基于准PR控制的单相光伏并网逆变器研究（可编辑）

基于准PR控制的单相光伏并网逆变器研究（可编辑） 基于准PR控制的单相光伏并网逆变器研究 浙江理工大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果也不包含为获 得浙江理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意 学位论文作者签名 起五罗 签字日期 劲弓年弓月箩日嘲四 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解浙江堡工太堂有权保留并向国家有关 部门或机构送交本论文的复印件和磁盘允许论文被查阅和借阅 本人授权浙江堡王太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索和传播可以采用影印缩印或扫描等复制手段 保存汇编学位论文 保密的学位论文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名诞乞箩 日 签字日期 列年月歹 导师签名沈聊 签字日期 知歹年 了月日浙江理工大学硕士学位论文 基于准控制的单相光伏并网逆变器的研究 摘要 随着社会的发展以及生活水平的提高能源在人们的日常生活中扮演着越来越重要的 角色但是现阶段能源危机已成为严重制约社会发展的主要问题在追求低碳环保的今 天发展太阳能风能等可再生的清洁能源已成为社会发展的必然趋势我国的太阳能资 源丰富具有广阔的发展前景光伏并网发电作为太阳能利用的主要途径对它的关键技 术进行研究具有重大的现实意义此外逆变器作为连接光伏阵列和电网的装置是整个 光伏并网发电系统的基础它的重要性不言而喻本论文围绕这一关键问题主要从以下 几个方面进行了深入研究 首先从当今世界的能源形势出发阐述了光伏并网发电技术的发展然后从电路拓扑 分类和控制技术等方面对光伏并网发电系统中的逆变器进行了详细介绍 其次对逆变器的系统模型及工作状态进行了分析详细论述了控制器控制 器和控制器的控制原理基于以上三种控制器的缺点本文提出了具有良好的零稳态 误差和抗电网电压干扰的准比例谐振控制技术重点分析了准控制器的控制思 想以及参数设置 第三介绍了逆变系统的系统参数和软硬件电路设计在此基础上构建了两个基于 的光伏并网逆变系统仿真模型运用中的仿真工具对 其特性进行对比分析体现了准控制优良的控制性能 最后基于仿真模型搭建了一个功率为 的光伏并网逆变器系统实验结果验证 了准控制方式的优越性实现了并网电流与电网电压的同步整个系统能够安全稳定 的运行 关键词光伏并网逆变器准比例谐振控制器浙江理工大学硕士学位论文 基于准控制的单相光伏并网逆变器的研究 浙江理工大学硕士学位论文 基于准控制的单相光伏并网逆变器的研究 ?浙江理工大学硕士学位论文 基于准控制的单相光伏并网逆变器的研究 目录 摘要? 第一章绪论 课题背景 当今世界的能源形势 太阳能及其光伏产业 国内外光伏并网发电技术的发展 我国光伏发电的中长期发展规划 课题主要研究内容 本章小结 第二章太阳能光伏并网发电系统太阳能光伏并网发电系统的组成太阳能光 伏并网发电系统分类 并网逆变器的系统概述 并网逆变器的分类及其拓扑 并网逆变器的控制技术 本章小结 第三章并网逆变器的控制技术逆变器系统模型分析逆变器的理想模型 逆变器的工作状态分析 系统建模逆变器的控制策略比较及仿真分析 电流比例俨控制 电流比例积分控制电流比例谐振口控制 电流准比例谐振口控制的提出 准比例谐振控制器的分析与参数设计 准比例谐振控制器的算法实现 本章小结 第四章系统参数及硬件设计主电路参数设计 直流母线电压设计 滤波器设计 浙江理工大学硕士学位论文 基于准控制的单相光伏并网逆变器的研究 主要芯片选型 控制器简介 功率管驱动芯片 驱动电路 交流量采样电路 保护电路 系统的资源分配 本章小结 第五章系统软件设计 软件开发环境介绍 系统软件的总体设计系统主程序设计 定时器中断子程序设计 功率驱动保护中断子程序设计 波形的软件实现 软件锁相设计 锁相环的原理 中锁相环的设计 本章小结 第六章仿真及实验结果分析 仿真工具简介 基于滞环电流控制光伏并网逆变器的仿真与分析 基于准控制光伏并网逆变器的仿真与分析 实验结果分析 实验装置及实验测量工具一 正负 电源波形 驱动电路波形 交流电压采样电路电压抬升波形 锁相环波形 并网电流与电网电压的实验波形 本章小结 第七章总结与展望 总结 不足与展望 参考文献汕 浙江理工大学硕士学位论文 基于准控制的单相光伏并网逆变器的研究 致谢 攻读学位期间的研究成果 浙江理工大学硕士学位论文 基于准控制的单相光伏并网逆变器的研究 第一章绪论 课题背景 随着社会工业化的发展世界各国的能源消耗量持续增长人类现在正面临着 能源危 机和环境污染的双重考验这两个问题也成为制约社会进步的重要因素因此 开发新能源 成为亟待解决的问题而太阳能由于自身所独有的优点资源丰富成本低廉 无污染安全可靠使得开发利用太阳能具有重大的现实意义 当今世界的能源形势 科学技术水平的提高不仅促进了人类社会的发展同时也极大地丰富了人们的物质生 活能源作为人类日常生活中不可缺少的一部分其消耗量大幅度增加根据年 能源统计》可知过去年来世界能源消费量年均增长率约为根据美国能源信息 署预测结果显示未来的能源消耗量将持续增长预计至年世界能源需求 量将达到亿吨油当量年将达到亿吨油当量年均增长率为 化石燃料的大量使用带来了一系列环境问题二氧化碳氮氧化物灰尘颗粒物等环 境污染物的排放量逐年增大据估计至年世界二氧化碳的排放量将达至亿 吨年均增长这将对环境造成严重污染另外对化石燃料的依赖也带来了巨大 的能源开采压力虽然在未来年内化石燃料不会枯竭但局部性能源短缺将不可避免 随着能源消耗量的增加能源消费结构也不断变化但其中左右仍然是石油天 然气煤等不可再生能源发展太阳能风能生物能等可再生的新能源势在必行我 们应该努力提高能源利用效率走低碳环保的高效能源之路 太阳能及其光伏产业 太阳能是太阳内部持续的核聚变反应所产生的能量这些能量维持着人类的 生存地 球上的其它能源如水能风能生物能以及潮汐能等从根本上来说都来自太阳能就算化 石燃料其本质上也是远古时候储存的太阳能所以广义的太阳能所包含的范围极其广泛 光伏发电是利用太阳能的一种重要途径它是一种利用太阳电池将太阳能转化为电能 的发电手段与其它发电方式相比光伏发电具有一系列独有的优点 发电原理具有先进性光伏发电形式简单没有中间过程即其它能量之间的转换浙江理工大学硕士学位论文 基于准控制的单相光伏并网逆变器的研究 也没有机械运动它直接从光子转换到电子因此其发电效率很高能达到 以上虽然由于材料以及技术的限制单个结单晶硅电池效率最高只为但 通过分析计算及其发展前景来看未来的年其能量转换效率将提高到 一 太阳能资源丰富并且分布广泛太阳能是可再生的清洁能源能量恒久而且其 分布极其广泛无处不在不需要运输最重要的是没有任何一个国家能控制或 者垄断太阳能 太阳能清洁太阳能不产生对环境有害的化合物能真正做到低碳环保最大限度 的保护我们的地球是当之无愧的绿色能源 使用期限长长期的实践经验表明光伏发电稳定可靠使用时间一般能达年 以上 管理方便光伏发电可实现无人值守特别是在一些人烟稀少的广袤地区其维 护成本低廉这对于我国一些西部地区的发展具有重要的现实意义 由于技术的限制光伏发电产业的发展还不够成熟生产成本也还比较高在国内进 行大规模的推广使用还存在一定的困难但是随着科学的进步至年太阳能将成 为主要且占绝对主导地位的能源利用形式其将有极其广阔的发展前景欧洲联合研究中 心对光伏发电的未来发展有如下预测年世界太阳能的发电量占世界总能源 需求的年将达到年将超过 由于光伏发电不受资源材料以及环境的限制具有其它能源所无法比拟的优点全 球的太阳电池产量持续增长具体数据如表表所示由此可知光伏发电将成为 未来世界能源和电力的主要来源我们必须坚定不移地发展光伏发电技术 表世界太阳电池的历年产量单位 浙江理工大学硕士学位论文 基于准控制的单相光伏并网逆变器的研究 表世界太阳电池的历年产量和年增长率 国内外光伏并网发电技术的发展 光伏产业是世纪年代以后发展最迅猛的产业之一光伏发电系统可分为光伏离 网发电系统光伏并网发电系统和风光互补发电系统具体分类如图所示 农村电气化村落供电系统等 公共事业单位用电学校医院等 光伏离网发电系统 通信和工业应用交通信号等 光伏产品太阳能路灯等 与建筑结合的光伏发电系统 光伏发电系统 光伏并网发电系统 大规模荒漠开阔地光伏电站 风光互补发电系统 图光伏发电系统的应用分类 过去年来光伏组件的生产成本下降了两个数量级光伏市场也随之迅速发展要 特别指出的是在年并网发电就已经成为光伏应用的最大市场在总的光伏应用中所 占比例达到了这一事实标志着光伏发电开始由补充能源过渡到替代能源人类社会 开始向可持续可再生的清洁能源体系过渡 年月我国的第二颗人造卫星一实践号第一次使用了太阳电池开启了我国应 用太阳电池的新篇章年我国的太阳电池及其组件生产总量就达到了 最近 年来其平均年增长率达到总之我国的光伏产业从无到有在提高人民生活水 平和促进社会进步方面发挥了重要作用具有巨大的现实意义 但是我国现阶段的光伏发展水平与其他发达国家相比还存在很大的差距具体表 现主要有自动化程度比较低规模比较小技术发展不够成熟很多原材料还依 赖于国 浙江理工大学硕士学位论文 基于准控制的单相光伏并网逆变器的研究 外进口这些都需要我们进行更深入的研究来促进我国光伏产业的发展 我国光伏发电的中长期发展规划 我国非常重视可再生能源的发展年月日《可再生能源》由全国人大常委会 批准通过年月日国家发改委正式发布了《可再生能源发展中长期发展规划》 年月日又发布了《可再生能源发展十一五规划》进一步明确了我国可再生 能源的发展目标我国年光伏发电市场的具体规划目标如表所示 表 我国光伏市场的具体规划目标 由上表可知至年我国光伏并网发电的市场份额将达到其中光伏并网建筑 的累计装机容量将达到 市场份额为大型光伏并网发电的累计装机容量 为 其市场份额为从能源局的数据可看出年我国的累计装机容量 达 居全球第二仅次于美国其中太阳能发电新增装机为 累计装机为 国家发布的十二五能源规划显示年我国的太阳能和风 能将比现阶段增长倍和倍 课题主要研究内容 本论文针对光伏并网系统中的逆变环节做了大量工作主要内容如下 从能源危机和环境污染出发说明了本课题提出的背景以及研究意义然后详 细介 绍了当今世界的能源形势太阳能及其光伏产业的相关基本知识和国内外光 伏并 网发电技术的发展在此基础上阐述了我国光伏发电的中长期发展规划 介绍了我国太阳能光伏发电系统的组成和分类对其中的关键环节并网逆变器从 拓扑结构的分类和控制技术两个方面进行了系统概述重点介绍了四种运用较多 的控制技术滞环电流控制双环控制多环控制和正弦脉宽调制技术 浙江理工大学硕士学位论文 基于准控制的单相光伏并网逆变器的研究 分析了逆变器的理想模型和工作状态对其进行了系统建模详细介绍了三种具 体的电流控制技术基于以上控制方法的不足之处提出了具有良好的零稳态误 差和抗电网电压干扰的准比例谐振控制技术重点介绍了如何设计准 控制中的控制参数以达到系统的最佳并网性能 详细介绍了系统参数和硬件电路的设计包括主电路的直流母线电压滤波器的 设计以及一些主要芯片的选择重点分析了如何设计驱动电路交流量采样电路 以及保护电路最后简单介绍了系统的资源分配 进行了系统软件设计包括主程序定时器中断子程序功率驱动保护中断子程 序以及如何产生波形对软件锁相的实现也做了比较详细的介绍 在理论分析基础上运用仿真工具设计了基于滞环电流控 制和准控制的仿真模型通过对两个模型的仿真结果进行对比分析证明本 论文提出的准控制的控制性能更加优良 最后在仿真模型的基础上搭建了一个功率为 的光伏并网逆变器系统实 验结果验证准达到了光伏并网系统的控制目的实现了并网电流和电网电压 的同步 本章小结 本章先论述了全球能源危机和环境问题在此背景下提出我们应该大力发展太阳能 然后详细介绍了当今世界太阳能及其光伏产业的发展情况具体说明了国内外光伏并网发 电技术的发展以及我国光伏发电的中长期发展规划最后对本论文的一些主要研究内容 进行了系统阐述浙江理工大学硕士学位论文 基于准控制的单相光伏并网逆变器的研究 第二章太阳能光伏并网发电系统 太阳能光伏并网发电系统的组成 光伏并网系统与电力系统的电网连接作为电力系统的一部分可为电力系统提供有 功和无功电能己成为目前光伏发电系统的主要应用方式光伏并网发电系统由三个部分 组成分别为光伏阵列逆变器和电网结构图如图所示光伏阵列通过并网逆变 器与当地电网连接通过电网将光伏系统所发的电能进行再分配 光伏阵列 图光伏并网发电系统结构图 其中光伏阵列主要由光伏组件构成并网逆变器将太阳电池所输出的直流电转换成 符合电网要求的交流电再输入电网是整个系统能量转换和控制的核心装置一般情况下 市网电压被看作一个容量为无穷大的交流电压源把逆变器的输出看作是可以控制的电流 源或者电压源若看作电压源时并网系统相当于两个电压源进行并联需要用到锁相控 制技术来跟踪电网电压其响应较慢而且更重要的是在实际应用中对光伏并网逆变器 的输出电压的幅值和相位进行精确地控制存在一定的难度另外一方面它和电网之间还 可能出现环流影响系统的稳定运行所以本论文中把逆变器设计成电压型的电流源也就 是电压输入电流输出而光伏并网发电系统则相当于是电流与电压的并联只需通过控 制技术使并网电流与电网电压保持同步就能保证并网电流顺利并网实现系统的稳定运 行引 太阳能光伏并网发电系统分类 以系统功能为划分标准可将太阳能光伏发电系统分为两类一种为可调度式 光伏并 网发电系统系统中含有蓄电池组另一种为不可调度式光伏并网发电系统系统中没有 蓄电池组们具体结构图如下所示 浙江理工大学硕士学位论文 基于准控制的单相光伏并网逆变器的研究 图可调度式光伏并网发电系统 图不可调度式光伏并网发电系统 一般情况下由于蓄电池组体积大价格高且不易维护所以典型的光伏并网系统 中去掉了蓄电池组这样不仅使得整个系统体积减小成本降低而且输出的电能也更加 稳定从上图可看出无论何种拓扑结构的光伏并网发电系统都不能缺少网侧的 逆变单元逆变器作为连接光伏阵列和电网的唯一通道是整个系统的关键和核心所在 逆变器的工作状态将决定整个系统是否能稳定安全正常的运行 并网逆变器的系统概述 并网逆变器的分类及其拓扑 根据有无隔离变压器可将逆变器分为隔离型和非隔离型隔离型并网逆变器中 根据工作频率可分为工频和高频两类而非隔离型并网逆变器按照拓扑结构可分为单级和 多级两类具体分类如图所示 图光伏并网逆变器分类 工频隔离型光伏并网逆变器结构 工频隔离型光伏并网逆变器是最常用的结构光伏阵列产生的直流电通过逆变器转换 浙江理工大学硕士学位论文 基于准控制的单相光伏并网逆变器的研究 为交流电再经过工频变压器输入电网变压器不仅能升压而且能起到隔离的作用这样 一方面可以有效防止人直接接触到光伏侧的正负极提高了系统的安全性同时也能保证 系统的直流分量不注入电网工频隔离型光伏并网逆变器结构如图所示 \ 么 图工频隔离型光伏并网逆变器 以上结构的不足之处在于系统中包含一个工频变压器导致逆变器体积大质量重 外形尺寸难以减小除此之外还增加了系统损耗运输成本以及安装难度 高频隔离型光伏并网逆变器结构 高频隔离型光伏并网逆变器与工频隔离型的不同之处在于高频隔离型使用了高频变 压器这样减小了逆变器的体积克服了工频隔离型所存在的主要缺点随着科学以及材 料技术的日益成熟高频隔离型的效率也得到了很大的提高高频隔离型光伏并网逆变器 的具体结构如图所示 高频变压器 图高频隔离型光伏并网逆变器 在隔离型光伏并网逆变器中变压器先将电能转化为磁场能然后再将磁场能转化为 电能这个过程必然导致能量的损耗为了提高光伏并网逆变器的效率最有效的方法就 是采用无变压器的非隔离光伏并网逆变器去掉了变压器逆变器的体积减小质量变轻 而且效率也得到了较大程度的提高 以拓扑结构为标准可将非隔离型并网逆变器分为单级和多级两类 单级非隔离型光伏并网逆变器结构 在单级非隔离型光伏并网逆变器中光伏阵列通过逆变器与电网直接相连因 此逆变 浙江理工大学硕士学位论文 基于准控制的单相光伏并网逆变器的研究 器工作在工频模式直流侧的电压必须达到并网逆变的电压等级因此逆变系统要求光 伏阵列具有较大的输出电压同时也导致系统提高了对光伏组件甚至整个系统的绝缘等级 的要求否则可能出现漏电情况影响系统的稳定运行单级非隔离型光伏并网逆变器的结 构如图所示 光伏阵列 图单级非隔离型光伏并网逆变器 多级非隔离型光伏并网逆变器结构 在多级非隔离型光伏并网逆变器中功率变换分为两部分变换和变 换在此结构中一般需用高频变换技术因此也叫高频非隔离型光伏并网逆变器多级 非隔离型光伏并网逆变器结构如图所示 光伏阵列 \ 石 名 图多级非隔离型光伏并网逆变器结构 需要特别指出的是在非隔离逆变器系统中光伏组件与电网电压直接相连将导致太 阳电池组与地之间存在较大的分布电容因此会产生太阳电池对地的共模漏电流而 且极易向电网注入直流分量但是只要我们采取适当的保护措施同样可以保证电路安 全可靠地运行而且非隔离系统体积小质量轻成本也较低具有更大的现实意义因 此多级非隔离型光伏并网逆变系统成为主要的光伏并网逆变器结构 一般而言在具有两级变换的光伏并网逆变器系统中前级的变换器主要实 现最大功率点跟踪控制而后级的逆变器则有两个基本控制要求一是要保持前 后级之间的直流侧电压稳定二是要实现网侧单位功率因数正弦波电流控制甚至需根据 指令进行电网的无功功率调节 以主电路的拓扑结构为标准可分为推挽逆变器半桥逆变器和全桥逆变器推挽电 路中功率管的电压应力是母线电压的两倍因此适用于母线电压比较低的场合此电路无 浙江理工大学硕士学位论文 基于准控制的单相光伏并网逆变器的研究 法输出正弦电压波形利用率较低而且它还有一个最大的缺点就是输出变压器会出现直 流饱和这个问题很难解决半桥逆变器和全桥逆变器的功率管电压应力较低适合母线 电压比较高的场合但是当电路中的开关电流和输入电压都相等时半桥电路的输出功 率只是全桥功率的一半其直流电压的利用率比全桥电路低主要适用于小功率等级的逆 变电源全桥逆变器则主要适用于大功率等级的逆变电路而且它还具有结构简单控制起 来也很容易的优点因此本文的主电路采用电压型全桥逆变器 三种逆变器的电路结构图分别如图和所利 图推挽逆变器 图半桥逆变器 图全桥逆变器 并网逆变器的控制技术 由上述分析可知一般将光伏并网系统看作是并网电流与电网电压的并联控制器的 目的是实现网侧单位功率因数正弦波电流控制保持并网电流与电网电压同频同相目前 有各种不同的控制技术但用的最多的是滞环电流控制双环控制多环控制和正弦脉宽 调制技术具体的控制原理如下所述 滞环电流控制 滞环电流控制是一种最常用的电流跟踪控制方式它应用于光伏并网逆变器能改善注 入电网电流的品质滞环电流的控制原理图如图所示正弦波信号发生器生成系 统参考电流此参考电流与电网电压同频同相幅值由系统给定将输出的参考电流与并 网电流反馈值一起输入迟滞比较器比较后输出就可得到信号控制全桥逆变电路中 开关管的通断 滞环电流控制与其它控制方式的不同之处在于引入了迟滞比较器并且在控制过程中 浙江理工大学硕士学位论文 基于准控制的单相光伏并网逆变器的研究 设定了电感电流的最大值和最小值输出电压在和之间变化故也称之为两态调 制调制原理如图所示 ? 滞环电流控制方法有很多优点控制简单响应速度较快硬件电路的实现也很方便 但由于控制中的开关频率是不固定的这会引起电流频谱变宽从而使得滤波器的设计难 度加大而且还会导致电路的可靠性下降系统功能的稳定性也会受到影响 图滞环电流控制原理图 \ 划一 厶 又彳爵 一 代 一 弋心 砑? ? ? 易 遗 \ ? ? \ ? ? ? 聃 二 ? 了 了 ? 庀 ?一 一 一 一 一 一 图两态调制的原理图 双环控制系统 双环控制是逆变器使用比较广泛的一种控制策略它包括并网逆变器的直流 电压外 环控电流内环控制并网逆变器中的直流电压外环是能量控制环节而电流内 环则用 来实现电流的快速控制其中电流内环控制是光伏并网逆变系统中控制的关键主要在 于它不仅对并网电流的质量有重要影响同时还决定了外环能量流指令是否能够可靠实 现本论文将对并网电流环的控制过程进行重点研究 在电压外环的基础上添加了一个电流内环不仅能明显提高系统的动态响应速度浙江理工大学硕士学位论文 基于准控制的单相光伏并网逆变器的研究 还能及时降低由于负载变化而对系统所造成的影响为了抑制电网电压扰动并提高系统的 动态稳态性能此控制方式中采用了有电网电压前馈的电流反馈闭环控制电流环的输 出与电网电压的反馈值叠加然后经过调制最后达到单相逆变器的并网目的 系统及控制结构框图如所示 图双环控制框图 首先需要先说明直流电压环控制器其一般通过调节器来稳定直流侧电压并实现 能量平衡由于控制对象是直流电压所以不存在静态误差可以很好的实现控制器原 理如图所示直流母线电压指令需满足并网要求电压外环的控制器输出量 为电流有效值指令它与电网电压的同步信号相乘得到瞬时输出电流的参考 信号 图直流电压环控制器 电流内环是对直流电压外环控制器输出的瞬时输出电流的参考信号鲥进行跟踪单 相并网电流控制中采用自然坐标系传统的电流内环电压前馈控制原理如图所示 基于准控制的单相光伏并网逆变器的研究 浙江理工大学硕士学位论文 其中《分别是控制器逆变器和滤波网络的传递函数 电流内环的工作原理如下所述实际并网电流的反馈采样值与瞬时输出电流的参考信 号一起产生的偏差信号输入控制器得到的是有效的输出电压指令将此电压指令与 经过前馈补偿作用的电网电压一起输入逆变桥再将逆变桥的输出电压与实际网压一起输 入滤波电路经过滤波电路之后即可得到系统所需要的电流从而达到逆变器输出电流与 电网电压同频同相的目的 图电流内环电压前馈控制结构图 加入网压前馈可以消除电网电压对输出电流的干扰图中为瞬时输出电流的参考 信号州是实际的并网电流 电压前馈对系统输出的影响 取实际的并网电流珏为状态变量可得到式是指逆变器的输出电压 一 由于寄生参数的影响在实际的工程应用中可将低通滤波器等效为与串 联与串联那么滤波网络的传递函数如式一所示 嘭瓦可再蕊而 为了简化系统分析电感和电容的内阻均忽略那么滤波环节的传递函数如下所示 瓦而 可将上式改写为复数域的表达式为赢一‰ 若不考虑网压前馈补偿环节对并网系统的影响那么被视为扰动信号的电网 电压对并网电流的影响可由式表示式中的是指系统的开环传递函数 四 驰篇‰?浙江理工大学硕士学位论文 基于准控制的单相光伏并网逆变器的研究 若并网系统考虑网压前馈补偿环节则可得到电网电压对系统并网电流的影响 为 杯型学? 如果使控制系统中有 上式中的是指控制系统加入网压前馈后的开环传递函数 如下等式成立 啪一南 将此等式代入式中由以上分析可知加入网压前馈可以将电网电压对并网电流的影响减小为能抑制 系统中电网电压扰动所造成的影响在理论上实现了全补偿要求大大减小了电流指令值 即使系统中需要输出较大的并网电流也不会增加电流调节器的负担另一方面还可以 减小系统中的噪声降低系统损耗系统的工作性能也更加优良稳定 电流环的控制 由于采用了电压前馈控制环节而且又可以实现全补偿控制可将电流内环简化为如 图所示的结构图 图电流内环化简结构图 多环控制系统 多环控制与双环控制的不同之处在于它增加了一个电容电压微分即电容电流反馈控 制来增加系统阻尼电容电流内环采用调节器控制来保证内环控制的快速性 多环控制结构如图所示直流电压外环仍采用调节器控制以稳定直流侧电 压电网电流内环的电流幅值参考信号鲥由直流电压外环调节器的输出给定通过检测 浙江理工大学硕士学位论文 基于准控制的单相光伏并网逆变器的研究 获得电网电压相位角并由和参考电流的乘积获得瞬时电网电流的参考信号鲥 为实现电网电流的无静差控制电网电流环采用了调节器为了抑制滤波器的 振荡系统采用了电容电流反馈控制从而有效增加了系统阻尼内环调节器的输出经过 调制后驱动开关管以实现单相逆变器的并网控制 图多环控制结构 正弦脉宽调制技术 正弦脉宽调制技术是目前广泛使用的一种调制方法它以冲量相等效果相同为 理论基础运用输出波形的脉冲宽度随正弦波的幅值变化的波去控制逆变电路中 开关管的通断情况输出信号通过滤波电路后即可得到所需要的正弦波正弦脉宽调制技 术分为单极性调制和双极性调制两种 在实际应用中单相半桥逆变电路常采用单极性调制单极性调制是用一条 正弦波与两个三角波进行比较其中这两个三角波的幅值频率相同而相位相反比较之 后即可得到调制信号来控制开关管的开通关断情况由图可知单极性调制 输出电压的通断频率是载波频率的两倍而且在输出电压的半个周期内它只从或 者一变为所以叫单极性调制它的电压跳动量只是双极性调制的一半谐波含 量 也比双极性调制要低单级性调制的这些突出优点使得其应用越来越广测 一般在单相全桥和三相逆变电路中采用双极性调制如图所示每个开关管在 浙江理工大学硕士学位论文 基于准控制的单相光伏并网逆变器的研究 一个载波周期内开通和关断各一次逆变器在输出端得到以开关频率变化的由到 的电压信号但是采用双极性调制逆变器中每次换流有两个开关器件参与 动作并承受开关损耗它的导通功率损耗比单极性调制的大而且双极性所需的输出滤波 电感也较大这些都会降低并网逆变器系统的效率 意一心州?\ 篇二 嬲嘲 魄 圉霞黝勤黼 国宦国酉绉窿匿? 图 单极性控制波形 二众饼\\\\\\淋迎螈 荔缓荔 霾 尢窿 沥 筐 筐 囫隧 缓囫 图 双极性控制波形 运用双极性脉宽调制技术时控制原理如下图所示 号 图 控制原理框图 浙江理工大学硕士学位论文 基于准控制的单相光伏并网逆变器的研究 将瞬时电流的有效值指令与并网电流的偏差信号输入控制器然后再将得到的输 出电压波与三角载波一起输入比较器进行比较就可得到信号最后经过驱动电路的 驱动来控制逆变电路中开关管的通断忽略开关器件和系统死区时间的非线性影响可将 调制下的全桥逆变器视为一个高增益的小惯性环节传递函数表示如下 矗 总之运用正弦脉宽调制方式时同一桥臂中的上下两个开关管的控制信号互补 正弦脉宽调制不仅电路结构简单较小还可用来减小滤波器的尺寸获得高质量 的正弦波输出只是其软件实现相对来说有点复杂关于的软件实现的知识将在 论文中的第五章进行详细分析 本章小结 本章先介绍了太阳能光伏并网发电系统的组成和分类一般包括部分光伏阵列 逆变器和电网然后介绍了并网逆变系统的分类以及拓扑结构根据不同的划分标准可 分为工频和高频单级和多级在此基础上重点介绍了并网逆变器的四种控制技术滞 环电流控制双环控制系统多环控制系统和正弦脉宽调制技术最后得出结论本论文 采用单相非隔离并网逆变器系统结构其中的逆变部分采用全桥拓扑并运用了正弦脉宽 调制技术 浙江理工大学硕士学位论文 基于准控制的单相光伏并网逆变器的研究 第三章并网逆变器的控制技术 逆变器系统模型分析 随着电力电子器件的发展微处理器运算速度的提高以及高性能数字处理器 的出现一些性能优良的控制策略都得以实现并大大提高了并网逆变器系统的控制性能 本论文所设计的并网逆变器系统结构如图所示其组成部分包括全桥逆变电路 输出滤波电路采样调理电路控制板以及驱动保护电路 系统的具体实现过程如下电网电压经过交流电压采样电路后得到的采样信 号输入到 中当检测到电网电压正向过零点时内部的并网控制算法程序被启动锁相 环开始对电网频率进行锁相跟踪并产生逻辑控制信号四路信号在驱动电 路的驱动下控制逆变桥中开关管的通断输出信号经过滤波电路后得到并网电流系 统中控制部分所要实现的功能是保持并网电流与电网电压同频同相顺利实现并网 图本论文并网逆变器系统结构图 逆变器的理想模型 并网逆变器的理想状态如下所述逆变器中经过滤波电路后的并网电流与电网电 压的频率和相位完全保持一致并且电流无畸变网侧功率因数为只有有功功率 会回馈到电网假设电网电压表达式为 删‰ 浙江理工大学硕士学位论文 基于准控制的单相光伏并网逆变器的研究 那么理想状态下的并网电流表达式如一所示 删哪 逆变器系统的理想模型需满足如上所述的并网电流和电网电压的表达式另一方面 还需满足当电路在正常条件下工作时其内部损耗为逆变器的理想模式如图所示 八 』鲋\ 吣 图逆变器的理想模式 逆变器的工作状态分析 单相全桥逆变电路由个桥臂组成其中每个桥臂都由一个可控开关管和一个反并联 二极管组成为了防止直流侧短路电压型逆变电路同一半桥上的上下两个桥臂不能同时 导通因此全桥逆变器的功率器件有种工作模式其中前两种工作在正弦波的正 半周期而后两种工作在负半周期具体分析如下 模式表示功率器件和开通直流侧电压加到负载两端直流侧能量中的 一部分能量会馈送到电网中还有一部分通过逆变桥臂交流侧的电感储存起来 输出并网电流增大 模式表示功率器件和开通交流侧滤波器元件储存的能量通过和 向电网馈电电感储能逐渐变少输出电流也不断减小这时负载两端为 电压 模式表示功率器件和开通直流侧电压反向加到负载两端其分析同模 式 模式表示功率器件和开通交流侧滤波器元件储存的能量通过和 向电网馈电其分析同模式 由以上种工作模式的分析可知并网电流的变化受滤波电感上电压的影响通 过各 开关模式的切换控制各模式之间的时间比便可将直流电压转换为与系统所 需要的并网 浙江理工大学硕士学位论文 基于准控制的单相光伏并网逆变器的研究 电流等效的脉冲交流电压信号 工作模式 工作模式 工作模式 工作模式 图全桥逆变电路的工作状态图 系统建模 并网逆变器的系统结构图如上所示为了更好的分析系统的稳态以及动态性 能建立 了系统的控制结构副系统模型如图所示 图并网逆变器的系统模型 由上文分析可知能将调制下的逆变单元当作一增益环节其中基于准控制的 单相光伏并网逆变器的研究 浙江理工大学硕士学位论文 为与电网电压同频同相的参考电流为 统控制器的传递函数鲥是电网电压 《为滤波网络的传递函数 为逆变器的输出电流在以下分析中砌由佗表示由 表示《由表示 由并网逆变器的系统模型可推导出逆变器输出电流的传递函数为 踹一丽删 由上述电网电流的表达式可知不仅参考电流陀影响并网逆变器输出电流的 大小 电网电压酉也会对其造成影响 逆变器的控制策略比较及仿真分析 电流比例控制 假设电流内环采用调节即 将式代入式一可得传递函数的表达式为 面一雨删‖ 比例控制器在基波频率处的增益为有限值由于 丝娑 所以逆变器的输出电流肯定小于参考电流这决定了系统存在着稳态误差而 由上文 分析可知并网电流还与电网电压有关此外比例控制器一般只改变系统的增益不会 影响系统的相位当值增大时系统的开环增益加大控制精度也随之增强但同时 也会使系统中并网电流的脉动增强从而使电抗器等的电磁噪声增加另一方面由于正 弦误差信号的影响控制器中输出信号的幅值相位与给定信号的幅值相位均存在一定程 度的差值 电流比例积分控制 假设电流内环采用调节控制器表达式如式所示 浙江理工大学硕士学位论文 基于准控制的单相光伏并网逆变器的研究 笠 在控制中控制器在基波频率?处的增益为由表达式知其为有限值所以它与比例控制器一样系统存在稳态误差但不同之处 在于控制器为线性控制器比例环节能产生控制作用来减小偏差当值增加时 闭环系统的超调量加大系统的响应速度也会加快但不能无限增加当超过某个特 定值时系统会出现不稳定的情况控制器中增加的积分环节主要用来减小静差 值表示积分作用的强弱闭环系统的超调量随着值的减小而减弱响应速度也随之减 慢 从数学分析的角度来看控制器相当于在系统中增加了一个极点和一个零点其 中极点位于坐标轴的原点并且是开环极点使得系统的稳态性能得以改善而零点则位 于坐标轴的左半平面主要使系统的阻尼程度能够得到一定程度的提高此外电流 调节也具有调节改善系统的幅频特性和稳态性能的优点并且使开环传递函数的幅值 相角裕度得到了比调节更大程度的提高 在单相并网逆变器系统中上述基于调节器的单相并网逆变器的控制虽然控制 方式简单稳定可靠并且己被广泛应用于工业过程控制但传统的控制仍然有些方面 需要改进其主要的不足如下 电流环无法实现电流的无静差控制 当输出滤波器的电容较大时系统可能会发生振荡 由于没有直接控制网侧电流会降低网侧电流的品质 抗干扰能力不强 为了克服上述不足在第二章中已分析可加入网压前馈但是它只能只能减小 稳态 误差不能解决控制器开环增益受限的问题而且逆变器中存在的非线性因素和延时 作用也会影响前馈控制的效果总之引入网压前馈存在很大的局限性因此可以采用 采样基于比例谐振调节器的单相并网逆变器控制策略来实现并网电流的无静差控 制 电流比例谐振控制 控制器在年以后就开始受到广泛关注到年基于此种控制方式的调 浙江理工大学硕士学位论文 基于准控制的单相光伏并网逆变器的研究 节器开始逐渐应用于单相及三相电流的控制实际上由于目前广泛使用的同步旋转 坐标系矢量控制虽然没有涉及到交流指令跟踪的问题但却存在着解耦方面的困难这也 使得控制器的应用更为广泛 从数学的角度来分析控制器传递函数相当于在控制器传递函数的?轴上加 入了两个闭环极点这两个极点的频率固定并在此频率发生谐振此频率处的增益也会 增加控制器可以无差跟踪 的正弦指令信号消除了稳态误差和网压基频对并 网电流的影响其原因主要为从数学本质上讲比例谐振控制器中的谐振频率相当于同 步旋转的角速度而传统的单相控制由于少利用了一个角速度的条件所以系 统会出 现静态误差 假设电流内环采用调节由以上分析可知在静止坐标系中若要实现正弦参考 信号的无静差控制根据内模定理则要求在系统开环传递函数中包含正弦信 号的域模 型由于正弦信号可以是和两种形式表示因此正弦信号相应的域模型可采 用以下两种无阻尼谐振的传递函数形式即而 哪南 为了比较两种传递函数特性运用工具作出相应的波特图如图所示 『 一一一一 一?斌 一 一一一翅矗 图两种不同形式传递函数的波特图比较浙江理工大学硕士学位论文 基于准 控制的单相光伏并网逆变器的研究 由图可知和在附近都具有无穷大的开环增益因此两种形式都可 实现频率为?的正弦信号的无静差控制然而的相角变化范围为而 的相角变化范围为一可见从稳定性的角度来看的形式对系统稳定更有 利而可能使系统的相角裕度不足从而引起系统的振荡 上述分析表明为实现对正弦信号的无静差控制可以采用传递函数为式的调 节器设计其波特图如图所示 ?南 一黛 一一 图二阶积分器波特图 另外为了使调节器增加一个可控的自由度以使得系统的闭环极点位置可以在根轨 迹上自由配置可在上述增加一个可调的比例系数则调节器的传递函数变为 再孑 则 在本论文设计的光伏并网逆变系统中电网频率为由上图可知虽然系统在附近具有无穷大的开环增益但在其它频率处其增益 呈衰减趋势因而为了补偿原有的增益呈衰减趋势提高系统的动态性能需要相应增浙江理工大学硕士学位论文 基于准控制的单相光伏并网逆变器的研究 大外频率处的开环增益为此在原有传递函数的基础上引入比例项即引入比例项的 调节器传递函数为 拿? 而 将基波频率代入式可得其增益为 显然这个值趋向于无穷大那么传递函数的第一项近似为化而第二项则近似 为因此采用此形式的控制在高频段对系统有较大的增益补偿从而提高了系统 的截止频率加快了系统的响应速度还可实现系统的零稳态误差而且该系统可以不受 电网电压的影响所以当系统中采用控制时需要加入网压前馈以消除电网电压的 干扰而采用控制时自动消除了电网电压的影响不需要加入网压前馈 但需要注意的是虽然控制器拥有比和控制器更多的优点但因为比例谐 振调节器是使系统在特定频率处获得无穷大的开环增益在非基频处的增益很小因 而其仅能无静差跟随给定信号频率?时的正弦量当光伏并网逆变系统中的电网频率发 生偏移时控制器系统抑制电网谐波干扰的能力有限并不适用而在实际并网过程 中电网电压的频率并不是完全稳定的会出现波动的情况所以需考虑当电网频率在一 定范围内发生改变时逆变器中的控制器实时快速跟踪电网频率的能力 此外控制方式还存在关键不足虽然实现了电流的无静差控制却不便实现有 功和无功功率的独立控制而且在实际应用中因为一些电力电子器件发展的 限制以及 数字控制器的控制精度所存在的不足使得控制器的实现还存在一定程度的困难 因此基于控制器的不足本论文提出了对此控制方式的改进方法即准比例谐振 控制器它继承了控制器的优点还在此基础上减小了电网频率偏移对并网电 流的影响而且其实现起来也相对简单对准控制技术的具体分析如下所述 电流准比例谐振控制的提出 当电流内环采用准调节则其传递函数形式变为如下形式其中是截止 频率 们 巧再瓣浙江理工大学硕士学位论文 基于准控制的单相光伏并网逆变器的研究 其波特图如图所示 一 骖雾啼?州槲掣吁辨一 嘶《跫?伽妒一钟 罗 ?一?屯互 图准控制器波特图 从图中可以看出当基波频率?时其在此频率处的增益为 另外由 相角裕度定义可知其在此频率处的相角裕度趋于无穷大表明传递函数为此 形式的控制 器可实现零稳态误差控制而且系统拥有良好的稳定裕度和暂态性能 若将谐波阻抗定义为电网电压谐波与其引起的电感谐波电流之比由此定义可知当 谐波阻抗增大时系统的抗干扰能力也随之越强这为进一步分析如何提高准控制系 统的抗干扰能力提供了方便 由式得逆变器系统中的谐波阻抗为 挈 』 准控制器在基波频率处具有极高的谐波阻抗说明系统具有很好的抗电网电压干 扰性能 由式还可得出系统特征方程如下 图为准控制器的极点分布图其中忽略了系统的非主导极点这样对准 控制系统的分析更加简单方便由下图可看出闭环极点均位于虚轴左侧说明系统稳定 基于准控制的单相光伏并网逆变器的研究 浙江理工大学硕士学位论文 图准控制器极点分布图 准比例谐振控制器的分析与参数设计 由上述分析可知准控制器中存在个参数分别是和?为了准确分 析每个参数对准控制器性能方面的影响先假设两个参数不变观察当另外一 个参数 变化时系统所产生的变化 ?变化 当取不同值时波特图如图所示由图可知当增大时系统带宽保持不 变但是控制器的增益会随之增大因此控制器峰值的增益与值成正比 熬麟蒸警鬻豢纂蒸簇蘸蘩蘸鬻豢瓣《 霪 ? \ 一一 一一一一一 熊芝 一一一一 一 一 灭\\ 一 一 一 咬\ 一 麓 懿瓣惑纂毓麟瀚燃竣翻黪燃八馘熙?鏊蒸灞鬻醚罐渊剿四粼黝四臻鬻鬻删 搿黼?黝篓??糊 雾 图 参数变化时的波特图 浙江理工大学硕士学位论文 基于准控制的单相光伏并网逆变器的研究 ?变化 当?取不同值时波特图如图所示由图可知的变化不仅会引起增益的变 化还会引起控制器的带宽变化而且都与?成正比若将?带入式 可得 羽 啄捌蒜壶 由带宽的定义九可得若 国万 所对应的频率差即为系统的带宽令 波 经计算可知系统带宽为?咖在电网容量较小的情况下允许频率在土 动则有咖 即?产 董?舞一焦 譬譬曩琵叠? 警哆警蹙鼍薹?冬麓????窭 二