn)有功、無功的復雜計算;將其與pid控制策略結合，實現(xiàn)并網(wǎng)逆變器的電壓、電流雙環(huán)控制。對并網(wǎng)控制環(huán)節(jié)中電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)分別進行動態(tài)分析。（3）計算確定了功率電路中電感、直流母線電容等關鍵參量；根據(jù)系統(tǒng)的雙環(huán)控制結構，以tms320f2812型dsp為核心，設計了系統(tǒng)控制環(huán)節(jié)中信號采樣、鎖相跟蹤、pi調(diào)節(jié)、spwm形成等各功能模塊。（4）然后利用 matlab/simulink 建立風力發(fā)電逆變裝置動態(tài)仿真模型，驗證模型和控制策略的可行性。針對逆變器并網(wǎng)控制要求，提出合適的逆變器的并網(wǎng)控制策略，并對其進行詳細的討論和仿真分析；（5）根

16、據(jù)仿真的結果對系統(tǒng)逆變部分進行軟件設計。第二章 風力發(fā)電并網(wǎng)逆變電路的需求分析2.1 直驅(qū)式風力發(fā)電系統(tǒng)簡介風力發(fā)電要經(jīng)過兩次能量轉(zhuǎn)換，首先需要風輪機將風能轉(zhuǎn)換成機械能，再由發(fā)電機及其控制系統(tǒng)將機械能轉(zhuǎn)換成電能。永磁發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)所采用的發(fā)電機為永磁式發(fā)電機，轉(zhuǎn)子為永磁式結構，無需外部提供勵磁電源，提高了效率。其變速恒頻控制在定子電路實現(xiàn)的，把永磁發(fā)電機的變頻交流電通過變頻器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娋W(wǎng)同頻的交流電。采用永磁發(fā)電機可做到風力機與發(fā)電機的直接耦合，省去齒輪箱，即為直接驅(qū)動式結構，這樣可大大減小系統(tǒng)運行噪聲，提高可靠性。隨著電力電子技術和永磁材料的發(fā)展，在直驅(qū)永磁風力發(fā)電系統(tǒng)中，占成本比

17、例相對較高的開關器件和永磁體，在性能不斷提高的同時，成本也正在不斷下降，使得直驅(qū)永磁風力發(fā)電系統(tǒng)眾多變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)中脫穎而出，具有很好的發(fā)展前景5,6。在我國直驅(qū)式風力發(fā)電機多用于中小型風力發(fā)電系統(tǒng)(30kw以下)中，發(fā)電機采用低速永磁同步發(fā)電機，電能變換裝置主要用于蓄電池的儲能控制。由于風能密度的問題，該系統(tǒng)的發(fā)電機同樣工作在低轉(zhuǎn)速下，并且輸出的電能不穩(wěn)定，須采用電能變換裝置來提高輸出電能質(zhì)量。目前在國內(nèi)對直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)的研究有價值的成果不多，尤其是對電能變換裝置的研究。雖然國內(nèi)已經(jīng)研制出用于直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)的小型電能變換裝置，但是這些裝置還存在著功能比較單一，對供電電源的選擇性較強

18、，未實現(xiàn)全數(shù)字化控制，可靠性不高等缺點。因而，逆變器的控制策略是我們研究的重點。將現(xiàn)代電力電子技術、先進控制技術與風力發(fā)電相結合，在直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)的電能變換裝置方面進行深入的研究，以提高直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)電能變換裝置的性能與質(zhì)量，實現(xiàn)裝置的全數(shù)字化控制增強其功能，進一步拓展風力發(fā)電市場。永磁同步發(fā)電機與電勵磁同步發(fā)電機的主要區(qū)別在于永磁電機磁路中有永磁體存在，導致磁路結構有所不同。永磁體主要有以下兩個作用：一是作為發(fā)電機的勵磁源，二是構成較大磁阻的磁路段。2.2 并網(wǎng)系統(tǒng)總體設計所謂逆變是將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，與整流正好相反為整流的逆向過程，因此稱之為“逆變”。具體實現(xiàn)是通過功率半導體開關器件

19、的開通和關斷作用，把直流電能變換成交流電能7,8。并網(wǎng)逆變器采用先進的spwm 調(diào)制技術，具有完善的保護功能，可以靈活調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有功和無功功率，減小開關損耗，提高效率，使并網(wǎng)功率最大化。并網(wǎng)系統(tǒng)總體方案如圖2.1所示。本文主要圍繞風電機組并網(wǎng)逆變器展開研究，由于風力發(fā)電系統(tǒng)需要與電網(wǎng)并網(wǎng)發(fā)電，因此要求系統(tǒng)輸出的交流電流必須與電網(wǎng)電壓同頻同相。同時風力發(fā)電系統(tǒng)存在著風速變化或風速較低的時候，風力發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能電壓幅值變化較大且頻率變化，不符合電網(wǎng)并網(wǎng)標準條件，所以不能將風力發(fā)電機與電網(wǎng)直接相連并入電網(wǎng)，因此在風力發(fā)電機的輸出端設計一個電力電子界面-并網(wǎng)逆變器作為風力發(fā)電機與電網(wǎng)之間的接口。該

20、并網(wǎng)逆變器實現(xiàn)了風力發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)運行和低風速時風能的利用問題。圖2.1 風力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)總體方案系統(tǒng)主要包括以下模塊：三相整流模塊、逆變電路模塊、直流電壓電流采樣模塊、并網(wǎng)電流采樣模塊、電網(wǎng)電壓電流采樣模塊、輔助電源模塊、微處理器 dsp 主控單元模塊。由圖所知有3個采樣程序：直流母線的電壓采樣，網(wǎng)側的電流采樣，電網(wǎng)電壓電流采樣。1）直流母線電壓采樣電路：檢測整流后電壓是否滿足并網(wǎng)條件；系統(tǒng)正常運行時，為系統(tǒng)提供各種正確參數(shù)或指標；當系統(tǒng)發(fā)生故障時，輸送至主控器進行故障定位及自診斷并進行相應處置，即利用繼電器開關控制 igbt 驅(qū)動電路，同時使 dsp 封鎖spwm引腳輸出脈沖信號。2）并網(wǎng)

21、電流采樣電路：過流、輸入欠壓、過壓及斷電保護。從主電路的電流互感器的次級線圈得到交流采樣信號，若高于設定值時保護電路啟動。3）電網(wǎng)電壓反饋信號采樣電路：采樣獲得電網(wǎng)頻率、相位信號，送至 dsp 的捕獲引腳，通過軟件鎖相程序使輸出spwm脈沖信號相位及頻率與電網(wǎng)電壓同步；將電壓幅值信號模數(shù)轉(zhuǎn)換調(diào)理后，由相應控制算法調(diào)節(jié)spwm脈沖信號占空比，進而改變輸出電壓大小。在逆變器的控制策略上提出三種方案：電壓型逆變器分別采用svpwm、spwm控制策略和三電平逆變器采用spwm方法。重點分析它們輸出電壓和電流的諧波。第三章 并網(wǎng)逆變系統(tǒng)控制策略研究3.1 逆變器分類和控制技術的發(fā)展早期的逆變器是通過改變

22、功率電路的設計來改善輸出電壓波形質(zhì)量，其輸出為階梯波，如通過對輸出變壓器的特殊設計來提高輸出電壓波形的正弦度;脈寬調(diào)制技術（pwm）問世后，逆變器廣泛采用此調(diào)制技術控制功率變換器件的導通與關斷，既能降低諧波，又提高了快速性，還改善了功率因數(shù)。以往電力電子整流逆變控制技術采用pid模擬控制，其主要缺點是溫漂大、調(diào)整不方便。隨著控制技術的發(fā)展，采用模擬電路和pwm技術相結合的閉環(huán)控制方法，使逆變器輸出電壓質(zhì)量得到進一步提高。高速微處理器的問世，特別是具有高速運算、處理和控制能力的 dsp(digital signal processor)的出現(xiàn)，使逆變器控制技術的全數(shù)字化成為現(xiàn)實，許多先進的現(xiàn)代控

23、制理論和方法在逆變器中得到應用，逆變器的穩(wěn)定性和可靠性大幅度提高。逆變器的種類很多，可按照不同的方法進行分類。（1）按儲能分為電壓型和電流型兩大類電壓型逆變器中儲能元件電容儲能效率高，儲能器件體積小，價格低，從而制約了電流型并網(wǎng)逆變器的應用和研究。但是，直接將電壓型并網(wǎng)逆變器應用于可再生能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中時，也存在一些問題，主要是可再生能源發(fā)電系統(tǒng)一般輸出電壓比較低，電壓輸出幅值變化范圍比較大，往往需要經(jīng)過升壓和穩(wěn)壓變換后才能實現(xiàn)電壓型并網(wǎng)發(fā)電，這必然增加系統(tǒng)的復雜性和成本。電流型并網(wǎng)逆變器的儲能元件電感儲能效率相對較低，儲能器件體積大，價格高。具有并網(wǎng)電流不受電網(wǎng)影響，在電網(wǎng)波動或者畸變的情

24、況下也能實現(xiàn)高質(zhì)量饋電;同時，電流型逆變器不受輸入電壓幅值限制，即使在輸入電壓低于電網(wǎng)峰值電壓的情況下也能實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，拓寬了輸入電壓范圍。（2）按調(diào)壓方式可分為脈幅調(diào)制（pam）和脈寬調(diào)制 (pwm)采用pwm控制技術的并網(wǎng)逆變器由于其交流側具有可控功率因數(shù)以及正弦化輸出電流波形，同時可以實現(xiàn)電能的雙向傳輸而受到廣泛關注。但同時存在輸送到電網(wǎng)的諧波電流難以控制的問題，只有通過加大并網(wǎng)電感或加裝濾波器來衰減輸出電流中的諧波分量，這將增加并網(wǎng)逆變器的成本和體積，降低效率，也不利于逆變器的控制。脈寬調(diào)制可以采用諧波消除 (harmonic elimination簡稱he)、電流滯環(huán)(current

25、 hysteresis簡稱ch)和空間矢量 (space vector簡稱sv)三種控制策略。he技術的基本原理是消除那些難以被濾波器直接濾除的低次諧波；ch控制的基本原理是通過控制逆變器輸出電流，使它在與給定參考值偏差保持在一定范圍之內(nèi)變化，輸出電流在給定電流上下做鋸齒狀變化；sv控制技術可以使得逆變器輸出電流諧波失真非常小，從而可以得到更高的電能質(zhì)量。（3）按輸出電流的控制方式分為直接電流控制和間接電流控制兩種7間接電流控制又稱作幅值相位控制，是通過控制逆變器交流側電壓而達到控制交流側電流的目的。其電流控制的依據(jù)是變流器的空間矢量圖，對電流的控制是開環(huán)的。其優(yōu)點是靜態(tài)性能很好，控制簡單，一

26、般無需電流反饋控制，由于不需要電流傳感器，成本也比較低。但是間接控制時，電流的動態(tài)響應不夠快，甚至在交流側電流中含有直流分量、且對系統(tǒng)參數(shù)波動較敏感，因而常用于對變流器動態(tài)響應不高且控制結構要求簡單的場合。直接電流控制與間接電流控制相反，在控制電路中引入交流輸入電流反饋信號，對輸入電流進行直接控制，稱為直接電流控制。根據(jù)電流跟蹤方法的不同，直接電流控制可分為滯環(huán)電流比較法控制、定時瞬時電流比較法控制和三角波比較法控制等。在直接電流控制中直接檢測交流側電流信號加以控制，系統(tǒng)響應快，動態(tài)響應好，但檢測量過多，控制復雜。間接電流控制從穩(wěn)態(tài)相量關系出發(fā)進行電流控制，盡管動態(tài)響應較慢，但其具有結構簡單、

27、檢測量少、控制簡單、概念清晰的特點。3.2 兩種控制方式下spwm原理3.2.1脈沖寬度調(diào)制基本原理在采樣控制理論中有一個重要結論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。這個結論是pwm波形調(diào)制的主要理論依據(jù)。沖量即窄脈沖的面積，這里效果基本相同，是指輸出響應波形基本相同。如果把各輸出波形用傅立葉變換分析，則其低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。此原理稱之為面積等效原理，它是pwm控制技術的重要理論基礎。利用pwm調(diào)制可有效調(diào)節(jié)逆變輸出電壓和降低諧波含量，應用十分廣泛。隨著各種高性能數(shù)字信號處理器的廣泛應用，先進的數(shù)字控制方法應用于并網(wǎng)逆變器已成為可能，對開關管的通斷

28、控制在調(diào)制方式上，有 pwm，spwm，svpwm 等先進的數(shù)字化調(diào)制算法。目前,基于微控制器的 pwm產(chǎn)生方法種類很多，但是在各種實際應用場合中，使用最多的還是基于對稱或不對稱規(guī)則采樣法的正弦波脈沖調(diào)制 spwm方法，這主要是因為spwm具有算法簡單、硬件容易實現(xiàn)、諧波較小等優(yōu)點。3.2.2 單極性 spwm 方法spwm調(diào)制的控制思想是正弦波作為調(diào)制波，等腰三角波做為載波,當三角波與正弦波曲線相交時，在交點的時刻產(chǎn)生控制信號，利用功率開關管的高頻率通斷特性，按正弦波變化規(guī)律控制元件開通與關斷，這樣可以得到一系列等幅而且脈沖寬度正比于對應區(qū)間正弦波曲線的函數(shù)值的矩形脈沖序列。如圖 3.1 所

29、示為正弦波一個周期波形，將其劃分為n等份，看成由n個彼此相連的脈沖所組成的波形。這些脈沖的寬度相等，都等于，但幅值不等，且脈沖頂部是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化，即pwm波的占空比值按正弦規(guī)律變化。若把此脈沖序列用個等幅而不等寬的矩型脈沖序列來代替，使矩形脈沖中點和相應的正弦脈沖中點重合，且兩者對應部分脈沖面積相等，如面積，如果將每一等份的正弦曲線與橫軸所包圍的面積用一個與此面積相等的等高矩形脈沖代替，就得到如圖 3.1 所示的脈沖序列。圖3.1 spwm調(diào)制基本原理示意圖spwm控制技術根據(jù)控制信號極性的不同可分為單極性和雙極性兩種。單極性spwm是一個載波周期內(nèi)，逆變橋的輸出電壓(即兩

30、橋臂中點間電壓) 只有0和正電壓或0和負電壓；雙極性spwm在一個載波周期內(nèi)，逆變橋的輸出電壓既有正電壓，又有負電壓。但是在雙極性spwm控制方式中，同一相上下兩個臂的驅(qū)動信號是互補的功率管都以相同的頻率通斷，開關次數(shù)比單極性調(diào)制方式增多，增大了開關損耗，而且輸出電壓正負交替出現(xiàn)，使輸出電壓基波幅值減小，諧波分量加大。在單相脈寬調(diào)制中不如單極性spwm控制方式。單極性 spwm 調(diào)制功率管一半是以高頻工作，另外一半是以低頻工作，所以開關管的開關損耗較小，電磁干擾emi較小，同時其偶次諧波也不存在?？梢?，對于單相逆變器單極性spwm控制方式比較優(yōu)勢明顯。圖3.2 單極性spwm調(diào)制示意圖3.2.

31、3 雙極性 spwm 方法如果在正弦調(diào)制波半個周期內(nèi)，三角載波在正負極性之間連續(xù)變化，則spwm波也是在正負之間變化，叫做雙極性控制方式。圖3.3雙極性pwm控制方式3.2.4 spwm 技術和 svpwm 技術的概念與比較spwm 法是以三相正弦波（以對稱電壓為基準的正弦波稱為調(diào)制波），用一系列等幅的三角波（稱為載波）與正弦波相交，由它們的交點來確定逆變器的開關模式，使定子旋轉(zhuǎn)磁場接近圓形。spwm已被廣泛應用于逆變器中，針對spwm直流電壓利用率低，又提出了一些改進辦法，如三次諧波注入法。該方法有效地解決了直流電壓利用率問題。但在電壓閉環(huán)控制時存在調(diào)制波和注入的二次諧波如何同步的問題。另外

32、，傳統(tǒng)的高頻三角波與調(diào)制波比較生成pwm波的方式適合模擬電路，不便于數(shù)字化方案實現(xiàn)。80年代中期，國外學者在交流電機調(diào)速中提出了磁通軌跡控制的思想，進而發(fā)展產(chǎn)生了電壓空間矢量（space vector）的概念。其物理概念清晰，算法簡單且適合數(shù)字化方案，故一經(jīng)提出即受到關注，svpwm目前也己經(jīng)得到應用。從分析電壓空間矢量的原理入手，證明了svpwm具有最高直流電壓利用率。對 spwm和 svpwm 輸出波形的分析表明，svpwm實質(zhì)是一種對在三相正弦波中注入了零序分量的調(diào)制波進行規(guī)則采樣的一種變形spwm。3.3并網(wǎng)逆變器工作原理并網(wǎng)逆變器是將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的裝置，是并網(wǎng)型發(fā)電機組與公共電

33、網(wǎng)的能量交換接口，主電路由三相全橋電路、濾波器等組成并網(wǎng)逆變器按控制方式分類，可分為電壓源電壓控制、電壓源電流控制、電流源電壓控制和電流源電流控制四種方法。以電流源為輸入的逆變器，其直流側需要串聯(lián)一大電感提供較穩(wěn)定的直流電流輸入，但由于此一大電感往往會導致系統(tǒng)動態(tài)響應差。因此，國內(nèi)外大部分并網(wǎng)逆變器均采用以電壓源輸入為主的方式。由于電壓型逆變器中儲能元件電容與電流型逆變器中儲能元件電感相比，儲能效率和儲能器件體積、價格等都具有明顯的優(yōu)勢，本文采用電壓型并網(wǎng)逆變器。電壓型并網(wǎng)逆變器是對逆變器輸出的三相電流進行控制的一類電壓源型逆變器，其工作原理就是控制與逆變器連接的濾波電感上的電流，使其跟蹤指令

34、電流的變化。在電壓源輸入電壓源輸出模式中，系統(tǒng)參考跟蹤量是電網(wǎng)電壓，并網(wǎng)電流和電壓的質(zhì)量完全取決于電網(wǎng)電壓，只有當電網(wǎng)電壓質(zhì)量很高時，才能得到高質(zhì)量的并網(wǎng)電流和電壓。一旦電網(wǎng)電壓受到擾動或出現(xiàn)不平衡時，并網(wǎng)電流電壓相應的就會受到擾動，而降低了輸出電能質(zhì)量。而在電壓源輸入電流型輸出模式中，系統(tǒng)被控制量為輸出電流，它的質(zhì)量受到電網(wǎng)電壓的影響較少，同比之下可以使電能高質(zhì)量并網(wǎng)。因此，采用這種模式可以減小電網(wǎng)電壓的擾動對輸出電流和電壓的影響，提高輸出電能質(zhì)量。鑒于此，本設計采用電壓源輸入電流型輸出的控制方式。并網(wǎng)逆變器控制目標是輸出正弦電流，且其相位與電網(wǎng)電壓相位一致，以避免對電網(wǎng)的諧波污染，使逆變器

35、工作在單位功率因數(shù)并網(wǎng)模式。由于spwm控制技術能使并網(wǎng)逆變器交流側具有可控功率因數(shù)，正弦化輸出電流波形，以及可以實現(xiàn)電能的雙向傳輸?shù)葍?yōu)點，因此系統(tǒng)采用spwm控制技術10。一般來說，對于spwm電流控制的基本要求主要有以下幾點:（1）輸出電流無相位誤差;（2）系統(tǒng)動態(tài)響應好;（3）能夠限制或保持開關頻率恒定，使電力晶體管工作在安全工作區(qū)內(nèi);（4）諧波含量低;（5）直流電壓利用率高11。3.4 主電路工作狀態(tài)分析一般spwm逆變器的直流側由一相對穩(wěn)定的直流電源供電，交流側可以是交流負載，也可以接交流電壓源，典型的三相電壓型spwm逆變器的拓撲結構如圖3.4所示。圖3.4 并網(wǎng)型電壓源逆變器的電

36、路結構各功率開關管 igbt 的控制規(guī)律：定義開關函數(shù) ： （3.1） （3.2） （3.3）因此，逆變器的開關信號可以產(chǎn)生8種狀態(tài)。表3.1列舉了在所有開關組合狀態(tài)下的逆變器的輸出電壓情況。表 3.1 逆變器輸出電壓與直流電壓的關系開關狀態(tài)輸出電壓輸出線電壓000000000001-1/3-1/32/30-11010-1/32/3-1/3-110011-2/31/31/3-1011002/3-1/3-1/310-11011/3-2/31/31-101101/31/3-2/301-1111000000注：表中的電壓值均要乘上直流電壓由表3.1，可以得到用開關信號表示的逆變器交流端輸出的相電壓和

37、線電壓，它們分別為： （3.4） （3.5）式（3.4）的電路平衡方程為： （3.6） 即： （3.7）3.5 并網(wǎng)逆變器數(shù)學模型獲得控制對象數(shù)學模型是開展嚴密理論分析和實驗研究的基礎。本節(jié)將對由三相全橋電路構成的并網(wǎng)逆變器，建立適合于控制系統(tǒng)設計的數(shù)學模型。為建立并網(wǎng)逆變器數(shù)學模型，在不影響系統(tǒng)建模準確性的前提下可做如下假設12，13：（1）電網(wǎng)電動勢為三相平穩(wěn)的純正弦波電動勢，瞬時值表達式為: （3.8）（2）網(wǎng)側三相濾波電抗為線性元件，且不考慮飽和；（3）功率開關管為理想開關，不計開關損耗；（4）逆變器開關頻率遠高于電網(wǎng)電壓頻率；逆變器并網(wǎng)發(fā)電運行的主要控制問題是逆變器輸出正弦波電流（即

38、并網(wǎng)電流）控制技術，要求并網(wǎng)電流能實時跟蹤電網(wǎng)電壓頻率、相位和并網(wǎng)容量給定的變化，且電流的總畸變失真要低，以減小對電網(wǎng)的諧波影響14，15。電流的控制既可以在靜止坐標系，也可以在同步坐標中進行。在同步坐標系下可以實現(xiàn)電流的無靜差跟蹤，電流響應也快一些。早期的電流控制主要用模擬電路，要實現(xiàn)坐標變換還非常復雜，所以控制器一般在靜止坐標系實現(xiàn)。隨著處理器技術的發(fā)展，數(shù)字化系統(tǒng)正在逐步取代模擬電路，在數(shù)字化系統(tǒng)中進行坐標變換非常方便，所以現(xiàn)在使用的控制器大都建立在同步坐標系中。電流控制并網(wǎng)型電壓源逆變器是對逆變器輸出的三相電流大小進行控制的一類電壓源逆變器，其工作原理就是控制與逆變器連接的濾波電感上的

39、電流大小，使其跟蹤指令電流的變化，而電網(wǎng)電壓又是恒定的，從而使逆變器經(jīng)濾波后的輸出功率能夠隨著指令電流的變化而成正比的變化。逆變器是整個系統(tǒng)并網(wǎng)的關鍵環(huán)節(jié)，下面重點討論。3.5.1三相并網(wǎng)型電壓源逆變器的數(shù)學模型圖3.1所示的并網(wǎng)型電壓源逆變器在靜止三相坐標系abc中的狀態(tài)方程為： （3.9）其中，是逆變器的輸出電流矢量，是逆變器的輸出相電壓矢量，是電網(wǎng)相電壓矢量，是每相濾波電感的大小，為逆變器到電網(wǎng)之間的電阻大小，在式（3.9）中忽略不計。因為在兩相旋轉(zhuǎn)坐標系 中，所有基波頻率的交流量都變?yōu)榱酥绷髁?，所以為了后面更好的分析電流控制并網(wǎng)型電壓源逆變器的控制方法，我們將基于三相靜止坐標系的式（3

40、.9）轉(zhuǎn)換為基于兩相旋轉(zhuǎn)坐標系的式（3.10）。 （3.10）式（3.10）中，標示分別表示 軸上的變量，表示電網(wǎng)的基波角頻率大小。由三相靜止坐標系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標系的park變換見（3.11）。 （3.11）式（3.11）中，表示電網(wǎng)相角與 軸之間的夾角。圖 3.5 表示了電網(wǎng)相角，坐標系和 坐標系之間的關系。圖3.5 電網(wǎng)相角，和 三個坐標系的關系圖在 坐標系中，三相并網(wǎng)型電壓源逆變器輸出的有功和無功功率可表示為: （3.12）如果電網(wǎng)的三相電壓是標準的正弦波，那么式（3.12）中電網(wǎng)電壓的軸分量為： （3.13）其中，表示的是電網(wǎng)相電壓的峰值。在實際情況下，電網(wǎng)電壓都會存在諸如高次諧波等非

41、正弦因素，因此，和并不會保持不變，而是包含幅值和頻率隨諧波電壓變化的交流分量。但是，在穩(wěn)態(tài)下，的平均值還是為0。因此，在穩(wěn)態(tài)下，式（3.12）可簡化為式（3.14）： （3.14）由式（3.14）可得，在穩(wěn)態(tài)下，有功功率與有功電流成正比，無功功率與無功電流成正比。由此，我們得到了電流控制的三相并網(wǎng)型電壓源逆變器輸出的有功和無功功率的控制方法，即分別控制逆變器輸給電網(wǎng)的電流的有功分量和無功分量的的大小就能按照要求給電網(wǎng)輸送對應大小的有功和無功功率。根據(jù)有沒有引入電流反饋，可以將電流控制并網(wǎng)型電壓源逆變器分為間接電流控制型和直接電流控制型，下面分別予以介紹。3.5.2 間接電流控制型間接電流控制也

42、稱為相位和幅值控制。這種控制方法就是按照圖3.5的向量關系來控制逆變器交流輸出電壓，使得輸出電流和電網(wǎng)電壓保持某一要求的相位和頻率，從而得到所需大小的有功和無功功率的一種控制方法。（1）控制原理其控制的基本原理如圖3.4，圖3.6所示，將直流支撐電容看成兩個等效電容串聯(lián)，以兩個等效電容的公共接點的電位作為參考零電位。設為逆變器某相相對參考零電位的輸出電壓矢量，為相對參考零電位的電網(wǎng)電壓矢量，為并網(wǎng)電感電壓降矢量，為逆變器輸出的單相入網(wǎng)線電流矢量。 根據(jù)以上向量定義，設逆變器輸出端濾波電感為，損耗電阻為，建立矢量圖，如圖3.6所示。其中為電網(wǎng)電壓矢量與逆變器輸出電壓矢量之間的夾角。為逆變器輸出的

43、入網(wǎng)電流矢量與電網(wǎng)電壓矢量之間的夾角。 圖3.6 逆變器輸出電壓、電流與電網(wǎng)電壓矢量關系圖從圖中可以看出如下的數(shù)學關系： （3.15） （3.16） （3.17） （3.18）分下面幾種情況進行討論：（1）當時，逆變器輸?shù)诫娋W(wǎng)的功率全為有功功率，即輸出功率因數(shù)為 1，此時（2）當 時，逆變器向電網(wǎng)輸送的功率包括有功功率和感性無功功率，功率因數(shù)；（3）當，逆變器向電網(wǎng)只輸送感性無功功率，功率因數(shù)；（4）時，逆變器向電網(wǎng)輸送的功率包括有功功率和容性無功功率，功率因數(shù)；（5）當時，逆變器向電網(wǎng)只輸送容性無功功率，功率因數(shù)。圖3.7電壓源逆變器間接電流控制原理3.5.3直接電流控制型在這種控制方法中，

44、通過運算求出交流輸出電流指令值，再引入交流電流反饋，通過對交流電流的直接控制而使其跟蹤指令電流值，因此這種控制方法稱為直接電流控制。針對風力發(fā)電系統(tǒng)的特性，設計了與電網(wǎng)并聯(lián)的spwm逆變器控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)將瞬時無功功率理論引入檢測與控制環(huán)節(jié)，避免了傳統(tǒng)同步坐標系下實現(xiàn)有功、無功解禍的復雜計算;將其與pid控制策略結合，實現(xiàn)并網(wǎng)逆變器的電壓、電流雙環(huán)控制，并網(wǎng)逆變器的電流內(nèi)環(huán)采用電流瞬時值反饋控制。直接以電網(wǎng)電壓同步信號為逆變器輸出電流跟蹤指令，以取得網(wǎng)側電流的快速跟隨性和直流側電壓的抗擾性，保證單位功率因數(shù)正弦波電流的輸出；電壓外環(huán)控制的目的是穩(wěn)定直流側電壓，在單位功率因數(shù)條件下使并網(wǎng)逆變器輸

45、入輸出功率平衡。由于內(nèi)環(huán)的動態(tài)響應速度遠快于外環(huán)，因此雙環(huán)的動態(tài)響應可近似視為相對獨立，即當處理外環(huán)時可認為電流環(huán)已完全實現(xiàn)跟蹤；在處理內(nèi)環(huán)時則可假設輸出電壓尚處于穩(wěn)態(tài)，這種雙環(huán)分離的思路對簡化電路設計很有好處。該控制系統(tǒng)并沒有將電路具體參數(shù)納入控制中，因此對主電路參數(shù)的精確度沒有要求。但是，系統(tǒng)引入了電網(wǎng)電壓鎖相環(huán)節(jié)，對它們卻提出了很高的要求。圖3.8 直接電流控制系統(tǒng)框圖其中 為了實現(xiàn)正弦電流輸出和相位控制，使逆變器工作在單位功率因數(shù)并網(wǎng)模式，該調(diào)節(jié)方法中，使用了與相電網(wǎng)電壓同相位的正弦信號和對應的余弦信號。它們由一個鎖相環(huán)和一個正弦、余弦信號發(fā)生電路產(chǎn)生。由于軸的控制結構具有對稱性，下面

46、以軸控制結構進行分析。將直流側電壓取樣反饋，與給定參考電壓比較，比較誤差作為電壓控制器的輸入，這是電壓控制的基本結構17，電壓控制器的調(diào)節(jié)算法為pi調(diào)節(jié)；電壓控制器輸出與有功電流給定進行比較，比較誤差作為內(nèi)環(huán)有功電流給定值，有功電流給定值與電網(wǎng)有功電流的差值經(jīng)pi調(diào)節(jié)的出，然后進行式（3.20）所示變換，用三相電壓矢量去產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。電網(wǎng)有功電流、無功電流的計算公式： （3.19）式中電網(wǎng)各相電流： （3.20）對于無功電流給定理論值為零，與電網(wǎng)無功電流的差值進行pi調(diào)節(jié)得出場，同樣也要進行式（3.20）所示變換，這樣通過對無功電流和有功電流的調(diào)節(jié)，使其在并網(wǎng)過程中輸出電流與電網(wǎng)電壓同步17。

47、這種調(diào)節(jié)方法通過3/2變換和靜止/旋轉(zhuǎn)變換后，基波分量變換為直流，非常方便數(shù)字低通濾波器的dsp程序?qū)崿F(xiàn)。如果a相電壓的鎖相精確，有功和無功基波電流也能得到準確分離。在實際系統(tǒng)中使用，得到了很好的效果。同間接電流控制相比，采用直接電流控制可以獲得更好的動態(tài)響應與高質(zhì)量電流波形，直接電流控制的結構和算法比間接電流控制復雜，要求電流采樣信號具有較高的實時性。隨著數(shù)字信號處理技術的發(fā)展，功能強大的 dsp的推廣使用，直接電流控制應用更加廣泛。所以本次設計選擇這種方式。3.5.4電流內(nèi)環(huán)動態(tài)結構由于同步旋轉(zhuǎn)坐標系下解藕的軸電流小信號模型具有對稱性，因而可以選擇任意軸的模型分析電流控制環(huán)的動態(tài)結構。本節(jié)

48、以軸電流進行分析，基于電流環(huán)反饋信號的采樣延遲和pwm調(diào)解器的小慣性環(huán)節(jié)，包含校正器的軸電流控制環(huán)動態(tài)結構如圖3.9所示。圖3.9 電流環(huán)動態(tài)結構（1）輸出電流濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)由逆變器小信號模型等效電路得出輸出電流濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)： （3.21）式中：-輸出濾波時間常數(shù)，（2）pwm調(diào)制器傳遞函數(shù)采用三角波比較法的pwm調(diào)制器可以看成一個滯后環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為： （3.22）式中：-三角載波幅值，-開關周期。其傳遞函數(shù)可以等效為一階慣性環(huán)節(jié)為： （3.23）（3）電流反饋環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)該環(huán)節(jié)采用一階低通濾波器實現(xiàn)，電流反饋環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)為: （3.24） 式中：-電流反饋濾波環(huán)節(jié)時間常數(shù)，-電流反

49、饋系數(shù)（4）電流控制環(huán)傳遞函數(shù)電流控制環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)可以表示為： （3.25）式中：-逆變橋放大系數(shù)， 一般情況下反饋信號濾波器時間常數(shù)滿足，開關周期與輸出電流濾波時間常數(shù)相比滿足因此將式（3.25）中的小時間常數(shù)項合并，得出未校正電流內(nèi)環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù): （3.26）（5）pi調(diào)節(jié)器對電流環(huán)進行校正對式（3.26）所描述的被控對象進行pi校正，pi調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)： （3.27）式中：-比例系數(shù)，-積分系數(shù)加入pi環(huán)節(jié)后電流環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)： （3.28）按典型i型系統(tǒng)標準設計控制器參數(shù)18，pi參數(shù)首先滿足： （3.29）將式（3.29）代入式（3.28）得： （3.30）按典型i型系統(tǒng)標準設計

50、控制器參數(shù):阻尼系數(shù)，（其中） （3.31）依據(jù)一臺額定功率為300w的三相并網(wǎng)逆變器實驗樣機的設計參數(shù)：表3.2 逆變器的主要設計參數(shù)表項目符號參數(shù)網(wǎng)側等效電阻r網(wǎng)側濾波電感l(wèi)逆變器開關頻率fs逆變橋放大系數(shù)kpwm150電流反饋系數(shù)kf0.04直流母線側電容c0.001f將表中的值代入（3.23）中，。pi調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)： （3.32）加入pi環(huán)節(jié)后電流環(huán)開環(huán)傳函數(shù)： （3.33）電流內(nèi)環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)為： （3.34）3.5.5電壓外環(huán)動態(tài)結構電壓控制環(huán)的目的是為了穩(wěn)定逆變器直流電壓，根據(jù)圖3.1得到系統(tǒng)直流側受控源模型等效電路如圖3.10所示。圖3.10 并網(wǎng)逆變器直流側受控源模型等效電

51、路根據(jù)基爾霍夫電流定律得出圖3.9直流電壓動態(tài)方程為:（-整流輸出電流） （3.35）假設逆變器輸出電流為： （3.36）式中：-逆變器輸出電流有效值，-電網(wǎng)電壓基波角頻率依據(jù)文獻19中只考慮開關函數(shù)中低頻分量時的開關函數(shù)表示，并將式(3.36)代入式(3.35)化簡后得: （3.37）式中：-調(diào)制比，-開關函數(shù)基波初始相位角式（3.37）中的時變性是由系數(shù)引起的。實際系統(tǒng)中該系統(tǒng)的變化將引起控制環(huán)路增益的和變化。通常環(huán)路增益的最大值對系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響最大，因此如果用常數(shù)，代替該時變量參與控制系統(tǒng)設計是可以滿足要求的。經(jīng)過上述處理后，直流電壓控制環(huán)動態(tài)結構如圖3.11所示：圖3.11 直流電壓

52、控制環(huán)動態(tài)結構-電壓校正器 -電流內(nèi)環(huán)等效傳遞函數(shù) -電壓反饋系數(shù)-直流輸出受控電流控制系數(shù) （1）電流內(nèi)環(huán)等效傳遞函數(shù)由于并網(wǎng)逆變器的電流內(nèi)環(huán)按典型i型系統(tǒng)進行設計，這種情況下，電流內(nèi)環(huán)通?？山频刃С梢浑A慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)可以表示為：（-慣性環(huán)節(jié)時間常數(shù)，） （3.38）（2）時變系數(shù)依據(jù)上文分析，時變系數(shù)用其最大值作為參數(shù)參與電壓控制環(huán)路的設計。因此，根據(jù)式（3.37）可以得到如下結果： （3.39）（3）電壓控制環(huán)傳遞函數(shù)由于電壓外環(huán)的設計需要以電流內(nèi)環(huán)的設計為基礎，依據(jù)上面的推導，電壓開環(huán)傳遞函數(shù)可以表示為: （3.40）按典型型系統(tǒng)校正，pi調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)： （3.41）校正后電壓開環(huán)傳遞函數(shù)： （3.42）設計各參數(shù)與性能指標的關系： （3.43）將，代入式（3.43）得：電壓校正傳遞函數(shù): （3.44）校正后電壓開環(huán)傳遞函數(shù)： （3.45）第四章 系統(tǒng)的仿真與分析4.1 matlab 仿真軟件綜述matlab，即 matrix laboratory，代表“矩陣實驗室”。matlab 是一種交互式系統(tǒng)，它的基本數(shù)據(jù)單元是無需指定維數(shù)的矩陣，所以