并网逆变器单周控制方法研究

并网逆变器单周控制方法研究摘要本文提出的设计和分析是针对主动和被动式的单相电压源功率控制逆变器的光伏并网系统。文中探讨的对象是其中的DC-AC变换，对光伏并网逆变器所涉及到的基本概念做了粗略介绍，同时对仿真中采用的数学模型做了详细介绍。主电路采用的是单相全桥逆变拓扑结构，开关器件选择的是功率损耗较小的MOSFET；驱动电路则是单极性SPWM脉宽调制技术，通过开关管的导通和关断对主电路不同的工作状态进行切换。项目中的控制算法方法是采用基于空间矢量控制的坐标变换，将给定电流解耦为有功电流分量和无功电流分量分别对电网有功功率和无功功率进行闭环控制的方法。本研究的目的是控制电网的功率因数，提高向电网传输的光伏转换电源整体效率，并降低逆变器相电流的畸变。在这项工作中，本文给出了详细的系统数学模型，讨论使用Matlab/Simulink软件对6kW的光伏单相逆变系统并入220V、50HZ电网模拟的结果。仿真结果表明，电网输入功率因数几乎是一致的，该系统的相电流畸变率被降低，不同功率条件下的总谐波失真在5%以内。关键词：单相全桥逆变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目录TOC\o"1-3"\h\u17013第一章绪论 I型系统不能适用，需采用其他控制方法。上述折中的§=0.707，K=0.5/T的参数关系就是西门子“最佳整定”方法的“模最佳系统”，或称“二阶最佳系统”，其实这知识折中的参数选择，无所谓“最佳”。真正的最佳参数是依工艺要求性能指标的不同而变的。

2.3并网电流控制策略的研究图2.2展示出了并网逆变器主电路拓扑图。其中，滤波部分是通过一系列线路电抗器滤波器和耦合变压器连接到公用电网的单线图。该滤波器是由电感器L和其相关的内部电阻R表示，这些变量也包括漏电感和耦合变压器的绕组电阻。单相并网逆变器所采用的控制策略是从基于空间矢量变换的三相系统变换而来的。首先对这种控制方法进行简要的解释，将给定量通过坐标变换分解到旋转坐标系中，达到解耦的目的。其中调节方式是采用结构简单的PI控制器。常见的解耦方法是创建一组对于单相系统进行假想的正交变量数量，以便将一个固定坐标轴，通过旋转坐标变换的方法获得对应的直流量。正交假想变量中常见的方法是通过获得了与实际电流分量有着四分之一基本周期的偏移的假象分量。这种延迟会在该系统的引入变慢和振荡的畸形动态响应。在本文中提出的方法，是由一个叫做虚构的虚轴系统，同时与真实的运行产生的正交量。所提出的方法，其被称为假想坐标轴仿真，有效地提高动态响应的同时，相对于传统的控制系统不会给控制器结构增加过多的复杂性。2.3.1逆变器系统结构解耦假设其中一个三相滤波器是通过三相线路电抗器进行滤波和一个三相耦合变压器接口到公用电网的三相系统。图2.2可以是这样的系统的单线图表示，假设单相变量由三相那些取代。因此，这样的系统的交流侧的动力学可以描述为（2.17）将方程式（2.17）从abc坐标到静止坐标系变换，获得如下公式：（2.18）当这些电气量用采用空间矢量来表示时，获得公式如下：（2.19）将公式（2.19）中的微分方程进行拉普拉斯变换，就可以得到该系统在静止坐标系中的结构式。根据公式，转换到如图2.7的同步旋转坐标系（dq坐标系）交流侧中，公式如下：R-LwR-Lw+LwR+L=+LwR+L=（2.20）RR____wLwL-wL-wL____RR图2.7系统解耦图根据公式（2.20）中，从图2.7旋转坐标系中获得的结构图中包含了典型的耦合项。根据公式（2.20），我们实现和的解耦控制，该逆变器的电压控制方程式如下：（2.21）和代表控制信号。通过将公式（2.21）代入公式（2.20）中，推导出一下解耦方程式如下：0RR0+L=0RR0+L=（2.22）因此，解耦系统的传递函数推导如下，其中，所述时间常数为L/R，为1/R，本项目中L=12mH，R=0.05Ω；故=20，=0.24。（2.23）需要注意的是，由于和对于和是以一个简单的一阶传递函数来相应的，公式（2.23）显示了控制规则定义下的反馈回路，并使用一阶PI控制器进行控制[13]。基于公式（2.23），基于PI控制的电流调节器的结构图如图2.8所示。PI控制器及其相关的控制回路的设计方法详述于下一章节。图2.8基于PI调节的电流控制结构图2.3.2基于PI控制器参数设计采用空间矢量的电流控制环路于图2.8所示，其中PI控制器由表示，并且传递函数表示PWM调节器系统结构图。138（2.24）式中是PWM装置的放大系数，本项目中取=220；是PWM装置的延迟时间，由于本项目中开关频率为10kHz，故取=。因此，控制回路的开环传递函数为：（2.25）通过将公式（2.23）和公式（2.24）中的和分别带入公式（2.25）中，可以得到系统的开环传递函数为:ASD（2.26）运用常规的PI控制器就可以使系统达到期待的动态响应，因此：（2.27）当PI控制器的时间常数可以选择为等于所述主电路时间常数时，可以简化公式（2.26），从而简化结果为：（2.28）其中，。现在开环传递函数没有了那些复杂的因素。此时系统成为我们熟悉的典型的1型系统，为了使其拥有最佳动态响应，按照西门子“最佳整定”方法，即KT=0.5，可以算出=0.24，=0.88最后，系统示意图如图2.9所示：图2.9SPWM解耦控制系统图图中d轴和q轴的控制策略一致，只是在相位上二者相差，故q轴上存在一个的滞后环节以补充二者在相角上的差值。右下方的两个波形发生器模拟的是PLL锁相环[14]，时刻不断的检查交流电网信号，并将检测到的相角输送给Park坐标变换器中。

2.4.基于SPWM（解耦）并网逆变器的MATLAB/simulink仿真2.4.1MATLAB简介MATLAB是由美国Mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。在一些实际应用中，如果系统的结构过于复杂，不适合用分析和编程的方法建模。在这种情况下，功能完善的Simulink程序可以用来方便地建立系统的数学模型。Simulink是由Mathworks软件公司1990年为MATLAB提供的新的控制系统结构图编程与系统仿真的专用软件工具。它有两个显著的功能：Simu（仿真）与Link（连接）[15]。在该仿真环境下，用户程序其外观就是控制系统结构图，亦即建模过程可通过鼠标在模型窗口上―画‖出所需的控制系统模型，然后利用Simulink提供的输入源模块对结构图所描述的系统施加激励，利用Simulink提供的输出口模块获得系统的输出响应数据或时间响应曲线。在本次设计中，控制系统的数学模型就是基于MATLAB/Simulink中的―SimPowersystems搭建的。2.4.2电路仿真模型的建立本系统采用350V直流电压源模拟直流输入，采用交流电压源模拟电网电压，电压峰值取311V，频率为50Hz，假定设计逆变器功率为6kW，可以得到并网电流峰值为38.6A。搭建的仿真模型如图3.1所示，包括单相全桥逆变器、PWM驱动信号发生器、PI控制器、滤波电感，Park坐标变换及其逆变换。其中控制器设计是关键，控制器主要实现对电流的跟踪，减小幅值偏差、相位偏差，增强应对电网扰动的能力。仿真时采用的参数如下：三角载波频率设为10kHz，设计滤波电感为12mH，串联等效电阻0.05Ω，PI参数取Kp=0.273，Ki=1.136。图2.10仿真电路图图中step1和step2是给定有功电流和无功电流值，其取值取决于电网所需提供的无功功率和有功功率大小。系统采PI调节器在d轴和q轴分别采用电流控制负反馈，以保证输出电流为给定有功电流和无功电流的叠加。2.4.3仿真结果仿真时间设置为0.1s，由于本项目的核心是对电流的解耦控制。在仿真的过程中我们会分别给定有功电流和无功电流，观察主电路输出总电流和电压的波形。当只给定有功电流时，示波器上的显示结构如下：图2.11给定有功电流时输出波形图可以看到，输入给电网的电流和电压的波形相位上是一致的，且输出的电流幅值与给定的38.5A基本相同，证明此事输出给电网的功率只有有功功率。与之前的理论分析基本上相符合。当只给定无功电流时，示波器的仿真结果如下：图2.12给定无功电流时输出电流波形可以看到，输入给电网的电流和电压的波形相位上是相差的，且输出的电流幅值与给定的38.5A基本相同，证明此事输出给电网的功率只有无功功功率。且无论是感性无功还是容性无功都可以通过给定的无功电流来获得。与之前的理论分析基本上相符合。

第3章结论光伏发电系统是现今最热门的新能源发电方向之一，拥有来源充足、清洁安全等优势。本文对其中的逆变并网控制策略进行了相关阐述和仿真设计。首先，分析了单相并网逆变器的主电路拓扑结构，然后给出了本系统的总体设计方案，并对主电路参数设计方法和相关的硬件设备作了介绍。由于这部分不是本文章的主体部分，所以只对重要部分进行了简单的概述；然后，对本文中提到的逆变并网的控制策略进行了详细的分析，剖析了PI控制对系统的动态响应的改善，并解释了局部模块得数学模型，为后面的仿真设计提供理论依据。最后，利用Matlab/Simulink对控制策略进行仿真，对给定有功电流和无功电流分别得到仿真结果，并验证了有功功率和无功功率的解耦控制的有效性。通过对并网电流的控制，可以实现并网电流与电网电压的同频同相。PI控制中存在的稳态误差，在PR控制中可以被消除，即做到对参考波的无静差跟踪。因此，PR控制不但具有无静差跟踪的稳态性能，而且具有快速的动态响应速度。同时，控制策略中所提到的“虚轴虚构”能减少系统滞后环节对虚轴反馈控制的影响，能进一步提高控制系统的稳定性。由于个人能力有限，对PR控制和“虚轴虚构”的了解不够深入，仿真中没法用到，只能作为对该控制策略进一步的展望，希望能在今后的学习中能收集资料、解决这些问题，不断完善仿真结果。

致谢大学四年的学生生活即将结束，回想着匆匆而过的四年时间里。从军训时那个懵懂无知的青年到现在处在毕业季的“老油条”。我们有过过多的欢笑、汗水和泪水，随着时间的飞逝都成了过往云烟，留下的只有一张张照片。不过我永远都会对那些曾经帮助过我的人心怀感激。地感谢我的导师黄老师。当我面对科学的高峰有些彷徨时，是导师在鼓励我，“攻坚莫畏难，只怕肯登攀”；当我在科学的殿堂中步履蹒跚时，是导师在指点我，“问渠哪得清如许，为有源头活水来”；当我埋头于书本执迷不悟时，是导师在明示我，“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”；当我在实际工作中遇到困难时，是导师在引导我，“壁立千仞无欲则刚，海纳百川有容乃大”。我的导师，学识渊博，对专业孜孜以求，精益求精。百忙之余仍然读书不辍，不断探求；为人师表，率先垂范；传道授业，呕心沥血。如果说我从导师那里学会了怎样做好学问，那么首先应该说我从导师那里领略了真正的学术精神，导师严谨的治学态度和坚韧的探索精神将使我终生受益。感谢陪我一起学习的室友，在日常的生活、学习中给了我很大的帮助。一起看出、一起复习、一起愉快的玩耍。希望我们的友谊能天长地久。感谢我的亲人们对我无私的关怀，不管在我失落低沉还是骄傲自满时，都能成为我倾诉的对象，为我排忧解难。他们不求回报的关心将是我一生的财富。最后感谢武汉理工大学，给我提供了学习的环境，让我有机会交识到这么多的良师益友，不断地促进我进步。

参考文献：[1]沈辉、曾祖勤.太阳能光伏发电技术[M].北京：化学工业出版社.2005（8）：14-16.[2]曾晓生.基于准比例谐振控制的光伏并网逆变器的研制[J].华南理工大学.2012：25-46[3]BhaktaB.Rath，JamesM.Marder.PoweringtheFutureDoestheFuelGag