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(shè)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(xué)模型做了詳細(xì)介紹。主電路采用的是單相全橋逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，開關(guān)器件選擇的是功率損耗較小的MOSFET；驅(qū)動電路則是單極性SPWM脈寬調(diào)制技術(shù)，通過開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷對主電路不同的工作狀態(tài)進(jìn)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(biāo)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(jìn)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(zhuǎn)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(xì)的系統(tǒng)數(shù)學(xué)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(jié)果。仿真結(jié)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(guān)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(guān)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(shí)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(biāo)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?fù)鋱D。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(guān)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(jìn)行簡要的解釋，將給定量通過坐標(biāo)變換分解到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，達(dá)到解耦的目的。其中調(diào)節(jié)方式是采用結(jié)構(gòu)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(jìn)行假想的正交變量數(shù)量，以便將一個固定坐標(biāo)軸，通過旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換的方法獲得對應(yīng)的直流量。正交假想變量中常見的方法是通過獲得了與實(shí)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(yīng)。在本文中提出的方法，是由一個叫做虛構(gòu)的虛軸系統(tǒng)，同時與真實(shí)的運(yùn)行產(chǎn)生的正交量。所提出的方法，其被稱為假想坐標(biāo)軸仿真，有效地提高動態(tài)響應(yīng)的同時，相對于傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)不會給控制器結(jié)構(gòu)增加過多的復(fù)雜性。2.3.1逆變器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)解耦假設(shè)其中一個三相濾波器是通過三相線路電抗器進(jìn)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(shè)單相變量由三相那些取代。因此，這樣的系統(tǒng)的交流側(cè)的動力學(xué)可以描述為（2.17）將方程式（2.17）從abc坐標(biāo)到靜止坐標(biāo)系變換，獲得如下公式：（2.18）當(dāng)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(jìn)行拉普拉斯變換，就可以得到該系統(tǒng)在靜止坐標(biāo)系中的結(jié)構(gòu)式。根據(jù)公式，轉(zhuǎn)換到如圖2.7的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（dq坐標(biāo)系）交流側(cè)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(zhuǎn)坐標(biāo)系中獲得的結(jié)構(gòu)圖中包含了典型的耦合項。根據(jù)公式（2.20），我們實(shí)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(dǎo)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(dǎo)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(yīng)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(jìn)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(jié)構(gòu)圖如圖2.8所示。PI控制器及其相關(guān)的控制回路的設(shè)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(jié)構(gòu)圖2.3.2基于PI控制器參數(shù)設(shè)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(jié)構(gòu)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(guān)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(yùn)用常規(guī)的PI控制器就可以使系統(tǒng)達(dá)到期待的動態(tài)響應(yīng)，因此：（2.27）當(dāng)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(jié)果為：（2.28）其中，?，F(xiàn)在開環(huán)傳遞函數(shù)沒有了那些復(fù)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(yīng)，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(bǔ)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(biāo)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(xué)計算、可視化以及交互式程序設(shè)計的高科技計算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學(xué)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(qiáng)大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計算的眾多科學(xué)領(lǐng)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(shè)計語言的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計算軟件的先進(jìn)水平。MATLAB可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)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(yīng)用于工程計算、控制設(shè)計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設(shè)計與分析等領(lǐng)域。在一些實(shí)際應(yīng)用中，如果系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)過于復(fù)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(xué)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)圖，亦即建模過程可通過鼠標(biāo)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(jié)構(gòu)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(yīng)數(shù)據(jù)或時間響應(yīng)曲線。在本次設(shè)計中，控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)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(shè)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(qū)動信號發(fā)生器、PI控制器、濾波電感，Park坐標(biāo)變換及其逆變換。其中控制器設(shè)計是關(guān)鍵，控制器主要實(shí)現(xiàn)對電流的跟蹤，減小幅值偏差、相位偏差，增強(qiáng)應(yīng)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(shè)為10kHz，設(shè)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(fù)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(jié)果仿真時間設(shè)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(dāng)只給定有功電流時，示波器上的顯示結(jié)構(gòu)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(dāng)只給定無功電流時，示波器的仿真結(jié)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(jié)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(jìn)行了相關(guān)闡述和仿真設(shè)計。首先，分析了單相并網(wǎng)逆變器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，然后給出了本系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，并對主電路參數(shù)設(shè)計方法和相關(guān)的硬件設(shè)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(jìn)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(jìn)行了詳細(xì)的分析，剖析了PI控制對系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)的改善，并解釋了局部模塊得數(shù)學(xué)模型，為后面的仿真設(shè)計提供理論依據(jù)。最后，利用Matlab/Simulink對控制策略進(jìn)行仿真，對給定有功電流和無功電流分別得到仿真結(jié)果，并驗(yàn)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(shí)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(yīng)速度。同時，控制策略中所提到的“虛軸虛構(gòu)”能減少系統(tǒng)滯后環(huán)節(jié)對虛軸反饋控制的影響，能進(jìn)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(gòu)”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(jìn)一步的展望，希望能在今后的學(xué)習(xí)中能收集資料、解決這些問題，不斷完善仿真結(jié)果。

致謝大學(xué)四年的學(xué)生生活即將結(jié)束，回想著匆匆而過的四年時間里。從軍訓(xùn)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(yuǎn)都會對那些曾經(jīng)幫助過我的人心懷感激。地感謝我的導(dǎo)師黃老師。當(dāng)我面對科學(xué)的高峰有些彷徨時，是導(dǎo)師在鼓勵我，“攻堅莫畏難，只怕肯登攀”；當(dāng)我在科學(xué)的殿堂中步履蹣跚時，是導(dǎo)師在指點(diǎn)我，“問渠哪得清如許，為有源頭活水來”；當(dāng)我埋頭于書本執(zhí)迷不悟時，是導(dǎo)師在明示我，“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”；當(dāng)我在實(shí)際工作中遇到困難時，是導(dǎo)師在引導(dǎo)我，“壁立千仞無欲則剛，海納百川有容乃大”。我的導(dǎo)師，學(xué)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(dǎo)師那里學(xué)會了怎樣做好學(xué)問，那么首先應(yīng)該說我從導(dǎo)師那里領(lǐng)略了真正的學(xué)術(shù)精神，導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)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(xué)習(xí)的室友，在日常的生活、學(xué)習(xí)中給了我很大的幫助。一起看出、一起復(fù)習(xí)、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(guān)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(guān)心將是我一生的財富。最后感謝武漢理工大學(xué)，給我提供了學(xué)習(xí)的環(huán)境，讓我有機(jī)會交識到這么多的良師益友，不斷地促進(jìn)我進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)：[1]沈輝、曾祖勤.太陽能光伏發(fā)電技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2005（8）：14-16.[2]曾曉生.基于準(zhǔn)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(xué).2012：25-46[3]BhaktaB.Rath，JamesM.Marder.PoweringtheFutureDoestheFuelGag