基于lcl濾波的并網逆變器的設計畢業論文-資料下載頁

　　

【正文】 、LCL濾波器的參數設計；進網電流諧波分析；逆變器側電流諧波分析；系統仿真研究。（2）擬解決的主要問題：如何設計LCL濾波器使系統穩定運行；如何有效擬制并網逆變器交流側輸出電流諧波問題；如何減少輸出電流紋波，提高電流的質量；如何增加網側電流對電網電壓畸變的抗擾性。三、研究步驟、方法及措施 （1）研究步驟：首先查閱資料，了解有關三相并網逆變器的基本知識，然后有針對性的對LCL濾波器設計和雙閉環控制設計方法進行學習。其次找到基于LCL濾波器的三相并網逆變器控制技術研究相關文獻，了解現有基于LCL濾波器的三相并網逆變器控制技術，并熟悉過程。最后設計完成主電路和控制電路，并利用Matlab進行仿真。（2）研究方法：通過上網查找資料和閱讀學校圖書館的相關書籍作好理論知識的儲備；相關軟件及優化設計理論的學習；擬定以各種參數為變量的不同的方案進行對比，對比方法包括理論計算和計算機 輔助設計和分析：對分析數據和結果進行全面的歸納整理，選擇最優方案并撰寫論文。四、研究工作進度： 查閱資料，、工作原理及系統構成 。（14周） 完成主電路和控制電路方案選擇，對所設計系統進行理論分析。（58周） 系統參數設計與仿真研究。（912周） 系統仿真實驗研究。（1316周） 整理實驗數據，并與理論比較，撰寫論文。（1718周）目前完成的工作和結果：為了提高系統的穩定性，目前國內外主要有以下幾種策略： 基于無源阻尼的直接電流控制策略 直接電流控制通過電流反饋閉環控制直接調節電流，具有動態響應快、受系統參數影響小等特點，是目前常用的電流控制方案，然而無論采用P、PI還是PID調節均無法使系統穩定，并網逆變器LCL接口直接輸出電流控制穩定性問題簡單直接的解決方案是LCL串聯電阻形成無源阻尼PD衰減諧振峰值，增大相角裕度，提高系統穩定性。基于有源阻尼的直接功率控制策略 由于動態響應快、原理簡單，近年來直接功率控制已被越來越多地應用于PWM 整流器的控制。但是傳統的直接功率控制策略沒有電流內環，不能采用已有的有源阻尼方法。2005年，J．W．Kolar，S．Ponnaluri,L．A．Serpa和P．M．Barbosa提出了基于LCL濾波器的PWM 整流器的直接功率控制策略，該方法設計了基于直接功率控制的有源阻尼方法來抑制LCL濾波器的諧振，這是一種基于虛擬磁鏈的直接功率控制。通過檢測交流側電流和直流側電壓來估算系統的虛擬磁鏈，從而算出系統的有功、無功功率，然后與給定值進行比較，偏差值送入開關狀態選擇表，產生控制脈沖。這種控制策略采用直接功率有源阻尼法，將有功、無功功率減去阻尼分量后就可以避免諧振問題。基于無源阻尼的無差拍控制策略1998年，Michael Lindgren和Jan Svensson提出了基于LCL濾波器的斬波器的無差拍控制。這是最早的基于LCL 濾波器的控制策略。2004 年Emilio．J．Bueno，Felipe Espinosa等人提出了改進的矢量無差拍控制策略。該控制策略只需要一組電流傳感器和一組電壓傳感器，其他的量可以由狀態觀測器獲得，系統的擾動可以用無源阻尼來衰減。改進的無差拍控制策略通過反饋電容電壓將其引入到控制策略中，使控制效果更好。基于三閉環的電網不平衡控制策略2003 年ErikaTwining和Donald Grahame Holmes提出三閉環控制策略,這也是首次針對不平衡電網電壓提出的控制策略。其中，電壓外環用來控制直流側電壓。電流控制采用雙內環的控制結構，第一內環是網側電流內環，第二內環是電容電流內環。電壓調節器的輸出作為網側電流有功分量的給定，dq 坐標系中網側電流調節器輸出經坐標變換后作為三相電容電流的給定，三相電容電流的反饋值由網側電流與整流器交流側電流合成。該方法需要兩組電流傳感器和一組電壓傳感器，傳感器數量多是其缺點。但實驗結果證明，該方法對于不平衡電網電壓有較強的魯棒性。逆變器的工作原理：用三個單相逆變電路可以組合成一個三相逆變電路，但在三相逆變電路中，應用最廣的還是三相橋式逆變電路，采用IGBT作為開關器件的電壓型三相橋式逆變電路如圖所示：圖1 三相逆變電路原理圖 如圖1所示的直流側通常只有一個電容器件就可以了，但為了分析方便，畫作串聯的兩個電容器并標出了假想中點，和單相半橋、全橋逆變電路相同，電壓型三相橋式逆變電路的基本工作方式也是180176。導通方式，即每個橋臂的導通角為180176。，同一相即同一半橋的上下兩個臂交替導電，各相開始導電的角度一次相差120176。，這樣，在任一瞬間，將有三個橋臂同時導通，也可能是上面兩個臂下面一個臂同時導通，因為每次換流都是在同一相上下兩個橋臂之間進行的，因此也被稱為縱向換流。在上述180176。導電的方式逆變器中，為了防止同一相上下兩橋臂的開關器件同時導通而引起的直流電源的短路，要采取“先斷后通”的方法，即先給應關斷的器件關斷信號，待其關斷后留一定的時間裕量，然后再給應導通的器件發出開通信號，即在兩者之間留一個短暫的死區時間，死區時間的長短要視器件的開關速度而定，器件的開關速度越快，所留的死區時間就可以越短，這一“先斷后通”的方法對于工作在上下橋臂通斷互補方式下的其他電路也是適用的。LCL濾波器與單L、LC濾波器進行對比：三相并網逆變器的濾波器設計至關重要，不僅影響系統的穩態特性和動態響應，還制約著系統損耗、直流側電壓、進網電流諧波等。常見的濾波器形式有L、LC和LCL三種，其形式如圖2所示，應用場合也不盡相同。圖2 單L、LC和LCL濾波器單L濾波器為一階濾波器，由于結構及控制簡單，普遍應用于并網逆變的場合。然而，隨著并網功率等級的不斷增加，基于效率和可靠性的考慮，并網逆變器的開關頻率一般較低，為了使進網電流達到并網要求，電感值需要增大。這不僅是系統動態性能下降，還會引起成本和體質重量增加等一系列問題。LC濾波器為二階濾波器，較單L濾波器具有更好的濾波效果，且結構簡單，大多數應用于獨立逆變的場合。若使用在并網逆變器中，需要對電容電流進行補償，否則將影響進網電流的功率因數。LCL濾波器為三階濾波器，濾波效果較前兩種好，可以有效抑制進網電流的高次諧波，同時網側電感還可以起到抑制沖擊電流的作用。通常應用于中大功率逆變場合。然而LCL濾波器本身是一個三階系統，存在著諧振問題，若參數設計及控制策略不當，會導致系統的不穩定。因此在設計時不僅要考慮濾除進網電流的高次諧波，還要避免系統發生諧振，從而達到良好的穩定性和可靠性。本課題研究的三相并網逆變器選用LCL型濾波器，具體設計思路如下：圖3 三相并網逆變器主電路拓撲圖3是三相并網逆變器的主電路拓撲，其中、為三相電網電壓，為電網中性點，、為濾波電容支路電壓，進網電流分別為、,逆變器輸出電流分別為、逆變器側電感為，網側電感為，濾波電容為，逆變器輸出電壓為、,T1～T6為IGBT功率器件，為直流側電壓。建立三相并網逆變器的數學模型的目的是為了分析其穩態和動態運行特性，是研究控制策略和控制器設計的基礎，因此需要建立三相并網逆變器的低頻數學模型。三相并網逆變器的低頻數學模型是基于基波分析而得，忽略了開關頻率等高頻諧波，適合分析控制系統和設計控制器參數。在分析低頻數學模型之前可以做如下假設：（1）電網電壓為三相對稱的純正弦波；（2）所有電感電容均為理想器件，且三相電感、電容參數相同；（3）IGBT均為理想器件，忽略死區時間。根據假設可得三相電網電壓為： (21)式中是電網相電壓的幅值，根據式（21）可知，電網電壓相序為a相超前b相超前c相。由于三相并網逆變器工作的進網電流與電網電壓同頻同相，則進網電流基波為： (22)式中進網相電流的幅值。根據基爾霍夫電壓定律，可以得到三相并網逆變器在三相靜止坐標系下的狀態方程： (23)式中，各變量的物理意義清晰直觀，但變量數目較多且均是交流信號，不利于控制系統的設計。因此，需要進行變換，即Clark變換：將三相靜止坐標系變換到兩相靜止坐標系，其原理圖如圖24所示：圖24 Clark變換假設兩相靜止坐標系的軸與三相靜止坐標系的A軸重合，根據等幅變換原則，其變換矩陣為： (24)反變換矩陣為： (25)聯立（23）、（24）、（25）可得三相并網逆變器在兩相靜止坐標系下的狀態方程為：(26)化簡可得：(27)此狀態方程與式（23）類似，物理意義也十分清晰直觀，變量數目得以減少，但仍然是交流信號。 為了將坐標系下的交流信號變成直流信號，需要進行變換，即Park變換：將兩相靜止坐標系變換到兩相同步旋轉坐標系，其原理圖如圖25所示：圖25 Park變換假設初始時刻兩坐標系夾角為，一般令，同時坐標系以角速度旋轉，根據等幅變換原則，其變換矩陣為： (28)反變換矩陣為： (29)兩坐標系下的進網電流之間的關系是： (210)聯立式（27）、（28）、（210）可得并網逆變器在兩相旋轉坐標系下的狀態方程為： （211）式（211）表明：經過Park變換之后，交流變量都轉變為對應的直流變量，兩相旋轉坐標系下的狀態方程可以大大簡化控制系統的分析和設計，但是軸和軸分量是耦合的，不利于系統的穩定性及動態性[610]。鎖相環節的工作原理：逆變器輸出電壓電流同頻同相才能并網供電，所以控制器的設計中都要設置鎖相環節。 鎖相環路是一種反饋電路，鎖相環的英文全稱是PhaseLocked Loop,簡稱PLL。其作用是使得電路上的時鐘和某一外部時鐘的相位同步。因鎖相環可以實現輸出信號頻率對輸入信號頻率的自動跟蹤，所以鎖相環通常用于閉環跟蹤電路。鎖相環在工作的過程中，當輸出信號的頻率與輸入信號的頻率相等時，輸出電壓與輸入電壓保持固定的相位差值，即輸出電壓與輸入電壓的相位被鎖住，這就是鎖相環名稱的由來。 在數據采集系統中，鎖相環是一種非常有用的同步技術，因為通過鎖相環，可以使得不同的數據采集板卡共享同一個采樣時鐘。因此，所有板卡上各自的本地80MHz和20MHz時基的相位都是同步的，從而采樣時鐘也是同步的。因為每塊板卡的采樣時鐘都是同步的，所以都能嚴格地在同一時刻進行數據采集。鎖相環的基本結構：鎖相環路是一個相位反饋自動控制系統。它由以下三個基本部件組成：鑒相器（PD）、環路濾波器（LF）和壓控振蕩器（VCO）。其組成方框圖如下所示：圖6 鎖相環的基本方框圖鎖相環的工作原理： 1. 壓控振蕩器的輸出經過采集并分頻； 2. 和基準信號同時輸入鑒相器； 3. 鑒相器通過比較上述兩個信號的頻率差，然后輸出一個直流脈沖電壓； 4. 控制VCO，使它的頻率改變； 5. 這樣經過一個很短的時間，VCO 的輸出就會穩定于某一期望值。 鎖相環可用來實現輸出和輸入兩個信號之間的相位同步。當沒有基準（參考）輸入信號時，環路濾波器的輸出為零（或為某一固定值）。這時，壓控振蕩器按其固有頻率fv進行自由振蕩。當有頻率為的參考信號輸入時，和同時加到鑒相器進行鑒相。如果和相差不大，鑒相器對和進行鑒相的結果，輸出一個與和的相位差成正比的誤差電壓ud，再經過環路濾波器濾去中的高頻成分，輸出一個控制電壓,將使壓控振蕩器的頻率（和相位）發生變化，朝著參考輸入信號的頻率靠攏，最后使=，環路鎖定。環路一旦進入鎖定狀態后，壓控振蕩器的輸出信號與環路的輸入信號（參考信號）之間只有一個固定的穩態相位差，而沒有頻差存在。這時我們就稱環路已被鎖定。 環路的鎖定狀態是對輸入信號的頻率和相位不變而言的，若環路輸入的是頻率和相位不斷變化的信號，而且環路能使壓控振蕩器的頻率和相位不斷地跟蹤輸入信號的頻率和相位變化，則這時環路所處的狀態稱為跟蹤狀態。 鎖相環路在鎖定后，不僅能使輸出信號頻率與輸入信號頻率嚴格同步，而且還具有頻率跟蹤特性，所以它在電子技術的各個領域中都有著廣泛的應用。主要參考文獻[1] E. Twining, . Holmes. Grid current regulation of a threephase voltage source inverter with an LCL input filter. IEEE 33rd Annual Volume, 2002,3:1189～1194[2] 伍小杰,羅悅華,喬樹通. 三相電壓型PWM整流器控制技術綜述[J]. 電工技術學報,2005,20(12):7~12[3] 董密，羅安. 光伏并網發電系統中逆變器的設計與控制方法[J]. 電力系統自動化，2006,30（20）：97~102[4] 劉飛. 三相并網光伏發電系統的運行控制策略［D］．武漢:華中科技大學，2008[5] 黃摯雄，徐保友，沈玲菲. LCL 并網逆變器新型電流雙閉環控制策略研究［J］．電力系統保護與控制，2012，40(17):1～5[6] 楊國韜，孫志毅，劉立群．基于坐標系變換的并網鎖相環性能分析［J］．自動化儀表，2013，34(5):60～64[7] 周雪松，宋代春，馬幼捷. 光伏并網逆變器的控制策略[J]. 華東電力,2010,38(1):80~83[8] 王兆安,黃俊. ,2002[9] 李春芳，李樹侖. 我國光伏發電產業現狀. 陽光能源，2003(4):34～35 [10] Meinhardt M, Cramer G. Past, Present and future of grid connected photovoltaic and hybridpowersystems. Proceedings of the IEEE Power Engineering