（电力电子与电力传动专业论文）基于准pr控制的并网逆变器的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，o i la c c o u to ft h ep r o b l e mo fe n v i r o n m e n tp o l l u t i o na n de x h a u s t i o no f e n e r g yr e s o u r c e sb e c o m i n gw o r s ea n dw o r s e ，e x p l o r i n ga n du s i n go fn e we n e r g y b e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n t , d i s t r i b u t e dr e s o u r c ei sa c c e p t e dc o m m o n l yf o ri t s a d v a n t a g e ss u c ha se c o n o m i c a la n dc l e a n e s s ，a n dt h ei n v e r t e ri st h em o s ti m p o r t a n t p o w e rc o n v e r t e ri nt h ed i s t r i b u t e dg e n e r a t i o ns y s t e m ，w h o s ep e r f o r m a n c ew i l l d i r e c t l yi n f l u e n c et h ee f f i c i e n c yo ft h eu s eo fd i s t r i b u t e dr e s o u r c e t h i sp a p e rf o c u s o ns i n 酉e - p h 懿ca n dh - b r i d g eg r i d - c o n n e c t e di n v e r t e r , w h i c hi sw i d e l yu s e dn o w , a n d a n a l y z e dt h et o p o l o g yo ft h es y s t e m ，c o n t r o ls t r a t e g ya n dd i g i t a lp l l t e c h n o l o g y f i r s t l y , t h e 鲥d - c o n n e c t e ds y s t e mw a sp a r t i c u l a r l yi n t r o d u c e d , i n c l u d i n gi t s t o p o l o g y , i d e a lm o d e l ，w o r k i n gs t a t e ，g r i d - c o n n e c e dd e m a n d , a n dt h ed e s i g no fo u t p u t f i l t e r s e c o n d l y , t h ec o n t r o ls t r a t e g yw a sa n a l y z e di nd e t a i l q u a s i p rc o n t r o l l e rw h i c h i sb a s e do nt h et r a d i t i o n a lp ic o n t r o lm e t h o d , c a ni n f i n i t eg a i na tt h ef u n d a m e n t a l f r e q u e n c ya n dh e n c ec a l la c h i e v ez e r os t e a d y - s t a t ee r r o r , a l s oc a ne l i m a t et h ee f f e c to f 鲥dv o l t a g ed i s t u r b a n c e s u b s e q u e n t l y , d p l lw a si n t r o d u c e d u s i n gt h ec a p t u r e f u n c t i o no fd s p , n o to n l yt h ef r e q u e n c yb u ta l s ot h ep h a s ew a sc o r r e c t e d t h e e x p e r i m e n tr e s u l t st e s t i f yt h a tt h eo u t p u tc u r r e n to ft h er e f e r e n c es i n ew a v eh a st h e s a m ep h a s ew i t ht h e 班d t h i sm e a n st h a tt h ee f f i c i e n c yo ft h ei n v e r t e ri s1 ，a n dt h i s m e t h o di sa v a i l a b l e n e x t ，e a c hp a r to ft h eh a r dc i r c u i tw a si n t r o d u c e d ，i n c l u d i n gt h em a i nc i r c u i t , t h ec o n t r o lo r c u i t ，a n dt h ep r o t e c tc i r e u i t t h e nt h ed i a 蛐o f t h ep r o g r a mw a sg i v e d f i n a l l y , t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ao ft ii n c o r p o r a t e di su s e da st h em a i nd i g i t a l c o n t r o l l e r , al k we x p e r i m e n t a lp r o t o t y p ei sp r o d u c e d ，t h ee x p e r i m e n t a lw a v e f o r m so f g r i d c o n n e c t e di n v e r t e ra l eo b t a i n e d i ts h o w st h a tt h ed e s i g nc i r c u i ta n dt h ec o n t r o l s t r a t e g yc a ns a t i s f yt h ed e s i g nr e q u e s t s ，t h i sp r o t o t y p ew o r k ss a f e l ya n ds t a b l y 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 ；d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o ns y s t e m ；s i m u l i n k m o d e l ：q u a s i p rc o n t r o l l e r ：d p l l ：d s p n 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 伴随着全球工业化进程的逐步展开，世界上各个国家对能源的需求急剧膨 胀，但是煤炭、石油和天然气这三大化石能源却日渐枯竭【，因此全球将再一次面 临能源危机；同时，由于大量使用化石能源，已经对生态环境造成了严重盼破坏， 例如全球变暖。因此，如何解决好能源、环境和发展之间的关系问题已经成为 全球发展的热点问题，只有解决好了这一重大问题，才能真正实现经济和社会 的可持续发展，造福人类。 人类要解决能源问题，实现经济的可持续发展，只能依靠科技进步，通过 大规模地开发利用可再生绿色能源，包括太阳能、风能、潮汐能等在内的可再 生绿色能源在本世纪必将会以前所未有的速度发展，并逐步成为人类社会基础 能源的重点。分布式发电以天然气、氢气或太阳能、风能、生物质能为能源， 是一种新型的很有发展前途的发电和能源综合利用方式。因此，分布式发电系 统的研究成果进一步为太阳能、风能等可再生绿色能源的利用带来了新的概念。 而并网逆变器作为分布式发电系统与电网之间的接口设备，其控制技术也是研 究热点之一。 1 1 背景 1 ，1 1 分布式发电系统介绍 分布式发电系统 2 1 ( d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o ns y s t e m ) 指的是在用户现场或 者靠近用电现场，配置较小的发电机组( 一般低于3 0 m 哪，以满足特定用户的 用电需要，支持现存配电网的经济运行，或者同时满足这两个方面的要求。这 些小的发电机组包括燃料电池、小型燃气轮机或燃气轮机与燃料电池的混合装 置。由于分布式发电系统更靠近用户，所以提高了服务的可靠性和电力质量。 目前由于公共环境政策和电力市场的扩大并且伴随着科技的高速发展，这些因 素使得分布式发电成为新世纪重要的能源选择，因此研制合理的分布式发电系 统也成为当前研究的热点。 浙江大学硕士学位论文 分布式发电主要可分为以下几类： 1 ) 以天然气为常用燃料的燃气轮机( g a st u r b i n e ) 、内燃机( g a se n g i n e 或 称i n t e r n a lc o m b u s t i o nr e c i p r o c a t i n ge n g i n e s ) 和微燃机( m i c r o t u r b i n e ) 等为基本核心的发电系统； 2 ) 燃料电池( f u e lc e l l ) 发电系统。其中主要包括：磷酸燃料电池 p a f c ( p h o s p h o r i ca c i df u e lc e l1 ) 、质子交换膜燃料电池p e m f c ( p r o t o n e x c h a n g em e m b r a n ef u e lc e l1 ) 、熔融碳酸盐燃料电池m c f c ( m o l t e n c a r b o n a t ef u e lc e l l ) 、固体氧化物燃料电池s o f c ( s o l i do x i d ef u e l c e l l ) 等； 3 ) 太阳能光伏电池( p h o t o - - - v o l t a i cc e l l ) 发电系统； 4 ) 风力( w i n dp o w e r ) 发电系统； 5 ) 生物质能( b i o m a s se n e r g y ) 发电系统等。 发展分布式发电系统的重要意义主要在于以下几个方面： 1 ) 经济性由于分布式发电可用发电的余热来制热、制冷，因此能源得以 合理的梯级利用，从而可提高能源的利用效率( 达7 0 - - - - 9 0 ) ，此外还 可降低初级投资费用和网损； 2 ) 环保性因其采用天然气做燃料或以氢气、太阳能、风能为能源，故可 减少有害物的排放总量，减轻环保的压力；大量的就近供电减少了大容 量远距离高电压输电线的建设，由此不但减少了高压输电线的电磁污 染，也减少了高压输电线的征地面积和线路走廊，减少了对线路下树木 的砍伐，有利于环保； 3 ) 能源利用的多样性分布式发电可利用多种能源，如洁净能源( 天然 气) 、新能源( 氢) 和可再生能源( 风能和太阳能等) ，并同时为用户提供 冷、热、电等多种能源应用方式，因此是解决能源危机和能源安全问题 的一种很好的途径； 4 ) 调峰作用夏季和冬季往往是负荷的高峰时期，此时如采用以天然气为 燃料的燃气轮机等冷、热、电三联供系统，不但可解决冬夏季的供热与 供冷的需要，同时也提供了一部分电力，由此可降低电力峰荷，起到了 电力调峰的作用。此外，也部分解决了天然气供应时的峰谷差过大问题， 浙江大学硕士学位论文 发挥了天然气与电力的互补作用； 5 ) 安全性和可靠性当大电网出现大面积停电事故时，具有特殊设计的分 布式发电系统仍能保持正常运行，由此可提高供电的安全性和可靠性； 6 ) 电力市场问题分布式发电是一种适应电力市场发展的需要、由多家来 办电的良好方式； 7 ) 投资风险分布式发电的装机容量一般较小，建设周期短，因此可避免 类似大型发电站建设周期长带来的投资风险； 8 ) 边远地区的供电问题我国许多边远及农村地区远离大电网，因此难以 从大电网向其供电。采用太阳能光伏发电、风力发电和生物质能发电的 独立发电系统( s t a n d - - a l o n es y s t e m ) 不失为一种优选的方法。 1 1 2 分布式发电技术在国内外的现状及发展趋势 目前，国际上对分布式发电技术非常重视，促使分布式发电技术发展很快 1 3 1 。欧洲、美国在这方面已经相继走在了世晃的前列，如德国莱比锡市已经建 成世界上功率最大的太阳能发电站并正式并网发电；在美、日、德等一些发达 国家，容量为i k w 到i o m w 的分布式电源发电和储能单元正成为未来分布式 供能系统的发展趋势；“屋顶计划 即每家每户都利用屋顶太阳能板，成为 独立的发电个体，再通过数量形成规模效应，也成为讨论热烈的一个计赵。由 于分布式电源具有高可靠性、高质量、高效率以及灵活性等特点，因此可以应 用在工业、商业、居住和交通应用中。在以后几年中，新一代的微汽轮机( 1 0 2 5 0 妍l ，) 可以完全商业化，为调峰和小公司余热发电提供了新的机会。 尽管世界上分布式发电系统的发展十分迅速，但在我国的发展还刚刚起步， 且存在不少障碍和瓶颈，因此发展并不理想。 1 ) 经济方面目前我国较大容量的分布式发电都是采用以天然气为燃料 的燃气轮机、内燃机、微型燃气轮机等发电系统，价格比由燃煤电厂所 供电力的价格稍高一些。而利用氢气做燃料的燃料电池发电和太阳能电 池发电所发的电力之电价比目前利用常规煤电所发电力之电价要高好 几倍； 2 ) 能源政策方面我国目前有关可再生能源及能源综合利用的政策和法 浙江大学硕士学位论文 规还不齐全，税收等方面的优惠政策也还欠缺； 3 ) 燃料供应方面我国的天然气总量并不多，且分布不均，不但提高了天 然气价格，还降低了可靠性； 4 ) 效率问题尽管分布式电源的效率可达6 0 - - 9 0 ，但这是理论上的数 值，实际应用时的效率取决于具体设计的好坏和能源利用的情况； 5 ) 与配电网联网会对配电网的运行产生一定的影响，往往会影响分布式 发电的接入或延长接入时间； 6 ) 环保方面会产生氮氧化物，分布式发电大多布置在城市中，增加了城 市的氮氧化物的排放量，还会因热岛效应，使城市气温升高。只有当采 用太阳能光伏发电或以氢气为燃料的燃料电池发电时，才可能彻底解决 环保问题； 7 ) 电力市场及计量问题不但需要增加双向计量的表计，高峰和低谷电价 如何计算也将成为一个主要问题而需慎重考虑； 8 ) 其他问题如防火安全问题，占地问题等。 尽管如此，我国政府制定了相关政策，支持分布式发电系统的发展。1 9 9 6 2 0 1 0 年新能源和可再生能源发展纲要中明确指出：要按照社会主义市场经 济的要求，加快新能源和可再生能源的发展和产业化建设，并且将可再生能源 的发展计划纳入我国的“十五 能源规划，要求采取措施调整能源结构，提高 清洁能源在能源消费中所占的比重；要求通过技术进步来推动可再生能源事业 的发展，鼓励发展太阳能；鼓励改造传统能源利用技术，提高能源利用效率， 降低污染排放，并给予税收优惠等支持政策。 随着分布式发电技术水平的提高、各种分布式电源设备性能的不断改进和效 率的不断提高，分布式发电的成本也在不断降低，分布式发电的应用范围将不断 扩大1 4 】。可以覆盖到包括办公楼、宾馆、商店、饭店、住宅、学校、医院、福利 院、疗养院、大学、体育场馆等多种场所。目前，这种电源在我国仅占极小比例， 但可以预计未来的若干年内，分布式电源不仅可以作为集中式发电的一种重要的 补充，还将在能源综合利用上占有十分重要的地位。因此，无论是解决城市的供 电、还是解决边远和农村地区的用电问题，都具有巨大的潜在市场，一旦解决了 主要的障碍和瓶颈，分布式发电( e g 源) 系统将获得迅速发展。总之，分布式发电 浙江大学硕士学位论文 技术的应用前景是十分广阔的。 1 2 并网逆变器介绍 1 ，2 1 并网逆变器的提出 分布式发电系统需要一种能够将能量反馈到电网的电力电子接口设备，我 们通常称之为并网逆变器( g r i d - - c o n n e c t e di n v e r t e r ) ，并网逆变器作为分布式 发电系统中能量的处理部分引起了人们的广泛关注。 公建龟嘲 图l l 并网逆交器与电网连接图 如图1 1 所示：并网逆变器【5 】作为连接分布式发电系统和电网之间的接口 设备，实现电能传输和交换的设备。当然，除了工作于并网状态，并网逆变器 也可以独立于电网、单独向用户供电。传统的并网逆变器的设计一般只着眼于 把分布式发电系统所产生的电能传输给电网，要求输入电网的电流无谐波畸变， 是与电网电压同频率同相位的正弦波。 1 2 2 并网逆变器拓扑结构的发展 拓扑结构是逆变器的关键部分，它关系着逆变器的效率和成本。分布式发电 系统所使用的并网逆变器拓扑结构要求成本低、效率高，而且能承受直流电压波 动大、整体直流电压很低的实际情况。另外，逆变器的输出也要满足较高的质量， 比如t h d 很小、功率因数为1 、与电网电压同频同相等等。 根据逆变器输入端和输出端是杏隔离，可以将逆变器分为隔离型和非隔离 浙江大学硕士学位论文 型；根据逆变器拓扑结构的级数，可以将逆交器分为单级逆变器和多极逆变器。 就单级电压型并网逆变器而言，还可以按照开关器件个数分为四开关拓扑和六开 关拓扑。 随着电力电子技术的发展，还出现了一些新的d c a c 拓扑，例如将三个单相 并网逆变器组合成一个三相的并网系统，三相电流单独控制，可以适用于三相电 网不平衡的情况。另外，还出现了三电平拓扑甚至多电平拓扑，它们使用高反压 的功率开关管或将多个功率开关管串联使用，以增加功率器件的耐压能力并减小 系统谐波，对它们的控制相对复杂。目前使用比较普遍的是电压型的桥式拓扑结 构。 1 2 3 并网逆变器的发展方向 。 效率高和成本低是并网逆变器研究不断追求的目标。围绕这两大目标，并网 逆变器有以下几个发展趋势【6 】： 1 ) 简化拓扑结构； 增大允许的直流电压输入范围； 3 ) 应用软开关逆变器； 4 ) 应用多电平逆变器； 5 ) 发展三相并网逆变器。 1 2 4 并网逆变器的要求和相关标准 随着分布式系统的发展，越来越多的分布式发电系统连接到电网上，在一定 程度上对电网产生影响。因此国际上相关部门针对分布式发电系统制定了一系 列的尺度和并网要求。2 0 0 3 年6 月发布的i e e es t d1 5 4 7 2 0 0 3 ( 观es t a n d a r d f o ri n t e r c o n n e c t i n gd i s t r i b u t e dr e s o u e e sw i t he l e c t r i cp o w e r s y s t e m s ) 是第一个规 范燃料电池、光伏系统、分布式发电装置、能量存储设备这类分布式电源系统 并网的标准。 i e e es t d1 5 4 7 2 0 0 3 考虑的是容量不超过1 0 0 m v a ，工作频率为5 0 1 - i z 的 分布式发电系统。所以针对5 0 i - i z 市电研究，将根据该标准按比例修改后作为 参考。该标准所关注的是技术规范、测试规范以及并网连接本身，它包括通用 浙江大学硕士学位论文 的技术指标、异常响应情况、并网波形质量、孤岛、保护措施、并网维护、测 试标准等。下面是标准中关于并网的几个重要技术指标和要求。 1 ) 电压异常反应和反应时间 并网工作时，电网电压正常工作范围为标准电压的8 8 一1 1 0 ，当电网 相电压超出正常范围( 如表1 2 所示) ，并网系统应该立即检测出并在规定时 间内脱离电网。 表l l 并网系统电压异常响应时同 电压范围响应时间 ( 额定电压百分比)( 局期) v 5 0 6 5 0 = v = 8 8 1 2 0 8 8 v 1 1 0 正常运行 1 1 0 = v 1 2 0 6 2 ) 频率异常反应和反应时间 在i e e es t d1 5 4 7 - - 2 0 0 3 标准中，频率是以6 0 h z 为标准，6 0 h z 下的系统正 常范围是5 9 3 6 0 5 h z 。根据功率情况分为两类，容量大于3 0 k w 的装置其表 格数据有可变范围。 表1 - - 2 并网系统频率异常响应时间 分布式系统容量频率范围( i - h ) 响应时间( s ) ( k w ) 3 0 5 7 o0 1 6 6 0 50 1 6 3 ) 并网电流谐波要求 并网系统不允许对电网造成污染，要求注入电网直流分量不能超过交流额 定值的0 5 ，另外对交流谐波的要求如表1 3 所示。 浙江大学硕士学位论文 表l 一3 并网电流谐波指标 谐波次数( h ) h 1 11 1 - h 1 717 = h 2 32 3 - h 不考虑电感电阻和线路电阻磁， 图( b ) 考虑电感电阻和线路电阻b 。 ； ，上a ( a ) i l l 魄 图2 - - 6 等效电路a 相矢量图 2 2 并网逆变器输出滤波器的设计 在并网逆变器的参数设计中，交流侧滤波器的设计尤其重要，这是因为滤 波器的选取不仅影响到电流环的动、静态响应，而且还制约到并网逆变器的输 出功率、系统功耗、直流电压的确定等等。可将并网系统交流侧滤波器的主要 作用归纳如下【1 0 】： 1 ) 分隔电网电压和并网逆变器输出的逆变电压。通过控制并网逆变器输 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，有利于控制系统的稳定运行； 2 ) 滤除并网逆变器交流侧的p w m 谐波电流，从而保证电感电流是功率 因素为1 的正弦波； 浙江大学硕士学位论文 3 ) 在保证获得良好的电感电流波形的同时，还可以根据特定需要，向电 网输送超前或者滞后9 0 度的无功功率。 在独立运行逆变器中，普遍采用l c 滤波器。而在并网逆变系统中，主要 采用两种滤波器：l 型单电感结构和i , c l 结构两种滤波器。对于由电感和电容 组成的低通滤波器，即l c 结构滤波器，考虑到电网线路存在的电感，其实质 仍等效为l c l 滤波器。如图2 7 所示为并网逆变器输出滤波器的三种基本电 路。 l j 逆变器l 型滤波器电网 l 曩 睾 r 1 i - - - - _ - ； 逆变器l c 滤波器电网 - 一- 一j 逆变器l c l 滤波器电网 ( c ) 图2 7 并网逆变器输出滤波器的三种基本电路 l 型单电感滤波器为一阶环节，控制性能较好，系统易于稳定，并且结构 简单，使并网系统中经常采用的滤波方式。但单电感滤波器对电流纹波的衰减 与频率成正比，对纹波的抑制能力较差，因此滤波电感大。本课题并网逆变器 的功率容量不是很大，因此采用的l 型单电感结构滤波器，其具体的设计将在 4 2 3 小节中作详细的介绍，这里就不再展开。 当逆变器功率容量较大时，功率开关器件受开关速度和损耗限制，逆变开 关频率下降，控制开关频率纹波的单电感滤波器体积和成本都将增大，同时控 制系统的带宽也将受到限制。为克服此缺陷，近几年来在很多并网逆变系统的 研究中采用了l c l 型滤波器，其结构如图2 7 ( c ) 所示。i , c l 滤波器又称为 t 型滤波器，在l c 滤波器的基础上又增加了一个电感，因而输入电压与输出 电流的v - i 传递函数是三阶系统，其在高频段有很大的衰减，可以很好地抑制 逆变器高频开关引起的注入电网的谐波电流。 滤波器传递函数如下： ： 1 g 岱) = 竺l t 了二一 ( 2 - - 3 ) 、 厶u 0z ，厶c s 3 + ( 厶+ 厶) s 得到幅频特性曲线如图2 8 所示，从图中可以看出，除了在谐振频率附近 浙江大学硕士学位论文 对谐波有抑制作用，对l c l 滤波器对高次谐波也有较强的抑制作用。 b d d ed i a c j s m 图2 8l c l 滤波器幅频特性 2 3 并网逆变器控制技术概述 一 逆变器的控制1 1 1 d 2 】目标是为了提高逆变器输出电压的稳态和动态性能。稳 态性能主要是指输出电压的稳态精度和提高带不平衡负载的能力；动态性能主 要是指输出电压的t n d ( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ) 和负载突变时的动态响应水 平，其中输出电压t h d 要求比较高，这些指标与逆变器的控制策略息息相关。 逆变电源的控制技术从总体上可以分为两大类：基于周期的控制、基于瞬 时的控制。 基于周期的控制是通过对前一周期或多个周期的输出波形进行处理，利用 所得到的结果对当前的控制进行校正的控制方法。从本质上看，基于周期的控 制是通过对误差的周期性补偿，实现稳态的无静差效果，但是动态相应速度慢。 基于周期的控制可以分为有效值反馈控制、重复控制等。 为了提高逆变器输出电压波形的动态响应速度，出现了瞬时值反馈的控制 方法。基于瞬时控制是根据当前误差对输出波形进行有效的实时控制，可以分 为滞环控制、p i d 控制、双环控制、无差拍控制、s 删控制、重复控制、模糊 控制等等。 2 3 1 滞环控制 采用滞环调制策叫1 3 彤】的控制系统如图2 9 所示，由相位检测环节得到的同 霉，)鬟薯= 浙江大学硕士学位论文 步信号与并网电流幅值给定一起送至u d s p ，生成与电网电压同频同相的参考电流 信号o ，再经滞环比较器对并网电流反馈信号屯与偏差进行调制得到开关管 控制信号。 电流 图2 9 滞环控制框图 其基本原理如图2 1 0 所示，可简述如下：设滞环比较器的环宽为2 ，2 就是设定的最大电流偏差，当实际电流屯比参考电流。高时，滞环比较器的 输出使对应的逆变器桥臂上开关器件截止，下开关器件导通，迫使电流下降；当 实际电流屯降到比参考电流。低时，滞环比较器的输出使相应逆变桥臂上开 关器件导通，下开关器件关断。从而使实际电流在一个允许的偏差范围内跟踪参 考电流。 m 嘲 + 玩 - u d 图2 一l o 滞环控制原理圈 滞环电流控制方式的特点如下： 浙江大学硕士学位论文 1 ) 系统具有快速的瞬态响应：由于电流反馈作用，当输入直流电压波动或 负载变化突变引起输出电压变化时，都将引起电流电感变化率的变化，使功率器 件的开关点产生变化，从而改变输出电感电流波形； 2 ) 系统具有较高的稳定性：具有电流单环反馈控制的系统是一个一阶系统， 是一种无条件的稳定系统； 3 ) 容易防止变压器偏磁现象：每个开关周期都自动调整电流脉宽以保证变 压器伏秒平衡，因而可以避免磁偏现象； 4 ) 开关频率不固定：由于器件的开关点完全取决于电流到达上下限值的时 间，因此滞环控制的开关频率并不固定，电路工作可靠性下降，对系统性能不利。 2 3 2pld 控制 p i d 控制【1 每1 7 】以其简单、参数易于整定、发展成熟的特点，广泛应用于工 程实践中，并网逆变器控制也不例外。p i d 调节器是按误差信号的比例，积分 和微分进行控制的调节器，其结构简单，控制参数整定方便。图2 1 l 为p i d 控制框图。 高频三角波 图2 1 lp i d 控制框图 经典的p i d 控制器，其传递函数如下： 6 c ( s ) - + 争+ 秘s ( 2 4 ) 式中q 为比例系数；k 为积分系数；畅为微分系数。增大群可以加快系 统响应时间，减小系统稳态误差，提高控制精度，但也会使系统相对稳定性降低， 甚至造成系统不稳定；k 的作用可以消除或减小控制系统的稳态误差，减小积 分作用有利于增加系统的稳定性；可以在误差出现或变化瞬间，按偏差变化 的趋向进行控制，起到一个早期修正的作用，但微分作用也可以放大系统的噪声， 浙江大学硕士学位论文 使系统抗的干扰能力降低。 2 3 3 其他控制方式 1 ) 双环控制 双环控制是采用电压、电流环控制来实现直流电压的稳定和调节并网电流 的幅值。双环控制具有固定的开关频率，易于系统的设计，但在开关频率不够 高的情况下，电流动态响应相对较慢，并且电流动态偏差随着电流变化率的变 化作相应的变化。 2 ) 无差拍控制 无差拍控制是一种基于被控制对象精确数学模型的控制方法。无差拍控制 的基本思想是根据逆变器的状态方程和输出反馈信号来推算出下一个开关周期 的p w m 脉冲宽度。它要求脉宽必须当拍计算当拍输出，否则会破坏系统特性， 甚至会影响系统稳定性。近年来，带负载电流观察器的无差拍控制获得了一些 进展，但其缺点是算法复杂，且当采样频率不高时误差较大。 3 ) s v p w m 控制 s v p w m 控制是依据电感电流矢量切换来控制并网逆变器的一种新颖思路 的控制策略。每一扇区内虽有多次开关状态切换，但每次切换仅牵涉到一个逆 变器件，因而开关损耗较小；直流电压利用率较高；利用s v 直接生成s v p w m ， 计算比较方便。 4 ) 重复控制 重复控制技术是一种基于内模原理的控制方法，它把作用于系统外部的信 号模型植入系统控制器内部以构成高精度反馈控制的原理。对于周期性指令和 扰动的系统，具有减小静差、完全补偿系统相位误差、易于应用的特点。但不 能将系统对负载扰动的抑制调节时间缩小到一个基波周期之内，通常需要几个 周期才能完成，动态响应较差，而且为增强系统稳定性需要引入辅助补偿器， 使系统存在一定的静差。 5 ) 模糊控制 具有多变量非线性时变特性的电力电子装置，系统存在复杂性与模型精确性 之间的矛盾，模糊控制能够在准确与简明之间取得平衡，有效地对事物作出判断 浙江大学硕士学位论文 和处理。但对于逆交器这样的控制对象的波形畸变的校正，隶属度和模糊子集的 定义不是很容易办到的，而模糊子集定义的不精确将导致控制动作的死区，使控 制性能变坏，严重的情况将会导致系统失去稳定。 系统可以采用的控制方法较多，每一种控制方法都有其特点和适用场合。 因此，可以将不同的控制方法进行“整合”形成复合控制，以实现取长补短， 形成更有效的控制方案1 1 8 j 。 2 4 本章小节 本章为并网逆变器的系统综述。首先介绍了并网逆变器的分类以及各个拓 扑结构；接着介绍了输出滤波器的设计；最后介绍了滞环、p i d 等几种常用的控 制技术，在第三章将具体介绍本课题所采用的控制技术。 浙江大学硕士学位论文 第三章并网逆变器的控制技术 采用先进的控制技术可以有效的改进并网逆变器的性能。随着电力电子的高 频化和微处理器运算速度的提高，特别是高性能数字信号处理器( d s p ) 的出现， 使得一些先进的控制策略应用于并网逆变器的控制成为可能。 如图3 一l 所示为并网系统框图，由逆变器、信号调理电路、d s p 、隔离驱 动电路组成。并网运行时，当d s p 检测到电网电压经过过零比较电路产生的同 步方波的正向过零点时，立即启动d s p 内部并网控制的算法程序，实现对电网 频率的锁相跟踪，并通过运算，产生逆变器并网运行所需要的s p 删逻辑驱动信 号，然后经过隔离驱动电路实现对逆变器开关的控制，使逆变器工作在功率因 数为1 的并网运行状态。 钆k 网堂旦 j1 0 3 3 vi 驱动 电路 3 1 逆变器模型分析 图3 1 并网系统框图 d s p s p w m 输出 l 并网逆变器原理图如图3 2 所示，系统直流电压源由可再生能源发电设备 提供。逆变桥输出经过电感l 连接到电网上，电感l 用于滤除由于开关动作引 起的高次谐波电流，使并网输出电流是与电压同频同相的正弦波。 图3 2 并网逆变器原理图 1 u g d d 浙江大学硕士学位论文 3 1 1 理想模型 作为并网用的逆变器，其理想状态需要满足以下条件： 网侧功率因数入= 1 ，即电感电流丸无畸变且与电网电压“州相位完全一 致，这样回馈至电网的只有有功功率。假设网侧电压为： “州一阢谢s i n o x( 3 1 ) 其网侧电流应该为： i l i ls i n o x ( 3 2 ) 理想模型便是建立在上面所述逆变电路的理想工作状态的基础上，同时要 求电路正常工作时内部为零损耗。如图3 3 所示便为并网逆变器的理想工作模 式： u a 0 d c 卜 号 敬j 。八u 誓i t d 婀 么一 卜形 一 ( b ) 图3 - - 3 单相电压型并网逆变器的理想模式 3 1 2 工作状态分析 单相全桥逆变电路，其主电路的功率器件共有四种工作模态，如图3 4 所 示【1 9 1 。这四种开关状态经过s p w m 调制后，通过交流滤波器滤除载波高频分量 后，使送入电网的电流波形为正弦波。 图3 4 中的( a ) 图表示功率器件q 1 、q 4 开通，此时直流侧电压加到负载两 浙江大学硕士学位论文 端，并网时电感电流增大，输出电感存储能量。 图3 - - 4 中的f b ) 图表示功率器件q 1 、q 3 开通，此时直流侧电压给电容充电， 由于输出电感中的电流不能突变，负载电流通过ql 及d 3 组成的回路续流，负 载两端所加的电压为零。 图3 - - 4 中的( c ) 图表示功率器件q 2 、q 3 开通，此时直流侧电压反向加到负 载两端，负半周时反向电流增大。 图3 4 中的( d ) 图表示功率器件q 2 、q 4 开通，此时直流侧电压给电容充电， 输出电感中的电流不能突变，负载电流将通过q 2 及d 4 组成的回路续流，负载 两端所加的电压为零。 图( a ) 、( b ) 工作在正弦波的正半周期，图( c ) 、( d ) 工作在正弦波的负半周期。 3 1 3 系统建模 图3 4 全桥逆变电路工作状态图 根据图3 2 所示的并网逆变器原理图，建立了系统的控制结构图阱n ，如 图3 5 所示。由于并网运行时开关频率( 2 0 k h z ) 远远高于电网频率( 5 0 h z ) ， 为了简化分析，建模中忽略开关动作对系统的影响，将p w m 逆变单元近似为 一增益环节k 。图3 - - 5 中，g ( s ) 为系统控制器传递函数，r 为电感l 的线圈内 阻，u g r i d 为电网电压，i r e f 是与电网电压同频同相的电感电流参考信号。 浙江大学硕士学位论文 图3 - - 5 并网逆变器系统模型 根据系统模型可以推出单相全桥并网逆变器输出电流的传递函数为： l - 面k 蕊o ( s 雨) 一去( 3 - - 3 ) 由3 - - 3 式可知，并网逆变器输出电感电流不仅与参看电流有关，而且和电 网电压有关。 3 2 控制策略比较 3 2 1pi 控制器的缺点 p i 控制器( p r o p o r t i o n a l i n t e g r a lc o n t r o l l e r ) 即比例积分控制器，传递函数为： 矿 岱) 一砟+ 半( 3 - - 4 ) ) 在单相并网逆变器的电流控制中，p i 控制被典型地应用，但是却有两个众 所周知的缺点【2 蝴】： 1 ) 稳态幅值和相位误差； 2 ) 有限的抗干扰能力。 对于p i 控制器，将基波频率代入3 - - 4 式可得控制器的幅频特性为： 么( ) =，这是一个有限值，因此式( 3 3 ) 的第一项可写成 奇l r ，显而易见，电感电流小于参考电流，系统存在零稳态误差：同 1 十k g ( s ) 理，第二项也不为o ，即电感电流受电网电压影响，抗干扰能力很差。 当电流控制的逆变器接入电网，相位误差会导致功率因数的降低和有限的 抗干扰能力，导致需要电网前馈补偿。但电网前馈控制却存在局限性： 浙江大学硕士学位论文 1 ) 电压前馈控制作用的基础是电网电压的抵消，这依赖于交流电压幅值和 相位的准确检测和反馈检测，也即依赖于交流电压和逆变输入直流电压的检测 精度。 2 ) 由于逆变器存在非线性因素和延时作用，逆变器在“复制电网电压过 程中引入了失真，影响前馈控制的效果。因此前馈控制只能作用于电网电压引 起的低频分量电流误差控制，谐波频率升高时前馈作用将随之降低。 3 ) 前馈控制仅仅在于减小电网电压引起的稳态误差；不能改变电流反馈 p l 控制所存在的开环增益受限问题，因而对于减小系统本身跟踪给定量的稳态 误差、抑制由逆变开关死区时间和其它非线性因素引起的电流谐波，以及增强 系统的动态响应能力等没有作用。 3 2 2p r 控制器的提出 p r 控制器( p r o p o r t i o n a l r e s o n a n tc o n t r o l l e r ) 即谐振控制器【2 5 - 2 6 】，传递函数为： ( s ) - k ，+ 万2 k 孑r $ ( 3 5 ) 对于p r 控制器，将基波频率代入3 5 式可得控制器的幅频特性为： ，显而易见，这个值趋向无穷大，因此，式( 3 3 ) 的第 一项无限趋近于k ，同理，第二项无限趋近于0 ，此时，有丘- k ，因此p r 控 制可以实现零稳态误差，同时具有抗电网电压干扰的良好性能。 如图3 6 所示，p r 控制器中的积分部分( 罢) 是一个二阶积分器， s + 在某个频率点( 这里选电网频率w e - - 3 1 4 ) 达到无穷大的增益，这个频率叫做 谐振频率，在这个频率点之外几乎没有衰减。因此，为了有选择地补偿谐波， 它可以作为一个直角滤波器。 浙江大学硕士学位论文 b o d ed i a g r a m 1 5 0 一- o 一 。，。一，、 1 矗 已 鲁 星 吕0 叮 差 - 耄 i 星 一 ：i v 一 _ ， 3 2 3 准p r 控制器的提出 f r e q u e n c yi r a d s e c ) 图3 6 二阶积分器波特图 l o 如上所述，和p i 控制器相比，p r 控制器可以达至i j 零稳态误差，提高有选 择的抗电网电压干扰的能力。但是在实际系统应用中，p r 控制器的实现存在两 个主要问题：由于模拟系统元器件参数精度和数字系统精度的限制，p r 控制 器不易实现。在d s p 编程中，由于浮点运算和除法运算，计算量大，无法实现 实时控制，而且2 4 系列用复杂的算法行不通，时间不够。p r 控制器在非基 频处增益非常小，当电网频率产生偏移时，就不能有效地抑制电网引起的谐波。 因此在p r 的基础上，提出了一种易于实现的准p r 控制器【强2 9 1 ，既可以保 持p r 控制器的高增益，同时还可以有效减小电网频率偏移对逆变器输出电感 电流的影响。 准p r 控制器传递函数为： g ( s ) = k p + 万2 瓣k , w , s ( 3 6 控制器波特图如图3 7 所示，从图中可以看出，控制器在基波频率处的 浙江大学硕士学位论文 幅频特性为彳( ) = 6 0 d b ，同时相角裕度为无穷大，因此基本可以实现零稳态误 差，同时具有很好的稳定裕度和暂态性能。 b o d e 嘶g r a m 8 0 一 一一一 t 一“ _ r 一r 。r 一， 图3 7 准p r 控制器波特图 为了进一步研究准p r 控制器的抗电网电压干扰性能，这里定义谐波阻抗 为电网电压谐波与由此引起的电感谐波电流之比。如果谐波阻抗越大，那么引 起的输出谐波电流就会越小，也就是系统的抗干扰性能越好。由图3 3 可得系 统谐波阻抗为： z 。孕。s t , + r + k o ( s ) ( 3 - 7 ) 工 系统谐波阻抗如图3 8 所示，从图中可以看出，在基波频率嘞处，通过 准p r 控制器，系统具有极高的谐波阻抗，大于1 1 0 d b ，因此电网电压基波不会 对并网逆变器的输出电感电流产生影响，即具有很好的抗电网电压抗干扰性能。 浙江大学硕士学位论文 b o d ed i e 托j r e m 图3 8 阻抗泼特图 。 根据图3 5 可得到系统的特征方程： 虹+ 尺+ 昭( s ) = o (