单向逆变器并网控制方法设计与仿真 - 图文

本科毕业设计（论文）

单向逆变器并网控制方法设计

与仿真

***

燕 山 大 学

2012年 6月

本科毕业设计（论文）

单相逆变器并网控制方法设

计与仿真

学院（系）：里仁学院 专 业：08级应用电子 学生 姓名：*** 学 号：*** 指导 教师：*** 答辩 日期：2012年6月17日

燕山大学毕业设计（论文）任务书

学院：电气工程学院 系级教学单位：电气工程及其自动化 学 学生 专 业 *** *** 应电08-2 号 姓名 班 级 题目名称 题目性质 题目类型 题目来源 主 要 内 容 单相逆变器并网控制方法设计与仿真 1.理工类：工程设计 （ ）；工程技术实验研究型（ ）； 理论研究型（√ ）；计算机软件型（ ）；综合型（ ）。 2.管理类（ ）；3.外语类（ ）；4.艺术类（ ）。 1.毕业设计（√ ） 2.论文（ ） 科研课题（ ） 生产实际（ ）自选题目（√ ） 题 目 1、单相逆变器并网工作的研究 2、滤波器在电路中的作用 3、并网控制方法的研究 4、采用LCL滤波器的并网过程仿真研究 基 本 要 求 参 考 资 料 1. 掌握并网工作的基本原理； 2. 给出电路设计的具体方案； 3. 学习matlab仿真软件； 4. 绘制A0图纸一张，论文一本。翻译英文文献一篇。 1、 电力电子技术 电工技术学报等期刊杂志 2、三相电压型整流器的LCL滤波器分析与设计 电力电子 3、新能源并网发电的控制研究 电力系统保护与控制 4、DC-DC逆变技术及其应用 陈道炼 机械工业出版社 周 次 1～3周 4～8周 9～10周 11～14周 应 完 成 的 内 容 15～17周 查阅相关的中文资料，熟悉控制方案的主电路的确系统仿真研控制方法的工确定，控制电撰写论文，答辩 定，参数设计 究 作原理，翻译路的设计 一篇英文资料 系级教学单位审批： 年 月 日 指导教师：*** 职称：讲师 2011年12月 30日

第1章 绪论

第1章 绪论

1.1 课题背景

近年来，由于化石类能源日益殆尽和其利用过程中引起的环境污染问题，已经成为限制世界经济可持续发展的主要问题，开发利用清洁的可再生能源受到世界各国高度重视。太阳能作为一种巨量的可再生能源，每天到达地球表面的辐射能量相当于数亿万桶石油燃烧的能量。开发和利用丰富、广阔的太阳能，可以对环境不产生或产生很少污染,太阳能既是近期急需的能源补充，又是未来能源结构的基础。不论是从经济社会走可持续发展之路和保护人类赖以生存的地球生态环境的高度来审视，还是从特殊用途解决现实能源供应问题出发，开发利用太阳能都具有重大战略意义。针对上述问题，开发利用可再生无污染能源已经成为迫在眉睫的事情。从能源供应的诸多因素考虑，太阳能无疑成为可持续发展的理想绿色能源。全球能源专家一致认为，太阳能将成为21 世纪最重要的能源之一 。

当今世界能源形势异常严峻，现代工业的高速发展使环镜污染日趋严重，可开发利用资源日益减少，世界性的能源危机威胁着世界各国经济的发展，石油价格上涨直接影响和改变人类的生存状况。随着经济的发展、人口的增加和社会生活水平的提高，未来世界能源消费总量将持续增长，可以被人类使用的能源总有一天会枯竭。随着化石能源的逐步消耗，摆在人类面前的资源问题已不容忽视。进入70 年代后，由于2 次石油危机的影响，光伏发电在世界范围内受到高度重视,发展很快。从远期看，光伏发电将以分散式电源进入电力市场，并部分取代常规能源；从近期看，光伏发电可以作为常规能源的补充，解决特殊应用领域，如通信、信号电源，和边远无电地区生活用电需求，从环境保护及能源战略上都具有重大的意义 。

1.1.1太阳能资源

全球气候变化是当前社会普遍关注的重大全球环境问题。自从工业时代以来，人类物质文明得到了高度的发展，与此同时，地球生态环境也遭到了严重破换和恶化。过去的100年，化石能源的大量开发和利用，是造成大气

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和其他类型环境污染与生态恶化的主要原因之一。太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。人类对太阳能的利用有着悠久的历史。我国早在2000多年前的战国时期就知道利用钢制凹面镜聚焦太阳光来点火，利用太阳能来干燥农副产品。发展到现代，太阳能的利用已日益广泛，它包括太阳能的光热利用、太阳能的光电利用和太阳能的光化学利用等。太阳能作为一种新能源，它与常规能源相比有三大优点 。

(1)太阳能是人类可以利用的最丰富的能源。据估计，在过去漫长的11亿年中，太阳能仅消耗了它本身能量2% ，可以说是取之不尽，用之不竭。

(2)地球上，无论何处都有太阳能，可以就地开发利用，不存在运输问题，尤其对交通不发达的农村，海岛和边远地区具有利用的价值。

(3)太阳能是一种洁净的能源，在开发和利用时，不会产生废渣、废水、废气，也没有噪声，更不会影响生态平衡。

1.1.2光伏发电的现状和前景

在太阳能的有效利用中，太阳能发电系统是近些年来发展最快，也是最具活力的研究领域，是其中最受瞩目的项目之一。太阳能是一种辐射能，利用太阳能发电是将太阳光转换成电能。目前，太阳能发电有两种方式：一种是光-热-电转换方式，另一种是光-电直接转换方式。为此，人们研制和开发了太阳能电池，设计和建设独立、并网的光-电直接转换太阳能发电系统，有专家认为太阳能发电量最终将在电力供应中占20% 。

20世纪70年代后，随着现代工业的发展，全球能源危机和大气污染问题日益突出，全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能够改变人类的能源结构，维持长远的可持续发展。20世纪80年代后，太阳能电池的种类不断增加，应用范围日益广阔， 市场规模也逐步扩大。20世纪90年代后，光伏发电技术快速发展。2006年，世界上已经建成10多座MW级光伏发电站。美国是最早制订光伏发电发展规划的国家，1997年又提出“百万屋顶”计划。日本于1992年就启动了新阳光计划。20世纪90年代后期，光伏发电发展更加迅速，1990~2005年世界光伏组件年平均增长率约为15%，1999年光伏组件

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第1章 绪论

生产达到200MW 。商品化太阳能电池效率从10%~13%提高到13%~15%，生产规模从1~5MW/a发展到5~25MW/a，并正在向50MW/a甚至100MW/a扩大。

发达国家近几年来主要开拓的市场是屋顶式并网太阳能光伏发电系统，其原因是发 达国家的电网分布已很密集，电网峰值用电的电费高，而并网太阳能光伏发电不用蓄电池，太阳光好的地区采用光伏发电的电价已接近商品电价。人们预测10年后屋顶并网太阳能光伏发电系统将大规模推广应用。自20世纪90年代以来，国外发达国家重新掀起了发展并网太阳能光伏发电系统的高潮，这次不是建造大型并网太阳能光伏电站，而是发展屋顶并网太阳能光伏发电系统 。

20世纪80年代，美国就已经开始了并网太阳能光伏发电的努力，制订了PV-USA计划，即太阳能光伏发电规模应用计划，主要是建立100kW 以上的大型并网太阳能光伏发电系统，最大的系统计划达10MW，但是由于成本高，电力不可调度，不受电力公司欢 迎。1996年，在美国能源部的支持下，又开始了一项“光伏建筑物计划（PV-BONUS ）”，计划投资20亿美元。美国目前电力的2/3用于包括为民用住宅建筑在内的各类建筑物供电，光伏建筑物计划的目标是采用太阳能光伏发电缓解建筑物的峰值负荷，并探求未来清洁的建筑物供电途径。除了屋顶并网太阳能光伏发电系统外，一些发达国家还在其他光伏发电技术应用方面做了大量工作，主要有以下几个方面 :

a.风光柴互补发电系统。为进一步降低发电成本，国外在风光柴混合发电系统上做了大量的示范工作和经济对比。还开发了混合发电系统的优化软件，实现最合理、最经济的供电方案。

b.未来与汽车配套的太阳能光伏发电系统。太阳能光伏发电系统在汽车行业有很大的潜在市场，国外已经开发出较成功的可以为电动汽车蓄电池充电的太阳能快速充电系统。

c.太阳能制氢加燃料电池的再生发电系统。芬兰的NAPs 已经完成这一发电系统的示范工程。该系统属于最清洁的再生能源发电系统，对于冬夏太阳能辐射差异很大、采用蓄电池极不经济的高纬度地区，通过这种办法利用太阳能将会十分有效。

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d.再生能源海岛供电系统。海岛是一个特殊的环境，由于其淡水的缺乏，燃料的昂贵，使得可再生能源有了用武之地。国外已经对海岛上应用风光柴混合发电系统做了大量示范工程，为海岛供应电力和淡水。

1.2光伏发电并网系统

一般能源其原始状态到输入电网的过程大体可分为：能源转化、能量转移或二次转化、能量存储及功率控制等步骤。各种能源由于其转化为电能的方式不同，将其送入电网时必须使用交流技术按用户的要求对其进行调整和控制；另外，大部分可再生能源直接产生的能量通常是不稳定的，它们在并网时如果不加控制和调节，就会对电网造成冲击，同时为了保证将尽可能多的有功能量送入电网，在可再生能源发电系统中还要加上储能环节，这些过程都需要利用变流技术对其进行控制，因此可再生能源在从其原始状态转化到可供人们实际应用的电能过程中与变流技术是密不可分的。一般的可再生能源并网发电系统由直流侧处理电路、储能装置，直流负载，逆变器、滤波电路等组成，其系统组成结构图见图1-1：

可再生能源DC/DC电路AC/DC电路直流侧处理电路储能装置（蓄电池组）控制器滤波电路逆变器（DC/AC电路）直流负载公共电网交流负载图1-1 太阳能并网发电系统组成结构图 直流侧处理电路主要是DC／DC电路或AC／DC电路，由于可再生能源有多种形态，且转化为电能的方式不同，决定了可再生能源在转化为直流电能时有不同的直流侧处理电路，如光伏发电需使用DC／DC电路，而风力发电则需使用AC／DC电路(整流器)。

控制器及储能装置的主要作用是当可再生能源受外界因素的影响很大时，经转化后的电能很不稳定，此时需要采用储能装置将电能储存起来，这

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第1章 绪论

样不仅有利于能量回馈的控制，而且可以使系统更加稳定的运行。

逆变器是可再生能源并网发电系统的核心组成部分。并网用逆变器除了能将可再生能源产生的电能输送给公用电网外，还应该具有很高的可靠性、完善的保护功能以及较高的效率。目前，可再生能源并网发电系统的主要研究热点也集中在逆变器这部分。

滤波电路包括滤波器和隔离变压器。隔离变压器的主要作用是保证逆变电压和电网电压匹配，同时使电网和可再生能源发电系统相互电气隔离；滤波器的主要作用是用来滤除并网电流的谐波。

1.2.1并网逆变器的研究现状及趋势

人们对可再生能源并网发电的技术进行了大量的研究，并使得该技术得到了迅速的发展和应用。目前广泛应用于太阳能电网系统中的方案是；首先将太阳能源转化成电能的形式，然后将电能调节成满足正弦波脉宽调制SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation)全桥逆变器需要的直流电压，最后经SPWM全桥逆变器将可再生能源回馈给交流电网。在整个系统中最主要的环节就是逆变器，它采用的是SPWM逆变技术。在理论和实践上，这种方案能够满足太阳能源回馈电网的要求，但由于该方案使用了同步、锁相(PLL)、SPWM脉冲发生器、低通滤波等诸多模拟环节，而且控制方法比较落后，因此使得并网逆变装置的控制繁琐，电路复杂，可靠性低，硬件成本高，并网效果不是十分理想，产品价格昂贵，应用得到限制。

但是，随着世界各国对可再生能源开发重视程度的不断提高，针对并网逆变器的技术研究也越来越多，人们针对以往控制技术的不足，纷纷提出了很多的研究方向，其大体可以分为以下几个方向：

①并网逆变器的拓扑分类及控制方法的研究

目前研究人员提出针对不同的系统要求，逆变器应该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、低成本的单极变换器；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；功率单向流动、双向等各种形式。如：并网逆变器采用双向功率流动的拓扑，在并

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网工作时，既可以向电网提供电能，同时也可以当电网电能富足时，从公用电网吸收电能，并将其存储起来。因此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。

在控制方法上，随着各种高速的数字信号处理器DSP(Digital Singnal Processor)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将越来越多。并且针对各种控制方法的缺点，将模拟控制和数字控制相结合以到达理想的控制效果，这也是目前研究高性能并网逆变器的一个热点。

②逆变器并网控制技术的研究

研究人员认为作为一个功能完整的并网逆变器系统，其工作模式应比通常的独立逆变器更为复杂，它不仅可在无市电接入时独立作为电压源逆变，也能在并网时作为电流源工作。针对这些要求，在逆变器并网控制技术上提出了以下几个方面的研究方向：

(1)逆变器两种工作模式的无缝切换技术； (2)逆变器工作过程中的同步锁相和电压跟踪技术； (3)并网工作下的防孤岛技术；

(4)达到并网电压、电流谐波标准的闭环控制技术。 ③多台并网逆变器并联技术的研究

多台逆变器并联可实现大容量供电和冗余供电，因而被公认为当今逆变技术发展的重要方向之一。多台逆变器并联实现扩容可大大提高系统的灵活性，使系统的体积重量大为降低，同时其主开关器件的电流应力也可减少，从根本上降低成本和提高功率密度及系统可靠性。研究者认为目前主从式结构是可再生能源并网发电系统比较理想的电路结构，而主从式结构就是采用多组逆变器模块并联运行的模式，即在并联的若干个逆变模块中，任意选取一个作为主逆变模块，而其余作为从模块跟随主模块工作，因而该结构能极大的提高可再生能源并网发电系统的可靠性，实现功率合成，增强故障冗余能力。国外一些发达国家都采用了主从式的逆变并网结构，在国内目前此技术还不够成熟。

④ 逆变器并网滤波器设计的研究

并网逆变器在工作时有电压控制和电流控制两种工作模式。在电压控制

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第1章 绪论

模式下，逆变输出滤波器通常由电感L和电容C构成，它们影响到输出的动态响应。在电流控制模式下，会选用L或LCL的结构，主要由电感元件决定输出的动态响应。研究人员认为逆变器作为电压源独立运行时，滤波器应通常采用LC结构i逆变器作为电流源并网时，则可以直接通过L、LC或者LCL和电网相联。现在更多的研究和产品选择LCL结构，采用LCL的结构比LC结构有更好的衰减特性，对高频分量呈高阻态，抑止电流谐波，并且同电网串联的电感L还可以起到抑止冲击电流的作用。

1.3 本文结构及主要内容

第1 章为本论文的绪论，阐述了光伏并网发电系统的研究背景、意义及分类，并介绍了光伏发电产业在国内外的发展方面现状和前景。阐述了本课题的选题意义及主要内容。

第2章，单相逆变器总体设计。主要描述了并网逆变器的工作原理和设计了主电路的拓扑结构图，给出了主电路拓扑图，并计算了参数。介绍了SPWM控制方式。详细了解了LCL滤波器并计算出了滤波器电感、电容的参数

第3章，设计了单相逆变器的并网模型，介绍了各种控制方式，确定了双电流环的控制方式。

第4章，用matlab仿真软件对系统进行了仿真，开环、单电流闭环和双电流闭环仿真，并在闭环基础上添加了突加扰动仿真。验证了双电流闭环系统的可行性和系统的稳定系。

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第2章 单相并网逆变器总体设计

2.1并网逆变器组成原理及主体电路硬件设计

本文单相并网逆变器的逆变电路采用的是单相全桥式逆变电路，其拓扑结构见图2-1

Q1直流输Ud入C侧Q3L1L2ACQ2CQ4隔离变压器驱动电路及功率放大电路数字信号处理芯片并网电流采样电容电流采样图2-1单相逆变器并网主电路结构图

全桥式逆变器工作原理：图2-1中所示的为逆变器通常使用的单相输出全桥式逆变电路，图中，功率开关元件采用四只IGBT管Q1、Q2、Q3、Q4，由DSP输出的SPWM脉宽调制信号控制驱动IGBT管的导通或截止[9]。当逆变器电路接上直流电源后，先由Q1、Q4导通，Q2、Q3截止，则电流由直流电源正极输出，经Ql、滤波器、变压器初级线圈、Q4后，再回到电源负极。当Q1、Q4截止后，Q2、Q3导通，电流从电源正极经Q3、滤波器、变压器初级线圈、Q2后，再回到电源负极。此时，逆变器输出端已形成正负交变的方波。利用高频SPWM控制，使得两对IGBT管交替重复开关动作，输出等效交流电压，再经过滤波器的作用，使输出端形成正弦波交流信

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第2章 单相并网逆变器总体设计

号。同时，为了给交流侧向直流侧反馈无功能量提供通道，逆交桥各臂都并联了反馈二极管，在两对IGBT管交替重复的过程中，这些二极管还起到了续流的作用。

2.1.1系统主电路参数设计

1．直流侧输入电压Ud的选择

由系统逆变主体电路拓扑结构图可知：并网装置实际上可以看作是一个能量能双向流动的变换器，如果从直流侧流向交流侧看时，它是一个Buck(降压)变换器；当从交流侧流向直流侧看时；它是一个Boost(升压)变换器。由此可以得出这样一个结论：并网系统直流侧的电压必须大于交流侧的峰值电压，否则系统不能正常工作。考虑到工频隔离变压器1：2的变比因数和开关管IGBT的耐压值，选取直流侧输入电压Ud的范围为200～450Vdc。本系统选取Ud?400V

2．直流侧电容的选择

直流侧电容主要作用是缓冲交流侧电感在开关过程中的瞬时能量交换和平稳直流侧输入电压，通常是选用大容量的电解电容器。设直流侧输入开路电压为Ud,直流侧滤波电容的耐压通常应留有1.15倍裕量，即：

Uc?1.15Ud

(2-1)

为简化计算，这里仅立足于工程方法对电容值进行估算，其条件是：在直流母线充放电周期内，电容以最大负载电流放电时，其压降还能保持在要求的范围内，即电容值的选择应以直流母线电压的波动限幅为依据。考虑极端情况，在开关管IOBT导通的时间段内并网电流值完全由电容放电提供，且该时刻并网电流的大小为其峰值，电容C上的电压和电流的关系满足：

?Uc?2ic?t C(2-2)

其中ic为并网电流有效值。?t为开关管导通时间。当要求直流输入电压脉动的幅值小于3％时，电路中平波的选择应按如下方程：

?Uc?300Ud

将式(2-3)代入式(2-2)，可得：

(2-3)

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2ic?ticC??300Ud0.0212Udf(2-4)

并网功率调节系统输出的额定电流为ic?12.86A，直流侧输入工作电压

Ud?400V，开关管IGBT导通频率(也即SPWM载波频率)为f=10kHz，可得C

在理论上取值应大于785uf，在本设计中结合实验效果，直流侧电容选取500V、1000uf的电解电容。

3．开关管IGBT的选择

当并网逆变器电路正常工作时，流经功率开关管IGBT的电流峰值与滤波电感电流峰值一致，同时考虑到余量，则要求开关管的电流额定值必须略大于电感电流峰值的最大值。本课题设计的并网逆变器输出功率为2kW，输出电流峰值约为12.86A。同时考虑到系统余量和隔离变压器1：2的变比因数，选择功率开关管的耐流值应该在50A以上。

在全桥并网逆变电路中，主功率开关管承受的最大电压应超过直流输入侧的最大电压(450V)，同时从余量和线路寄生参数影响等方面考虑，放选取的IGBT耐压值应大于500V。本设计选择日本富士公司的型号2MBIl50NC．060的IGBT作为主功率开关管，它的耐流值和耐压值分别为150A和600V。

2.2 逆变器的SPWM调制方式分析

SPWM(正弦脉宽调制)是调制波为正弦波，载波为三角波的一种脉宽调制法，这项技术的特点是原理简单，通用性强，控制和调节性能好，具有消除谐波、调节和稳定输出电压的多种作用，是一种比较好的波形改善法。它的出现为中小型逆变器的发展起了重要的推动作用。SPWM可分为双极性SPWM调制，单极性SPWM调制和单极性SPWM倍频调制三种，半桥逆变电路只能使用双极性SPWM调制而全桥逆变电路则三种调制方式均用[10]。

双极性SPWM调制方式的原理如图2-2所示，图中调制波us?Usmsin?t，幅值为Usm，频率f??2?。载波uc为全波三角波，频率为fc,幅值为Ucm。同时定义调制比m?UsmUcm为正弦调制波的辅助与三角载波的幅值之比，频率比K?fcf为三角载波与正弦调制波的频率之比。

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第2章 单相并网逆变器总体设计

图2-2 双极性SPWM调制原理

由上图可见，当us?uc时，开关管T1、T4 导通而T2、T3截至，桥臂中点间电压uab?Uin；当us?uc时，开关管T1、T4截止而T2、T3导通，桥臂中点间电压uab??Uin。通过上述过程，就将输入的直流电压转变为脉宽按正弦规律变化的正弦脉冲序列。

下面是单极性SPWM调制方式的原理：

图2-3为单极性SPWM调制原理图，这种调制方式使用半波三角波作为载波，当us大于零时，载波为正的半波；当us小于零时，载波为负的半波。在双极性调制中，四个开关管都工作在高频状态，而在单极性调制中，一对开关管工作在高频状态，而另一对开关管工作在低频状态[11]。当us?0时，T3一直截止而T4一直导通，此时当us?uc时，开关管T1导通而T2截至，桥臂中点间电压uab?Uin；当us?uc时，开关管T1截止而T2导通，桥臂中点间电压uab?0。当us?0时，T3一直导通而T4 一直截止，此时当us?uc时，开关管T1导通而T2截至，桥臂中点间电压uab?0；当us?uc时，开关管T1截止而T2导通，桥臂中点间电压uab??Uin。从上述过程中看出，在输出波形uab中包含有Uin，0和-Uin三个状态，因此这种调制方式也被称为三态调

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制（对应得，双极性调制也被称为两态调制）

图2-3 单极性SPWM调制原理

在前面介绍的两种SPWM调制方式中，桥臂中点间输出电压的频率与器件的开关频率相同，而倍频式SPWM调制则可以在不改变器件开关频率的条件下使得桥臂中点间输出电压的频率提高一倍，从而可以在不增加开关损耗的情况下将谐波频率提高一倍，大大减小了输出滤波器的体积。

倍频调制方式的调制原理如上图2-4所示，它包含有两个基准波us1、us2并且有

us1??us2

(2-5)

ug2信号而us2与载波uc 交截产生ug3、ug4信us1与载波uc交截产生ug1、

号。

输出电压uab的正半周实际上是由信号ug1、ug4的与逻辑决定的。 当ug1、ug4为高电平时，有T1、T4 导通而使得uab?Uin，当ug1或ug4有一个为低电平时，则有T2、T4 或者T1、T3导通而使得uab?0。由于在正半周内,ug1的高电平区恒宽于ug4的低电平区，所以T2、T3没有同时导通的时刻而使得输出电压uab中只包含Uin和0两个电平，而在负半周则输出图电压

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第2章 单相并网逆变器总体设计

uab中只包含0和?Uin两个电平，所以这也是一种三态调制。由于uab在一个

载波周期内有两次状态转变，所以输出电压频率为器件开关频率的一倍。

在小功率逆变电路中，从降低电路成本考虑，一般采用半桥逆变主电路和双极性SPWM调制的方式。而在大功率逆变器中，从减小输出滤波器体积和提高输出波形质量方面考虑，一般采用全桥逆变主电路和单极性倍频的SPWM调制。通过综合选择，确定单极性倍频SPWM调制为本文所采取的调制方式。

图2-4 单极性倍频SPWM调制原理

2.3 LCL滤波器的设计

1. L滤波器

优点：结构简单、控制特性好

缺点：1.谐波衰减率只有-20dB/十倍频；2.若达到好的滤波效果，则增大电感量，使体积加大，在滤波器上产生较大的压降，消耗无功增加；3.产生的电压纹波污染电网。

2. LC滤波器

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采用LC滤波器时，一般考虑逆变器要在并网与独立的双模式下运行。 优点：当逆变器并网运行时，可以忽略滤波电容的影响，相当于单L滤波并网，控制器易于设计。在逆变器独立运行时，电容C的存在可以达到稳定电压的目的。

缺点：在逆变器并网运行时，由于滤波电容C的存在不可避免的影响入网电流质量。

3. LCL滤波器

LCL滤波器的基本思想是利用加入的电容支路为高频开关纹波电流提供低阻通路，起到对高频分量的旁路作用，减少注入电网的纹波电流。

网侧电感L2有时可以用电网侧电感Ls代替，但是Ls不能太小。带有输出升压变压器时，可以利用变压器的漏感，减小、甚至取消L2，以降低成本、损耗和输出阻抗。

优点：抑制开关纹波电流：网侧电感L2和电容C分别对开关纹波呈现高阻和低阻，两者相互配合实现对高频纹波的并联分流，保证了良好的滤波器效果。

抑制开关纹波电压对电网污染：滤波电容C和逆变桥侧电感L1对高频纹波电压进行串联分压，由于电容和电感分别对高频分量呈现低阻抗和高阻抗，纹波电压主要由L1承担，电网承担的纹波电压就大为减小。

缺点：

① 设计需要确定三个自由参数：两个电感、一个电容，并要综合考虑纹波衰减率、滤波电感电压降、电容无功电流、逆变桥纹波电流等因素，具有一定难度。

② LCL滤波器还增加了闭环稳定控制的难度。LCL滤波器在转折频率点存在高幅值的谐振峰，且其相位滞后从-90°急剧变化为-270°，远远超过了自动控制理论中系统稳定的-180°相位滞后条件，因此难以稳定控制。

③ 使用LCL滤波器时，谐振峰的抑制是另一个问题。在功率不高的情况下通常采用在电容支路串联电阻的方法。但是阻尼电阻的引入不但产生了较大的损耗，同时增大了电容支路的高频阻抗，影响了滤波效果。

根据以上分析，由于双模式逆变器较长的时间工作于并网模式，所以必

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第2章 单相并网逆变器总体设计

须保持较高的并网电流质量，因此采用LCL滤波器。在采用适当的控制算法，使用LCL滤波器同样可以使负载电压稳定在要求的范围内。这样就可以使逆变器稳定、高效地工作于独立和并网双模式下

2.3.1 LCL滤波器的选定

逆变电源并网运行时本质上为电流源，高开关频率会造成对电网产生污染的高次谐波，其输出电流会对电网产生严重的谐波污染。传统的网侧滤波器为L滤波器由电感L将高频电流谐波限制在一定范围之内，减小对电网的谐波污染。

但随着功率等级的提高，特别是在中高功率的应用场合，开关频率相对较低，要使网侧电流满足相应的谐波标准所需的电感值太大[12]。这不仅使网侧电流变化率下降，系统动态响应性能降低，还会带来体积过大成本过高等一系列问题。一般的LC滤波器，虽然其结构和参数选取简单，但无法平抑输出电流的高频纹波，容易因电网阻抗的不确定性而影响滤波效果。采用LCL的结构比LC结构有更好的衰减特性，对高频分量呈高阻态，抑制电流谐波，并且同电网串联的电感L 还可以起到抑制冲击电流的作用。要达到相同的滤波效果，LCL滤波器的总电感量比L和LC滤波器小得多，有利于提高电流动态性能，同时能降低成本，减小装置的体积重量。在中大功率应用场合，LCL滤波器的优势更为明显。本章设计一种利用隔离变压器漏感的LCL滤波器，本文对传统的LCL滤波器加以改进，利用隔离变压器漏感，减少了一个电感，在降低成本的同时显著减少并网电流的直流分量，有效抑制谐波污染，提高并网电流质量。

2.3.2 LCL滤波器数学模型及波特图分析

本文设计LCL滤波器的并网逆变器等效原理图如图2-5所示。根据等效原理图可得：

Ui(t)?R1i1(t)?L1di1(t)?Uc(t) dt(2-6) (2-7)

i1(t)?i2(t)?ic(t)

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第3章 并网控制策略的提出

2.重复控制：重复控制理论是在80年代根据生产过程控制的实际需要而提出的控制系统设计理论，近年来这种控制方法也应用于逆变电源的波形控制中，用来克服整流型负载引起的输出波形周期性的畸变。重复控制的基本思想源于控制理论中的内模原理。所谓内模原理，就是指外部信号的动力学模型包含在稳定的闭环控制器内以构成高精度反馈控制系统的一种设计原理。这样的系统能够无静差的跟随输入信号。假定前一个周期出现的基波波形畸变将在下一个基波周期的同一时刻重复出现，控制器根据给定信号和反馈信号的误差确定所需的校正信号，然后在下一个基波周期的同一时间将此信号叠加到原信号上，以消除后面各周期中将出现的重复性畸变。由控制理论知道，含有积分环节的闭环系统可以无静差的跟踪阶越信号。与此类似，当内模中数学模型描述的是周期性的信号时，那么闭环控制只要在其中植入同频率的周期，则该控制系统对此周期性信号可以实现无静差跟踪。因此，重复控制对于消除非线性负载及其他周期性干扰引起的波形畸变，具有非常明显的效果。

重复控制虽然可以保证输出波形质量，但却有一个致命的缺点，由于延迟因子的存在，重复控制得到的控制指令并不是立即输出，而是滞后一个参考周期后才输出，这样，如果系统内部出现干扰，消除干扰对输出的影响至少需要一个参考周期，干扰出现后的一个参考周期内，系统对于干扰并不产生任何调节作用，这一个周期系统近似处于开环状态，因此重复控制系统的动态响应很差，故重复控制一般和其他PWM 控制方式相结合，用来改善输出电压波形。

3.滞环控制方式：图3-4所示为采用滞环比较器的瞬时值比较方式原理图。

i??i?iPWM信号滞环比较器

图3-4 用滞环比较器的电流瞬时值比较控制原理图

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并网电流滞环控制就是将指令电流iref和实际并网电流i进行比较，两者的偏差作为滞环比较器的输入。滞环比较器的环宽为2Δi，其中Δi为设定的最大电流偏移。当i超过iref且偏移达到Δi时，滞环比较器将控制上下桥臂开通和关断，使变压器原边电压正负交替变化。从而迫使逆变器输出电流不断跟踪给定电流的波形，仅在允许偏差范围内稍有波动。

该控制方案的优点是：硬件电路简单易控，属于实时控制方式，动态响应快，有抑制电流尖峰的能力，不用载波，输出中不含特定频率谐波分量。

不足之处是：若滞环的宽度固定，电流跟随的误差范围是固定的，但电力半导体器件的开关频率却随着输出电流和直流侧电压大小变化而变化，这将导致电流频谱较宽，使得检测信号的传感器必须是具有宽频带的高性能传感器，同时增加了滤波器设计的难度，可能会引起间接的谐波干扰。另外，滞环的环宽2Δi较难确定。环宽过大时，开关动作频率降低，跟踪误差增大；环宽过窄时，跟踪误差减小，但开关的动作频率过高，开关损耗增大，甚至会超过可关断器件的允许工作频率范围，导致电路无法正常工作。

4.有功无功解耦控制：光伏发电并网运行时的电路原理和矢量图如图3-5所示，Us为电网电压，U0为逆变器输出电压，R为线路电阻(一般很小可以忽略)，L为串联电抗器的电感，Is为注入电网的电流。有功无功解耦控制下的光伏逆变器并网控制框图如图3-5所示。

IsUsU0U0?IsUlUs

图3-5 并网运行的电路原理图和电路矢量图

图3-5的矢量图可以用电压方程式表示为

U0?MUs(cos??jsin?)

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(2-20)

第3章 并网控制策略的提出

式中M为调制深度。由逆变器输入电网的电流的有功分量和无功分量分别为

Ip?IQ?Msin?Us

X(2-21)

(Mcos??1)Us

X(2-22)

由于α一般很小，因此无功电流可由M来控制，有功电流分量由α来控制。该控制方案就是通过分别控制调制信号的相位α和调制度M来控制逆变器输出电压的幅值和相位，从而达到逆变器并网输出有功功率和无功功率的解耦控制，获得单位功率因数的并网输出电流。这种控制方法可以控制并网功率的有功和无功分量，得到所需要的功率因数。

5.无差拍控制：无差拍控制是一种基于电路系统状态方程的控制方法。它的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，根据每一个输出信号取样周期的起始值，用电路理论预测在关于取样周期中心对称的方波脉冲作用下的逆变输出在取样周期末尾时的值。这个输出值的大小，与方波脉冲的极性和宽度有关，适当控制方波脉冲的极性和宽度，就能使输出信号在取样周期的末尾与输出参考波形相重合。不断调整每一取样周期内方波脉冲的极性和宽度，就能获得谐波失真小的输出。

此算法中，方波脉冲的极性和宽度是根据当前时刻的状态向量和下一采用时刻的参考正弦值计算出来的，由负载扰动或非线性负载引起的输出信号的偏差可在一个采样周期内得到修正。因此，无差拍控制有着非常快的暂态响应，当负载突然变化时，只需几个开关周期就可以调整输出信号，输出能够很好地跟踪给定值，波形畸变率小，即便开关频率不是很高，无差拍控制也能得到较好的输出波形品质。无差拍控制能够使得输出信号的相位与负载关系不大，它通过调节逆变桥的输出相位来补偿输出LC滤波器的相位延时。但是，无差拍控制也存在有缺点：无差拍控制系统的鲁捧性不强；系统的的误差与输出的LC等有关等。

3.3 使用双电流闭环控制策略

尽管LCL滤波器滤除高次谐波效果明显，但是LCL滤波器是一个谐振电

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路，其谐振峰对系统的稳定性及并网电流波形质量有很大影响，所以设计控制器使系统稳定运行是最主要问题。

从系统稳定性进行分析得出：基于并网电流单环PI控制无法使系统稳定运行，采用电感电流i1作为内环电流反馈的电流双环控制对系统稳定性没有明显的改善。本文的逆变器采用电流双环控制策略与电压源逆变器的电压电流双环控制在原理上完全不同。并网逆变器控制为电流源实现并网功能，首先并网逆变器的指令为电流指令，其次电流控制器的响应速度远比电压控制器的快，在设计上内外环不能像电压电流双环一样在设计电流内环时可以忽略电压外环的影响。因此内外环不能独立设计, 需要根据控制器的性能要求同时设计内外环控制器参数。

本论文探索设计的双电流闭环控制就是利用并网电流为外环，电容电流作为内环的反馈控制。采用如图3-6所示的电容电流作为内环反馈的双环控制, 在选择合适的内外环控制器参数情况下完全能够使系统稳定运行的。

i2?-Gi(s)Ic*Gc(s)Uk-G1(s)I1-IcG2(s)UcUsG3(s)i2-图3-6 电感电流外环电容电流内环系统框图

i2kGi(s)Gc(s)G1(s)G2(s)G3(s)?*i2k?i2k1?G1(s)G2(s)?G2(s)G3(s)?G1(s)Gc(s)

式中：G1(s)?1(L1s?R1);G2(s)?1(Cs)；Gc(s)?Kc；

(2-23)

G3(s)?1(L2s?R2);Gi(s)?Kp?Kis。其根轨迹如图3-7所示：

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第3章 并网控制策略的提出

图3-7 电流ic与i2双闭环控制的根轨迹

其中电流内环的目的是消除输出电流中开关频率谐波分量电流，同时增加了系统的稳定性而无需考虑控制精度，为了便于系统稳定性分析，调节器

Gc(s)，Gi(s)选择比例调节器，系统根轨迹如图3-7所示，选择合适的调节

器Gc(s)和Gi(s)可以使系统的根轨迹在复平面的左平面确保系统稳定运行。

3.3本章小结

本文设计了单相逆变器的并网模型，介绍了各种控制方式，确定了双电流环的控制方式。

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第4章 系统仿真及结果分析

系统采用MATLABR2010a进行仿真，在仿真中输入为直流电压400v。滤波器参数为L1?1mH、L2?0.5mH、C?20uF。电网有效电压220v，即峰值电压为311。

4.1单相逆变器开环仿真

LCL滤波的单相逆变器开环仿真模型 如下图4-1所示

4-1单相逆变器开环仿真模型

逆变器侧电感电流iL1和负载侧电感电流iL2波形 如图4-2

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第4章 系统仿真及结果分析

图4-2 电感电流iL1和负载侧电感电流iL2仿真波形

从图4-2所示仿真波形可以看出，电感电流iL1经过LCL滤波器以后输出的电感电流iL2谐波明显减少了，说明主电路的工作正常，LCL滤波器的效果很好。

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4.2 逆变器并网闭环仿真

1.单电流闭环并网仿真如下图4-3

4-3单相逆变器并网单电流环仿真

单电流闭环仿真并网电流与电网电压波形，见图4-4

图4-4 电网电压与并网电流波形图

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第4章 系统仿真及结果分析

2.单相逆变器并网采用双电流闭环控制策略的仿真模型如图4-5所示

图4-5单相逆变器并网双电流环仿真

并网电流与电网电压波形如下图4-5所示

图4-5并网点流于电网电压波形图

单闭环并网电流与双闭环并网点流对比见图4-6

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图4-6单环并网电流与双闭环电流

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/uvo7.html