三相并网逆变器电流闭环矢量控制方法的研究与实现(附件)【字数：11615】
摘 要近年来，世界能源匮乏和环境污染加剧，让可再生能源登上世界舞台。其中太阳能不仅是一次能源，也是可再生能源。太阳能作为一种取之不尽的自然资源，不仅可以免费使用，又无需运输，而且不会对环境构成威胁，因此成为当下最受欢迎的新能源之一。当前，太阳能有被动式利用（光热转换）和光电转换两种方式。但是，目前太阳能利用的发展水平，因技术不成熟、控制方法不成熟、效率不够高等原因，还不能与常规能源相竞争。而并网太阳能技术作为当今世界发展最快的技术，其效率和性能仍在开发中。本课题介绍了多种拓扑结构，并详细分析了通过对并网逆变器基于电网电压矢量控制的方法，来提高可再生能源的利用效率与性能。基于电网电压定向的矢量控制（VOC）实质上是一种电流矢量控制。介绍了基于电压控制的三相并网逆变器的拓扑结构和控制方法。在基于电网电压控制中，运用了一种电流控制环，也就是说电流控制器是该控制方式的关键技术之一。本文主要采用的是PI控制器。因为电流控制回路是由一种同步旋转的dq框架控制的，参考电流从前系统的d轴控制器中提取，通过控制d，q轴电流来控制逆变器的有功功率和无功功率，从而提高系统的效率，改善并网电能质量。此外，本文给出了加入锁相环的控制系统基于Matlab/Simulink环境下的系统仿真和仿真结果。该仿真和实验验证了该方案运行效果良好，目前的控制器可以改善系统的动态质量，并有助于通过追踪指令改善非稳态误差。
目 录
第一章 绪论 1
1.1光伏系统研究背景 1
1.2光伏逆变器研究现状和意义 2
1.3本文的主要研究工作 3
第二章 三相光伏并网逆变器的结构和分类 4
2.1三相光伏并网逆变器的结构 4
2.2三相光伏并网逆变器的分类 4
2.3光伏并网技术原理和分类 5
第三章 三相并网逆变器理论基础 8
3.1三相并网逆变器并网控制技术 8
3.2（a,b,c）坐标系到（d,q）坐标系变换 8
3.3（a,b,c）坐标系到（α,β）坐标系变换 9
3.4锁相环（PLL） 10
3.5三相正弦脉宽调制技术 10
第四章 三相并网逆变器的控制策略 13
4 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
.1基于电网电压定向的矢量控制的基本原理 13
4.2控制器设计 17
第五章 仿真与实验 18
5.1仿真模型 18
5.2结果 19
第六章 总结 22
结束语 23
致 谢 24
参考文献 25
绪论
1.1光伏系统研究背景
能源是社会发展最重要的基础性资源之一，是社会发展的原动力[1]。而当今世界在高速发展的同时也面临着能源枯竭这一重大问题，为保证人类稳定持久的能源供应人们纷纷把目光投向如何开发和利用新能源上。新能源又被称为非常规能源，是不包括煤、石油、天然气等化石能源的其他新型形式的能源，是指刚开始开发利用或正在积极研究和推广的能源，如太阳能，地热能 ，风能，海洋能，生物质能和核聚变能。自从日本福岛核泄漏事件后，近年来核聚变能能否安全使用这个话题一直处于风口浪尖，而太阳能作为一种取之不尽的自然资源，不仅可以免费使用，又无需运输，而且不会对社会和环境构成安全威胁，因此成为当下最受欢迎的新能源之一。
太阳能资源的主要利用方式就是将光能转化为电能，他主要利用暴露在阳光下的光伏面板输出直流电。这种光伏面板由固体光伏电池（由半导体材料制成的薄状固体）组成，可长时间操作而不会导致任何损耗[2]。并且较复杂的光伏系统还可为电网供电，通过并网型逆变电路发电是解决电能不足和当前化石能源紧缺的一个至关重要的举措，也是目前新能源发电领域的一个成长方向。
逆变器（inverter）又称变流器、反流器，亦称反用换流器、电压转换器，是利用高频电桥电路将直流电转化为交流电的一个重要电力电子组件，由逆变桥，控制逻辑和滤波电路组成[3]。逆变器根据不同的逆变源分为太阳能逆变器，风能逆变器等；根据直流侧电源种类的不同，可分为电流型逆变器和电压型逆变器；根据逆变器的输出相数，可分为单相逆变器和三相逆变器；又根据有无隔离变压器，可将逆变器分为隔离型逆变器和非隔离型逆变器；根据使用范围和用途的不同，可分为独立控制逆变器和并网逆变器[4]。
本论文主要以光伏并网发电系统为契机，结合我国光伏并网发电特征对其运行控制方法进行研究，开发出了一种基于空间矢量调制的三相光伏并网逆变器的控制策略，该系统凭借单位功率因数向电网回馈电能[56]。通过建立将三相并网逆变器的A、B、C三相基于三相静态坐标系转换为两相dq同步旋转坐标系下的数学模型，在此基础上给出了基于SPWM的网侧电流闭环控制策略，由同步旋转坐标系下的参考电流实现了对并网电流有功分量和无功分量的独立控制，并给出了带有跟踪作用的锁相环 (PLL) 技术的实现方法和电流环的设计，来改善并网电流质量，实现高功率因数并网[78]。
1.2光伏逆变器研究现状和意义
荷兰咨询公司Solarplaza日前发布全球新兴市场太阳能光伏报告，盘点了新兴市场中排在前五十的在营太阳能光伏项目。截止2017年6月底，菲律宾太阳能装机容量已经达到900兆瓦。报告中认为，菲律宾太阳能光伏市场是有前景的。另巴基斯坦凭借其著名的QuaideAzam太阳能公园项目顺利跻身全球新兴市场前十位，该项目装机容量达到400兆瓦，已于2017年末完成融资，未来还将扩展600兆瓦使其总装机容量能够突破1吉瓦。国际能源署最新数据显示，太阳能电力已经成为许多国家成本最低的新增电力，尤其是在亚洲国家，如中国和印度。同时国际能源署预计，未来25年，全球能源需求增量首先将由太阳能光伏等可再生能源和天然气来满足，面对如此严峻的能源问题，技术开发与利用刻不容缓。
当今科研领域光伏发电系统有独立和并网两种基本应用形式。并网发电系统将光伏组件产生的直流电通过逆变器转换并与电网连接，与独立发电系统相比，光伏并网发电系统占总装机容量的99%以上，并且不必考虑负载供电的稳定性和供电质量，因此，本文的研究对象为三相并网逆变器，他在新能源光伏系统中是不可或缺的重要一环，是并网发电的焦点。
另外，由于当前并网逆变器多种多样的拓扑结构，以至于衍生出各种各种相应的控制策略，例如滞环电流控制，无差拍控制和空间矢量控制等。滞环电流控制是一种简单的控制方法，它把电流控制和PWM结合并优化。顾名思义，滞环是指他的电流上限和下限所构成的一个回路，并将实际电流与其电流的上限和下限进行比较，并将交点作为切换点。滞环电流控制的特点如下所示：
1）滞环电流控制是一种基于电流暂态控制的控制方法，他拥有和电流暂态控制一样的优点，如动态响应速度快，鲁棒性好；
2）滞环电流控制是有隐含载波的变频正弦脉宽调制方式。工作时，滞环电流控制着的隐含载波频率在三相高功率因数整流器中随着电网电压做周期性变化，且变化的频率为工频的两倍；
3）因为滞环电流控制的输出频谱范围过为宽泛，致使滤波更加困难而更容易保持原有波形，且谐波能量可以均匀分布在更宽的频带范围内，而受到广泛应用[910]。但如此优质的控制策略也是一把双刃剑，在应用广泛的同时会使增大开关频率变化幅度，极易引起脉冲电流和开关噪声。
无差拍控制是一种基于微机的脉冲宽度调制的控制策略，既然是一种基于脉冲宽度调制的控制方法，他的控制方式就与每个采样周期里逆变器的脉冲宽度有关。因此我们由供电系统的当前状态方程和实时输出反馈信号来确定下一个采样周期的脉冲宽度进行控制[1113]。对于线性系统来讲无差拍控制的响应速度快、稳态特性好，但是他的鲁棒性差（即指控制系统在一定的参数改变下，维持某些其它性能的能力较差）；空间电压矢量控制其控制方法是利用坐标系之间的变换，将a，b，c三相变换为两相的变量，对其进行控制。这种控制方法可以提高电压利用率并降低输出电压的谐波。 然而，它有大量的数据和复杂的计算，这就需要一些高速的处理器来协助控制[1416]。
目 录
第一章 绪论 1
1.1光伏系统研究背景 1
1.2光伏逆变器研究现状和意义 2
1.3本文的主要研究工作 3
第二章 三相光伏并网逆变器的结构和分类 4
2.1三相光伏并网逆变器的结构 4
2.2三相光伏并网逆变器的分类 4
2.3光伏并网技术原理和分类 5
第三章 三相并网逆变器理论基础 8
3.1三相并网逆变器并网控制技术 8
3.2（a,b,c）坐标系到（d,q）坐标系变换 8
3.3（a,b,c）坐标系到（α,β）坐标系变换 9
3.4锁相环（PLL） 10
3.5三相正弦脉宽调制技术 10
第四章 三相并网逆变器的控制策略 13
4 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
.1基于电网电压定向的矢量控制的基本原理 13
4.2控制器设计 17
第五章 仿真与实验 18
5.1仿真模型 18
5.2结果 19
第六章 总结 22
结束语 23
致 谢 24
参考文献 25
绪论
1.1光伏系统研究背景
能源是社会发展最重要的基础性资源之一，是社会发展的原动力[1]。而当今世界在高速发展的同时也面临着能源枯竭这一重大问题，为保证人类稳定持久的能源供应人们纷纷把目光投向如何开发和利用新能源上。新能源又被称为非常规能源，是不包括煤、石油、天然气等化石能源的其他新型形式的能源，是指刚开始开发利用或正在积极研究和推广的能源，如太阳能，地热能 ，风能，海洋能，生物质能和核聚变能。自从日本福岛核泄漏事件后，近年来核聚变能能否安全使用这个话题一直处于风口浪尖，而太阳能作为一种取之不尽的自然资源，不仅可以免费使用，又无需运输，而且不会对社会和环境构成安全威胁，因此成为当下最受欢迎的新能源之一。
太阳能资源的主要利用方式就是将光能转化为电能，他主要利用暴露在阳光下的光伏面板输出直流电。这种光伏面板由固体光伏电池（由半导体材料制成的薄状固体）组成，可长时间操作而不会导致任何损耗[2]。并且较复杂的光伏系统还可为电网供电，通过并网型逆变电路发电是解决电能不足和当前化石能源紧缺的一个至关重要的举措，也是目前新能源发电领域的一个成长方向。
逆变器（inverter）又称变流器、反流器，亦称反用换流器、电压转换器，是利用高频电桥电路将直流电转化为交流电的一个重要电力电子组件，由逆变桥，控制逻辑和滤波电路组成[3]。逆变器根据不同的逆变源分为太阳能逆变器，风能逆变器等；根据直流侧电源种类的不同，可分为电流型逆变器和电压型逆变器；根据逆变器的输出相数，可分为单相逆变器和三相逆变器；又根据有无隔离变压器，可将逆变器分为隔离型逆变器和非隔离型逆变器；根据使用范围和用途的不同，可分为独立控制逆变器和并网逆变器[4]。
本论文主要以光伏并网发电系统为契机，结合我国光伏并网发电特征对其运行控制方法进行研究，开发出了一种基于空间矢量调制的三相光伏并网逆变器的控制策略，该系统凭借单位功率因数向电网回馈电能[56]。通过建立将三相并网逆变器的A、B、C三相基于三相静态坐标系转换为两相dq同步旋转坐标系下的数学模型，在此基础上给出了基于SPWM的网侧电流闭环控制策略，由同步旋转坐标系下的参考电流实现了对并网电流有功分量和无功分量的独立控制，并给出了带有跟踪作用的锁相环 (PLL) 技术的实现方法和电流环的设计，来改善并网电流质量，实现高功率因数并网[78]。
1.2光伏逆变器研究现状和意义
荷兰咨询公司Solarplaza日前发布全球新兴市场太阳能光伏报告，盘点了新兴市场中排在前五十的在营太阳能光伏项目。截止2017年6月底，菲律宾太阳能装机容量已经达到900兆瓦。报告中认为，菲律宾太阳能光伏市场是有前景的。另巴基斯坦凭借其著名的QuaideAzam太阳能公园项目顺利跻身全球新兴市场前十位，该项目装机容量达到400兆瓦，已于2017年末完成融资，未来还将扩展600兆瓦使其总装机容量能够突破1吉瓦。国际能源署最新数据显示，太阳能电力已经成为许多国家成本最低的新增电力，尤其是在亚洲国家，如中国和印度。同时国际能源署预计，未来25年，全球能源需求增量首先将由太阳能光伏等可再生能源和天然气来满足，面对如此严峻的能源问题，技术开发与利用刻不容缓。
当今科研领域光伏发电系统有独立和并网两种基本应用形式。并网发电系统将光伏组件产生的直流电通过逆变器转换并与电网连接，与独立发电系统相比，光伏并网发电系统占总装机容量的99%以上，并且不必考虑负载供电的稳定性和供电质量，因此，本文的研究对象为三相并网逆变器，他在新能源光伏系统中是不可或缺的重要一环，是并网发电的焦点。
另外，由于当前并网逆变器多种多样的拓扑结构，以至于衍生出各种各种相应的控制策略，例如滞环电流控制，无差拍控制和空间矢量控制等。滞环电流控制是一种简单的控制方法，它把电流控制和PWM结合并优化。顾名思义，滞环是指他的电流上限和下限所构成的一个回路，并将实际电流与其电流的上限和下限进行比较，并将交点作为切换点。滞环电流控制的特点如下所示：
1）滞环电流控制是一种基于电流暂态控制的控制方法，他拥有和电流暂态控制一样的优点，如动态响应速度快，鲁棒性好；
2）滞环电流控制是有隐含载波的变频正弦脉宽调制方式。工作时，滞环电流控制着的隐含载波频率在三相高功率因数整流器中随着电网电压做周期性变化，且变化的频率为工频的两倍；
3）因为滞环电流控制的输出频谱范围过为宽泛，致使滤波更加困难而更容易保持原有波形，且谐波能量可以均匀分布在更宽的频带范围内，而受到广泛应用[910]。但如此优质的控制策略也是一把双刃剑，在应用广泛的同时会使增大开关频率变化幅度，极易引起脉冲电流和开关噪声。
无差拍控制是一种基于微机的脉冲宽度调制的控制策略，既然是一种基于脉冲宽度调制的控制方法，他的控制方式就与每个采样周期里逆变器的脉冲宽度有关。因此我们由供电系统的当前状态方程和实时输出反馈信号来确定下一个采样周期的脉冲宽度进行控制[1113]。对于线性系统来讲无差拍控制的响应速度快、稳态特性好，但是他的鲁棒性差（即指控制系统在一定的参数改变下，维持某些其它性能的能力较差）；空间电压矢量控制其控制方法是利用坐标系之间的变换，将a，b，c三相变换为两相的变量，对其进行控制。这种控制方法可以提高电压利用率并降低输出电压的谐波。 然而，它有大量的数据和复杂的计算，这就需要一些高速的处理器来协助控制[1416]。
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