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1、_ 摘 要由于当今社会能源和环境问题的日益突出，太阳能能源作为可再生能源得到了广泛的研究和应用。近些年来，光伏并网发电系统的研究越来越多地受到国家和社会的重视，光伏并网逆变器是光伏并网发电系统的核心组成部分，本文主要研究光伏电压型并网PWM逆变器的并网控制，光伏并网系统具有输出电流正弦化、功率因数可调等功能。首先，本文对三相电压型并网PWM逆变器主电路拓扑结构、工作原理进行了详细分析, 结合实际系统参数设计通过simulink仿真软件对并网控制方法进行仿真验证，建立三相电压型并网PWM逆变器在静止、旋转坐标系下的数学模型，为系统的并网控制策略设计奠定了基在此基础上建础。其次，分析了三相SPWM
2、 技术应用于逆变器调制的优缺点，建立三相逆变器模型, 设计了 10kW的三相电压型并网PWM逆变器。关键词：并网逆变器； 三相；simulink仿真；SPWMAbstractDue to problem of energy and environment becoming looming large, the research and application of the solar, one kind of renewable energy, has aroused widespread concern. In recent years, photovoltaic grid-connecte
3、d power system research received more and more attention by the state and society. Photovoltaic grid-connected inverter is the core component of grid-connected photovoltaic systems. This paper mainly studies grid-connected control of photovoltaic grid voltage source PWM inverter. Photovoltaic grid-c
4、onnected system is featured by sinusoidal current output, and the function of adjust power factor.The first of all，This paper makes a detailed analysis on the topology structure of Three-phase grid voltage type PWM inverters main circuit and working principles. Combined with the actual system parame
5、ters, grid-connected control method is stimulation verified by simulink simulation software, mathematical models of invert under both the static and rotating coordinate system are established which lay the foundation for design of grid-connected control.The second，advantages and disadvantages from t
6、he technology that three-phase SPWM is applied in the inverter modulation are analyzed. Three-phase inverter model is established and simulation. And designed a 10kW three-phase voltage source PWM inverter.Key words: grid-connected inverter; three-phase; Simulink simulation; SPWM 目 录1 绪论11.1 课题研究背景与
7、意义11.2 国内外研究状况11.3 课题研究方法22 三相光伏并网逆变器的工作原理及控制策略分析32.1 三相光伏并网逆变器的工作原理4 2.1.1 三相光伏并网逆变器主电路拓扑结构的设计5 2.1.2 逆变器显示及设置功能的设计52.2 三相光伏并网逆变器的控制策略分析6 2.2.1 三相光伏并网逆变器的并网原理62.3 本章小结73 SVPWM算法及系统Matlab仿真73.1 SVPWM算法的原理及数学理论推导8 3.1.1 PWM的定义，发展过程8 3.1.2 SVPWM的调制原理93.2 三相光伏并网逆变器的SVPWM算法分析10 3.2.1 三相光伏并网逆变器等效电路分析11 3
8、.2.2 三相光伏并网逆变器的扇区划分依据123.3 三相光伏并网逆变系统的Matlab仿真13 3.3.1 三相光伏并网逆变系统的Simulink建模14 3.3.2 三相光伏逆变系统的波形仿真144 三相光伏并网逆变系统的软件实现1 绪论1.1 课题研究背景与意义社会文明不断发展的基础是能源,充足的能源供应为实施可持续发展提供了物质保障。现阶段,可利用的能源主要以煤炭、石油、天然气等化石能源为主。但相对来说，资源还是相对匮乏的，对人类未来能源可持续供应来说,我们必须进入节约能源和利用新能源的时代，电能是目前人类应用最广泛的二次能源,迄今为止，我们可以通过各种手段将其它形式的能量转换为电能，
9、例如：核能发电、风力发电、生物质能发电等。本文是讲述以太阳能光伏发电的形式。三相PWM并网逆变器以电网电压同步信号为逆变器输出电流的跟踪信号，使输出电流快速跟踪电网电压，通过对网侧电流的闭环跟随控制，实现以单位功率因数向电网馈送电能。与传统能源及其他分布式能源发电技术相比,光伏发电具有其独特优势： （1）发电原理具有先进性和创新性,并随着各国对光伏产业的大力扶持,光伏发电技术将日趋完善； （2）太阳能取得简单,可就近供电； （3）太阳能发电不用耗费燃料,运行成本很低，且太阳能是可再生能源发电,无废弃物产生,对环境无不良影响。太阳能是一种取之不尽，用之不竭的资源，每年照射到地球表面的太阳能相当于
10、 173 万亿吨标准煤，相当于全世界所消耗的能量总和的 2 万倍。我国是世界上太阳能资源非常丰富的国家之一，理论储量达 17000 亿吨标准煤。在我国，西藏西部地区太阳能资源最丰富，日辐射量达 6.4kW.h/，居世界第二位，仅次于撒哈拉大沙漠。光伏利用主要是以光伏发电的形式利用,光伏发电输出的能量形式是电能,因此对于光伏利用的明显的优点是远距离传输,通用性并且可存储。因此,基于上述的光伏利用的特点,在最近几十年,光伏并网发电技术得到迅猛发展。1.2 国内外研究状况能源资源紧缺和环境污染严重,世界各国加强了对可再生能源的开发利用及其开发技术的研究，全球光伏发电量一直保持着高速增长的趋势,尤其九
11、十年代后期光伏电池行业更是出现供不应求的局面,光伏产业得到迅猛发展。在1973年,美国推出了所谓的光伏发电发展计划,并且明确各个时期发展计划和战略性目标。从此以后,德国、英国等多数发达国家,也制定了相似光伏发展计划,并投入大量的技术研发资金来推动工业化进程。国外诸多公司在利用光伏并网逆变技术中表现出色。比如美国的Power-One、德国的 SMA、西门子和 KACO,瑞士的 Sputnik Engineering等。各公司在系统拓扑结构及功率变换器控制等方面都处于世界领先水平。国外公司的先进技术不断推动着光伏发电技术向规模化和产业化发展。中国是能源生产大国,同时也是能源消费大国,主要以煤资源为
12、主要能源。为了实现可持续发展和提高能源总体利用率,提出了调整能源利用的结构和加快可再生能源利用开发和研究战略性计划。通过几十年的发展,国内的光伏事业已初具规模,但同国外发达国家相比差距还比较大, 国内企业无论技术水平还是市场份额方面，跟一流的光伏逆变厂商存在巨大的差距。但是，不少国内企业已经在逆变器行业已经研究多年，已经具备一定的规模和竞争力，虽然在逆变器技术质量、规模上与国外企业仍然具有较大差距，但未来光伏逆变器市场的巨大发展空间和发展潜力给国内外光伏逆变器企业带来了新的历史机遇。目前国内已有大批光伏发电工程建成并投入运行，着眼于未来,我国光伏产业的发展前景会更为广阔。1.3课题研究方法(1
13、)分析三相逆变器的拓扑结构并建立数学模型。 本文对三相PWM逆变器的拓扑结构进行了对比分析,并在此基础上建立了三相PWM逆变器分别在三相静止坐标系,两相静止坐标系和两相旋转坐标系下的数学模型,为并网系统控制的设计奠定了基础。(2)三相PWM逆变器的控制系统设计(3)三相并网逆变系统软件设计(4)三相并网逆变系统硬件电路的设计2 三相光伏并网逆变器的工作原理及控制策略分析2.1 三相光伏并网逆变器的工作原理 光伏逆变器最主要的功能即完成 DC 到 AC 的转变除此功能之外，还应该设有显示及设置、通信、系统保护、存储等功能，其工作原理框图如图2-1所示。逆变器在工作过程中通过采集8路模拟输入信号，
14、经过DSP数据运算处理后，发出PWM波形控制信号，控制功率主电路开关器件，经过滤波后，产生跟电网同频同相的电流，并入电网。在设备运行过程中，需要实时地显示逆变器的运行参数和运行状态，还可以通过逆变器上的按键，对逆变器本身的参数进行设置。同时，通过计算机跟逆变器之间组成上位机和下位机，实现上位机对下位机的实时监控。针对以上工作原理，本小节具体设计了三相光伏并网逆变器的主电路拓扑结构、LCD显示及设置以及上位机通信等模块。功率主电路结构系统参数存储太阳能电池板交流电流电 网直流电流 采样 主控制芯片串行总线串行总线工业以太网上位机通信显示及设置 图2-1 三相光伏并网逆变器的工作原理框图2.1.1
15、三相光伏并网逆变器主电路拓扑结构的设计 在单相并网技术中，前级BOOST升压电路+全桥(或半桥)开关电路+LC滤波电路的方式，较为常用(如图2-2所示)。在三相并网逆变器的主电路设计中，有多种结构可供选择，目前电压型三相PWM波形并网逆变器是一种比较成熟的主电路拓扑13-14。 图2-2 电压型单相光伏并网逆变器电路拓扑结构a. 电压型三相PWM波形并网逆变器 电压型三相并网逆变器的主电路拓扑结构如图2-3所示，该电路采用三相桥式结构，通过对IGBT或MOSFET等功率开关施加一个驱动信号，使交流侧输出三个幅值、频率相等，相位相差120度的正弦波波形信号，经过LC滤波电路后并入电网。该电路具有
16、电路拓扑结构简单，易于控制，功率开关电压应力低等优点，可以采用谐振支路、谐振缓冲等逆变技术来是实现功率器件的软开关。 图2-3 电压型三相PWM波形并网逆变器 滤波电路的选择上，可以选L型滤波、LC型滤波、LCL型滤波等不同的结构。在图2-4中，上边波形表示电压信号，下边波形表示电流信号。在100A电流经过L型滤波器和LC型滤波器可以看出，经过LC滤波器后，谐波分量明显好于L型滤波器。随着电流增大到600A时，此时发现LC滤波效果仍是明显好于L型滤波器。虽然LCL滤波器的滤波效果是最好的，但是在三相逆变器并网控制系统中，如果使用LCL滤波器后，容易引起系统的谐振，在谐振频率处会产生一个很大的谐
17、振尖峰，所以在滤波器的选择上，最终选择LC组成的二阶低通滤波器。 图2-4 L型与LC型滤波器波形比较b. 电流型三相PWM波形并网逆变器 电流型三相PWM并网逆变器拓扑结构如图2-5所示，电池板直流侧接电感，使电流近似为平滑的直流;交流侧由L, C组成二阶低通滤波器，以滤除交流侧电流中的开关谐波;开关器件由可控器件(IGBT, MOSFET等)与二极管串联组成，利用二极管反向截止，正向导通的特性。并网逆变器交流侧等效为受控电流源，直流侧等效为受控电压源，交流侧电流与调制波信号成正比。 图2-5 电流型三相PWM并网逆变器拓扑结构 虽然电流型PWM逆变器可工作在直流电压低于电网电压峰值的场合，
18、且能够实现直流电压宽范围调节，但电压型PWM逆变器技术更加成熟，其良好的双向并网逆变能力更适用于光伏并网系统中is综上所述，电压型三相PWM逆变器技术相比较更加成熟，逆变后的滤波电路一般采用LC组成的低通二阶滤波器的设计，图2-3为该系统最终采用的主电路拓扑结构。2.1.2逆变器显示及设置功能的设计 为了使人们更好的了解逆变器的工作情况，逆变器需要实时显示一些运行参数和运行状态，包括:电池板电压、电池板电流、电网电压、电网电流、输出功率及电网频率等参数，逆变器开机、关机、并网、运行或出错等运行状态。通过逆变器的显示装置，可以更好的对设备进行监控，对设备运行过程中出现的问题进行分析，以此不断的完
19、善逆变器的功能和设计。除此以外，逆变器还需要设置一些本设备信息，包括:本机1D号、电表地址、网络地址、时间设置、错误信息记录等。本机1D是为了让多台逆变器之间相互区分，电表地址则是为了让每台逆变器能顺利读取电能表的总电量，网络地址和时间设置是满足逆变器跟上位机通信和系统功能设计的需要。为了更好的实现人机交互，制作优美的人机界面和按键设置功能成为了逆变器显示及设置功能的关键。考虑到光伏逆变器显示的参数一般不超过32个汉字，选用FYD 12864液晶芯片作为显示器，制作了一种光伏逆变器的显示及设置模块，如图2-6所示，从成本和性价比方面考虑，该模块具有较大优势。此外也可以选用触摸屏显示器设计，但此
20、芯片成本偏高。在该显示模块的设计中，利用DSP的SPI接口跟液晶芯片连接，选择3个GPIO口制作了键盘，使整个显示界面简约、操作简便。 图2-6 逆变器显示及设置实物图 设计逆变器显示及设置模块功能时，需要存储一些设备信息，并要求设备掉电后信息不丢失(逆变模块的错误信息记录、本机器的id号等)。逆变器错误信息记录保存着该逆变模块在一段时间内所出现的工作问题点，便于对该模块进行分析和维护，机器记号则是每台机器的身份认证，便于上位机对其控制和操作。逆变器在每次启动后，系统的一些重要信息便从存储芯片中被读出，同时要求可在线写入，不像一次性固化ROM那样，只允许读写一次，又不像RAM那样，虽然可以多次
21、擦写，但是掉电后数据消失。一般选用铁电存储器作为片外扩展存储器，用来保存一些设备固定信息，该器件相对EEPROM或其他非易失性存储器，具有结构简单，系统可靠性高等诸多优点。在逆变器时间设置功能中，通过DSP的SPI总线外接一个口历时钟，来实现实时显示功能，并且，可以通过时间设置功能对该口历时钟芯片进行初始化设置。2.2 三相光伏并网逆变器的控制策略分析三相光伏并网逆变器在控制过程中，首先应该满足光伏并网原理，其次考虑空间矢量脉宽调制(SVPWM)、最大功率跟踪(MPPT)、孤岛检测等具体算法。本小节将介绍光伏并网原理、MPPT算法、孤岛检测算法，另外SVPWM算法将在第三章中作详细介绍。2.2
22、.1 三相光伏并网逆变器的并网原理根据图2-3所示的主电路拓扑结构，并网输出端电路等效为图2-7所示。 图2-7 三相并网逆变器并网输出端等效电路图 在并网逆变器的设计中，通过输出PWM波形的电压信号，跟电网电压波形信号之间相差一定的角度差，使之满足如图2-8所示的矢量关系，从而实现电压跟电流的同频同相并网。 图2-8 并网矢量关系图 在图2-10中，U,、信号为通过IGBT等开关器件发出的电压矢量，UY,、表示电网电压矢量，U:表示滤波电感的电压矢量。在一个控制周期内，UY,、通过采样取得，可以看成是己知值，U:根据当前流过电感的电流即并网电流乘以jrL求得，故此也是己知值，为了使并网电流跟
23、电网电压同频同相，则UL , U,.,、必须满足垂直关系，此时U,、值也就变成了可求量。在该三相光伏并网逆变器的控制算法中，通过SVPWM算法中的坐标变换将U,、分解成U、和U。两个量来分别控制。设电网相电压为UG, Ub,认，相电流为IG , Ib ,人，经过坐标变换后，变化为:竹气l . L。四个量，其满足如下关系: 在式2-1中，PI(ef - var- input- var)函数中，I ref和0为参考变量，L、和L。为输入变量。通过使用PI控制器，来达到调节控制UP、输出的目的。2.3 本章小结 本章首先讨论了三相光伏并网逆变器的整机功能，针对不同的功能设计了不同的模块来实现。在DC
24、到AC的逆变功能设计中，比较了电压型三相全桥、电流型三相全桥、电压型三相半桥PWM波形并网逆变器主电路，最终确定电压型三相全桥作为该系统的主电路拓扑结构。在逆变器显示及设置、通信等功能中，根据逆变器的自身要求，设计了一款显示良好、通信稳定的人机交互界面。分析了该逆变器拓扑结构下的光伏并网原理，对并网控制过程中的MPPT算法、孤岛检测算法做了详细地叙述，确定了适于该逆变器系统的并网控制算法。 3 SVPWM算法及系统Matlab仿真本章将介绍三相光伏并网逆变器并网控制过程中的SVPWM算法。首先介绍PWM脉宽调制技术的发展、SVPWM调制的原理以及SVPWM算法产生的数学理论依据;分析该三相光伏
25、并网逆变器的等效电路，以及SVPWM算法中的扇区划分、矢量作用时间、开关矢量的占空比等具体算法;最后，通过Matlab/Simulink仿真工具，对三相光伏并网逆变器系统进行了仿真。3.1 SVPWM算法的原理及数学理论推导3.1.1 PWM的定义、发展过程PWM脉宽调制技术(Pulse Width Modulation，是用一种参考波(通常是正弦波，有时为梯形波或方波)为调制波，以N倍于调制波频率的三角波为载波进行波形比较，在调制波大于载波的部分产生一组幅值相等，宽度正比于调制波的矩形脉冲序列用来等效调制波，用开关量取代模拟量，通过对电子开关器件的通/断控制，实现对输出波形的调制。当调制波为
26、正弦波时，输出矩形脉冲序列的脉冲宽度按正弦规律变化，该调制技术又称为正弦脉宽调制技术(SPWM ) oPWM技术的发展是一个逐渐完善的过程。1963年，F.G.Turnbull提出了消除特定谐波发;1964年，A.Schnoung和H.Stemmler把通信系统中的调制技术应用于交流传动逆变器中，产生了SPWM技术;英国Bristol大学的S.R.Bowes对该技术进行了推广和应用，使SPWM技术成为了广泛关注的焦点;1983年，J.Holtz等人又提出了SVPWM技术，该技术从用于异步发电机的角度出发，采用以电动机磁链圆形轨迹为目的的控制方法，因而使用起来更加方便;1977-1986年，G.
27、S.Buja,F.C.Zack和K.Taniguchi等人提出了电流谐波小、效率高、转矩脉动小的PWM方法;1980年，A.B.Plunkett提出了电流滞环比较PWM技术，以及在该技术基础上发展起来的全数字化无差拍PWM技术;除此之外，1993-1994年A.M.Trzgnadlowshy, V.G.Agelidis等人提出了随即PWM技术Zs 随着逆变器的广泛应用，以及电力电子技术的飞速发展，PWM技术己经成为逆变技术的核心。尤其是近几年，微处理器的应用和数字化控制的飞速发展，更加促进了PWM技术的发展。3.1.2 SVPWM的调制原理 间矢量脉宽调制可以等效为三个角度互相差1200的正弦波电压信号，跟载波三角波相比较，与正弦脉宽调制相比，略有所不同。正弦脉宽调制是用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断，使输出脉冲电压的面积与希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等9 o SPWM的调制原理如图3-1所示: 图3-1 正弦波脉宽调制原理_