（电力电子与电力传动专业论文）正弦波并网运行逆变器及控制方法的研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t n l cd e v e l o p m e n t so fr e n e w a b l ee n e r g ya n dd i s t r i b u t e dp o w e rg e n e r a t i o n h a v eb e e na t t r a c t e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n sb e c a u s eo ft h el a c ko fe n e r g y , p o l l u t i o na n di n c r e a s i n gd e n m n do fe l e c t r i cp o w e r r e c e n t l y , g r i d - c o n n e c t e d i n v e r t e rh a sb e c o m et h ec u l l i n g - e d g eo f t h i sf i e l d w i 也t h eb a c k g r o n n d 。t h i sp a p e r t a k e sm u c he f f o r ti nt h eh a r d w a r ed e s i g n , c o n t r o la l g o r i t h mr e s e a r c h ，s i m u l a t i o n o f t h eg r i d - c o n n e c t e di n v e r t e r f i r s t l y , t h et o p o l o g i e so fg r i d - c o n n e c t e di n v e r t e rs y s t e ma r ep r e s e n t e d ，a n d t h et h r e e - p h a s et r a n s f o r m e ri s o l a t e df u l l b r i d g ei n v e r t e rh a sb e e nc h o s e na st h e m a i nc i r c u i ts t r u c t u r e t h em o d e lo f g r i d - c u n n e c t e di n v e r t e rh a sb e e na n a l y 鹦d ， e s p e c i a l l yt h eb i p o l a rs p w mc i r c u i t n ed e s i g na n ds i m u l a t i o no f f i l t e rh a sb e e n a c h i e v e d s e c o n d l y , t h ep a p e rm a k e sar e s e a r c ho nt h ec o n t r o la l g o r i t h m t 1 l ep i c 1 1 r f e n tf e e d b a c km e t h o dw h i c hh a sg o o dd y m m i ep e r f o r m a n c ei sp r o p o s e db yt h e r u n n i n gc h a r a c t e r i s t i ca n dt h et r a n s f e rf u n c t i o no ft h eg r i d - c o n n e c t e di n v e r t e r a n e wc o n t r o la l g o r i t h mb a s e do nr e p e t i t i v ec o n t r o li sp r o p o s e di ne l i m i n a t i n gt h e t h e o r e t i c a le r r o r a tl a s t , o nt h eb a s i so fm a k i n gas u f f c i e n ts t u d yi nt h er e n e w a b l ee n e r g y a p p l i c a t i o n sa n da c h i e v e m e n t si n 心e e n ty e a r s ，a2 0 k v ag r i d c o n n e c t e ds y s t e mi s d e s i g n e di nt h i sp a p e r t h ep a p e rc a r r i e so u tt h ed e t a i l si nc o n t r o lb e a r dd e s i g n , d r i v e c i r c u i t p r o t e c t i o n c i r c u i ta n dt h en l a i n p o w e ri t e m s c a l c u l a t i o n a m i e r o p r o g r a m m i n gm o d u l a r i sa d o p t e di ns y s t e ms o f t w a r ed e s i g n n l cf l o w c h a r t s a r ea l ll i s t e d f o rk e e p i n gt h ef r e q u e n c ya n dp h a s es y n c h r o i l o l l st ot h eg r i d ，as o f t p l l ( p h a s el o c k e dl o o p ) i sn e c e s s a r y t 1 l eb l o c kd i a g r a m sa r ep r o v i d e di n d e t a i l s k e yw o r d s ：g r i d - c o n n e c t e di n v e r t e r ；s p w m ；r e p e t i t i v ec o n t r o l ；s o f tp l l 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日期：知律多月汐日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 可再生能源的利用 2 0 世纪7 0 年代的石油危机，导致了一批可再生能源新技术的产生。近年 来，可再生能源在世界范围内得到迅速发展，一些可再生能源技术的市场应 用和产业，如光伏发电、风电等年增长速度都在2 0 以上，可再生能源已成 为实现能源多样化、应付气候变化和实现可持续发展的重要替代能源。尤其 是近两年，随着国际石油价格的不断攀升以及京都议定书的生效，可再 生能源的发展得到世界许多国家的广泛关注，成为国际能源领域的热点。 可再生能源主要有如下几种：风能、水能、太阳能、地热能、生物质能、 氢能源和潮汐能等。自上个世纪9 0 年代以来可再生能源发展很快，世界上许 多国家都把可再生能源作为能源政策的基础。从世界各国可再生能源的利用 与发展趋势看，风能、太阳能和生物质能发展速度最快，产业前景也最好。主 要可再生能源的利用增长率远高于常规能源。风力发电在可再生能源发电技 术中成本最接近于常规能源，因而也成为产业化发展最快的清洁能源技术。风 能是世界上增长最快的能源，年增长率达2 7 。 近年来，部分欧洲国家的可再生能源事业得到了迅速发展。西班牙2 0 0 3 年风力发电装机占到全国发电装机总量的4 。德国在过去的1 1 年间，风力发 电量增长了2 1 倍，2 0 0 3 年占全国发电量的3 1 。瑞典和奥地利的生物质能源 在其能源消费结构中高达1 5 以上。 我国可再生能源资源丰富，具有开发利用的良好条件。经过多年发展， 我国可再生能源技术已取很长足进步，可再生能源已经发展为种类多样、技 术成熟、初具规模、增长迅速的新兴产业，在我国能源消费结构中起着重要 作用。 到2 0 0 5 年底，全国已建成水电装机1 1 7 亿千瓦，占全部发电装机容量 的四分之一，年发电量3 9 0 0 亿千瓦时，占全部发电量的1 6 。全国陆地可 利用风能资源约2 5 亿千瓦，海上风能资源约7 5 亿千瓦，共计约1 0 亿千瓦。 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 到2 0 0 5 年底，全国已建成并网风电场4 3 个，总装机容量1 2 6 万千瓦。经过 引进和吸收国外先进技术，已经掌握了7 5 0 千瓦风电机组的制造技术，1 2 0 0 干瓦风电机组已经投入试运行，1 5 0 0 千瓦和2 0 0 0 千瓦风电机组正在试制之 中。到2 0 0 5 年底，全国已累计安装太阳能光伏容量约7 万千瓦，光伏电池的 制造能力也已超过2 0 0 兆瓦，生产企业有l o 多家。主要用于解决偏远地区居 民用电和满足特殊商业用电( 通讯、导航和交通等分散电源) 需要“。 2 0 0 5 年2 月2 8 日第十届全国人民代表大会常务委员会第十四次会议通 过了中华人民共和国可再生能源法，该法自2 0 0 6 年1 月1 日起施行。可 再生能源法明确规定：国家鼓励和支持可再生能源并网发电( 第十三条) 。 因此，开展并网逆变器及相关技术的研究，对提高我国相关领域技术水平、 促进能源产业的发展、解决能源短缺和环境污染问题，都具有重大的现实意 义。 1 2 可再生能源并网发电系统 近年来，对新型可再生能源并网发电技术的研究进展迅速。可再生能源 发电技术可用性的快速提高和其成本的降低，使得其在电力系统中所占的比 重呈现逐步增长的趋势。目前正在开发的可再生能源并网发电系统具有减轻 环境污染、降低终端用户费用、改善电能质量、提高供电可靠性等作用，具 有高效性和灵活性的特点，能满足能源可持续发展的要求。 几种主要的可再生能源构成的并网发电系统如图1 1 所示。太阳能电池 板、风力发电机和燃料电池堆接入直流母线，而逆变器则负责将直流变为交 流后给负载供电，也可向正常工作时的电网提供能量以供给远程负载使用， 这样就实现了分布式发电与电网的交互使用。 太阳能，燃料电池等可再生能源的输出均为一个电压较小、变化较大的 直流电压，无法直接给普通交流负载提供一个稳定的电压，或者是无法稳定 地供给电网能量。因此，需要使用电力电子技术将这些直流输出进行逆变以 获得所需要的电压或者电流。并网逆变器作为可再生能源发电系统与电网的 接口在可再生能源发电系统中发挥着重要作用。 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 黎 刘1 日就屯池援 睁汐 燃料电池 逆变器 公麸电同 图1 1 再生能源发电系统 1 3 逆变技术的发展 变流负载 电力电子技术至今己经过近5 0 年的发展历程，目前已基本形成比较完 整的理论和学科体系，并成为一门独立的学科。尤其是在最近2 0 年，电力 电子学得到了突飞猛进的发展，被视为人类社会的第二次电子革命。电力电 子技术在世界范围的工业文明发展中所起的关键作用可能仅次于计算机，从 2 1 世纪开始，将对工业自动化、交通运输、城市供电、节能和环境污染控制 等方面的发展，产生巨大的推动作用。在将来工业高度自动化的情况下，计 算机技术、电力电子技术及自动控制技术，将成为三种最重要的技术。而其 中d c - a c 逆变器技术，将成为电力电子技术中很重要的组成部分儿“。 d c - a c 逆变技术能够实现直流电能到交流电能的转换，可以从太阳能电 池、燃料电池等直流电能变换得到质量较高的、能满足负载对电压和频率要 求的交流电能。d c - a c 逆变技术在交流电机的传动、不间断电源( u p s ) 、变频 电源、有源滤波器、电网无功补偿器等许多场合得到了广泛的应用。 d c - a c 逆变技术的基本原理是通过半导体功率开关器件的开通和关断作 用，把直流电能变换成交流电能，因此是一种电能变换装置。由于是通过半 哈尔滨工程大学硕士学位论文 导体功率开关器件的开通和关断来实现电能转换的，因此转换效率比较高， 但转换输出的波形却很差，是含有相当多谐波成分的方波。而多数应用场合 要求逆变器输出的是理想的正弦波，因此如何利用半导体功率开关器件的开 通和关断的转换，使逆变器输出正弦波和准正弦波就成了d c a c 逆变器技术 发展中的一个主要问题。一般认为，d c a c 逆变器的发展可以分为如下两个 阶段： ( 1 ) 1 9 5 6 1 9 8 0 年为传统发展阶段。这个阶段的特点是；开关器件以低速 器件为主，逆变器的开关频率较低，波形改善以多重叠加为主，体积重量较 大，逆变效率低。1 9 6 0 年以后，人们注意到改善逆变器波形的重要性，并开 始进行研究，正弦波逆变器开始出现。1 9 6 3 年，f 。g 。t u r n b u t l 提出了“消除 特定谐波法”，为后来的优化p 嘲法奠定了基础，以实现特定的优化目标， 如谐波最小、效率最优、转矩脉动最小等。 ( 2 ) 1 9 8 0 年至q 现在为高频化新技术阶段。这个阶段的特点是：开关器件 以高速器件为主，逆变器的开关频率较高，波形改善以p w m 法为主，体积重 量较小，逆变效率高。正弦波逆变器技术发展日趋完善。 2 0 世纪7 0 年代后期，可关断晶闸管g t o 、电力晶体管6 t r 及其模块 相继实用化。8 0 年代以来，电力电子技术与微电子技术相结合，产生了多种 高频化的全控器件，并得到了迅速发展，如功率场效应晶体管m o s f e t 、绝缘 栅双极晶体管i g b t 、静电感应晶体管s i t 、静电感应晶闸管s i t h 、场控晶 闸管m c t 、m o s 晶体管m g t 、i e g t 以及i g c t 等。这就使电力电子技术由传 统发展时代进入到高频化时代。在这个时代，具有小型化和高性能特点的新 逆变技术层出不穷，特别是脉宽调制波形改善技术得到了飞速的发展。 1 9 6 4 年，由a s c h o n u n g 和h s t e m m e r 把通信系统调制技术应用到逆 变技术中提出了正弦波脉宽调制技术( s p w m ) ，由于当时开关器件的速度慢而 未得到推广。直到1 9 7 5 年才把s p w m 技术正式应用到逆变技术中，使逆变 器的性能大大提高，并得到了广泛的应用和发展，也使d c - a c 逆变技术达到 了一个新高度。此后，各种不同的p w m 技术相继出现，例如注入三次谐波的 p w m 、空间向量调制( s v p w m ) 、随机p w m 、电流滞环p w m 、模糊控制、神经网 络控制等成为高速器件逆变器的主导控制方式。 4 哈尔滨 ：程大学硕士学位论文 1 4 可再生能源并网发电技术的主要研究方向 并网逆变器作为可再生能源并网发电系统中最为重要的一个部分，在针 对可再生能源发电技术研究增多的同时，基于并网逆变器技术的研究也越来 越多，其大致可以分为以下几个研究方向。 1 并网逆变器拓扑结构的研究 目前针对不同的要求逆变器有着各种不同的拓扑结构，对于功率较小的 并网逆变器可以采用高效、低成本的单级变换器，而多级逆变器变换结构可以 使用在大功率、宽电压范围的输入的应用场合。除此以外，逆变器的拓扑结 构中还包括单相、三相；隔离、非隔离i 功率单向流动、双向等各种形式。 各种拓扑可以分别使用在不同的场合，并且这些拓扑结构可以相互组合成各 种不同的形式，以满足各种要求。 2 并网逆变器控制方法的研究 在控制方法上，随着各种高速的数字信号处理器的出现，将先进的数字 控制应用到并网逆变器的控制中的研究越来越多。如p i 控制、无差拍控制、 模糊控制等。 ( 1 ) 数字p i 控制 数字p i 控制以参数简单、易整定等特点得到了广泛应用。随着高速信号 处理器的发展，数字p i 控制技术在逆变控制中得到普遍的应用。但是，数字 p i 控制算法应用到逆变控制中，会存在着一些局限性：系统的采样量化误 差，降低了算法的分辨率，使得p i 调节器的精度变差：采样和计算延时使 被控系统成为一个具有纯时间滞后的系统，造成p i 控制器设计困难，稳定性 变差。 ( 2 ) 无差拍控制 无差拍控制基本思想是将输出正弦参考波等间隔地划分为若干个取样周 期，根据每一取样周期的起始值，计算出关于取样周期中心对称的方波脉冲 作用，负载输出在取样周期末尾。适当控制方波脉冲的极性与宽度，就能使 负载上的输出在取样周期的末尾与输出参考波形相重合。在很低的开关频率 下，无差拍控制能够保证输出波形的质量。采样和计算时间的延迟，对系统 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的变化反应灵敏，鲁棒性差是无差拍控制的不足地方。通过状态观测器对系 统状态提前进行预测，能修正采样和计算延时对系统的影响。对系统参数进 行在线辨识，可以提高系统的鲁棒性。 ( 3 ) 重复控制 重复控制可以克服非线性负载引起的输出波形周期性的畸变，消除系统 误差，通常结合其他控制方式来使用。重复控制的基本思想是假定上一周期 的基波将会在下一周期的同一时间重复出现，可以根据给定信号和反馈信号 的误差来确定所需的校正信号，并在同一基波时间将此信号叠加到原控制信 号上，消除重复出现的畸变。重复控制能使系统获得了很好的静态性能，并 且在微处理器中易于实现，但该技术却不能够获得好的动态性能。 ( 4 ) 模糊控制 模糊控制器的设计不需被控对象的精确数学模型，并且有较强的鲁棒性 和自适应性。模糊控制能够在准确性和简洁性之阀取得平衡，可以有效地对 复杂的电力电子系统做出判断和处理。理论上己经证明，模糊控制可以任意 精度逼近任何线性函数，不过受到当前技术水平的限制，模糊变量的分档和 模糊规则都受到一定的限制，隶属函数的确定还没有统一的理论指导，带有 一定的人为因素，因此，模糊控制的精度有待于进一步提高。 3 p 咖调制技术的研究 随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，p w m 控制已成为变流控制 的核心，任何控制算法的最终实现几乎都是以各种p 删控制方式完成的。居 前已经提出并得到实际应用的p w m 控制方案就不下十几种，尤其是微处理器 应用于p w m 技术并使之数字化以后，从最初追求电压波形的正弦，到电流波 形的正弦；从效率最优，到消除噪音，再到降低输出谐波等，p 删控制技术 的发展经历了一个不断创新和不断完善的过程。根据p w m 控制技术的特点， 常用的主要有以下几种方法： ( 1 ) 正弦s p 删法 s p v s , t 法是一种比较成熟的、目前使用较广泛的p 删法。s p 删法采用脉冲 宽度按正弦规律变化和正弦波等效的p v r 3 t 波形，来控制逆变电路中开关器件 的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的 面积相等，通过改变调制波的频率和幅值就可调节逆变电路输出电压的频率 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 和幅值。但这种方法在逆变控制中直流电压利用率不是很高，开关器件的开 合次数较多。目前常用的s p l ；| m 方法有：等面积法，自然采样法，规则采样法， 低次谐波消去法。 ( 2 ) 电流控制p 删 电流控制p 嘲技术是一种新颖的控制技术，近年来得到了相当大的发展 及较广泛的应用。电流控制p w m 技术有不同的方案来实现，其基本思路是将 一个正弦波电流给定信号与逆变器输出电流的实测信号相比较，若实际电流 值大于给定值，则通过逆变器开关器件的动作使之减小；反之，则使之增大。 使实际输出电流围绕着给定的正弦波电流作锯齿形变化，即输出电流追踪给 定电流；与此同时，逆变器输出的电压波成为p 删波。它适用于大量应用场 合，具有控制简单、对负载参数不敏感及具有较强鲁棒性的特点，调制性能 随着现代功率器件开关频率的增加而得到改善。目前实现电流控制的方案主 要有：滞环比较法、三角波比较法等。 ( 3 ) 空间电压矢量控制( s v p w m ) s v p w m 以三相波形整体生成效果为前提，以逼近三相旋转磁场轨迹为目 的，用逆变器不同的开关模式所产生的实际磁通去逼近基准磁通，由它们的 比较结果决定逆变器的开关，形成p 删波形。s v p w m 是一种优化的p w m 方法， 它与传统的s p w m 方法相比，具有直流电压利用率高、谐波成份少，控制简单， 数字化实现方便等优点。 4 并网控制技术的研究 并网逆变器不仅要求其独立的为局域网内供电，同时也要求其能与电网 相接，将电能送到电网上去。并网控制技术的关键就是锁相技术。锁相环主 要分为电压锁相环和电流锁相环。电压锁相环技术主要通过检测电网电压， 与基准电压的相位与幅值相比较，来调整逆变器的电压和相位，当两者相位差 1 h z 时，控制逆变器与电网脱离。但不能保证电流与电压同相，功率因数不高。 电流锁相环技术以电流为参考，通过p l l 调节电流的相位与电网电压的相位 同相，来实现输出的功率因数近似为1 。可以保证在电网电压不畸变时，功 率因数近似为1 ，具有平衡负载的能力。但不能保证电压畸变时仍有高的功 率因数。另一个研究重点是并网工作时对公共电网谐波抑制和无功调节的控 制技术。当并网逆变器功率不够时，由电网向负载供电，并网逆变器仅作p f c 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的功能( 即向电网注入无功功率，抵消非线性负载对电网的影响) ；工作正常时， 该并网逆变器向负载或电网提供功率。 1 5 本文所做的工作 ( 1 ) 比较选择正弦波并网逆变器的拓扑结构，分析并网逆变器的工作过 程，对滤波环节进行设计仿真。 ( 2 ) 研究逆变器电流控制中常用的p i 控制，将p i 控制与重复控制相结合， 对重复控制器的设计做出改进。针对该控制策略利用m a t l a b s i m u l i n k 进行 仿真。 ( 3 ) 提出并网逆变器硬件部分的设计方案。搭建了d s p 最小系统、采样、 锁相、保护等环节的电路。 ( 4 ) 对正弦波并网逆变器软件部分进行设计。采用分块设计的原则，分别 对主程序、周期中断子程序、捕获中断子程序进行设计。着重介绍了软件锁 相环的应用。 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章正弦波并网逆变器的系统分析 2 1并网逆变器的电路结构与拓扑 并网逆变器根据输入输出隔离变压器的类型可分为低频环节并网逆变器 和高频环节并网逆变器。 2 1 1可再生能源低频环节并网逆变技术 2 1 ，1 1 电路结构 可再生能源低频环节并网逆变器电路结构如图2 1 所示，该电路结构 由工频或高频逆变器、工频变压器及输入、输出滤波器构成。 j 咯 喜 r _ii 游波罂交流电阿 或蓄电池 工频或高频逆变器 图2 。1 可再生能源低频环节并网逆变器电路结构 2 1 1 2 拓扑族 可再生能源分布式发电系统低频环节并网逆变器的拓扑族包括攉挽式、 推挽正激式、半桥式、全桥式，具体结构如图2 2 所示。它们可以由方波、 阶梯波合成、脉宽调制等逆变器来实现旧。 这类低频环节并网逆变器具有电路结构简洁、双向功率流、单级功率变 换、变换效率高、变压器体积和重量大、音频噪音大等特点。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 l l l l 。潞尉删 图2 2 可再生能源低频环节并网逆变器拓扑族 ( a ) 推挽式( b ) 推挽正激式( c ) 半桥式( d ) 全桥式 2 1 2 可再生能源高频环节并网逆变技术 2 1 ，2 1 电路结构 可再生能源高频环节并网逆变器电路结构如图2 3 所示，此种电路结构 适合于可再生能源的有源逆变。该电路主要由高频逆变器、高频变压器、整 流器、工频逆变桥和输入输出滤波器组成。 一 p z 卜、 整流嚣澎波电癌工额逆变_ 断交流电罔 图2 3 可再生能源高频环节并网逆变器拓扑族 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 1 2 2 拓扑族 可再生能源高频环节并网逆变器拓扑族包括推挽式、推挽正激式，半桥 式、全桥式等电路，如图2 4 所示。图中介绍的四个拓扑图中，它们各自适 应于各种不同的场合，其中前两个电路拓扑适合应用在低压输入场合，而高 压输入场合一般采用后两个电路拓扑啪1 。 盟瞄餐f l 已姆 卜i 鲥i 卜 一 _ 咯j o j ) “毋l 圄u 丽s 圆g r i d i 图2 4 可再生能源高频环节并网逆变器拓扑族 ( a ) 推挽式( b ) 推挽正激式( c ) 半桥式( d ) 全桥式 选择最合适的拓扑要考虑的主要因素有： 1 加在变压器一次侧或电感上的电压值的大小： 2 通过开关管的峰值电流的大小； 3 加在开关管上最高电压的值。 加在变压器一次侧上的电压大小决定了通过开关管的峰值电流。当功率 一定时，输出电压越低，产生的峰值电流越大，如果超过开关管的峰值电流， 就会造成其损坏。当开关管的承受的最大电压越大，开关管就越有可能超过 其安全工作区( s o a ) 。因此需要根据不同的应用范围，选用对应的拓扑结构。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 推挽式逆变电路用的开关器件少，双端工作的变压器体积又比较小，所 以应用比较普遍。但是推挽电路开关管上承受的电压较高，大于两倍的直流 输入电压，所以只适用于输入电压不高的情况。推挽电路还有一个不足之处， 就是变压器原边绕组匝数比桥式电路多一倍，而且有中心抽头。这对于功率 较大一些的变换器来说，电流较大、导线比较粗，变压器将会很难绕制，并 且原边绕组的漏电感也会比较大一些，容易造成电压尖峰，对开关管不利。 半桥逆变电路使用的功率开关器件较少，电路结构较为简单，成本低， 而且由于分压电容的作用，该电路具有较强的抗电压输出不平衡能力，因此 在小功率等级的逆变系统中常被采用。但主电路的交流输出电压幅值仅为 u j 2 ，所以在同等容量条件下，其功率开关的额定电流要大于全桥逆变电路 中功率元件额定电流，数值为全桥电路的两倍。 全桥式逆变电路使用的开关管数量多，但对其耐压要求并不高，而且对 于同样输出功率等级的逆变电路，开关管电流可比半桥电路小一半。由于半 桥电路输出电压低，适用于小功率场合，在并网逆变中的用途不是很大，故 这里都讨论全桥电路。 2 2 并网运行逆变器主电路的选择 三相变压器隔离型并网逆变主电路如图2 5 所示，工作原理是：可再生 能源经过变换后所提供的直流电压直接输入到逆变器中，逆变桥路输出的高 频s p i f f d 波经过电感电容滤波和工频变压器隔离后向电网输送同频同相的标 准正弦电流。 图2 5 三相变压器隔离型并网逆变主电路 哈尔滨工程大学硕士学位论文 三级变换式并网逆变器如图2 6 所示，其工作原理是：可再生能源所提供 的直流电压先经过全桥逆变器和高频脉冲变压器后逆变为高频高压交流电 ( o c c ) ，再经过不可控整流桥整流后变换成高压直流电( a c d c ) ，最后再经过 低频全桥逆变器( d c a c ) ，逆交器桥路输出的高频s p w m 波经过电感滤波后向 电网输送同频同相的标准正弦电流。 i 二咯二咯啼”： v d 】m j 皂二帚译粗 、l 、 c 5 二描硭 。一 坫站茹 ； - c 7 - - 一 _ 一 lz、zx m m 图2 6 三级变换式并网逆变主电路 0 由以上分析可知，图2 5 需要一个工频升压变压器，整个系统的体积和 重量庞大，并且变压器带来了额外损耗，所以系统整体效率不高。但是，工 频变压器的存在，实现了系统和电网的电气隔离，从而增强了系统的安全性 和可靠性，目前，在功率较大的并网系统中，普遍采用这种结构。图2 6 中， 由于经过了二级变换，所以系统的控制非常复杂，可靠性不高。并且经过三 次衰减后，系统的整体效率并不乐观。同时，由于增加了较多的功率器件， 故整个系统成本较高。 从以上分析可知，图2 5 和图2 6 所示的系统拓扑结构各有其优缺点。 由于本课题系预研项目，考虑到系统成本和可靠性等因素，本文选用三相变 压器隔离型并网逆变主电路。 2 3 三相桥式并网逆变器模型分析 由图2 5 可以看出三相桥式电路是单相半桥的扩展， 全相似的，其中各相输入电感相等，即 乞= 厶= 厶= l 在拓扑结构上是完 ( 2 - 1 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 电网各相电压为正弦波，即 l 2 u n t o s i n c o t 2 ( s i n c o t 一2 ，r 3 )( 2 2 ) 【u r i c = ( s i n c o t + 2 1 r 3 ) i d u - 呻卜一一仁飞 、_ l j ! 7 一 u 瞎 二卜w 、q 卜一自o 廿 弋弋 u i u 二 1 1 甜卜一 i 仄、 、旷 图2 7 并网逆变电路等效电路模型 0 三相并网逆变电路的等效电路模型如图2 7 所示，0 点位电网中点，0 为直流侧滤波电容中点，够。、分别为逆变器三相输出电压，r 。为电 感、回路等效电阻。电网电压如式( 2 - 2 ) ，无谐波含量。设逆变器输出电流基 波为 f 幺= s i n ( c o t + 矿) i 。n b = ks i n ( c o t + 妒一2 ，r 3 ) 【幺= ls i n ( c o t + o + 2 7 c 3 ) ( 2 - 3 ) j “。一。= ( j c o l + r ) k 甜曲一甜肋= ( j c o l + g s ) 如 【一甜。= ( ，彩三+ r ) 屯 2 4 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 由上式可看出，在电网电压“耐( j = a ，b ，c ) 一定的情况下，电流z 。，的 幅值和相位仅由逆变电压甜。中基波分量的幅值及其与“嘶的相位差来决定。 换而言之，无论采用何种控制策略，对并网逆变器交流侧电流的跟踪都是通 过调节交流侧电压的幅值和相位来实现的。在下一节中将主要介绍三相逆变 器的控制策略。 2 4 三相桥式双极性s p w m 逆变电路 s p v m ( 正弦脉宽调制) 控制技术分为双极性调制和单极性调制方式。三 相逆变电路通常选用双极性调制方式。 s p w m 脉宽信号是利用正弦波的信号波对三角波进行调制，具体实现就 是通过正弦波与三角波交截产生一系列的脉冲信号，而此能量等效于正弦波 所包的能量，此信号经过放大后来驱动功率管的开通关断，然后经过滤波后 在输出端得到正弦波的过程。 在分析s p 帐逆变电路工作之前，需要进行一些假设“： 1 构成逆变电路的功率开关器件均具有理想特性：无惯性，无内耗。开 关状态的转换可在瞬间完成。 2 向逆变电路提供的直流电源无内阻，直流侧并联电容的值足够大，直 流电压无纹波，可视为电压型，输出电压波形不受电网负载的影响。 3 逆变电路负载具有理想电网特性，电压正弦，无谐波，无波动。 4 电抗器无直流电阻，磁路不饱和，电容器无内耗。 双极性正弦脉宽调制是用参考正弦波与双向三角形载波交截产生功率开 关驱动信号。原理波形如图2 8 所示。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 泰材劢亵舻有穗n 糕 辩裂 得弹 i ： 醚 群慧 殂进。k 二 m j l 蓠+ 。 一 | i 盐 粪 _ l刘雌 i - l 一 0；：! j l 翻陲 j 一 l i t t l 1rf阿门厂啊 u | _ _ _j j | | l j ； u | | | o u | | 一i rn n n 一 00 iii1 1 1 1 1 l lu0 ； 图2 8 双极性s p i n 原理波形 其中a 、b 、c 三相的p 嘲控制通常公用一个三角波载波1 1 ，三相调伟0 信 号、依次相差1 2 0 6 。a 、1 3 、c 各相功率开关器件的控制规律相同， 现以a 相为例来说明。当 心时，给上桥臂t l 以导通信号，给下桥臂t 4 以关断信号，则a 相相对于直流电源假想中点0 的输出电压。，= 2 。当 1 ，此时称为过调制。但采用过调制会大大地增加 输出电压的谐波含量，尤其是低次谐波的含量“”。下面分析一下s p w i v i 波形 的谐波。 在一个正弦控制波周期内，三角调制波将时间轴分为2 n 个区间，且与正 弦波有2 n 个交点，区间和交点一一对应。设m ( 1 ，2 ，2 n ) ，载波频率和调 制比归一化后，在第m 段区间有t 乍咖一1 ) 2 n ，m 2 n 1 ，设0 为三角载波与 正弦波在第m 段区间内的交点，利用傅立叶级数理论，可得逆变输出电压波甜 的傅氏系数为： 玩：型 7 ( 2 - 1 5 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 输出波形的频谱分布取决于三角载波信号蚝和正弦调制波甜。在一个正 弦周期内的交点所唯一确定的一组开关角，从图2 8 可知，开关角由频率比 k 和幅值调制比m 决定。图2 1 0 是双极性s p 州逆变输出电压的频谱，幅值 调制比m = 0 8 ，频率比k - 1 8 。 4 “f u n d a m e n t a l ( 6 0 h z ) 1 5 9 ，2 t h d = 1 3 6 8 5 ” j “3 71 叩 l 8 0 6 0 苞4 0 星2 0 ii 肌川f f i j iiil1 ： 1 0 0 02 0 0 0 3 0 0 04 0 0 0s d 0 0 一一f r e q u e n c y 碡喝i ? 。；：，。 ，。轰 图2 1 0 输出电压的频谱 由图可见，整个频谱的谐波主要集中在载波频率及其倍频为中心的周围， 在中心频率附近的谐波幅值最大，值随其中心频率增大而减少。其中以载波 频率处的谐波幅值最大。频率比k 决定了谐波群的位置，k 值越高，最低一 个谐波离基波便越远，且当k i o 后，输出波形中的谐波电压幅值基本上便与 k 无关。 2 5 逆变输出滤波器设计及主电路仿真 2 5 1 滤波器参数设计 在并网逆变器的参数设计中，交流侧滤波器的设计至关重要，这是因为 滤波器的选取不仅影响到电流环的动、静态响应，而且还制约并网系统的输 出功率、系统功耗、直流电压的确定等。进一步分析，可将并网系统交流侧 滤波器的主要作用归纳如下： 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 1 ) 分隔电网电压和并网系统输出的逆变电压。通过控制并网系统逆变 桥输出的电压幅值和相位，可以实现对并网电流幅值和相位的控制。同 时电感对电流有一定的阻尼作用，从而有利于控制系统的稳定运行。 ( 2 ) 滤除并网系统交流侧p w m 谐波电流，从而保证并网电流是功率因素 为1 的正弦波。 ( 3 ) 在保证获得良好的并网电流波形的同时，还可以根据需要向电网输 送甚至是超前或者滞后9 0 度的无功功率。 交流滤波器作用示意图如图2 1 l 所示。滤波器对5 0 1 1 z 的低频分量呈低 阻抗，对基波信号基本不产生衰减，而对高频分量呈现高阻抗，对高频谐波 电流起到极大的衰减作用。下面分别对滤波电感电容进行计算。 图2 i i 交流侧l c 滤波器作用示意图 输出滤波电感的最小值由设定的电感电流纹波决定，纹波电流一般为额 定电流的1 5 一2 0 。本文取1 5 作为设计标准，在3 8 0 v 2 0 k g a 下设计得到 纹波的计算公式2 盯为 = 1 5 器“6 a ( 2 - 1 6 ) 叫，：坠二丝塑。业 l l c ( 2 一1 7 ) 哈尔滨下稃大学硕士学位论文 式中：吃 一一 直流电压，v ； u o ( t ) 输出线电压，v ； ，：载波频率，h z ； d ( t ) 占空比。 根据单极性s p w m 原理，可得 o ) = d ( ，) + 1 一d ( t ) x 0 ( 2 1 8 ) 每个开关周期的占空比为： d ( f ) ：= u o ( 一t ) 将( 2 1 9 ) 式代入到( 2 1 7 ) 式中可得， ( 2 - 1 9 ) ( 2 - 2 0 ) 由式( 2 2 0 ) 可以看出，虬与、正及的选择有关，三、z 越大，虬 越小；珞越大，她越大。 g 知当u o ( f ) = 等时，t 取最大值： 叱= 矗 倍2 1 ) 因此， 三 监 8 z 蛙。 ( 2 - 2 2 ) 将吃= 4 0 0 v ，z ；l o k h z ，。= 4 6 爿代入得： 三 ! 塑 ：1 m h( 2 2 3 ) 8 1 0 0 0 0 x 4 6 2 l 器半 肾 哈尔滨工程大学硕士学位论文 时间常数取为5 1 0 倍载波周期，这里取l o 倍，即得： 2 万丽= 1 ，0 0 j o 由此可以计算得到： c = ( 是n 1 2 5 2 主电路开环仿真 ( 2 - 2 4 ) ( 2 - 2 5 ) 基于上面的滤波器设计参数，主电路的仿真模型如图2 1 2 所示。 ( 1 ) 当电感l 分别取不同值时，a 相输出电流仿真波形分别如图2 1 3 ( a ) 、 2 1 3 ( b ) 所示。其中，v d 。= 4 0 0 v ，f c = 1 2 k h z 。仿真结果表明，v d 。、f c 恒定，在 一定的选择范围内，参数l 的值选得越小，纹波越大。 ( 2 ) 当l 、v d 。恒定，f c 取不同的值时，输出电流仿真波形分别如图2 1 4 ( a ) 、 2 1 4 ( b ) 所示。其中，l = 3 m a ，v d 。= 4 0 0 v 。仿真结果表明，l 、。恒定，f c 的值 越小，纹波越大。开关频率的选择受到功率开关器件自身特性的限制。 三园三圈 图2 1 2 主电路开环仿真电路图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( a ) 图2 1 3 输出电流开环仿真波形 ( a ) l = l m hc = 4 7 u f ( b ) l = 3 m l tc = 4 7 u f ( b ) ( a )( b ) 图2 1 4 输出电流开环仿真波形 ( a ) l = 3 m hf 。= 6 k h z ( b ) l = 3 i l l lf c = 1 2 k h z 2 6 本章小结 本章首先介绍了并网运行逆变器的各种拓扑结构，并对其进行比较分析， 结合本课题的实际情况，选择三相全桥交压器隔离型逆变电路为主电路；对 三相桥式双极性正弦脉宽调制电路进行理论分析；进行滤波器参数设计：对 并网逆变器主电路进行开环仿真并给出仿真波形。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章并网逆变器控制方法的研究 3 1 并网逆变器控制方式的分类 正弦波并网逆变器按输入控制方式分为电压源逆变器和电流源逆变器。 以电流源为输入的逆变器，其直流侧需要串联一大电感提供较稳定的直流电 流输入，但由于此一大电感往往会导致系统动态响应差，因此当前世界范围 内大部分并网逆变器均采用以电压源输入为主的方式。 并网逆变器按输出控制模式主要分为电压型控制模式和电流型控制模 式。电压型控制模式的原理是以输出电压作为受控量，系统输出和电网电压 同频同相的电压信号，整个系统相当于一个内阻很小的受控电压源；电流型 控制模式的原理则是以输出电感电流作为受控目标，系统输出和电网电压同 频同相的电流信号，整个系统相当于一个内阻较大的受控电流源。两种控制 模式的等效示意图如图3 1 和图3 2 所示。 图3 1电压型控制模式等效示意图 图3 2 电流型控制模式等效示意图 哈尔滨丁稃大学硕七学位论文 由于在电压型模式中，逆变器输出的是标准正弦脉宽调制信号，因此， 并网电流和输出电源的质量完全取决于电网电压，只有当电网电压质量很高 时，才能得到高质量的并网电流和输出电源。如果电网电压受到扰动或出现 不平衡时，则由于并网逆变器对电网呈现出低阻抗特性，因此，并网电流相 应的就会受到扰动，从而降低了输出电源的质量。而在电流型模式中，输出 电流是受控量，它的质量受到电网电压的影响较少，这是因为对电网来说， 并网逆变器呈现出高阻抗特性。因此，采用这种模式可以减小电网电压的扰 动对输出电流的影响，从而改善了输出电源的质量。 综合以上所述原因，本次设计将采用电压源输入、电流源输出的控制方 式。 3 2 逆变器并网电流控制方法 就正弦波逆变器并网的控制方法来说，目前无论国内还是国外普遍采用 纯正弦波并网送电技术。通过d c i a c 电压型逆交器实现电流控制，将电流控 制成与电网同频，同相的正弦波再送入电网，实现单位功率因数送电。以正 弦波电流的方式并网送电不会对电网产生谐波干扰和过多的无功分量。 目前并网变流器的电流控制技术主要分为两大类，即间接电流控制和直 接电流控制。间接电流控制主要以相位与幅值控制( p h a s ea n da m p l i t u d e c o n t r o l - p a c ) 为代表。间接电流控制的优点在于控制简单，一般不需要电流 反馈，减少了系统所需电流传感器的数量。另外，间接电流控制还可分为稳 态间接电流控制和动态间接电流控制。间接电流控制的主要缺点在于交流侧 电流的动态响应不够快，交流侧电流中甚至会含有直流分量容易造成滤波电 感的饱和，且对于交流器系统的电感参数变化较为敏感。因此间接电流控制 适合于对变流器动态响应要求不高且控制结构要求简单的应用场合。 相对于间接电流控制，直接电流控制以快速电流反馈控制为特征，如滞 环电流控制( h y s t e r e s i sc u r r e n tc o n t r o l h c c ) 。固定开关频率电流控制 ( c u r r e n tc o n t r o lw i t hf i x e ds w i t c h i n gf r e q u e n c y c c f f ) ，空间矢量电流 控制( s p a c ev e c t o rc u r r e n tc o n t r o l - - s v c c ) 等“”。同间接电流相比，采用 直接电流控制的交流器系统可以获得更好的动态响应与电