三相PWM電壓型逆變器畢業(yè)設(shè)計正文

./摘要近年來,一些清潔高效的能源,如太陽能,風能,地熱,核能等得到了較為廣泛的應(yīng)用和關(guān)注,其發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的是直流電流和電壓,而許多負載都使用交流電,因此需要通過逆變器把直流電變成交流電。隨著這些新能源發(fā)電系統(tǒng)的日益推廣,逆變器的使用也越來越多。如何獲得高質(zhì)量的電流成為研究的焦點。由于對高頻諧波的抑制效果明顯好于L型濾波器,因此LCL濾波器在并網(wǎng)逆變器中應(yīng)用越來越廣泛,與傳統(tǒng)的L濾波器相比,LCL濾波器可以降低電感量,提高系統(tǒng)動態(tài)性能,降低成本,在中大功率應(yīng)用場合,其優(yōu)勢更為明顯。文章首先對PWM逆變器的工作原理做了詳細的介紹,并對基于LCL的濾波器,在ABC靜止坐標系,αβ靜止坐標系和dq旋轉(zhuǎn)坐標系中建立了數(shù)學模型。其次,文章討論了LCL濾波器的參數(shù)設(shè)計方法,給出了系統(tǒng)LCL濾波器參數(shù)的設(shè)計步驟。最后,在詳細闡述各元件的取值原則與計算步驟的基礎(chǔ)上,給出了設(shè)計實例,并對所設(shè)計的逆變器進行了仿真驗證,結(jié)果表明,根據(jù)該方案設(shè)計的控制器參數(shù)能夠使三相并網(wǎng)逆變器安全、可靠運行且具有較快的動態(tài)響應(yīng)速度。關(guān)鍵詞：并網(wǎng)逆變器LCL濾波器有源阻尼無源阻尼,雙閉環(huán)控制AbstractInrecentyears,cleanandefficientenergysources,suchassolarenergy,windenergy,geothermalenergy,nuclearenergyhasbeenwidelyusedandhasgainedwidespreadattention.ThepowersystemproducetheDCcurrentandvoltage,andmanyareusingtheACload,itneedinverterintoalternatingcurrenttodirectcurrent.Withtheincreasingpromotionofphotovoltaicpowergenerationsystems,theuseofinvertersismoreandmore.Howtogetahighqualityofthecurrentbecomesthefocusofresearch.BecauseoftheinhibitoryeffectofhighfrequencyharmonicsisbetterthanL-typefilter,theLCLfiltergridinverteriswidelyapplied,comparedwiththetraditionalL-filter,LCLfiltercanreducetheinductanceimprovethesystemdynamicperformance,reducecosts,inthehigh-powerapplications,itsadvantagesmoreapparent.ThispaperanalyzesthehighfrequencyPWMinverterprinciple,andthenpresentsathree-phaseABCcoordinatesanddqcoordinatesystemonthemathematicalmodelofLCL-filterconfiguration.Secondly,thearticlediscussestheLCLfilterdesignparameters;parametersofthesystemaregivenLCLfilterdesignsteps.Finally,eachcomponentindetailtheprinciplesandcalculationstepsofthevaluebasedonthedesignexampleisgiven,andthedesignoftheLCLfiltersimulationresultsshowthat,accordingtothedesignofthecontrollerparameterscanmakethree-phaseinverterwithsafe,reliableoperationandhasafastdynamicresponsespeed.Keywords:Grid-connectedinverter,LCLfilter,Activedamping,passivedamping,Doubleclosedloopcontrol目錄摘要IAbstractII目錄III1.緒論11.1微電網(wǎng)的提出和發(fā)展11.1.1微電網(wǎng)提出的背景和研究意義11.1.2微電網(wǎng)的定義11.1.3國內(nèi)外應(yīng)用研究現(xiàn)狀21.2逆變器的研究現(xiàn)狀2三相電壓型PWM逆變器的產(chǎn)生背景21.2.2PWM逆變器的研究現(xiàn)狀3基于LCL濾波的PWM逆變器的研究現(xiàn)狀42.PWM逆變器的原理及數(shù)學模型62.1并網(wǎng)逆變器的分類及拓撲結(jié)構(gòu)6逆變器的作用6逆變器的分類7并網(wǎng)逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)72.2逆變器的工作原理92.3基于LCL濾波器的PWM逆變器數(shù)學模型112.4鎖相環(huán)節(jié)的工作原理162.5逆變器的SPWM調(diào)制方式分析173.LCL濾波器和控制系統(tǒng)的設(shè)計203.1LCL濾波器的參數(shù)設(shè)計203.1.1L,LC,LCL濾波器的比較203.1.2LCL濾波器的選定213.1.3LCL濾波器數(shù)學模型及波特圖分析213.1.4LCL濾波器的諧振抑制方法243.1.5濾波器參數(shù)變化對濾波性能的影響243.1.6濾波器參數(shù)設(shè)計的約束條件253.1.7濾波器參數(shù)的設(shè)計步驟263.2并網(wǎng)逆變器控制方案的確定263.2.1基于無源阻尼的單電流環(huán)控制方案的設(shè)計273.2.2基于雙環(huán)控制網(wǎng)側(cè)電感電流外環(huán)控制器的設(shè)計293.2.3基于雙環(huán)控制電容電流內(nèi)環(huán)控制器的設(shè)計294.系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計及仿真驗證304.1系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計304.2有源阻尼雙閉環(huán)控制仿真分析324.3無源阻尼單環(huán)控制仿真分析。37結(jié)論42參考文獻43致謝44附錄英文翻譯451.英文文獻原文452.英文文獻翻譯65.1.緒論1.1微電網(wǎng)的提出和發(fā)展1.11微電網(wǎng)提出的背景和研究意義隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展,電力需求迅速增長,電力部門大多把投資集中在火電,水電以及核電等大型集中電源和超高壓遠距離輸電網(wǎng)的建設(shè)上,但是,隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大,超大規(guī)模電力系統(tǒng)的弊端也日益凸現(xiàn),成本高,運行難度大,難以適應(yīng)用戶越來越高的安全和可靠要求以及多樣化的供電需求。尤其在世界范圍內(nèi)發(fā)生幾次大面積的停電事故后,電網(wǎng)的脆弱性充分暴露了出來,這不得不引發(fā)人們思考和憂慮,一味地擴大電網(wǎng)規(guī)模顯然不能滿足未來電力系統(tǒng)發(fā)展的要求。因此,分布式電源由于污染少,可靠性高,能源利用效率高,安裝地點靈活等多方面的優(yōu)點,有效的解決了大型集中電網(wǎng)的許多潛在的問題。分布式發(fā)電一般指電能在靠近用戶的地方生產(chǎn)并直接為用戶供電的方式,由于其投資少,見效快,位置靈活,污染小,安裝方便,且在邊遠地區(qū),大電網(wǎng)覆蓋不到的區(qū)域,分布式發(fā)電的獨立運行,解決了邊遠地區(qū)的供電問題,含有分布式電源的微電網(wǎng)可以在公共電網(wǎng)發(fā)生事故停電時進行區(qū)域型供電,能夠使全部或部分微電網(wǎng)內(nèi)的重要用戶進行不間斷供電。但是分布式電源也尤其自身的弊端,如并網(wǎng)時單機接入成本高,并網(wǎng)時控制困難,且分布式發(fā)電系統(tǒng)比較分散,不適合大電網(wǎng)的集中式的輸配電方式,分布式發(fā)電設(shè)備的接入電網(wǎng)與否不受大電網(wǎng)控制,相對大電網(wǎng)來說,是一個具有隨意性的不可控電源。因此,在分布式發(fā)電接入和切出電網(wǎng)過程中,都會對電網(wǎng)產(chǎn)生注入電壓閃變,電壓波動,頻率偏移等負面影響,所以電力系統(tǒng)經(jīng)常采用隔離限制的方式對分布式發(fā)電的并網(wǎng)運行。由多個分布式發(fā)電系統(tǒng)和負載共同組成的微電網(wǎng)和好的解決了這一問題,由于它可以作為大電網(wǎng)的一個整體負載,對大電網(wǎng)沖擊和影響較小,本身又可以獨立運行,因此得到越來越多的關(guān)注和應(yīng)用,這種大電網(wǎng)與新型的分布式發(fā)電系統(tǒng)組成的微電網(wǎng)的結(jié)合控制,成為當今電力行業(yè)主要的研究方向。1.12微電網(wǎng)的定義[1]圖1-1微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖微電網(wǎng)從系統(tǒng)觀點看,是將發(fā)電機、負荷、儲能裝置及控制裝置等結(jié)合,形成一個對大電網(wǎng)來說單一可控的單元,同時向用戶供給能量,微電網(wǎng)中的電源多為微電源〔分布式電源,即含有電力電子接口的小型機組,包括微型燃氣輪機、燃料電池、光伏電池以及超級電容、飛輪、蓄電池等儲能裝置。它們接在用戶側(cè),具有低成本,低電壓,低污染的特點。如圖1-1圖1-1微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1.13國內(nèi)外應(yīng)用研究現(xiàn)狀近年來微電網(wǎng)的研究不僅在理論方面取得較大的進展,另一方面,國際上眾多示范工程及實驗系統(tǒng)也相繼建立起來,為微電網(wǎng)應(yīng)用的研究奠定了基礎(chǔ)：美國,CERTS的微電網(wǎng)項目已在俄亥俄州的Dolan技術(shù)中心進行了物理裝置的測試。歐洲,希臘,德國等地已有微電網(wǎng)示范項目處于運行階段。日本、英國等發(fā)達國家也開展了適合本國國情的微電網(wǎng)研究計劃。如日本的微電網(wǎng)應(yīng)用研究主要在其發(fā)展較成熟的光伏設(shè)施基礎(chǔ)上,走以家庭光伏并網(wǎng)發(fā)電、商業(yè)中心區(qū)燃料電池電站配合儲能為特色的微電網(wǎng)建設(shè)路線。國內(nèi)關(guān)于微電網(wǎng)的研究也取得的長足的發(fā)展。部分高校、科研院所及電力企業(yè),如天津大學,XX工業(yè)大學,XX電子科技大學、中科院電工所、中國電科院等,各自建立了相應(yīng)的微網(wǎng)示范項目或?qū)嶒炇?研究電網(wǎng)的控制、運行及對主網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的影響。實際工程方面,由于牽涉到電網(wǎng)的正常運營,因此必須由電網(wǎng)公司主導(dǎo)進行,如國家電網(wǎng)公司建設(shè)的XX財專微電網(wǎng)示范工程,作為國內(nèi)第一個正式運行的微電網(wǎng)試點項目,取得了良好的運行業(yè)績和社會效益?？梢钥闯?當前國內(nèi)微電網(wǎng)應(yīng)用研究的特點是涉研單位較廣,但尚無某個機構(gòu)擁有完整的集實驗、仿真、檢測等功能于一體的微電網(wǎng)應(yīng)用研究平臺。因此,就微電網(wǎng)應(yīng)用研究而言,我國目前在國際上的知名度和影響力還較為有限,另一方面也表明國家電監(jiān)會及各電網(wǎng)公司等部門的政策支持下,國內(nèi)相關(guān)單位在此領(lǐng)域還大有可為。1.2逆變器的研究現(xiàn)狀三相PWM電壓型逆變器的產(chǎn)生背景[2]隨著世界能源短缺和環(huán)境污染問題的日益嚴重,能源和環(huán)境成為21世紀人類所面臨的重大基本問題,清潔、可再生能源的發(fā)展和應(yīng)用越來越受到世界各國的廣泛關(guān)注。近些年來,太陽能光伏<Photovoltaic,PV>發(fā)電技術(shù),風力發(fā)電技術(shù)得到了持續(xù)的發(fā)展。尤其隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展,我國很多地區(qū)的用電缺乏非常嚴重,一些城市不得不實行分時分區(qū)域供電。發(fā)展新能源,充分利用綠色能源,對我國的經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展有著極其重要的意義?，F(xiàn)代社會對能源需求不斷增加,煤炭、石油、天然氣等一次性能源卻不斷減少,而且其使用又會對環(huán)境產(chǎn)生很大危害,為了緩解能源危機,避免環(huán)境的進一步惡化,對風能、太陽能等新能源的開發(fā)利用顯得尤為重要,可再生能源的使用兼具環(huán)保性和持續(xù)利用性,但是也存在著缺陷和難點。鑒于我國太陽能、風力資源豐富,可以說是取之不盡、用之不竭,這為我國發(fā)展清潔能源事業(yè)提供了很好的機遇。而在這些清潔能源利用過程中,并網(wǎng)逆變器是關(guān)鍵。人們一直在電力電子技術(shù)的發(fā)展中探索一條"綠色"之路,對逆變裝置而言,"綠色"的內(nèi)涵包括電網(wǎng)無諧波,單位功率因數(shù),以及功率控制系統(tǒng)的高性能,高穩(wěn)定性,高效率等傳統(tǒng)逆變裝置所不具備的優(yōu)越性能。在所有的變換器中,PWM變換器由于其產(chǎn)生諧波損耗小,對通信設(shè)備干擾小,整機效率高,而牢牢占據(jù)了主流產(chǎn)品的市場。PWM變換器可以實現(xiàn)電網(wǎng)交流側(cè)電流正弦化,且運行于單位功率因數(shù)或者功率因數(shù)可調(diào),諧波含量很小,被稱之為"綠色電能變換"。PWM變換器能達到"綠色"逆變器的目的,已經(jīng)受到國內(nèi)外學者普遍的重視,成為研究的熱點。1.2.2PWM逆變器的研究現(xiàn)狀光伏、風力等并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏陣列、風機和并網(wǎng)逆變器等組成,在可調(diào)度式系統(tǒng)中,還會配備蓄電池作為儲能設(shè)備。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖<1-2>所示。由圖可見,并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)通過配合容量適合的逆變器連接到公共電網(wǎng)上,在白天日照充足情況下,除了提供本地負載,多余電力可以提供給公共電網(wǎng)：夜間或陰天情況,本地負載則直接從電網(wǎng)獲取所需電能。圖1-2并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖PWM控制技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展為逆變器性能的改進提供了變革性的思路和手段,結(jié)合了PWM控制技術(shù)的新型逆變器稱為PWM逆變器。將PWM控制技術(shù)應(yīng)用于逆變器始于20世紀70年代末,但由于當時諧波問題不突出,加上受電力電子器件發(fā)展水平的制約,PWM逆變器沒有引起充分的重視。進入80年代后,由于自關(guān)斷器件的日趨成熟及應(yīng)用,推動了PWM技術(shù)的應(yīng)用與研究。隨著PWM控制技術(shù)的發(fā)展,如空間矢量PWM,滯環(huán)電流PWM控制等方案的提出,以及現(xiàn)代控制理論和智能控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,PWM逆變器的性能得到了不斷提高,功能也不斷擴展,PWM逆變器網(wǎng)側(cè)獨特的受控電流源特性,使得PWM逆變器作為核心設(shè)備被廣泛應(yīng)用于各類電力電子應(yīng)用系統(tǒng)中,經(jīng)過國內(nèi)外專家學者多年的研究,PWM逆變器在電路拓撲結(jié)構(gòu),數(shù)學模型,控制方法,電網(wǎng)電壓不平衡,系統(tǒng)特性等方面取得了豐碩的研究成果。PWM逆變器經(jīng)過30多年的探索和研究,取得了很大的進展,其主電路從早期的半控型器件橋路發(fā)展到如今的全控型器件橋路；其拓撲結(jié)構(gòu)從單相、三相電路發(fā)展到多相組合及多電平拓撲電路；PWM開關(guān)控制由單純的硬開關(guān)調(diào)制發(fā)展到軟開關(guān)調(diào)制；功率等級也從千瓦級發(fā)展到兆瓦級,隨著PWM逆變器技術(shù)的發(fā)展,已經(jīng)設(shè)計出多種PWM逆變器,并可分類如下：一、按照電網(wǎng)相數(shù)分類：單相電路,三相電路,多相電路；二、按照PWM開關(guān)調(diào)制分類：硬開關(guān)調(diào)制,軟開關(guān)調(diào)制；三、按照橋路結(jié)構(gòu)分類：半橋結(jié)構(gòu),全橋結(jié)構(gòu)；四、按照調(diào)制電平分類：二電平,三電平電路,多電平電路；對于不同功率等級以及不同的用途,人們研究了各種不同的PWM逆變器拓撲結(jié)構(gòu)。在小功率應(yīng)用場合,PWM逆變器拓撲結(jié)構(gòu)的研究主要集中在減少功率開關(guān)損耗。對于中等功率場合,多采用六個功率開關(guān)器件構(gòu)成的PWM逆變器,包括三相電壓型PWM逆變器和三相電流型PWM逆變器,這是本章介紹的重點。對于大功率PWM逆變器,其拓撲結(jié)構(gòu)的研究主要集中在多電平拓撲結(jié)構(gòu)和軟開關(guān)技術(shù)上。多電平拓撲結(jié)構(gòu)的PWM逆變器主要應(yīng)用于高壓大容量場合。此外,由于軟開關(guān)技術(shù)<ZVS、ZCS>在減小開關(guān)損耗、抑制電磁干擾、降低噪聲等方面具有顯著的優(yōu)勢,近年來在電壓型PWM逆變器設(shè)計上受到了廣泛的重視,并得以迅速發(fā)展。而電流型PWM逆變器的軟開關(guān)技術(shù)研究相對較少,有待進一步研究。根據(jù)直流儲能元件的不同,PWM逆變器又分為電壓型PWM逆變器和電流型PWM逆變器。電壓型、電流型PWM逆變器,無論是在主電路結(jié)構(gòu)、PWM信號發(fā)生以及控制策略等方面均有各自的特點,并且兩者間存在電路上的對偶性。其他分類方法就主電路拓撲結(jié)構(gòu)而言,均可歸類于電流型或電壓型PWM逆變器之列。電壓型逆變器：以單相電壓源逆變器為例,其主電路結(jié)構(gòu)如圖<1-3>所示。電壓型逆變器一般需要在直流側(cè)接有平波電容,根據(jù)器件的開關(guān)動作,輸出一連串的方波電壓,方波的幅值嵌位在直流電壓上逆變器是個電壓源。該逆變器以對角線T1和T4,對角線T2和T3構(gòu)成兩組聯(lián)動開關(guān),兩組開關(guān)交替開通,其結(jié)果是在負載端輸出分別為正和負的方波電壓。具體器件的開關(guān)順序選擇,根據(jù)控制目的的不同也存在多種控制方式,如方波逆變控制,正弦波PWM逆變控制等。圖1-3單相逆變器原理圖1.2.3基于LCL濾波的PWM逆變器的研究現(xiàn)狀由于三相電壓型PWM逆變器有許多優(yōu)點,如能量可以雙向流動,直流側(cè)電壓波動小,功率因數(shù)可控,網(wǎng)側(cè)輸入電流接近正弦等,因此應(yīng)用廣泛。特別是近年來,隨著風力發(fā)電的快速發(fā)展,交流勵磁雙饋發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)得到了廣泛的關(guān)注和深入的研究。雙饋發(fā)電機轉(zhuǎn)子與電網(wǎng)之間具有一個"背靠背"的雙向變流器,用來實現(xiàn)對發(fā)電機的交流勵磁和能量對電網(wǎng)的回饋。三相電壓型PWM整流器拓撲結(jié)構(gòu)成為交流勵磁雙饋發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)中變流器的首選。但是,三相PWM整流器的功率開關(guān)器件的開關(guān)頻率一般為2～15kHz,會產(chǎn)生對電網(wǎng)干擾的高次諧波,主要在開關(guān)頻率或開關(guān)頻率整數(shù)倍附近。該諧波進入電網(wǎng)后會影響電網(wǎng)上對電磁干擾敏感的負載,也會產(chǎn)生損耗。通常為了減小開關(guān)頻率及其整數(shù)倍附近的高次諧波,一般采用電感進行濾波。通過加大網(wǎng)側(cè)濾波電感的值,可以減小諧波。但是,當整流器的功率比較大時,交流側(cè)電抗器損耗增大。此外,電抗器的體積和重量很大,造價也比較高。這對三相PWM整流器在大功率領(lǐng)域中的應(yīng)用產(chǎn)生了不利影響。1995年,M.Lindgren和J.Svensson首先提出了用一個三LCL濾波器代替原有的單電感濾波器,來解決上述問題。在交流側(cè)應(yīng)用LCL濾波器可以減少電流中的高次諧波含量,并在同樣的諧波要求下,相對純電感型濾波器可以降低電感值的大小,提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)。不過,LCL濾波器本身存在著諧振問題,PWM整流器如同一個諧波源,電流中某次諧波可能會對濾波器產(chǎn)生激勵,從而發(fā)生諧振,導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定,輸入電流諧波畸變率增大。學者針對LCL濾波器的諧振問題,提出了許多增加阻尼的辦法,其中一些有源阻尼的控制策略,不僅抑制了LCL濾波器的諧振,而且不會產(chǎn)生功率損耗,降低系統(tǒng)的效率,很適用于大功率系統(tǒng)。由于LCL濾波器的濾波電容的分流作用,使整流器的電流控制系統(tǒng)由一階變?yōu)槿A,控制更為復(fù)雜,并且在某些高次諧波電流下,LCL濾波器的總阻抗接近零,將導(dǎo)致諧振效應(yīng),影響系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。因此LCL濾波的PWM整流器應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一就是諧振抑制問題。一般采用在已有控制策略的基礎(chǔ)上增加阻尼作用來解決這個問題。阻尼方法分為兩種：一種叫做"無源阻尼法",它是通過在電容上串聯(lián)電阻來使系統(tǒng)穩(wěn)定,這種方法穩(wěn)定可靠,在工業(yè)中被廣泛應(yīng)用,但是加入的電阻會增加系統(tǒng)的損耗。無源阻尼法可用于任何成熟的控制策略,最常見的是基于無源阻尼的無差拍控制；另一種方法叫做"有源阻尼法",它是通過修正控制算法使系統(tǒng)達到穩(wěn)定,消除共振作用,該方法通過增加控制的復(fù)雜性避免無源阻尼的損耗問題。關(guān)于有源阻尼的研究已成為熱點,因為可減小損耗,節(jié)約能源。常見的有超前網(wǎng)絡(luò)法,虛擬電阻法,基于遺傳算法的有源阻尼法。目前對于有源阻尼法的研究大多基于矢量控制和直接功率控制策略?；贚CL濾波器的PWM整流器控制策略的另一個研究熱點就是不平衡控制,現(xiàn)有的不平衡控制策略有改進的正負序電流獨立控制策略和三閉環(huán)控制策略等。目前基于LCL濾波器的PWM整流器的較為新穎的控制策略有基于無源阻尼的直接電流控制策略、直接功率控制策略、無差拍控制策略和三閉環(huán)控制策略[3]。<1>基于無源阻尼的直接電流控制策略直接電流控制通過電流反饋閉環(huán)控制直接調(diào)節(jié)電流,具有動態(tài)響應(yīng)快、受系統(tǒng)參數(shù)影響小等特點,是目前常用的電流控制方案,然而無論采用P、PI還是PID調(diào)節(jié)均無法使系統(tǒng)穩(wěn)定,并網(wǎng)逆變器LCL接口直接輸出電流控制穩(wěn)定性問題簡單直接的解決方案是LCL串聯(lián)電阻形成無源阻尼PD衰減諧振峰值,增大相角裕度,提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。〔2基于有源阻尼的直接功率控制策略由于動態(tài)響應(yīng)快、原理簡單,近年來直接功率控制已被越來越多地應(yīng)用于PWM整流器的控制。但是傳統(tǒng)的直接功率控制策略沒有電流內(nèi)環(huán),不能采用已有的有源阻尼方法。20XX,L.A.Serpa,J.W.Kolar,S.Ponnaluri和P.M.Barbosa提出了基于LCL濾波器的PWM整流器的直接功率控制策略。該方法設(shè)計了基于直接功率控制的有源阻尼方法來抑制LCL濾波器的諧振。這是一種基于虛擬磁鏈的直接功率控制。通過檢測交流側(cè)電流和直流側(cè)電壓來估算系統(tǒng)的虛擬磁鏈,從而算出系統(tǒng)的有功、無功功率,然后與給定值進行比較,偏差值送入開關(guān)狀態(tài)選擇表,產(chǎn)生控制脈沖。這種控制策略采用直接功率有源阻尼法,傳統(tǒng)的有源阻尼方法是給出電壓或電流的參考值,但是由于直接功率控制沒有電流控制環(huán),所以文獻將其轉(zhuǎn)化為功率參考值。將有功、無功功率減去阻尼分量后就可以避免諧振問題。直接功率控制是近年來產(chǎn)生的一種新的控制方法,方法的優(yōu)點就是采用靜止αβ坐標系進行控制計算,無需復(fù)雜的坐標變換和解耦控制,直接對系統(tǒng)的無功功率進行控制,結(jié)構(gòu)和算法簡單；避免了PWM算法,采用查表技術(shù),動態(tài)響應(yīng)快；采用虛擬磁鏈定向,省去了電網(wǎng)電壓傳感器。網(wǎng)側(cè)虛擬磁鏈估算中用電網(wǎng)電流和電容電流來估算PWM整流器交流側(cè)電流。節(jié)省了交流側(cè)電流傳感器。〔3基于無源阻尼的無差拍控制策略為了便于矢量控制的數(shù)字化實現(xiàn),1998年,MichaelLindgren和JanSvensson提出了基于LCL濾波器的斬波器的無差拍控制。這是最早的基于LCL濾波器的控制策略。2004,Emilio.J.Bueno,FelipeEspinosa等人提出了改進的矢量無差拍控制策略。該控制策略只需要一組電流傳感器和一組電壓傳感器,其他的量可以由狀態(tài)觀測器獲得,系統(tǒng)的擾動可以用無源阻尼來衰減。改進的無差拍控制策略通過反饋電容電壓將其引入到控制策略中,使控制效果更好。電壓外環(huán)采用常規(guī)PI調(diào)節(jié)器進行控制,電流內(nèi)環(huán)采用上述無差拍算法來跟蹤給定電流。其優(yōu)點是,減少了傳感器的數(shù)量,只需要檢測網(wǎng)側(cè)電壓和電流,其余量由狀態(tài)估計器算出。無差拍控制方法與傳統(tǒng)的SVPWM整流器相比,脈沖寬度根據(jù)整流器當前的電路狀態(tài)實時確定,因而具有更優(yōu)越的動態(tài)性能?！?基于三閉環(huán)的電網(wǎng)不平衡控制策略在實際系統(tǒng)中,三相電網(wǎng)電壓不可能完全對稱。不平衡的電網(wǎng)電壓會引起低頻電流諧波,因此不平衡控制策略的研究也有重大的意義。20XX,Fainan.A.Magueed和JanSvensson提出了改進的正負序電流獨立控制策略,這種控制策略的原理跟基于L濾波器的原理相似。另一種較為新穎的不平衡控制策略是2003年ErikaTwining和DonaldGrahameHolmes提出的三閉環(huán)控制策略。這也是首次針對不平衡電網(wǎng)電壓提出的控制策略。其中,電壓外環(huán)用來控制直流側(cè)電壓。電流控制采用雙內(nèi)環(huán)的控制結(jié)構(gòu),第一內(nèi)環(huán)是網(wǎng)側(cè)電流內(nèi)環(huán),第二內(nèi)環(huán)是電容電流內(nèi)環(huán)。電壓調(diào)節(jié)器的輸出作為網(wǎng)側(cè)電流有功分量的給定,dq坐標系中網(wǎng)側(cè)電流調(diào)節(jié)器輸出經(jīng)坐標變換后作為三相電容電流的給定,三相電容電流的反饋值由網(wǎng)側(cè)電流與整流器交流側(cè)電流合成。最后,電容電流給定和反饋的偏差經(jīng)過三個比例調(diào)節(jié)器作SVPWM的電壓控制信號。坐標變換所需的旋轉(zhuǎn)角度θ由三相電網(wǎng)電壓獲得。在矢量控制的基礎(chǔ)上引入了電容電流內(nèi)環(huán)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。除直流側(cè)電壓傳感器外,該方法需要兩組電流傳感器和一組電壓傳感器,傳感器數(shù)量多是其缺點。但實驗結(jié)果證明,該方法對于不平衡電網(wǎng)電壓有較強的魯棒性?；贚CL濾波器的三相PWM逆變器的控制策略的研究現(xiàn)狀分析可知,無差拍控制是研究較早的控制策略,控制策略的離散化便于數(shù)字化實現(xiàn),但是無差拍控制需要的傳感器較多,所以無傳感器的研究成為研究重點。三閉環(huán)的控制策略是專門針對LCL濾波器提出的,這種控制策略對不平衡電網(wǎng)電壓有較強的魯棒性,但是其原理復(fù)雜,控制器較難設(shè)計；直接功率控制是近年來較為新穎的一種控制策略,它是從常規(guī)三相電壓源型PWM逆變器的控制中延伸而來,控制原理和結(jié)構(gòu)簡單,采用查表技術(shù),也便于數(shù)字實現(xiàn),但其開關(guān)頻率不固定給濾波器參數(shù)選擇帶來一定困難。今后基于LCL濾波器的PWM整流器無傳感器控制、電網(wǎng)電壓不平衡控制和便于數(shù)字實現(xiàn)的控制將會成為研究的重點。2.PWM逆變器的原理及數(shù)學模型2.1并網(wǎng)逆變器的分類及拓撲結(jié)構(gòu)逆變器的作用簡單地說,逆變器就是一種將低壓<12或24伏或48伏>直流電轉(zhuǎn)變?yōu)?20伏交流電的電子設(shè)備。因為我們通常是將220伏交流電整流變成直流電來使用,而逆變器的作用與此相反,因此而得名。我們處在一個"移動"的時代,移動辦公,移動通訊,移動休閑和娛樂。在移動的狀態(tài)中,人們不但需要由電池或電瓶供給的低壓直流電,同時更需要我們在日常環(huán)境中不可或缺的220伏交流電,逆變器就可以滿足我們的這種需求。逆變器的分類逆變器的種類很多,可按照不同的方法進行分類。按逆變器輸出交流電能的頻率分,可分為工頻逆變器、中頻逆器和高頻逆變器。工頻逆變器的頻率為50～60Hz的逆變器；中頻逆變器的頻率一般為40Hz到十幾kHz；高頻逆變器的頻率一般為十幾kHz到MHz。2、按逆變器輸出的相數(shù)分,可分為單相逆變器、三相逆變器和多相逆變器。3、按照逆變器輸出電能的去向分,可分為有源逆變器和無源逆變器。凡將逆變器輸出的電能向工業(yè)電網(wǎng)輸送的逆變器,稱為有源逆變器；凡將逆變器輸出的電能輸向某種用電負載的逆變器稱為無源逆變器。4、按逆變器主電路的形式分,可分為單端式逆變器,推挽式逆變器、半橋式逆變器和全橋式逆變器。5、按逆變器主開關(guān)器件的類型分,可分為晶閘管逆變器、晶體管逆變器、場效應(yīng)逆變器和絕緣柵雙極晶體管〔IGBT逆變器等。又可將其歸納為"半控型"逆變器和"全控制"逆變器兩大類。前者,不具備自關(guān)斷能力,元器件在導(dǎo)通后即失去控制作用,故稱之為"半控型"普通晶閘管即屬于這一類；后者,則具有自關(guān)斷能力,即無器件的導(dǎo)通和關(guān)斷均可由控制極加以控制,故稱之為"全控型",電力場效應(yīng)晶體管和絕緣柵雙權(quán)晶體管〔IGBT等均屬于這一類。6、按直流電源分,可分為電壓源型逆變器〔VSI和電流源型逆變器〔CSI。前者,直流電壓近于恒定,輸出電壓為交變方波；后者,直流電流近于恒定,輸也電流為交變方波。7、按逆變器輸出電壓或電流的波形分,可分為正弦波輸出逆變器和非正弦波輸出逆變器。8、按逆變器控制方式分,可分為調(diào)頻式〔PFM逆變器和調(diào)脈寬式〔PWM逆器。9、按逆變器開關(guān)電路工作方式分,可分為諧振式逆變器,定頻硬開關(guān)式逆變器和定頻軟開關(guān)式逆變器。10、按逆變器換流方式分,可分為負載換流式逆變器和自換流式逆變器。并網(wǎng)逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)按逆變器拓撲結(jié)構(gòu)分類有組合式、半橋式和全橋式逆變器。這里側(cè)重于逆變器拓撲結(jié)構(gòu)的討論,如圖2-1,為組合式逆變器的電路結(jié)構(gòu)。圖2-1組合式逆變器組合式逆變器一般由三個相同的單相低頻環(huán)節(jié)或高頻環(huán)節(jié)逆變器星形聯(lián)結(jié)構(gòu)成,且能夠?qū)崿F(xiàn)單相和三相四線制供電。由于三個單相逆變器是相互獨立的,因此具有極強的帶不平衡負載能力,并且可以實現(xiàn)各相的獨立控制<只要以某一相為基準,其它兩相分別滯后2/3和超前2/3即可>。該電路的優(yōu)點是控制簡單、易于模塊化、具有N+1個模塊冗余技術(shù),而缺點是元器件數(shù)較多、成本高。圖2-2給出了三相半橋式逆變器拓撲結(jié)構(gòu)。這種拓撲結(jié)構(gòu)存在直流側(cè)中點電壓偏移問題,需要保證直流側(cè)的兩個串聯(lián)電解電容足夠大,才能夠?qū)崿F(xiàn)兩個電容上平均分擔直流電壓。與三相全橋拓撲結(jié)構(gòu)相比,三相半橋的直流電壓利用率低,并且功率主開關(guān)管承受的電壓應(yīng)力相對較大。三相半橋的也具有較強的帶不平衡負載能力,但這會大大增加系統(tǒng)的體積和重量。圖2-2三相半橋逆變器三相全橋式逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)如圖2-3所示,由于其具有電路結(jié)構(gòu)簡單、易于控制和主開關(guān)管承受的電壓應(yīng)力低等優(yōu)點,在并網(wǎng)逆變器中而得到廣泛采用,但是其缺點是其帶不平衡負載的能力較弱。圖2-3三相全橋逆變器2.2逆變器的工作原理[4]用三個單相逆變電路可以組合成一個三相逆變電路,但在三相逆變電路中,應(yīng)用最廣的還是三相橋式逆變電路,采用IGBT作為開關(guān)器件的電壓型三相橋式逆變電路如圖2-3所示的直流側(cè)通常只有一個電容器件就可以了,但為了分析方便,畫作串聯(lián)的兩個電容器并標出了假想中點,和單相半橋、全橋逆變電路相同,電壓型三相橋式逆變電路的基本工作方式也是180°導(dǎo)通方式,即每個橋臂的導(dǎo)通角為180°,同一相即同一半橋的上下兩個臂交替導(dǎo)電,各相開始導(dǎo)電的角度一次相差120°,這樣,在任一瞬間,將有三個橋臂同時導(dǎo)通,也可能是上面兩個臂下面一個臂同時導(dǎo)通,因為每次換流都是在同一相上下兩個橋臂之間進行的,因此也被稱為縱向換流。下面來分析電壓型三相橋式逆變電路的工作波形,對于U相來說,當橋臂1導(dǎo)通時,,當橋臂4導(dǎo)通時,,因此,的波形是幅值為的矩形波。V、W兩相的情況和U相類似,、的波形形狀和相同,只是相位一次相差120°。負載線電壓可由下式求出〔2-1該負載中點N與直流電源假想中點之間的電壓為,則負載各相的相電壓分別為〔2-2把上面各式相加并整理可求得〔2-3設(shè)負載為三相對稱負載,則有,故可得〔2-4的波形為矩形波,但其頻率為頻率的3倍,幅值為其1/3,即為。且的波形形狀相同,只是相位一次相差120°。負載參數(shù)已知時,可以由的波形求出U相電流的波形。負載的阻抗角不同,的波形和相位都有所不同,橋臂1和橋臂4之間的換流過程和半橋電路相似,上橋臂1中的從通態(tài)轉(zhuǎn)換到斷態(tài)時,因負載電感中的電流不能突變,下橋臂4中的先導(dǎo)通續(xù)流,待負載電流降到零,橋臂4中的電流反向時,才開始導(dǎo)通,負載阻抗角越大,導(dǎo)通時間就越長。的上升段即為橋臂1導(dǎo)電的區(qū)間,其中時為導(dǎo)通,的下降段即為橋臂4導(dǎo)電的區(qū)間,其中時為導(dǎo)通?？芍?、的波形和形狀相同,相位一次相差120°。把橋臂1、3、5的電流加起來,就可得到直流側(cè)電流的波形,每隔60°脈動一次,而直流側(cè)電壓基本是無脈動的,因此逆變器從電網(wǎng)側(cè)向直流側(cè)傳送的功率是脈動的,且脈動的情況和脈動情況大體相同,這也是電壓型逆變器的一個特點。下面對三相橋式逆變電路的輸出電壓進行定量分析,把輸出線電壓展開成傅里葉級數(shù)得：〔2-5式中,k為自然數(shù)輸出線電壓有效值為：〔2-6其中基波幅和基波有效值分別為〔2-7〔2-8下面再來對負載相電壓進行分析,把展開成傅里葉級數(shù)得：〔2-9式中,k為自然數(shù)負載相電壓有效值為〔2-10其中基波幅值和基波有效值分別為〔2-11〔2-12在上述180°導(dǎo)電的方式逆變器中,為了防止同一相上下兩橋臂的開關(guān)器件同時導(dǎo)通而引起的直流電源的短路,要采取"先斷后通"的方法,即先給應(yīng)關(guān)斷的器件關(guān)斷信號,待其關(guān)斷后留一定的時間裕量,然后再給應(yīng)導(dǎo)通的器件發(fā)出開通信號,即在兩者之間留一個短暫的死區(qū)時間,死區(qū)時間的長短要視器件的開關(guān)速度而定,器件的開關(guān)速度越快,所留的死區(qū)時間就可以越短,這一"先斷后通"的方法對于工作在上下橋臂通斷互補方式下的其他電路也是適用的,顯然,前述的單相半橋和全橋逆變電路也必須采取這一方法。2.3基于LCL濾波器的PWM逆變器數(shù)學模型LCL濾波的高頻PWM逆變器拓撲結(jié)構(gòu)如圖2-4所示。逆變器側(cè)是三個電阻為,電感為L的電抗器,網(wǎng)側(cè)是三個電阻為,電感為的電抗器,網(wǎng)側(cè)電抗器和逆變器側(cè)電抗器之間是三個星型聯(lián)結(jié)的電容器。電抗器L除濾波外,還具有升壓及能量交換功能,、用于濾除高次諧波,滿足電網(wǎng)對電流諧波的要求。圖2-4基于LCL濾波的三相高頻PWM逆變器拓撲結(jié)構(gòu)取單相LCL濾波的PWM整流器結(jié)構(gòu)進行分析:圖2-5LCL濾波器的單相拓撲結(jié)構(gòu)可得其在連續(xù)靜止坐標系下的數(shù)學模型為：〔2-13〔2-14〔2-15式中：——電網(wǎng)電壓、電容器電壓、整流器側(cè)控制電壓——電網(wǎng)側(cè)電流、電容器電流、整流器側(cè)電流由式〔2-13,〔2-14,〔2-15及前面開關(guān)函數(shù)的定義,可以推出LCL濾波的三相PWM整流器在三相電網(wǎng)電壓對稱情況下的開關(guān)數(shù)學模型：〔2-16〔2-17〔2-18式中：C——整流器直流側(cè)電壓、負載電阻及支撐電容根據(jù)KCL、KVL得到三相靜止abc坐標系下各相方程：a相：〔2-19b相:〔2-20c相:〔2-21式中：——三相電網(wǎng)側(cè)交流電壓——三相濾波電容上的電壓——整流器交流側(cè)的三相電壓——三相電網(wǎng)側(cè)交流電流——整流器交流側(cè)的三相電流經(jīng)過整理可得采用LCL濾波器的狀態(tài)方程:〔2-22可以看出,三相LCL濾波器的狀態(tài)空間方程為9階的狀態(tài)方程,對這樣一個高階被控系統(tǒng)來說,如果不采用一定的方法進行降階處理的話,則很難設(shè)計控制器。因此,對此狀態(tài)方程進行abc→αβ變換,按照式〔2-16,〔2-17的轉(zhuǎn)換矩陣,可得αβ坐標系下的LCL濾波器狀態(tài)空間方程為：〔2-23然后進行αβ→dq根據(jù)式〔2-20,〔2-21的變換矩陣,可得dq坐標系下的LCL濾波器狀態(tài)空間方程為：〔2-24式中:——三相電網(wǎng)電壓的基波角頻率——三相電網(wǎng)電壓矢量的d,q軸分量——三相濾波電容電壓矢量的d,q軸分量——整流器交流側(cè)電壓矢量的d,q軸分量——三相電網(wǎng)電流矢量的d,q軸分量——整流器交流側(cè)電流矢量的d,q軸分量由式〔2-24可以得出圖2.7所示的LCL濾波器的結(jié)構(gòu)框圖?？刂频哪康氖墙o出正確的控制矢量,使網(wǎng)側(cè)電流與電壓同相位。可以看出,基于LCL濾波器的PWM整流器是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)。2.4鎖相環(huán)節(jié)的工作原理逆變器輸出電壓電流同頻同相才能并網(wǎng)供電,所以控制器的設(shè)計中都要設(shè)置鎖相環(huán)節(jié)。鎖相環(huán)路是一種反饋電路,鎖相環(huán)的英文全稱是Phase-LockedLoop,簡稱PLL。其作用是使得電路上的時鐘和某一外部時鐘的相位同步。因鎖相環(huán)可以實現(xiàn)輸出信號頻率對輸入信號頻率的自動跟蹤,所以鎖相環(huán)通常用于閉環(huán)跟蹤電路。鎖相環(huán)在工作的過程中,當輸出信號的頻率與輸入信號的頻率相等時,輸出電壓與輸入電壓保持固定的相位差值,即輸出電壓與輸入電壓的相位被鎖住,這就是鎖相環(huán)名稱的由來。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,鎖相環(huán)是一種非常有用的同步技術(shù),因為通過鎖相環(huán),可以使得不同的數(shù)據(jù)采集板卡共享同一個采樣時鐘。因此,所有板卡上各自的本地80MHz和20MHz時基的相位都是同步的,從而采樣時鐘也是同步的。因為每塊板卡的采樣時鐘都是同步的,所以都能嚴格地在同一時刻進行數(shù)據(jù)采集。鎖相環(huán)的基本結(jié)構(gòu)：鎖相環(huán)路是一個相位反饋自動控制系統(tǒng)。它由以下三個基本部件組成：鑒相器〔PD、環(huán)路濾波器〔LPF和壓控振蕩器〔VCO。其組成方框圖如下所示。圖2-6鎖相圖的基本方框圖鎖相環(huán)的工作原理：1.壓控振蕩器的輸出經(jīng)過采集并分頻；2.和基準信號同時輸入鑒相器；3.鑒相器通過比較上述兩個信號的頻率差,然后輸出一個直流脈沖電壓；4.控制VCO,使它的頻率改變；5.這樣經(jīng)過一個很短的時間,VCO的輸出就會穩(wěn)定于某一期望值。鎖相環(huán)可用來實現(xiàn)輸出和輸入兩個信號之間的相位同步。當沒有基準〔參考輸入信號時,環(huán)路濾波器的輸出為零〔或為某一固定值。這時,壓控振蕩器按其固有頻率fv進行自由振蕩。當有頻率為的參考信號輸入時,和同時加到鑒相器進行鑒相。如果和相差不大,鑒相器對和進行鑒相的結(jié)果,輸出一個與和的相位差成正比的誤差電壓ud,再經(jīng)過環(huán)路濾波器濾去中的高頻成分,輸出一個控制電壓,將使壓控振蕩器的頻率〔和相位發(fā)生變化,朝著參考輸入信號的頻率靠攏,最后使=,環(huán)路鎖定。環(huán)路一旦進入鎖定狀態(tài)后,壓控振蕩器的輸出信號與環(huán)路的輸入信號〔參考信號之間只有一個固定的穩(wěn)態(tài)相位差,而沒有頻差存在。這時我們就稱環(huán)路已被鎖定。環(huán)路的鎖定狀態(tài)是對輸入信號的頻率和相位不變而言的,若環(huán)路輸入的是頻率和相位不斷變化的信號,而且環(huán)路能使壓控振蕩器的頻率和相位不斷地跟蹤輸入信號的頻率和相位變化,則這時環(huán)路所處的狀態(tài)稱為跟蹤狀態(tài)。鎖相環(huán)路在鎖定后,不僅能使輸出信號頻率與輸入信號頻率嚴格同步,而且還具有頻率跟蹤特性,所以它在電子技術(shù)的各個領(lǐng)域中都有著廣泛的應(yīng)用。2.5逆變器的SPWM調(diào)制方式分析SPWM<正弦脈寬調(diào)制>是調(diào)制波為正弦波,載波為三角波的一種脈寬調(diào)制法,這項技術(shù)的特點是原理簡單,通用性強,控制和調(diào)節(jié)性能好,具有消除諧波、調(diào)節(jié)和穩(wěn)定輸出電壓的多種作用,是一種比較好的波形改善法。它的出現(xiàn)為中小型逆變器的發(fā)展起了重要的推動作用。SPWM可分為雙極性SPWM調(diào)制,單極性SPWM調(diào)制和單極性SPWM倍頻調(diào)制三種,半橋逆變電路只能使用雙極性SPWM調(diào)制而全橋逆變電路則三種調(diào)制方式均用[10]。雙極性SPWM調(diào)制方式的原理如圖2-2所示,圖中調(diào)制波,幅值為,頻率。載波為全波三角波,頻率為,幅值為。同時定義調(diào)制比為正弦調(diào)制波的輔助與三角載波的幅值之比,頻率比為三角載波與正弦調(diào)制波的頻率之比。圖2-7雙極性SPWM調(diào)制原理由上圖可見,當時,開關(guān)管T1、T4導(dǎo)通而T2、T3截至,橋臂中點間電壓；當時,開關(guān)管T1、T4截止而T2、T3導(dǎo)通,橋臂中點間電壓。通過上述過程,就將輸入的直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)槊}寬按正弦規(guī)律變化的正弦脈沖序列。下面是單極性SPWM調(diào)制方式的原理：圖2-3為單極性SPWM調(diào)制原理圖,這種調(diào)制方式使用半波三角波作為載波,當大于零時,載波為正的半波；當小于零時,載波為負的半波。在雙極性調(diào)制中,四個開關(guān)管都工作在高頻狀態(tài),而在單極性調(diào)制中,一對開關(guān)管工作在高頻狀態(tài),而另一對開關(guān)管工作在低頻狀態(tài)。當時,T3一直截止而T4一直導(dǎo)通,此時當時,開關(guān)管T1導(dǎo)通而T2截至,橋臂中點間電壓；當時,開關(guān)管T1截止而T2導(dǎo)通,橋臂中點間電壓。當時,T3一直導(dǎo)通而T4一直截止,此時當時,開關(guān)管T1導(dǎo)通而T2截至,橋臂中點間電壓；當時,開關(guān)管T1截止而T2導(dǎo)通,橋臂中點間電壓。從上述過程中看出,在輸出波形中包含有,0和-三個狀態(tài),因此這種調(diào)制方式也被稱為三態(tài)調(diào)制〔對應(yīng)得,雙極性調(diào)制也被稱為兩態(tài)調(diào)制圖2-8單極性SPWM調(diào)制原理在前面介紹的兩種SPWM調(diào)制方式中,橋臂中點間輸出電壓的頻率與器件的開關(guān)頻率相同,而倍頻式SPWM調(diào)制則可以在不改變器件開關(guān)頻率的條件下使得橋臂中點間輸出電壓的頻率提高一倍,從而可以在不增加開關(guān)損耗的情況下將諧波頻率提高一倍,大大減小了輸出濾波器的體積。倍頻調(diào)制方式的調(diào)制原理如上圖2-4所示,它包含有兩個基準波、并且有<2-25><2-25>與載波交截產(chǎn)生、信號而與載波交截產(chǎn)生、信號。輸出電壓的正半周實際上是由信號、的與邏輯決定的。當、為高電平時,有T1、T4導(dǎo)通而使得,當或有一個為低電平時,則有T2、T4或者T1、T3導(dǎo)通而使得。由于在正半周內(nèi),的高電平區(qū)恒寬于的低電平區(qū),所以T2、T3沒有同時導(dǎo)通的時刻而使得輸出電壓中只包含和0兩個電平,而在負半周則輸出圖電壓中只包含0和兩個電平,所以這也是一種三態(tài)調(diào)制。由于在一個載波周期內(nèi)有兩次狀態(tài)轉(zhuǎn)變,所以輸出電壓頻率為器件開關(guān)頻率的一倍。在小功率逆變電路中,從降低電路成本考慮,一般采用半橋逆變主電路和雙極性SPWM調(diào)制的方式。而在大功率逆變器中,從減小輸出濾波器體積和提高輸出波形質(zhì)量方面考慮,一般采用全橋逆變主電路和單極性倍頻的SPWM調(diào)制。通過綜合選擇,確定雙極性倍頻SPWM調(diào)制為本文所采取的調(diào)制方式。3．LCL濾波器和控制系統(tǒng)的設(shè)計3.1LCL濾波器的參數(shù)設(shè)計3.1.1并網(wǎng)逆變器的輸出濾波器有L,LC,LCL三種形式,分別如圖所示,三種濾波器結(jié)構(gòu)由簡單到復(fù)雜,各具有不同的濾波性能。圖3-1三種不同形式的并網(wǎng)濾波器1.L濾波器優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、控制特性好缺點：1.諧波衰減率只有-20dB/十倍頻；2.若達到好的濾波效果,則增大電感量,使體積加大,在濾波器上產(chǎn)生較大的壓降,消耗無功增加；3.產(chǎn)生的電壓紋波污染電網(wǎng)。2.LC濾波器采用LC濾波器時,一般考慮逆變器要在并網(wǎng)與獨立的雙模式下運行。優(yōu)點：當逆變器并網(wǎng)運行時,可以忽略濾波電容的影響,相當于單L濾波并網(wǎng),控制器易于設(shè)計。在逆變器獨立運行時,電容C的存在可以達到穩(wěn)定電壓的目的。缺點：在逆變器并網(wǎng)運行時,由于濾波電容C的存在不可避免的影響入網(wǎng)電流質(zhì)量。3.LCL濾波器LCL濾波器的基本思想是利用加入的電容支路為高頻開關(guān)紋波電流提供低阻通路,起到對高頻分量的旁路作用,減少注入電網(wǎng)的紋波電流。網(wǎng)側(cè)電感L2有時可以用電網(wǎng)側(cè)電感Ls代替,但是Ls不能太小。帶有輸出升壓變壓器時,可以利用變壓器的漏感,減小、甚至取消L2,以降低成本、損耗和輸出阻抗。優(yōu)點：抑制開關(guān)紋波電流：網(wǎng)側(cè)電感L2和電容C分別對開關(guān)紋波呈現(xiàn)高阻和低阻,兩者相互配合實現(xiàn)對高頻紋波的并聯(lián)分流,保證了良好的濾波器效果。抑制開關(guān)紋波電壓對電網(wǎng)污染：濾波電容C和逆變橋側(cè)電感L1對高頻紋波電壓進行串聯(lián)分壓,由于電容和電感分別對高頻分量呈現(xiàn)低阻抗和高阻抗,紋波電壓主要由L1承擔,電網(wǎng)承擔的紋波電壓就大為減小。缺點：①設(shè)計需要確定三個自由參數(shù)：兩個電感、一個電容,并要綜合考慮紋波衰減率、濾波電感電壓降、電容無功電流、逆變橋紋波電流等因素,具有一定難度。②LCL濾波器還增加了閉環(huán)穩(wěn)定控制的難度。LCL濾波器在轉(zhuǎn)折頻率點存在高幅值的諧振峰,且其相位滯后從-90°急劇變化為-270°,遠遠超過了自動控制理論中系統(tǒng)穩(wěn)定的-180°相位滯后條件,因此難以穩(wěn)定控制。③使用LCL濾波器時,諧振峰的抑制是另一個問題。在功率不高的情況下通常采用在電容支路串聯(lián)電阻的方法。但是阻尼電阻的引入不但產(chǎn)生了較大的損耗,同時增大了電容支路的高頻阻抗,影響了濾波效果。根據(jù)以上分析,由于雙模式逆變器較長的時間工作于并網(wǎng)模式,所以必須保持較高的并網(wǎng)電流質(zhì)量,因此采用LCL濾波器。在采用適當?shù)目刂扑惴?使用LCL濾波器同樣可以使負載電壓穩(wěn)定在要求的范圍內(nèi)。這樣就可以使逆變器穩(wěn)定、高效地工作于獨立和并網(wǎng)雙模式下。LCL濾波器的選定逆變電源并網(wǎng)運行時本質(zhì)上為電流源,高開關(guān)頻率會造成對電網(wǎng)產(chǎn)生污染的高次諧波,其輸出電流會對電網(wǎng)產(chǎn)生嚴重的諧波污染。傳統(tǒng)的網(wǎng)側(cè)濾波器為L濾波器由電感L將高頻電流諧波限制在一定范圍之內(nèi),減小對電網(wǎng)的諧波污染。但隨著功率等級的提高,特別是在中高功率的應(yīng)用場合,開關(guān)頻率相對較低,要使網(wǎng)側(cè)電流滿足相應(yīng)的諧波標準所需的電感值太大。這不僅使網(wǎng)側(cè)電流變化率下降,系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)性能降低,還會帶來體積過大成本過高等一系列問題。一般的LC濾波器,雖然其結(jié)構(gòu)和參數(shù)選取簡單,但無法平抑輸出電流的高頻紋波,容易因電網(wǎng)阻抗的不確定性而影響濾波效果。采用LCL的結(jié)構(gòu)比LC結(jié)構(gòu)有更好的衰減特性,對高頻分量呈高阻態(tài),抑制電流諧波,并且同電網(wǎng)串聯(lián)的電感L還可以起到抑制沖擊電流的作用。要達到相同的濾波效果,LCL濾波器的總電感量比L和LC濾波器小得多,有利于提高電流動態(tài)性能,同時能降低成本,減小裝置的體積重量。在中大功率應(yīng)用場合,LCL濾波器的優(yōu)勢更為明顯。本章設(shè)計一種利用隔離變壓器漏感的LCL濾波器,本文對傳統(tǒng)的LCL濾波器加以改進,利用隔離變壓器漏感,減少了一個電感,在降低成本的同時顯著減少并網(wǎng)電流的直流分量,有效抑制諧波污染,提高并網(wǎng)電流質(zhì)量。LCL濾波器數(shù)學模型及波特圖分析對于三種濾波器分別求出它們的傳遞函數(shù)〔3-1〔3-1〔3-2〔3-2對于LCL濾波器,根據(jù)等效原理圖可得：〔3-3〔3-3〔3-4〔3-4〔3-5〔3-5其中,,,分別為輸入電壓,電容電壓和輸出電壓；,,分別為電感電流,電感電流和電容電流。由于LCL型濾波器在低頻<約低于在濾波器諧振頻率下的一半>時的表現(xiàn)性能和純電感L型濾波器相近,其中電感L=L1＋L2,容易得到LCL型濾波器輸出電流和輸入電壓之間的傳遞函數(shù)為<電阻和比較小可近似為0>〔3-6〔3-6針對LCL型濾波器是三階環(huán)節(jié),有可能產(chǎn)生震蕩,為了提高系統(tǒng)的可靠性,避免高頻諧振,在濾波電容上串聯(lián)一個電阻,經(jīng)推導(dǎo)可得該情況下逆變器輸入電壓與輸出電流在靜止坐標系下的函數(shù)關(guān)系式〔3-7〔3-7取L濾波器參數(shù)為,LCL濾波器參數(shù)為。通過bode圖來比較其性能的優(yōu)劣。在matlab環(huán)境中實現(xiàn)程序為：Matlab程序編寫：L濾波器或LC濾波器>>num=[1];>>den=[2,0];>>bode<num,den>LCL濾波器>>num=[1];>>den=[1,0,2,0];>>bode<num,den>圖3-2L濾波器的bode圖圖3-3LCL濾波器的bode圖L濾波器的幅頻特性為一條直線,其高頻衰減特性較差,而LCL濾波器為三階系統(tǒng),其高頻衰減效果顯著。但是,在諧振頻率處存在幅值尖峰,如果對此尖峰不進行抑制,則必定會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定。3.1.4LCL濾波器的諧振抑制方法LCL濾波器的阻抗值與流過的電流頻率成反比,頻率越高,阻抗越小,所以可以濾除高頻諧波。然而,濾波電容的分流作用,使整流器的電流控制系統(tǒng)由一階變?yōu)槿A,控制更為復(fù)雜,并且在某些高次諧波電流下,LCL濾波器的總阻抗接近零,將導(dǎo)致諧振效應(yīng),影響系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。一般采用在已有控制策略的基礎(chǔ)上增加阻尼作用來解決這個問題。阻尼方法分為兩種：一種叫做"無源阻尼法",它是通過在電容上串聯(lián)電阻來使系統(tǒng)穩(wěn)定,這種方法穩(wěn)定可靠,在工業(yè)中被廣泛應(yīng)用,但是加入的電阻會增加系統(tǒng)的損耗,不適合大功率系統(tǒng)的應(yīng)用。另一種方法是通過修正控制算法使系統(tǒng)達到穩(wěn)定,消除共振作用,這種方法叫做"有源阻尼法"。該方法通過增加控制的復(fù)雜性避免無源阻尼的損耗問題。3.1.5濾波器參數(shù)變化對濾波性能的影響〔1電感L決定整流器橋臂電流紋波。由上述分析可知,諧波等效電路中,電容支路與電網(wǎng)等效支路并聯(lián),然后與整流器側(cè)電感串聯(lián)。和對整流器側(cè)輸出電流進行分流。L上的電流是由其阻抗和電容支路與支路的并聯(lián)阻抗決定的。和并聯(lián)支路的引入增大了串聯(lián)阻抗,減小了。為了對開關(guān)紋波電流進行分流,以使得高頻分量盡可能多的從電容支路流過,在設(shè)計時必須保證高頻下<<。根據(jù)電路原理,主要由較小的決定,所以不會太大。不會隨著和并聯(lián)電路的加入而減小太多,所以整流器側(cè)紋電流主要取決于L的大小。橋臂紋波電流不能太大,因為紋波電流過大不僅會使IGBT結(jié)溫波動增大,對功率器件壽命造成不利影響,還會加大L的損耗,使其升溫增加,降低絕緣材料的壽命。但太大的電感量會造成直流電壓利用率下降,而且使得電感體積大,成本增加。所以設(shè)計時需要綜合考慮。和并聯(lián)部分。電感電容的加入將一個一階的電感濾波電路改造成為一個三階電路,在改善濾波器過渡特性的同時,也給高頻分量提供了低阻通路,以減小注入電網(wǎng)的高頻分量。根據(jù)并聯(lián)電路各支路的分流關(guān)系,必須小于,只有這樣才能使高頻電流分量盡量從電容支路流過,盡可能少地流入電網(wǎng)。要滿足<<,可以增大電容量,也可以增大的電感量,但是增大電容量會減小電容支路對基波的阻抗,增大了無功電流,從而增大了整流器輸出電流容量,但一味地減小電容,要達到同樣的濾波效果,將導(dǎo)致網(wǎng)側(cè)電感的增大。同L情況類似,的電感量也有限制。因此,LCL各參數(shù)的設(shè)計需要配合。3.1.6濾波器參數(shù)設(shè)計的約束條件〔1LCL濾波器的電容將引起無功功率增加,從而降低功率因數(shù)。為了保證系統(tǒng)的高功率因數(shù),一般限制電容吸收的無功功率低于額定功率的5%?！?總電感值要小于0.1pu,否則需要較高的直流電壓來保證電流的控制性,這將會增大功率開關(guān)的損耗?！?為了避免開關(guān)頻率附近的諧波激發(fā)LCL諧振,諧振頻率應(yīng)遠離開關(guān)頻率,一般小于0.5,但不能過小,否則低次諧波電流將通過LCL濾波器得以放大。一般諧振頻率在十倍的基波頻率到開關(guān)頻率的一半之間〔4需增設(shè)阻尼電阻防止諧振,但阻值不能太大,以免帶來過多的損耗,從而降低了效率。3.1.7濾波器參數(shù)的設(shè)計步驟<1>電感的計算：〔3-8U為網(wǎng)側(cè)相電壓有效值,為諧波電流峰值,為開關(guān)頻率?？傠姼兄档募s束條件：〔3-9其中為直流母線電壓,為網(wǎng)側(cè)相電壓峰值,為相電流峰值。且〔3-10計算電容C可先確定諧振頻率,,再根據(jù)公式：〔3-11計算得電容C的值；也可以取電容消耗的無功功率為總功率的5%,利用約束條件：,其中,且其中E為網(wǎng)側(cè)線電壓有效值,為基波頻率。電容所串電阻〔3-123.2基于有源阻尼的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)方案的確定[4]本論文采用的是有源阻尼控制策略,該控制策略采用雙閉環(huán),在網(wǎng)側(cè)電感電流外環(huán)的基礎(chǔ)上增加了濾波電容電流內(nèi)環(huán),該控制策略采用有源阻尼[1],減少了功率損失,卻增加了傳感器數(shù)量,控制器的設(shè)計也較為復(fù)雜,但實驗結(jié)果表明,該控制策略能保證輸出電壓、電流的穩(wěn)定性,該策略是可行的下面介紹雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計。并網(wǎng)逆變器在與電網(wǎng)相連時,必須經(jīng)由一定的濾波裝置才能滿足相關(guān)的并網(wǎng)標準的要求,相比于傳統(tǒng)的L型濾波器,LCL濾波器在此類應(yīng)用中具有更好的高次諧波抑制能力。與此同時,為達到相同的濾波效果,若采用L型濾波器,需要使用更大的電感,增加了濾波器體積和系統(tǒng)成本,這使得LCL濾波器的優(yōu)勢更加得以體現(xiàn),尤其適合開關(guān)頻率相對較低的大功率應(yīng)用場合。然而,由于LCL濾波器是一個三階系統(tǒng),如果沒有引入適當阻尼作用,其諧振會對系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響。由上可知,目前常用的方法分為無源阻尼法和有源阻尼法。通過直接加入阻尼以增加系統(tǒng)阻尼的無源阻尼法,實際上是以犧牲系統(tǒng)的效率為代價,換取更高的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)裕度,為避免這一損失,通過相關(guān)控制手段來增加系統(tǒng)阻尼的有源阻尼法得到了更為廣泛的關(guān)注。通常認為,以LCL濾波器網(wǎng)側(cè)電感電流控制為主的方案稱為直接電流控制,而以逆變器側(cè)電感電流控制為主的方案稱為間接電流控制,受LCL自身參數(shù)變動的影響,間接電流控制相比直接電流控制在滿足并網(wǎng)要求方面就顯示出一點的劣勢。以直接電流控制方案為討論前提,目前常見的有源阻尼法包括虛擬電阻法。在控制前向通道中添加陷波濾波器的方案。以電容電流做內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制方案；在前向通道中串聯(lián)控制環(huán)節(jié)的LCL諧振峰值抑制方案通常受系統(tǒng)參數(shù)影響較大,諧振點的變化有可能會導(dǎo)致阻尼作用失效；虛擬電阻法和雙環(huán)控制方案控制效果較好,也較易實現(xiàn),但需要添加額外的電流傳感器,此外,為追求更好的控制效果,也有文獻采用狀態(tài)反饋與重復(fù)控制的方案,在獲取較好控制波形的同時則需要添加更多的傳感器。再次基礎(chǔ)上,本文提出以LCL濾波電容電流為內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制方案,給出了理論依據(jù)和實現(xiàn)方法,并通過仿真和實驗驗證論文此方案的可行性。3.21基于無源阻尼的單電流環(huán)控制方案的設(shè)計[7]基于LCL濾波的并網(wǎng)逆變器較早的控制策略是采用無源阻尼的單環(huán)控制策略,該策略的優(yōu)點是電路結(jié)構(gòu)簡單,可以使用較少的傳感器,控制器設(shè)計簡單,不足的地方是采用無源阻尼,會增加功率損失,尤其在大功率應(yīng)用場合,電阻上的功率損耗會更多,并且可能導(dǎo)致發(fā)熱量巨大,就要額外加散熱片,雖然減少了傳感器,但可能由于電阻造成的功率損失、額外增加的散熱設(shè)備,長期看來,成本不一定會減少。該單環(huán)控制策略是直接輸出電流控制,根據(jù)文,并網(wǎng)逆變器LCL接口直接輸出電流控制無論采用P、PI還是PID控制,系統(tǒng)均不穩(wěn)定,該問題的直接解決方案是LCL串聯(lián)電阻,增大相角裕度,提高系統(tǒng)穩(wěn)定性,文中已證明該方案的正確性。該單環(huán)控制策略采用PI調(diào)節(jié)器,濾波器的參數(shù)計算參見。下圖是基于無源阻尼的并網(wǎng)逆變器原理圖。圖3-4基于無源阻尼的并網(wǎng)逆變器原理圖可得系統(tǒng)線性控制模型：圖3-5基于無源阻尼的線性控制系統(tǒng)模型計算PI調(diào)節(jié)器的參數(shù),根據(jù)文獻[13]得LCL濾波器的傳遞函數(shù)：〔3-13將逆變器等效為一個小慣性環(huán)節(jié):又的數(shù)值很小,忽略不計,則F<s>化簡為：〔3-14進而可得被控對象的傳遞函數(shù)：〔3-15且已知PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：其中τ=hT整定為II型系統(tǒng)后為：〔3-16且典型II型系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：〔3-17其中選定h,濾波器參數(shù)、C和的值,即可計算出K,然后可得即,且電容所串電阻為：〔3-18以上為理論計算方法,仿真過程中各參數(shù)還需要適當調(diào)整,才能得到較好的濾波效果和穩(wěn)定的電壓電流波形。3.2.2基于雙環(huán)控制網(wǎng)側(cè)電感電流外環(huán)控制器的設(shè)計下圖是基于LCL濾波的三相并網(wǎng)逆變器原理圖圖3-6三相并網(wǎng)逆變器原理圖可得系統(tǒng)線性控制模型：圖3-7基于有源阻尼的線性系統(tǒng)控制電感電流外環(huán)的控制器的設(shè)計方法與單電流環(huán)中控制器的設(shè)計方法類似,設(shè)計過程參見3.21節(jié)。3.2.3基于雙環(huán)控制電容電流內(nèi)環(huán)控制器的設(shè)計[14]由系統(tǒng)線性控制模型可得電容電流內(nèi)環(huán)控制對象傳遞函數(shù)為：,由于的數(shù)量級在,忽略不計,控制對象可簡化為：。典型I型系統(tǒng)為：,上述控制對象要整定為I型系統(tǒng),可采用PI調(diào)節(jié)器：,且取為T和RC中較大的數(shù),由于,取3,C=100uF,T為0.0002S,,則取=RC,整定后的I型系統(tǒng)為：,又,且取KT=0.5時超調(diào)較小、動態(tài)響應(yīng)較快,計算可得的值,。4.系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計及仿真驗證4.1系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計選定直流母線電壓800V,電網(wǎng)電壓380V/50Hz,總功率70kW,開關(guān)頻率選定為5kHz,可得輸出相電流峰值為150A,令為逆變器側(cè)濾波電感,為網(wǎng)側(cè)濾波電感,為濾波電容,為單環(huán)控制策略中電容所串電阻。記為相電流峰值的15%,即22.5A。根據(jù)前兩節(jié)所述參數(shù)計算方法,可得到：總電感約束值且,又習慣上L1和L2關(guān)系為相等或倍數(shù)關(guān)系所以可取總電感為1mH,取又由于,且,,可得,取100uF?？傻弥C振頻率,滿足約束條件。進而可得單環(huán)控制策略中電容所串電阻。根據(jù)3.2且典型II型系統(tǒng)為：其中,由于開關(guān)頻率為5KHz,則T=0.0002s,又取h=5時,動態(tài)響應(yīng)適中,此時：可得,即,又,可得。根據(jù)3.24.2有源阻尼雙閉環(huán)控制仿真分析4.2有源阻尼雙閉環(huán)控制仿真分析側(cè)電壓圖網(wǎng)側(cè)電壓圖側(cè)電流圖網(wǎng)側(cè)電流圖4.3無源阻尼單環(huán)控制仿真分析4.3無源阻尼單環(huán)控制仿真分析側(cè)電壓圖網(wǎng)側(cè)電壓圖側(cè)電流圖網(wǎng)側(cè)電流圖由FFT所示圖,可分析得出采用雙電流閉環(huán)控制輸出電流跟蹤電壓,實現(xiàn)了輸出電流和電網(wǎng)電壓的同頻率、同相位,達到功率因數(shù)并網(wǎng),通過比較單電流環(huán)與雙電流環(huán)的輸出電流,雙電流閉環(huán)的輸出電流諧波明顯比單電流環(huán)的少了很多,證明了雙電流環(huán)能夠更好地達到并網(wǎng)的效果。仿真步驟結(jié)果分析結(jié)論本文對國內(nèi)外現(xiàn)有的典型的逆變器并網(wǎng)控制方法進行分析和對比的基礎(chǔ)上研究了一種基于雙電流環(huán)控制的單相逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)。詳細分析了并網(wǎng)工作原理,推導(dǎo)了控制方程,設(shè)計了一種適合本系統(tǒng)應(yīng)用的LCL濾波器。仿真和實驗結(jié)果驗證了此控制方案的可行性,并得出以下結(jié)論：1.三相靜止對稱坐標系〔a,b,c中的逆變器一般數(shù)學模型交流側(cè)均為時變交流量,因而不利于控制系統(tǒng)的設(shè)計,通過坐標變換將三相對稱靜止坐標系〔a,b,c轉(zhuǎn)換成以電網(wǎng)基波頻率同步旋轉(zhuǎn)的〔d,q坐標系,這樣,經(jīng)坐標旋轉(zhuǎn)變換后,三相對稱靜止坐標系中基波正弦變量將轉(zhuǎn)化成同步旋轉(zhuǎn)坐標系中的直流變量,從而簡化了控制系統(tǒng)設(shè)計。2.由于引入了LCL濾波器,并網(wǎng)系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的網(wǎng)側(cè)電流控制方法系統(tǒng)不穩(wěn)定,加入阻尼電阻后系統(tǒng)能變得穩(wěn)定,輸出電流含有較大的紋波,但同單電感濾波仿真波形相比紋波要小,并且動態(tài)性加強。3.采用電容電流和網(wǎng)側(cè)電流雙閉環(huán)控制可以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性,在濾波電感參數(shù)取值相同的條件下,分別采用兩種濾波器進行對比仿真實驗,結(jié)果證明采用電容電流和網(wǎng)側(cè)電流雙閉環(huán)的控制策略,輸出電流變得更加平滑,紋波明顯減少,系統(tǒng)穩(wěn)定性和動態(tài)性進一步加強。綜上所述,在大功率并網(wǎng)系統(tǒng)中,在較低的開關(guān)頻率下,采用LCL濾波器的并網(wǎng)逆變器可以有效抑制輸出電流中的諧波分量,獲得較好的正弦電流波形,并網(wǎng)逆變雙閉環(huán)控制使系統(tǒng)穩(wěn)定性和動態(tài)性進一步加強；而無源阻尼策略也可以獲得較好的電流質(zhì)量,控制方法簡單,但會增加功率損失,有源阻尼策略雖然減少了功率損失,卻需要較多的傳感器和較復(fù)雜的控制方法。實際應(yīng)用中,應(yīng)根據(jù)要求,選擇合適的控制策略。參考文獻[1]魯宗相,王彩霞,閔勇,等.微電網(wǎng)研究綜述[J].電力系統(tǒng)自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