【LCL型并網(wǎng)逆變器延遲補(bǔ)償控制方法研究（論文）】

LCL型并網(wǎng)逆變器延遲補(bǔ)償控制方法目錄第1章緒論 11.1研究意義及背景 11.2光伏發(fā)電系統(tǒng)常見(jiàn)結(jié)構(gòu) 21.2.1分布式光伏發(fā)電系統(tǒng) 21.2.2并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng) 21.3光伏并網(wǎng)逆變器概述 51.4輸出濾波器結(jié)構(gòu) 61.5逆變器控制技術(shù) 71.6本文研究主要內(nèi)容及結(jié)構(gòu)安排 11第2章單相LCL型并網(wǎng)逆變器研究 132.1單相LCL濾波器的并網(wǎng)逆變器分析 132.2正弦波脈寬調(diào)制 152.2.1SPWM基本原理 152.2.2SPWM技術(shù)的分析和比較 152.3LCL濾波器的研究及設(shè)計(jì) 172.3.1LCL濾波器研究 172.3.2LCL濾波器的設(shè)計(jì) 212.4LCL系統(tǒng)無(wú)源阻尼補(bǔ)償 242.5本章小結(jié) 27第3章并網(wǎng)逆變器控制策略 293.1單相并網(wǎng)逆變器的建模分析 293.2基于PI控制的并網(wǎng)逆變器的分析 313.3基于PI控制和重復(fù)控制的并網(wǎng)逆變器分析 333.3.1重復(fù)控制的內(nèi)模 333.3.2延時(shí)環(huán)節(jié) 373.3.3補(bǔ)償環(huán)節(jié) 373.3.4PI+重復(fù)控制復(fù)合控制器結(jié)構(gòu) 383.4本章小結(jié) 39第4章系統(tǒng)仿真結(jié)果 40第5章結(jié)論 43致謝 45參考文獻(xiàn) 46第1章緒論1.1研究意義及背景當(dāng)今世界的能源問(wèn)題變得越來(lái)越嚴(yán)重，隨著化石燃料的大量消耗和社會(huì)工業(yè)化的發(fā)展，能源短缺和污染已經(jīng)變得如此嚴(yán)重以至于到不容忽視的地步，如風(fēng)能、潮汐發(fā)電、太陽(yáng)能等。其中，太陽(yáng)能技術(shù)的應(yīng)用研究已經(jīng)非常成熟運(yùn)用越來(lái)越廣，并且太陽(yáng)能具有低污染，低成本的優(yōu)點(diǎn)。中國(guó)擁有巨大的領(lǐng)土資源和光照時(shí)長(zhǎng)，應(yīng)該充分利用這種能源優(yōu)勢(shì)。目前太陽(yáng)能應(yīng)用方面主要是光伏發(fā)電應(yīng)用，將光能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存起來(lái)，并通過(guò)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)把其能源輸送到電網(wǎng)中去，通過(guò)這種途徑能夠有效的解決太陽(yáng)能利用問(wèn)題。而在光伏發(fā)電當(dāng)中，所得到的電能并不能直接利用，還是需要通過(guò)濾波、逆變和控制等一系列的操作，才能完成并網(wǎng)利用。而實(shí)現(xiàn)光伏電池到電網(wǎng)的電能傳遞，用到最多的就是并網(wǎng)逆變器。逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電并入電網(wǎng)當(dāng)中，這是光伏產(chǎn)業(yè)鏈中必不可少的核心設(shè)備，但逆變器價(jià)格昂貴，占據(jù)了總電網(wǎng)系統(tǒng)的10％以上。國(guó)外對(duì)光伏技術(shù)的研究速度比中國(guó)快，目前生產(chǎn)光伏逆變器的知名企業(yè)現(xiàn)在包括AMG德國(guó)和美國(guó)POWER-ONE。中國(guó)太陽(yáng)能逆變器研究的主要區(qū)別在于其廣泛的電力轉(zhuǎn)換效率和逆變器控制技術(shù)，同時(shí)也是限制中國(guó)太陽(yáng)能發(fā)電的關(guān)鍵因素。與傳統(tǒng)能源發(fā)電相比，成本太高，技術(shù)水平有帶成熟。但是我國(guó)對(duì)于光伏發(fā)電逆變器的研究從沒(méi)停止過(guò)，國(guó)內(nèi)仍有大批的逆變器生產(chǎn)制造商。雖然現(xiàn)在市場(chǎng)規(guī)模較小，研究水平也比不上西方發(fā)達(dá)國(guó)家先進(jìn)，但是隨著政府的大力扶持，我國(guó)光伏發(fā)電技術(shù)有顯著的提高和發(fā)展，在這個(gè)時(shí)代背景下，新能源的利用與研究是順應(yīng)形勢(shì)而且是大有可為的。1.2光伏發(fā)電系統(tǒng)常見(jiàn)結(jié)構(gòu)1.2.1分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)第一種為直流母線方式系統(tǒng)圖1-1，該方式的電源與直流母線相連，再通過(guò)裝置實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)，只需要對(duì)直流母線電壓進(jìn)行優(yōu)化即可，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也相對(duì)簡(jiǎn)單，但是存在一個(gè)非常大的缺陷，就是對(duì)于并網(wǎng)逆變器的容量需求太大。圖1-1直流母線方式第二種為交流母線方式系統(tǒng)圖1-2，系統(tǒng)中任意電源都要與逆變器相連，相對(duì)于直流母線方式對(duì)逆變器的要求，交流母線方式要求低的多，同時(shí)系統(tǒng)也相對(duì)穩(wěn)定，但控制方面就比較復(fù)雜了。圖1-2交流母線方式1.2.2并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)中逆變器把直流轉(zhuǎn)化為交流，再經(jīng)過(guò)濾波器諧波過(guò)濾，再送至電網(wǎng)。并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)既兼具直流母線方式的優(yōu)點(diǎn)，又有交流母線的優(yōu)點(diǎn)。但是對(duì)于并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)也是存在缺點(diǎn)的，由于輸出端與主電源并聯(lián)，因此輸出相位和頻率的要求非常高。如果它與電網(wǎng)電能不匹配，則會(huì)存在許多問(wèn)題。其基本結(jié)構(gòu)如圖1-3.圖1-3并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)而在并網(wǎng)型發(fā)電系統(tǒng)中，第一類是單級(jí)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，包括太陽(yáng)能電池，逆變器，控制器，并網(wǎng)開(kāi)關(guān)和本地負(fù)載。太陽(yáng)能通過(guò)DC/DC轉(zhuǎn)換為DC，然后由逆變器調(diào)節(jié)和濾波，與負(fù)載相同的頻率。最后并入到電網(wǎng)中去，其結(jié)構(gòu)如圖1-4.圖1-4單級(jí)式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖單級(jí)式系統(tǒng)簡(jiǎn)單，元件也少，成本低廉；其中只用一個(gè)電能轉(zhuǎn)化裝置，所以電能轉(zhuǎn)化率高。但是結(jié)構(gòu)過(guò)于簡(jiǎn)單，對(duì)于控制器的要求就非常高了，而且系統(tǒng)中的直流母線得不到相應(yīng)的控制。第二種為兩級(jí)式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，所包含的元件也比較多，與單級(jí)最大區(qū)別在于會(huì)將直流電轉(zhuǎn)化兩次，第一次將直流電調(diào)整為所需數(shù)值的直流電，再經(jīng)過(guò)逆變器調(diào)頻、濾波成交流電并入電網(wǎng)，因?yàn)槎嗔艘患?jí)轉(zhuǎn)化，效率上肯定是沒(méi)有單級(jí)轉(zhuǎn)化率高。而且結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，成本也隨之增加。其結(jié)構(gòu)如圖1-5。圖1-5兩級(jí)式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖實(shí)際上，太陽(yáng)能電網(wǎng)互聯(lián)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有兩種情況。一個(gè)是單相并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，另一個(gè)是三相并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)?；窘Y(jié)構(gòu)仍然是單級(jí)式和雙級(jí)式。1.3光伏并網(wǎng)逆變器概述在交流系統(tǒng)中，逆變器會(huì)隨著時(shí)間的變化而改變工作狀態(tài)，因此分析時(shí)，需要通過(guò)動(dòng)態(tài)相量法來(lái)分析，諧振分析時(shí)也同樣如此。目前三種逆變器用來(lái)過(guò)濾諧波：L型、LC型、LCL型，如圖1-6所示。圖1-6L、LC、LCL濾波器結(jié)構(gòu)圖L型和LC型濾波器分別是一階和二階系統(tǒng)，而二階系統(tǒng)相比具有更好的性能。LCL型則是三階系統(tǒng)，在濾波過(guò)程中，尤其對(duì)于高頻諧波，三階濾波器有很好的過(guò)濾性，雖然說(shuō)過(guò)濾性比較好，但是設(shè)計(jì)參數(shù)比較復(fù)雜，而且其結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生諧振，是系統(tǒng)存在不穩(wěn)定性。就目前國(guó)內(nèi)外對(duì)逆變器的諧振問(wèn)題研究來(lái)看，大多數(shù)是對(duì)LCL逆變器的濾波器設(shè)計(jì)和逆變器控制策略的研究，通過(guò)濾波器設(shè)計(jì)與控制策略的匹配已達(dá)到抑制諧振問(wèn)題的辦法，根據(jù)大多數(shù)學(xué)者的研究來(lái)看，主要是從改變輸出特性入手，采用無(wú)源阻尼方法，將電容器與電阻器串聯(lián)切換以抑制諧振的產(chǎn)生，這種辦法實(shí)現(xiàn)雖說(shuō)實(shí)現(xiàn)不難，但是因?yàn)閹в凶枘幔瑢?dǎo)致系統(tǒng)效率和過(guò)濾諧波的能力都會(huì)下降，因此，一些專家和科學(xué)家建議增加額外的可變反饋，以增加系統(tǒng)阻尼，抑制反饋振諧，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。有源阻尼方法很大程度上解決了LCL濾波器諧振峰問(wèn)題，并有效減少阻尼的損耗，提高系統(tǒng)的效率，但是因?yàn)樘砑恿烁郊幼兞浚丛黾恿讼到y(tǒng)成本，也讓系統(tǒng)控制變更加的復(fù)雜。1.4輸出濾波器結(jié)構(gòu)光伏逆變器有兩種結(jié)構(gòu)，單相和三相結(jié)構(gòu)，根據(jù)并網(wǎng)方式，單相并網(wǎng)逆變器主要應(yīng)用于小容量國(guó)產(chǎn)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，三相電網(wǎng)逆變器根據(jù)應(yīng)用的不同，并網(wǎng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能不同，諧振頻率可達(dá)到系統(tǒng)開(kāi)關(guān)頻率或高于高頻范圍，從而導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩。單相L型濾波器和單相LCL濾波器通常用于并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)模式，所用電路如圖1-7所示。圖1-7單相光伏并網(wǎng)逆變器的一般結(jié)構(gòu)L型濾波器，由于其簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，頻段高低并不會(huì)影響到斜率衰減，都是以的斜率衰減，導(dǎo)致了其在高頻段抑制高頻諧波效果不好，為了獲得相同的濾波效果達(dá)到并網(wǎng)要求需要較大的電感量，都會(huì)在設(shè)定開(kāi)關(guān)頻率出產(chǎn)生較大的紋波，L型濾波器不能對(duì)其采取有效的抑制。而電感量的增大同時(shí)也伴隨這L型濾波器電容的增大，因?yàn)樾枰绷髂妇€電壓穩(wěn)定在更高的電壓值才能達(dá)到儲(chǔ)能的標(biāo)準(zhǔn)。LCL濾波器僅在斜率的斜率處衰減，并且柵極側(cè)電感器和濾波器電容器分別對(duì)開(kāi)關(guān)紋波和高頻諧波電流表現(xiàn)出高和低的電阻。分流高頻濾波以抑制電流的高頻諧波。1.5逆變器控制技術(shù)在數(shù)字處理器并未普及之時(shí)，逆變器及其并網(wǎng)控制技術(shù)多半是由硬件電路來(lái)完成的，模擬器接收控制信號(hào)，并產(chǎn)生控制策略，因?yàn)榭刂频呢?fù)載較為復(fù)雜，模擬控制的方法現(xiàn)在已經(jīng)很少人去采用了，而是運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)控制，而且數(shù)據(jù)處理的高效率和耐用且實(shí)用的特點(diǎn)，而被人們廣泛看好。電流源的輸入方式需要直流串聯(lián)才能得到穩(wěn)定的直流電，通常使用電壓源輸入方法，因?yàn)橄到y(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性差。并網(wǎng)輸出控制則有電壓型控制和電流控制兩種，而電壓型控制容易造成電網(wǎng)的回流現(xiàn)象，對(duì)電網(wǎng)造成污染，當(dāng)采用電流控制時(shí)，通過(guò)閉環(huán)電流的反饋，使得電流大的相位。頻率與電網(wǎng)的電壓同步就可以達(dá)到并聯(lián)運(yùn)行的目的了。常用的網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)包括PI電流控制技術(shù)，PR電流控制，重復(fù)控制，滯后電流控制，無(wú)差拍控制等。（1）比例積分控制比例積分控制（PI控制）是自動(dòng)控制系統(tǒng)中最常用的閉環(huán)控制方法，是目前工程中應(yīng)用最廣泛的，比較命令電流與電網(wǎng)連接電流實(shí)時(shí)值的原理。與三角波相比，可以獲得PWM信號(hào)，原理如圖1.8所示，比例環(huán)節(jié)可以改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)。圖1-8跟蹤實(shí)時(shí)電流的三角波比較方式一個(gè)典型的代表是基于PI控制的雙閉環(huán)控制方案，其中電壓回路是外回路，電流回路是內(nèi)回路，結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)來(lái)改善電壓?jiǎn)位芈房刂频娜秉c(diǎn)，以便去除負(fù)載。通常，采樣電感器電流或?yàn)V波器電容器電流用作內(nèi)部回路反饋?zhàn)兞?，以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。然而，傳統(tǒng)的PID控制無(wú)法有效跟蹤正弦電流信號(hào)，因?yàn)楣β势骷拈_(kāi)關(guān)速度較慢，電流的內(nèi)環(huán)響應(yīng)也較慢，系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)無(wú)靜態(tài)差異調(diào)節(jié)。在逆變器系統(tǒng)中，基于PI控制原理，系統(tǒng)輸入量與參考量之間始終存在靜態(tài)誤差，跟蹤精度不高，但動(dòng)態(tài)性能良好，誤差改變時(shí)它也可以隨之快速調(diào)整。（2）重復(fù)控制應(yīng)用于20世紀(jì)90年代逆變器控制的重復(fù)控制算法是一種基于內(nèi)部模型原理的控制方法，其中將外部輸入電流信號(hào)或干擾信號(hào)添加到系統(tǒng)中以進(jìn)行周期性疊加。原理圖如圖1-9所示。在逆變器系統(tǒng)中，周期性干擾和誤差主要是輸入信號(hào)基頻的諧波分量，迭代控制需要延遲鏈路，算法結(jié)構(gòu)在一個(gè)周期內(nèi)顯示輸出。延遲會(huì)降低系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能并增加控制時(shí)間。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，迭代控制與其他控制方法相結(jié)合，形成具有“互補(bǔ)”功能的復(fù)雜控制策略。圖1-9重復(fù)控制原理圖（3）PR控制和準(zhǔn)PR控制前者用于20世紀(jì)初的逆變器控制，比例諧振控制由比例鏈路和諧振鏈路組成。比例鏈路決定系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和帶寬，諧振鏈路可以在某些基頻上實(shí)現(xiàn)無(wú)限增益，消除系統(tǒng)靜態(tài)誤差。實(shí)現(xiàn)跟蹤正弦信號(hào)的PR控制的關(guān)鍵是包括一個(gè)與正弦信號(hào)頻率相同的內(nèi)部模型控制器，并將其細(xì)分為正弦和余弦正弦信號(hào)，用于特定頻率的諧波。因此，有必要設(shè)置特定PR模式中，內(nèi)部控制器，所述控制器設(shè)定多個(gè)PR在為了抑制多頻諧波是非常難以實(shí)現(xiàn)的控制技術(shù)或復(fù)雜性。由于當(dāng)前數(shù)字信號(hào)處理器的局限性，許多不同頻率的PR控制器會(huì)增加系統(tǒng)的計(jì)算時(shí)間，因此研究人員提出了一種基于PR控制的PR（準(zhǔn)PR），即主數(shù)字信號(hào)處理器。通過(guò)增加諧振點(diǎn)頻率附近的帶寬，實(shí)現(xiàn)PR控制并且諧波消除被改善超過(guò)基頻。（4）滯環(huán)電流控制遲滯電流控制是閉環(huán)實(shí)時(shí)控制方法，其是PWM跟蹤技術(shù)，其引入到控制器的滯后比較環(huán)節(jié)，將AC輸入信號(hào)與預(yù)定參考電流信號(hào)進(jìn)行比較，并比較誤差輸入。輸入電流紋波用作遲滯比較器的環(huán)路寬度，不易受外部干擾，實(shí)時(shí)控制，快速響應(yīng)，小的跟蹤誤差，易于實(shí)現(xiàn)控制方法等，以防止過(guò)電流過(guò)載這是可能的。如圖1-10所示。滯后控制方法的電流跟蹤精度通常與所選擇的滯后寬度有關(guān)。如果滯后寬度太大，開(kāi)關(guān)頻率和損耗將減小，但同時(shí)補(bǔ)償性能會(huì)下降而誤差會(huì)增加，相反，如果滯后寬度太小，補(bǔ)償性能會(huì)提高，但開(kāi)關(guān)管的操作會(huì)很明顯這將增加。結(jié)果，頻率和損耗增加了開(kāi)關(guān)裝置的最終工作頻率要求。因此，盡管有許多優(yōu)點(diǎn)，但滯后電流控制的開(kāi)關(guān)頻率并不固定，并且連續(xù)變化的窄脈沖和電流峰值改善了逆變器系統(tǒng)的主電路和電源開(kāi)關(guān)裝置的設(shè)計(jì)難度。標(biāo)準(zhǔn)要求相對(duì)較高。電磁干擾，過(guò)濾時(shí)很困難。降低系統(tǒng)穩(wěn)定性。圖1-10電流瞬時(shí)值比較控制原理圖（5）無(wú)差拍控制無(wú)差拍控制是一種快速，準(zhǔn)確的控制算法，可建立系統(tǒng)的精確狀態(tài)空間模型，分析模型和反饋信號(hào)，并通過(guò)相關(guān)的數(shù)字信號(hào)處理器精確計(jì)算下一時(shí)刻你需要決定。PWM控制信號(hào)使輸出電壓信號(hào)能夠達(dá)到跟蹤給定參考信號(hào)而沒(méi)有靜態(tài)誤差的目的。由于無(wú)節(jié)拍控制基于系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型，因此系統(tǒng)具有出色的動(dòng)態(tài)性能并消除了穩(wěn)態(tài)誤差。這是該算法的最大優(yōu)點(diǎn)。精確的數(shù)學(xué)模型需要將控制器的性能與系統(tǒng)設(shè)備的參數(shù)相匹配，如果模型不準(zhǔn)確，則會(huì)影響控制效果。另外，當(dāng)負(fù)載快速變化時(shí)，控制算法的計(jì)算量增加，并且要求采樣精度高，如果不滿足，則可以降低控制器的控制效果。因此，改善無(wú)差拍控制算法缺陷的方法已成為現(xiàn)代的熱點(diǎn)問(wèn)題。1.6本文研究主要內(nèi)容及結(jié)構(gòu)安排本文以單相并網(wǎng)逆變器為基礎(chǔ)，探討了傳統(tǒng)控制方法在LCL并網(wǎng)逆變器中的局限性，以及由重復(fù)控制的延遲環(huán)節(jié)引起的動(dòng)態(tài)性能不足的問(wèn)題。LCL逆變器引入了復(fù)雜的控制系統(tǒng)，對(duì)由PI控制和重復(fù)控制組合而成的復(fù)雜控制詳細(xì)的理論分析。論文各章節(jié)具體內(nèi)容如下：第1章是介紹國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)綜述。我們研究了新能源發(fā)電技術(shù)中的逆變器，根據(jù)不同的分類介紹了逆變電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，詳細(xì)分析了L型和LCL型雙輸出濾波器結(jié)構(gòu)，并控制了各種逆變器。列出并分析了這些技術(shù)。并介紹了常用的電流控制技術(shù)，如PI電流控制，PR電流控制，重復(fù)控制，滯后電流控制，無(wú)差拍控制等。第2章是單相LCL并網(wǎng)逆變器的研究，介紹了單相并網(wǎng)逆變器的工作原理，分析了其工作模式。對(duì)LCL過(guò)濾器進(jìn)行了詳細(xì)研究和分析。根據(jù)示例設(shè)計(jì)過(guò)濾器參數(shù)。最后，通過(guò)無(wú)源衰減補(bǔ)償技術(shù)消除了LCL型濾波器的諧振峰值的影響。第3章主要用于單相并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)的建模，控制器的詳細(xì)參數(shù)設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)模型的仿真。分析了兩種控制方法，基于PI控制分析并網(wǎng)逆變器，通過(guò)PI控制和重復(fù)控制分析并網(wǎng)逆變器，最終通過(guò)仿真得到輸出波形，并結(jié)合可行性它通過(guò)控制方法確認(rèn)。第4章總結(jié)了單相并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)的仿真，得出了系統(tǒng)輸出波形。這證明了PI控制和迭代控制的組合控制方法優(yōu)于單次迭代控制。第5章主要總結(jié)了關(guān)于這個(gè)主題的工作內(nèi)容，找到了自己的缺點(diǎn)，并對(duì)未來(lái)方向和前景的看法。第2章單相LCL型并網(wǎng)逆變器研究2.1單相LCL濾波器的并網(wǎng)逆變器分析在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，并網(wǎng)逆變器是分布式發(fā)電與電網(wǎng)之間的中間連接。拓?fù)浜碗娋W(wǎng)連接控制技術(shù)可確定整體系統(tǒng)性能并確保高效的電力傳輸和轉(zhuǎn)換。逆變器的核心是選擇與逆變器的成本和效率相關(guān)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但對(duì)于光伏并網(wǎng)逆變器，低成本和高效率的前提條件可以承受大的波動(dòng)。影響在本文中，我們主要使用單相全橋拓?fù)?。電源開(kāi)關(guān)管S1和S3形成橋臂，電源開(kāi)關(guān)管S2和S4形成另一個(gè)橋臂，逆變橋產(chǎn)生交流信號(hào)，通過(guò)LCL濾波器成為標(biāo)準(zhǔn)正弦波，然后通過(guò)隔離變壓器供應(yīng)給電網(wǎng)。如圖2-1。圖2-1LCL型單相并網(wǎng)逆變器的主電路圖本文主要研究光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的后端，包括由橋臂和濾波器組成的逆變器。因此，調(diào)整380伏三相交流電壓，以獲得直流電壓，而不是發(fā)電系統(tǒng)的前端直流電壓。為了確保安全，在逆變器的輸出和負(fù)載之間的連接點(diǎn)增加一個(gè)變壓器，將逆變器與電網(wǎng)隔離。假設(shè)在理想的器件特性、直流特性和電路特性條件下，單相并網(wǎng)逆變器可以分為四種工作模式（a、b、c、d）。其中，工作模式A和B在輸出AC的前半周期內(nèi)產(chǎn)生正電壓，而工作模式C和D在輸出AC中產(chǎn)生負(fù)半周期電壓，最后交替輸出正弦波形。交流電。工作方式a：功率開(kāi)關(guān)S1、S4打開(kāi)，功率開(kāi)關(guān)S2、S3關(guān)閉，由前者提供的直流側(cè)電源開(kāi)始通過(guò)電源開(kāi)關(guān)向電網(wǎng)提供能量。等效電路圖如（a）所示。工作模式b：功率開(kāi)關(guān)S1導(dǎo)通，與功率開(kāi)關(guān)S2并聯(lián)連接的二極管D2導(dǎo)通，S2和S3仍然斷開(kāi)，直流側(cè)不向電網(wǎng)供電，逆變器交流側(cè)的電感器先前存儲(chǔ)的電力被釋放。逆變器的輸出電流減小，等效電路如（b）所示。工作方式c：功率開(kāi)關(guān)S1和S4斷開(kāi)，功率開(kāi)關(guān)S2和S3接通，前端DC電源通過(guò)逆變橋接開(kāi)關(guān)S2和S3輸出負(fù)電壓。輸出濾波器中的電感器L存儲(chǔ)電能并且輸出電流增加。電流方向與工作模式A相反，其等效電路如圖（c）所示。工作方式d：開(kāi)關(guān)連接到s2，二極管并聯(lián)連接到s4，s1和s4仍然斷開(kāi)，直流側(cè)不為電網(wǎng)供電，但存儲(chǔ)在逆變器交流側(cè)電感前面的能量是它將被釋放。逆變器的輸出電流減小，電流方向與運(yùn)行模式C匹配。等效電路如圖（d）所示。圖2-2逆變器運(yùn)行時(shí)四種工作模態(tài)2.2正弦波脈寬調(diào)制2.2.1SPWM基本原理隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了許多電壓調(diào)節(jié)和頻率轉(zhuǎn)換方法，現(xiàn)在正在使用更多的PWM技術(shù)。PWM用于控制輸出電壓。逆變器的輸出波形是標(biāo)準(zhǔn)正弦波。因此，正弦波可以被均勻地劃分為N個(gè)部分，一個(gè)正弦波的半分成具有相同的寬度和幅度的N個(gè)連續(xù)的脈沖，脈沖的連接是平滑的正弦波，而不是直線。當(dāng)用相同尺寸的矩形脈沖代替上述脈沖時(shí)，等效域原理的等效矩形脈沖序列變?yōu)镻WM波形。根據(jù)面積相等的原理，可以根據(jù)正弦波的定律引入方波脈沖寬度。獲得具有與負(fù)正弦波相同效果的PWM波形。這是SPWM技術(shù)的基本原理。2.2.2SPWM技術(shù)的分析和比較對(duì)于單相電壓逆變器，有三種基本的SPWM技術(shù)：?jiǎn)螛OSPWM，雙極性SPWM和倍頻式SPWM。以下分析了幾種SPWM技術(shù)：（1）諧波、頻率分析當(dāng)不同的SPWM方案應(yīng)用于具有相同載波頻率的單相全橋電路時(shí)，它們的總開(kāi)關(guān)頻率，輸出電壓脈沖頻率和最小諧波組中心頻率匹配?？傞_(kāi)關(guān)頻率與輸出電壓脈沖頻率之比。在相同載波頻率下，雙極性SPWM技術(shù)的開(kāi)關(guān)頻率幾乎是單極性SPWM的兩倍，相應(yīng)的開(kāi)關(guān)損耗加倍。對(duì)于具有相同幅度調(diào)制比的雙極性SPWM，諧波響應(yīng)遠(yuǎn)低于單極性。如果載波頻率相等，則倍頻頻率將是單極頻率的兩倍，當(dāng)然電壓頻率也將是兩倍高。因此，僅從比率K，乘法器SPWM和單極SPWM基本相等。在SPWM調(diào)制模式下，在相同輸出電壓頻率（1200Hz）和相等幅度調(diào)制比（m=1）下的單相全橋逆變器電源電壓輸出的總諧波失真（THD）。分析表明，對(duì)于單相全橋逆變器，多頻SPWM和單極SPWM在總開(kāi)關(guān)頻率，輸出電壓頻率和諧波失真方面是相對(duì)合適的方法。（2）開(kāi)關(guān)應(yīng)力和熱穩(wěn)定性分析以下描述適用于倍頻式SPWM和雙極SPWM，因?yàn)樗鼈兪紫缺贿x擇。由于兩種方法的SPWM開(kāi)關(guān)頻率是單極性SPWM的兩倍，因此開(kāi)關(guān)應(yīng)力也大于單極性SPWM。在單極SPWM單相逆變器電路中，斬波臂型高頻開(kāi)關(guān)具有大的開(kāi)關(guān)應(yīng)力，并且器件損耗主要由開(kāi)關(guān)損耗表示。由于斬波臂和控制臂之間的開(kāi)關(guān)應(yīng)力相反，器件的損耗特性不同，難以穩(wěn)定器件的熱穩(wěn)定性，特別是當(dāng)斬波臂的開(kāi)關(guān)頻率很高時(shí)導(dǎo)致熱不平衡。對(duì)于單極SPWM，器件選擇和散熱是設(shè)計(jì)問(wèn)題。在正弦波的正半周期中，VI1和VI4形成斬波臂，VI2和VI3處于常關(guān)或常開(kāi)狀態(tài)，單極SPWM改善以解決單極熱不平衡問(wèn)題。一直。在半周期中，VI2和VI3形成斬波臂，VI1和VI4處于常關(guān)或常開(kāi)狀態(tài)。以這種方式，每個(gè)開(kāi)關(guān)的應(yīng)力可以平衡，并且熱穩(wěn)定性趨于均勻。2.3LCL濾波器的研究及設(shè)計(jì)2.3.1LCL濾波器研究與L型濾波器相比，LCL型濾波器是三階系統(tǒng)，具有濾波電容器C和兩個(gè)濾波電感器，為高頻濾波器電流提供旁路。其增益在高頻段衰減。因此，LCL濾波器可以有效地降低開(kāi)關(guān)頻率處的紋波，并且在同一體積下具有較強(qiáng)的抑制電流諧波的能力。LCL并網(wǎng)逆變器的方框圖如圖2.3所示。圖2-3LCL型濾波器的結(jié)構(gòu)框圖由圖推導(dǎo)出到并網(wǎng)電源的傳遞函數(shù)為（2-1）式中，為輸出濾波器的諧振角頻率，叫跟濾波器的電感，以及C相關(guān)，則：（2-2）式中電感比，總電感，諧振頻率為。根據(jù)公式（2-1），將單相LCL并網(wǎng)逆變器的傳遞函數(shù)應(yīng)用于MATLAB中。繪制了LCL并網(wǎng)逆變器的開(kāi)環(huán)零極點(diǎn)分布圖和鳥(niǎo)瞰圖。開(kāi)環(huán)零極點(diǎn)分布如圖2.4所示，鳥(niǎo)瞰圖如圖2.5所示。圖2.4LCL型濾波器零極點(diǎn)分布圖從系統(tǒng)的零極點(diǎn)分布圖可以看出，開(kāi)環(huán)零極點(diǎn)都是在虛軸上劃分的。通常情況下，實(shí)際電感和電容具有最小內(nèi)阻，但最小內(nèi)阻對(duì)開(kāi)環(huán)零極點(diǎn)分布的影響很小，系統(tǒng)的穩(wěn)定性也會(huì)隨之提高。從圖2.5可以看出，LCL輸出濾波器在諧振頻率的低頻段和高頻段衰減，可以很好地抑制并網(wǎng)逆變器中的諧波。然而，LCL濾波器的頻率響應(yīng)在共振頻率下有一個(gè)共振峰，同時(shí)LCL濾波器的相位也有-180度的躍遷。從自動(dòng)控制理論的角度來(lái)看，這種180度跳入負(fù)交叉會(huì)在右半平面產(chǎn)生一對(duì)閉環(huán)極點(diǎn)，這將導(dǎo)致嚴(yán)重的高頻諧振問(wèn)題，從而導(dǎo)致并網(wǎng)逆變器的失穩(wěn)。圖2.5LCL型輸出濾波器特性圖2.6是用于并網(wǎng)逆變器的雙極SPWM調(diào)制技術(shù)。由于載波的頻率遠(yuǎn)高于調(diào)制波的頻率，輸出電壓的諧波離基波差別很大，消除諧波的效果明顯。因此雙極型SPWM具有較好的抑制輸出電流諧波的能力，但它存在直流電源利用率低、功率開(kāi)關(guān)器件開(kāi)關(guān)損耗大的缺點(diǎn)。因此，一般采用單極SPWM調(diào)制，具有電磁干擾小、功率器件損耗小的優(yōu)點(diǎn)。其工作原理類似于雙極SPWM。通過(guò)正負(fù)極三角波與正弦調(diào)制波的比較，并分別實(shí)現(xiàn)了并網(wǎng)逆變器。裝置主電路中的四個(gè)電源開(kāi)關(guān)是接通和斷開(kāi)的，但前者只有一個(gè)高頻工作的功率開(kāi)關(guān)臂，后者需要兩個(gè)高頻工作的電源開(kāi)關(guān)臂，即四個(gè)高頻工作的電源開(kāi)關(guān)臂，如圖2.7所示。在本文中，選擇開(kāi)關(guān)頻率作為逆變器輸出電壓的載波頻率。連接到光伏網(wǎng)絡(luò)的逆變器使用單端SPWM調(diào)制技術(shù)來(lái)產(chǎn)生相對(duì)于逆變器輸出電流中的載波頻率的諧波電流分量。逆變橋的輸出端需要一個(gè)濾波器。電源電流的諧波頻率可表示為：（2-3）（2-4）式中，為正弦調(diào)制波頻率，為載波比，代表第次諧波頻率分布中心，為諧波中心周?chē)螖?shù)。并網(wǎng)光伏逆變器的諧波頻率和振幅由載流子比決定。此外，諧波產(chǎn)生的原因很多，如直流側(cè)電壓波動(dòng)、電網(wǎng)電壓波動(dòng)和三相不平衡。圖2.6雙極性SPWM示意圖圖2.7單極性SPWM示意圖2.3.2LCL濾波器的設(shè)計(jì)LCL濾波器具有許多優(yōu)點(diǎn)，并且它們的設(shè)計(jì)方法不同于傳統(tǒng)的L型濾波器和LC型濾波器，并且存在各種各樣的設(shè)計(jì)參數(shù)方法，并且還沒(méi)有被廣泛認(rèn)可的設(shè)計(jì)。假設(shè)LCL濾波器在其諧振頻率處具有諧振峰值，則特定電感和電容參數(shù)的設(shè)計(jì)與電網(wǎng)連接系統(tǒng)的穩(wěn)定操作有關(guān)：1）濾波電容器消耗的無(wú)功功率應(yīng)保持在并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)額定有功功率的10％以內(nèi)。2）在正常工作條件下，濾波器總電感的阻抗會(huì)使電源電壓降低10％。3）濾波器類型的諧振峰值應(yīng)出現(xiàn)在中頻帶，即要求諧振頻率大于10倍的開(kāi)關(guān)頻率小于開(kāi)關(guān)頻率的一半，得到如下表達(dá)式：（2-5）（2-6）4）在LCL濾波器中，濾波電容的串聯(lián)電阻的方法一般是為了抑制諧振峰值，如果電阻過(guò)大，系統(tǒng)的額外損耗會(huì)增加，如果選擇太小，則有效的抑制峰值效應(yīng)無(wú)法得到選擇合適的阻尼尺寸并比較優(yōu)缺點(diǎn)。5）開(kāi)關(guān)頻率高頻分量盡可能通過(guò)濾波器中的電容分支流動(dòng)，以確保紋波分量的分流，因此在設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，阻抗值是開(kāi)關(guān)頻率及其數(shù)值范圍保證是：（2-7）根據(jù)前面的設(shè)計(jì)要求，結(jié)合本文所需的ＬＣＬ濾波器，設(shè)定單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的參數(shù)如下表2-1：表2-1單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的參數(shù)參數(shù)說(shuō)明參數(shù)值額定功率1直流輸入電壓400開(kāi)關(guān)頻率／采樣頻率10電網(wǎng)頻率501.電感的設(shè)計(jì)LCL濾波器由兩個(gè)濾波電感和一個(gè)濾波電容組成，逆變橋上的電感A抑制諧波，電網(wǎng)上的電感再次濾除輸出電壓。在逆變橋上設(shè)計(jì)電感之前，用兩個(gè)濾波器去除大部分諧波。反相器橋側(cè)濾波器電感器芯的電感取決于輸出電流，輸出電流通過(guò)濾波電容器C的最小電流和反相逆變橋側(cè)濾波器電感器的數(shù)量是：（2-8）電感ｈ的紋波為：（2-9）式中為逆變橋側(cè)電感上的電壓，為系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)周期，為系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)頻率，為功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通占空比。電感紋波大小與電感上的直流分量大小有關(guān)，選取電感紋波是其直流分量乃的20%：（2-10）由電感伏秒平衡原理可得，每個(gè)周期內(nèi)的占空比為:（2-11）系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，直流電壓直接加在逆變器的輸出端，則此時(shí)取電網(wǎng)峰值電壓，可得電感值：（2-12）根據(jù)表2-1選取的參數(shù)，開(kāi)關(guān)頻率取，直流側(cè)輸入電壓，其它值計(jì)算如下（2-13）（2-14）將以上數(shù)據(jù)代入式（2-13），則計(jì)算可得濾波電感為：，在本文設(shè)計(jì)中，其中2.濾波電容Ｃ的設(shè)計(jì)濾波電容Ｃ的作用不僅是濾波，還有產(chǎn)生無(wú)功功率。當(dāng)濾波電容容量值設(shè)計(jì)過(guò)大時(shí)，產(chǎn)生無(wú)功功率增大，濾波效果更好，但會(huì)導(dǎo)致最終輸出電壓正弦波形畸變；當(dāng)濾波電容容量值設(shè)計(jì)過(guò)小時(shí)，對(duì)電流的諧波抑制能力降低，導(dǎo)致濾波器的整體濾波效果變差。根據(jù)上述的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則（１），濾波電容所產(chǎn)生的無(wú)功功率不能大于其額定功率的１０％，由于市場(chǎng)的電容規(guī)格限制，本文設(shè)計(jì)中取：2.4LCL系統(tǒng)無(wú)源阻尼補(bǔ)償LCL濾波器具有共振頻率的共振峰。抑制共振峰的方法可分為主動(dòng)阻尼方法和被動(dòng)阻尼方法。有源阻尼不會(huì)改變系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)，并且通過(guò)反饋?zhàn)兞靠刂扑惴ㄐＵC振峰值，這提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。常用的主動(dòng)阻尼方法可分為兩類。一種是基于狀態(tài)可變反饋的方法，包括電容電流反饋方法和電容器電壓一次（二次）差分反饋方法。在電容器電壓一次微分反饋法的實(shí)際應(yīng)用中，很難實(shí)現(xiàn)理想的區(qū)分開(kāi)來(lái)的，微分會(huì)使系統(tǒng)的高頻噪聲被放大，從而很難用近似微分抑制諧振。在線實(shí)時(shí)測(cè)量濾波器的頻率校正陷波濾波器參數(shù)，必將增加硬件電路的成本和軟件設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。電容電流反饋法由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抑制共振峰的效果好，是目前應(yīng)用最廣泛的主動(dòng)阻尼方法。它的原理是從電容中獲得反饋，并從控制中模擬出一個(gè)虛擬電阻。通過(guò)軟件設(shè)計(jì)確定了虛電阻的大小，其結(jié)果相當(dāng)于連接物理電阻對(duì)電容器的阻尼效應(yīng)。然而，有源阻尼方法會(huì)增加系統(tǒng)的反饋，導(dǎo)致控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。無(wú)源阻尼方法連接LCL濾波器的三個(gè)濾波器組件上的串聯(lián)或并聯(lián)電阻器，并通過(guò)改變系統(tǒng)的阻尼系數(shù)來(lái)改變器件的阻抗以實(shí)現(xiàn)諧振阻尼效應(yīng)，提高穩(wěn)定性。如圖2-8所示，基于不同的電阻位置有六種基本的無(wú)源衰減方法，它們具有不同的頻率特性。如圖2-8所示，基于具有不同頻率特性的不同電阻位置，有六種基本的無(wú)源衰減方案。（1）如圖所示2-8（a）、（b）中，在電感器分支較小和較低頻率導(dǎo)致較大的增益的串聯(lián)電阻的LCL濾波器的電感性阻抗的增益是更小的阻力，但是，增加了高頻帶B增益受到影響，所以串聯(lián)電阻可以是N。（2）在圖2-8（C），（d），并聯(lián)電感器阻抗電阻支路的LCL濾波器電感減小高頻諧波衰減效果小，但更多的減小電阻，諧波阻尼容量電感的并聯(lián)電阻會(huì)降低電感支路的阻抗，因?yàn)樗粫?huì)影響低頻段的增益。電阻可以忽略不計(jì)。（3）如在圖2.8（e）、（f）中電容器串聯(lián)電阻的F為看到的是，以增加電容器支路的阻抗減小了LCL濾波器在高頻帶中的阻尼能力。電阻越高，諧波衰減性能越低。但是，串聯(lián)電阻可以忽略不計(jì)，因?yàn)樗粫?huì)影響低頻段的增益。如在電感（H）的比并聯(lián)電阻小得多（4）圖2-8高頻電阻和電感中示出的電容性電抗電容器是LCL濾波器的增益比低頻并聯(lián)電阻電容器后的并聯(lián)電阻的電阻值小影響LCL濾波器的高次諧波衰減的性能，所以不影響濾波電容器電壓基本等于電阻器兩端的電容器電壓的柵極電壓是更耐比其他無(wú)源阻尼方法的相同的濾波電容器的阻力。圖2-8六種基本的無(wú)源阻尼方法綜上所述，被動(dòng)阻尼法具有較好的電容并聯(lián)電阻阻尼效果，不影響低頻段的增益或高頻段的諧波抑制能力，但阻尼損耗過(guò)大，電容并聯(lián)電阻較大。該方法比實(shí)際應(yīng)用中的電容并聯(lián)電阻方法更實(shí)用。在本文檔中，使用了濾波電容的串聯(lián)電阻，如圖2-9所示?？梢杂行У販p少由于并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)的衰減引起的損耗，其中可以優(yōu)化和調(diào)整LCL濾波器的參數(shù)并且可以合理地配置控制環(huán)節(jié)的參數(shù)。圖2-9濾波電容Ｃ串聯(lián)電阻根據(jù)圖2-9，推導(dǎo)到到的傳遞函數(shù)為（2-15）沒(méi)有加阻尼時(shí)，系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)極點(diǎn)位于ｓ平面的虛軸上，系統(tǒng)處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，稍有波動(dòng)就會(huì)使得系統(tǒng)變成不穩(wěn)定狀態(tài)；加入阻尼電阻后，系統(tǒng)的極點(diǎn)移向ｓ平面的左邊，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，通常取一個(gè)諧振頻率下與電容阻抗的一半。諧振頻率大?。海?-16）電阻的取值有（2-17）在相同阻尼的情況下，電感比k越小損耗越??；在相同k值情況下，隨著電感比的增大，諧波電流衰減比也上升，損耗也上升。當(dāng)電感比=0.5時(shí)，電阻增大到時(shí)，諧波電流衰減比上升，阻尼損耗增長(zhǎng)緩慢；從增大到時(shí)，損耗增大原來(lái)的兩倍之多。因此，阻尼電阻的值應(yīng)考慮高諧波電流衰減比和最小阻尼損耗，最終，應(yīng)優(yōu)化被動(dòng)阻尼補(bǔ)償。圖2.10LCL型濾波器的幅頻和相頻特性曲線如圖2.10所示，高頻帶中電容的容抗電阻很低，因此串聯(lián)電阻會(huì)增加電容支路的阻抗，并降低衰減LCL濾波器高頻諧波的功能。由于容性電阻遠(yuǎn)大于串聯(lián)電阻的電阻，因此串聯(lián)電阻可以忽略不計(jì)，對(duì)LCL濾波器的低頻放大影響很小。無(wú)源阻尼在工業(yè)中被廣泛使用，因?yàn)樗梢酝耆种乒舱穹逯刀桓淖冊(cè)枷到y(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)或由于其簡(jiǎn)單性和可靠性而降低控制難度。2.5本章小結(jié)本章主要分析并網(wǎng)逆變器的工作原理，了解電源開(kāi)關(guān)管在各工作模式下的導(dǎo)通情況。根據(jù)L型濾波器和LCL濾波器的通過(guò)LCL濾波器選擇的比較是在本研究中的綜合因素，樣品參數(shù)的結(jié)構(gòu)原理和詳細(xì)的分析是根據(jù)設(shè)計(jì)原理設(shè)計(jì)的。LCL濾波器的頻率響應(yīng)，所以具有在共振頻率的相位的共振峰用-180°跳躍產(chǎn)生導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定可以通過(guò)主動(dòng)阻尼系統(tǒng)或被動(dòng)阻尼系統(tǒng)來(lái)補(bǔ)償。補(bǔ)償方法的分析和比較最終用被動(dòng)阻尼法補(bǔ)償濾波器，降低系統(tǒng)的復(fù)雜度。最后，MATLAB仿真表明可以有效地抑制共振，同時(shí)提高系統(tǒng)可靠性。第3章并網(wǎng)逆變器控制策略在并網(wǎng)逆變系統(tǒng)中，影響性能指標(biāo)的重要因素之一是控制策略的選擇，有多種控制策略可供選擇，常用的網(wǎng)絡(luò)電流控制技術(shù)是成比例的比例微分（PID）、控制、重復(fù)控制。重復(fù)控制協(xié)同PI控制是用于降低諧波含量，提高系統(tǒng)性能和可靠性的逆變器，并根據(jù)滯后電流控制，有源無(wú)功解耦控制等其他要求使用復(fù)雜控制。魯棒性和低穩(wěn)態(tài)性能自適應(yīng)魯棒無(wú)差拍控制有效解決了逆變器處于低開(kāi)關(guān)頻率狀態(tài)時(shí)穩(wěn)態(tài)精度差的問(wèn)題，復(fù)雜的組合模糊控制，自適應(yīng)控制和PID控制方法應(yīng)用于逆變換。在本文中，我們提出了一種自適應(yīng)比例共振控制器的復(fù)雜控制方法，可用于跟蹤負(fù)載的電壓幅度和相角，其優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)補(bǔ)償電壓來(lái)節(jié)省能量。在本文中，我們提出了一種PI控制和重復(fù)控制的混合控制方法，將PI控制與優(yōu)秀的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和重復(fù)控制相結(jié)合，以獲得高增益并定期重復(fù)干擾信號(hào)。LCL并網(wǎng)逆變器可抑制諧波并改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)。3.1單相并網(wǎng)逆變器的建模分析從第一章的理論分析，單相并網(wǎng)逆變器的主電路采用全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用直流輸入電源，逆變橋，LCL輸出濾波器和反饋控制電路。上一節(jié)中的圖2.1。單相并網(wǎng)逆變器的前端是光伏系統(tǒng)，用于通過(guò)與直流電源相同的升降壓電路獲得穩(wěn)定的直流電源，逆變器橋輸出用LCL濾波器濾波，得到正弦交流電壓。反饋控制采集電網(wǎng)電壓和電流，數(shù)字控制器DSP完成數(shù)字控制算法，將四個(gè)SPWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)和信號(hào)輸出到四個(gè)電弧管，產(chǎn)生穩(wěn)定的輸出，并達(dá)到電網(wǎng)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)交流電源。單相并網(wǎng)逆變器的逆變橋由對(duì)應(yīng)于非線性電路的四個(gè)功率開(kāi)關(guān)管組成，并且根據(jù)前面的分析，應(yīng)用單極SPWM調(diào)制方案，以及50Hz正弦波的正半波長(zhǎng)。調(diào)制波可以選擇為10kHz三角波載波，系統(tǒng)全橋方法可以用來(lái)模擬逆變器全橋。下面分析逆變器的逆變橋，單極性SPWM的調(diào)制波函數(shù)為：（3-1）單極SPWM的采樣方法分為自然采樣法和對(duì)稱規(guī)則采樣法，一般采用后一種方法，其工作原理圖如圖1所示。在該圖中，三角波的載波周期是正弦波大于三角波和并網(wǎng)逆變器的輸出電壓的時(shí)間，U是DC側(cè)輸入電壓。輸出電壓值取決于輸入DC和載波的幅度。表達(dá)式為：（3-2）進(jìn)一步可寫(xiě)成逆變橋路的傳遞函數(shù)為（3-3）代表是逆變橋路的比例環(huán)節(jié)圖3-1對(duì)稱規(guī)則采樣工作原理圖經(jīng)過(guò)無(wú)源阻尼補(bǔ)償后的LCL型濾波器的傳遞函數(shù)：（3-4）本文采用的控制方法是對(duì)輸出電流進(jìn)行負(fù)反饋控制，從而提高輸入網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量，降低電流的總諧波，控制噪聲污染。如圖3-2所示。是入網(wǎng)電流，是參考電流信號(hào)，是電網(wǎng)電壓，是待選擇的控制器，是逆變橋路的比例常數(shù)。圖3-2并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)控制框圖從該等式可以理解，控制器包括在參考電流信號(hào)和電網(wǎng)電壓中，并且所選擇的好的控制器對(duì)于并網(wǎng)電流的諧波分量及增大系統(tǒng)抗干擾性。3.2基于PI控制的并網(wǎng)逆變器的分析PI控制在逆變器中運(yùn)用非常之多，其主要優(yōu)點(diǎn)有控制參數(shù)易于調(diào)整，魯棒性強(qiáng)，可靠性高等，同時(shí)在其他電力電子裝置上的廣泛運(yùn)用這種控制方式。在并網(wǎng)逆變器中，是比例常數(shù)，是積分常數(shù)，PI控制的傳遞函數(shù)為：（3-5）圖3-3控制零點(diǎn)圖從圖3-3可以看出，PI控制器存在一個(gè)左半圖的零點(diǎn)，用于減小系統(tǒng)的阻尼，效果與有關(guān)，還存在一個(gè)位于原點(diǎn)的極點(diǎn)，極點(diǎn)的作用是改善系統(tǒng)性能；將PI控制應(yīng)用到單相并網(wǎng)逆變器的入網(wǎng)電流控制中，得到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖3-4所示。圖3.4基于PI控制并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu)框圖根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖得到入網(wǎng)電流的表達(dá)式為（3-6）由于ＰＩ控制器中的＆、曷值取值有限，在基波頻率處增益有限，入網(wǎng)電流始終受影響。綜上分析，PI控制應(yīng)用在并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)中有以下兩處不足點(diǎn)：1）并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)始終存在穩(wěn)態(tài)誤差，消除穩(wěn)態(tài)誤差性能由＆、尺參數(shù)決定，需通過(guò)合理調(diào)整比例系數(shù)和積分系數(shù)的參數(shù)減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差。2）對(duì)于電網(wǎng)電壓引起的諧波干擾信號(hào)，PI控制器能力有限，無(wú)法消除其影響。3.3基于PI控制和重復(fù)控制的并網(wǎng)逆變器分析3.3.1重復(fù)控制的內(nèi)模重復(fù)控制是一種基于內(nèi)部模型原理的控制方法，內(nèi)部模型是一個(gè)包含穩(wěn)定閉環(huán)控制系統(tǒng)中外部控制信號(hào)的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用該控制方法的系統(tǒng)是靜態(tài)的。有效地抑制差分跟蹤周期參考值或外部周期性干擾。應(yīng)用內(nèi)部模型原理來(lái)穩(wěn)定系統(tǒng)的前提是控制鏈路的反饋信號(hào)來(lái)自控制信號(hào)，控制鏈路具有外部控制信號(hào)的數(shù)學(xué)模型。內(nèi)部模型控制可實(shí)現(xiàn)外部信號(hào)的零穩(wěn)態(tài)誤差跟蹤嵌入式系統(tǒng)外部信號(hào)數(shù)學(xué)模型可嵌入內(nèi)部控制環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)高精度控制參考信號(hào)和反饋信號(hào)存在，兩者之間的差異為零，信號(hào)路徑相當(dāng)于斷開(kāi)，系統(tǒng)中的輸出信號(hào)不再與輸入反饋信號(hào)相關(guān)聯(lián)。此時(shí)，控制鏈路需要具有能夠反映外部控制信號(hào)的數(shù)學(xué)模型，并且模型可以在通過(guò)控制鏈路之后輸出相應(yīng)的控制信號(hào)。然后，內(nèi)部模型可以輸出對(duì)應(yīng)于外部反饋信號(hào)的控制信號(hào)，而不是依賴于外部反饋信號(hào)，其功能也可以被認(rèn)為是信號(hào)發(fā)生器，并且相應(yīng)的控制信號(hào)不斷的被發(fā)出。根據(jù)自動(dòng)控制原理，階躍信號(hào)或干擾的數(shù)學(xué)模型基于內(nèi)部模型原理，帶積分鏈路的控制系統(tǒng)可以跟蹤階躍信號(hào)的穩(wěn)態(tài)誤差，消除外部階躍干擾信號(hào)它可以。數(shù)學(xué)模型來(lái)實(shí)現(xiàn)這種效果。如果外部信號(hào)或干擾是單頻正弦波信號(hào)，則可以在控制鏈路中嵌入相同頻率的正弦波信號(hào)模型，以提供其他穩(wěn)態(tài)誤差跟蹤。這是公關(guān)管理內(nèi)部模型的原理解釋。然而，如果具有多個(gè)分量頻率的正弦信號(hào)是外部信號(hào)或干擾，則需要設(shè)置多個(gè)內(nèi)部模式以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的零穩(wěn)態(tài)誤差跟蹤。換句話說(shuō)，應(yīng)該針對(duì)頻率的不同諧波設(shè)置諧波。正弦波內(nèi)部模型顯著增加了控制整個(gè)系統(tǒng)的難度和復(fù)雜性。并網(wǎng)電流包含各種頻率的諧波，顯然不能滿足上述要求，傳統(tǒng)的內(nèi)部模型控制不能滿足實(shí)際并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的要求。當(dāng)并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，諧波信號(hào)頻率是基本信號(hào)頻率的整數(shù)倍。諧波信號(hào)有兩個(gè)特征，其一是擾動(dòng)信號(hào)都是諧波形式，其二諧波信號(hào)都具有其周期性質(zhì)，每個(gè)電網(wǎng)50Hz基波周期內(nèi)的諧波信號(hào)都相同?？梢圆捎弥貜?fù)控制內(nèi)模：（3-7）其中，T是外部信號(hào)的周期。重復(fù)控制的內(nèi)?？驁D如圖3-5所示。圖3-5重復(fù)控制內(nèi)模的時(shí)域框圖框圖上的重復(fù)內(nèi)部模式控制包括具有正反饋的延遲鏈路，延遲鏈路的延遲時(shí)間是外部信號(hào)的周期。在周期性諧波信號(hào)的情況下，內(nèi)部模式的輸出信號(hào)實(shí)現(xiàn)了連續(xù)累積和調(diào)整輸出的外部控制信號(hào)的目的，這類似于上述整個(gè)鏈路。通過(guò)將輸出信號(hào)調(diào)整為零來(lái)實(shí)現(xiàn)逆變器系統(tǒng)的零穩(wěn)態(tài)誤差跟蹤。內(nèi)部模型的重復(fù)控制通常用于離散域，因?yàn)槟M電路不易實(shí)現(xiàn)，因此易于實(shí)現(xiàn)延遲鏈路的數(shù)字控制：（3-8）式3.4中是為－個(gè)基波周期的采樣次數(shù)，記為系統(tǒng)采樣頻率與基波頻率比值。圖3-6離散域下重復(fù)控制內(nèi)?？驁D如圖3-6所示，內(nèi)部模式由具有正反饋的離散域的延遲鏈路組成，即使輸入信號(hào)為0也周期性輸出，輸出信號(hào)為同一周期控制信號(hào)。因此，最終可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)逆變器系統(tǒng)的零穩(wěn)態(tài)誤差跟蹤。為了有效地消除控制系統(tǒng)中的周期性干擾和故障，并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)主要使用迭代控制技術(shù)用于周期系統(tǒng)。由于交流電組件可由復(fù)雜組件控制，因此重復(fù)控制技術(shù)廣泛用于并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)。然而，內(nèi)模型的極點(diǎn)部分的理想迭代控制在虛軸上。從控制理論的角度來(lái)看，控制系統(tǒng)處于非常穩(wěn)定的狀態(tài)，待控制參數(shù)的微小變化使系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此，有必要糾正理想的重復(fù)控制。其核心結(jié)構(gòu)如圖3-7所示。傳遞函數(shù)可以從離散域?qū)С鰹椋海?-9）式中上面相同；是內(nèi)模系數(shù)，為了穩(wěn)定內(nèi)模，通常取值為略小于1的常數(shù)或者增益小于1的低通濾波器。其內(nèi)模特性相應(yīng)也會(huì)發(fā)生改變，即當(dāng)輸入信號(hào)等于0時(shí)，改進(jìn)后的重復(fù)控制內(nèi)模不再重復(fù)上－個(gè)周期控制信號(hào)，轉(zhuǎn)變成控制倍號(hào)逐個(gè)周期衰減輸出。圖3-7重復(fù)控制器結(jié)構(gòu)圖3-8不同時(shí)的Bode圖圖3-9改進(jìn)后重復(fù)控制系統(tǒng)框圖根據(jù)圖3-8所示的穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)和頻率特性，沒(méi)有穩(wěn)定性問(wèn)題，因?yàn)長(zhǎng)CL型控制對(duì)象通過(guò)無(wú)源衰減補(bǔ)償消除了諧振峰值和諧振峰值處的大相位差。雖然內(nèi)部模型改進(jìn)后的實(shí)際應(yīng)用中的迭代控制系統(tǒng)在內(nèi)部模型改進(jìn)后通過(guò)迭代控制系統(tǒng)提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但是從性能的角度來(lái)看，它不能實(shí)現(xiàn)零穩(wěn)態(tài)誤差跟蹤，這是一個(gè)折衷的辦法。動(dòng)態(tài)性能下降是因?yàn)閱未沃貜?fù)控制延遲了一個(gè)周期。3.3.2延時(shí)環(huán)節(jié)延遲環(huán)節(jié)是內(nèi)部模型迭代控制的基本部分，延遲屬性是不能用作獨(dú)立控制鏈路的固有屬性，可以改善前向路徑中系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。由于延遲鏈路在前向路徑中，控制信號(hào)被延遲一個(gè)周期。在并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)中，參考信號(hào)和干擾信號(hào)都具有周期信號(hào)，干擾信號(hào)的頻率是參考信號(hào)的整數(shù)倍，并且延遲鏈路在下一個(gè)周期中進(jìn)行。在設(shè)計(jì)用于重復(fù)控制的補(bǔ)償鏈路時(shí)，高級(jí)相位補(bǔ)償設(shè)計(jì)也應(yīng)基于延遲鏈路。因此，重復(fù)控制方法的缺點(diǎn)是動(dòng)態(tài)性能差，響應(yīng)速度慢于其他傳統(tǒng)控制方法。3.3.3補(bǔ)償環(huán)節(jié)補(bǔ)償環(huán)節(jié)確定迭代控制的系統(tǒng)性能，并且必須根據(jù)控制目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)。原理是參考信號(hào)和干擾信號(hào)包含在內(nèi)部模型輸出中，然后應(yīng)盡可能地抑制干擾信號(hào)，并且在要控制的輸出中應(yīng)該沒(méi)有靜態(tài)差異。補(bǔ)償環(huán)節(jié)由三部分組成。記為，一般采用零相移誤差跟蹤理論，具體每個(gè)部分如下：（1）重復(fù)控制的增益通常設(shè)定為1或1等常數(shù)，并調(diào)整重復(fù)控制的補(bǔ)償強(qiáng)度。如果比較小，但對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低了系統(tǒng)的誤差信號(hào)的收斂速度增加，并且穩(wěn)態(tài)誤差，當(dāng)較大時(shí)穩(wěn)態(tài)誤差然而系統(tǒng)可靠性降低。（2）作為相位補(bǔ)償?shù)臐u進(jìn)鏈路與相位補(bǔ)償器相同。通常，根據(jù)受控對(duì)象和受控對(duì)象設(shè)計(jì)的濾波器引起相位延遲，相位小于0，并且超前相位補(bǔ)償器需要在中頻帶中接近零相移。可以實(shí)現(xiàn)預(yù)連接的前提是在迭代控制的前一部分中引入了延遲鏈接。（3）濾波器在中低頻時(shí)增益為1，并迅速降低高頻段的增益，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定性并改善干擾保護(hù)。3.3.4PI+重復(fù)控制復(fù)合控制器結(jié)構(gòu)PI控制器根據(jù)誤差信號(hào)進(jìn)行差分控制來(lái)調(diào)整系統(tǒng)，但缺點(diǎn)是動(dòng)態(tài)調(diào)整性能好，動(dòng)態(tài)響應(yīng)差，但周期性重復(fù)干擾信號(hào)增益高。復(fù)合控制器不僅改善了LCL系統(tǒng)連接逆變器的諧波抑制，還提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。復(fù)雜控制器中引入的周期性延遲鏈路的重復(fù)控制具有較大的控制延遲，因此必須保持PI控制高速路徑，其結(jié)構(gòu)如圖3.10所示。圖3-10LCL型并網(wǎng)逆變的PI控制和重復(fù)控制結(jié)構(gòu)圖補(bǔ)償器是幅度補(bǔ)償環(huán)節(jié)，濾波器可以包括梳狀濾波器和二階低通濾波器，前者可以消除受控對(duì)象的共振峰值，后者可以用于提高前向信道的高度。頻率衰減功能是用于補(bǔ)償控制目標(biāo)和二階低通濾波器的相移的相角補(bǔ)償鏈路。補(bǔ)償器允許系統(tǒng)在中頻帶和低頻帶中保持單位增益和零相移特性，并且增益在中頻帶和高頻帶中衰減，以滿足整個(gè)工作頻帶內(nèi)系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求。3.4本章小結(jié)本章主要介紹并網(wǎng)逆變器的控制策略。首先，我們對(duì)單相并網(wǎng)逆變器進(jìn)行數(shù)學(xué)建模和分析，獲得電網(wǎng)傳遞函數(shù)和輸入網(wǎng)絡(luò)電流表示，并基于PI控制連接電網(wǎng)。本章重點(diǎn)介紹重復(fù)控制技術(shù)，在內(nèi)部模型原理方面，系統(tǒng)可以跟蹤參考值而無(wú)需靜態(tài)跟蹤，有效抑制外部循環(huán)波動(dòng)或模型重復(fù)控制。模型分析在重復(fù)控制中引入延遲鏈路和補(bǔ)償鏈路。提出了一種基于PI控制和迭代控制的集成控制策略，以保證良好的動(dòng)態(tài)性能和高穩(wěn)態(tài)精度。第4章系統(tǒng)仿真結(jié)果在MATLAB仿真平臺(tái)上搭建一個(gè)1kw單相并網(wǎng)逆變器模型，各參數(shù)如下，電網(wǎng)峰值電壓為311V，直流側(cè)電壓400V，濾波電感為3mH，為1.5mH，濾波電容C為凡阻尼電阻為，開(kāi)關(guān)頻率，電網(wǎng)頻率。根據(jù)PI控制和迭代組合控制，以下輸出電壓和電流波形可用于兩種控制方法。圖4-1顯示了單相電網(wǎng)互聯(lián)逆變器輸出電壓和電流波形的模擬以及浪涌電流頻譜的分析，但輸出電壓波形良好，電流波形的波動(dòng)開(kāi)始減小。同相和正弦波在輸出電壓和電流方面可以滿足設(shè)計(jì)要求，但輸出電流頻譜的總諧波失真為3.71％，單個(gè)PI控制顯示出更高的諧波抑制。圖4-2顯示了基于PI控制和重復(fù)控制的并網(wǎng)逆變系統(tǒng)輸入電壓和電流的模擬，波形，輸出電壓和電流的模擬表明波形相同，相位相同，信號(hào)穩(wěn)定，電壓小。當(dāng)前尺寸符合設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)提供出色的動(dòng)態(tài)性能。在圖（b）的網(wǎng)絡(luò)電流頻譜分析中，諧波含量低，THD為1.14％，低于PI控制。諧波抑制優(yōu)于單個(gè)PI控制。（a）并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)的輸出電壓電流仿真波形（b）入網(wǎng)電流的頻譜分析圖4-1單獨(dú)PI控制下的并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)的仿真波形（a）并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)的輸出電壓電流的仿真波形（b）入網(wǎng)電流的頻譜分析圖4-2PI控制和重復(fù)控制下的仿真波形第5章結(jié)論隨著光伏技術(shù)的發(fā)展，太陽(yáng)能利用問(wèn)題已成為現(xiàn)代社會(huì)亟待解決的問(wèn)題。并網(wǎng)逆變器是新能源與電網(wǎng)之間的紐帶。逆變器控制PI控制是一種新型內(nèi)部模型控制，可有效抑制并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)的諧波和周期性干擾，具有出色的動(dòng)態(tài)性能。在本文中，PI控制和重復(fù)控制主要應(yīng)用于并網(wǎng)逆變器。主要研究成果如下：（1）在本文中，我們介紹了并網(wǎng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，比較和分析了L型和LCL型濾波器的特性，選擇了LCL型濾波器作為綜合目標(biāo)元件，并分析了逆變器的設(shè)計(jì)原理。對(duì)單相并網(wǎng)逆變器進(jìn)行數(shù)學(xué)建模分析，并在每種運(yùn)行模式下引入功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通。該方法抑制LCL濾波器的諧振峰值，通過(guò)使用電容器串聯(lián)電阻方法降低系統(tǒng)的復(fù)雜性，最小化衰減損耗，減小衰減參數(shù)，并使設(shè)計(jì)合理化。MATLAB仿真表明，無(wú)源衰減可以有效抑制諧振峰值并提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。