【正文】 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于LCL濾波器的三相并網(wǎng)逆變器控制技術(shù)研究 ***燕 山 大 學(xué) 2012年 6 月 摘要摘 要 太陽能發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的是直流電流和電壓，而許多負(fù)載都使用交流電，因此需要通過逆變器把直流電變成交流電。隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)的日益推廣，逆變器的使用也越來越多。如何獲得高質(zhì)量的電流成為研究的焦點(diǎn)。 由于對(duì)高頻諧波的抑制效果明顯好于L型濾波器，因此LCL濾波器在并網(wǎng)逆變器中應(yīng)用越來越廣泛，與傳統(tǒng)的L濾波器相比，LCL濾波器可以降低電感量，提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能，降低成本，在中大功率應(yīng)用場(chǎng)合，其優(yōu)勢(shì)更為明顯。文章首先對(duì)PWM 逆變器的工作原理做了詳細(xì)的介紹，并對(duì)基于LCL的濾波器，在ABC 靜止坐標(biāo)系，αβ靜止坐標(biāo)系和dq 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中建立了數(shù)學(xué)模型。其次，文章討論了LCL 濾波器的參數(shù)設(shè)計(jì)方法，給出了系統(tǒng)LCL 濾波器參數(shù)的設(shè)計(jì)步驟。最后，在詳細(xì)闡述各元件的取值原則與計(jì)算步驟的基礎(chǔ)上，給出了設(shè)計(jì)實(shí)例，并對(duì)所設(shè)計(jì)的逆變器進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明，根據(jù)該方案設(shè)計(jì)的控制器參數(shù)能夠使三相并網(wǎng)逆變器安全、可靠運(yùn)行且具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。關(guān)鍵詞：并網(wǎng)逆變器 LCL濾波器 有源阻尼 無源阻尼 Abstract Solar power system to produce the DC current and voltage, and many are using the AC load, it need inverter into alternating current to direct current. With the increasing promotion of photovoltaic power generation systems, the use of inverters is more and more. How to get a high quality of the current bees the focus of research. Because of the inhibitory effect of high frequency harmonics is better than Ltype filter, the LCL filter grid inverter is widely applied, pared with the traditional Lfilter, LCL filter can reduce the inductance improve the system dynamic performance, reduce costs, in the highpower applications, its advantages more apparent. This paper analyzes the high frequency PWM inverter principle, and then presents a threephase ABC coordinates and dq coordinate system on the mathematical model of LCLfilter configuration. Secondly, the article discusses the LCL filter design parameters。 parameters of the system are given LCL filter design steps. Finally, each ponent in detail the principles and calculation steps of the value based on the design example is given, and the design of the LCL filter simulation results show that, according to the design of the controller parameters can make threephase inverter with safe, reliable operation and has a fast dynamic response speed.Key words: Gridconnected inverter，LCL filter，Active damping, passive damping I 目錄摘要 IAbstract II目錄 Ⅲ第一章 緒論 1 三相PWM電壓型逆變器的產(chǎn)生背景 1 2 PWM逆變器的研究現(xiàn)狀 2 基于LCL濾波的PWM逆變器的研究現(xiàn)狀 4 8第二章 PWM逆變器的原理及數(shù)學(xué)模型 9 逆變器的工作原理 9 基于LCL濾波的PWM 逆變器的數(shù)學(xué)模型 12 鎖相環(huán)節(jié)的工作原理 12 本章小結(jié) 19第三章 LCL濾波器和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 20 LCL濾波器的參數(shù)設(shè)計(jì) 20 LCL濾波器的諧振抑制方法 20 濾波器參數(shù)變化對(duì)濾波性能的影響 20 濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)的約束條件 21 濾波器參數(shù)的設(shè)計(jì)步驟 22 基于無源阻尼的單電流環(huán)控制方案的設(shè)計(jì) 23 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 25 網(wǎng)側(cè)電感電流外環(huán)控制器的設(shè)計(jì) 25 電容電流內(nèi)環(huán)控制器的設(shè)計(jì) 26 本章小結(jié) 26第四章 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)及仿真驗(yàn)證 27 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì) 27 仿真驗(yàn)證 28 本章小結(jié) 32結(jié)論 33參考文獻(xiàn) 34致謝 36附錄1 開題報(bào)告 37附錄2 文獻(xiàn)綜述 41附錄3 中期報(bào)告 46附錄4 英文翻譯 52一、 英文文獻(xiàn)原文 52二、 英文文獻(xiàn)翻譯 63III第1章 緒論第1章 緒論 三相PWM電壓型逆變器的產(chǎn)生背景隨著世界能源短缺和環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)重，能源和環(huán)境成為21世紀(jì)人類所面臨的重大基本問題，清潔、可再生能源的發(fā)展和應(yīng)用越來越受到世界各國的廣泛關(guān)注。近些年來，太陽能光伏(Photovoltaic，PV)發(fā)電技術(shù)，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)得到了持續(xù)的發(fā)展。尤其隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國很多地區(qū)的用電缺乏非常嚴(yán)重，一些城市不得不實(shí)行分時(shí)分區(qū)域供電。發(fā)展新能源，充分利用綠色能源，對(duì)我國的經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展有著極其重要的意義?，F(xiàn)代社會(huì)對(duì)能源需求不斷增加，煤炭、石油、天然氣等一次性能源卻不斷減少，而且其使用又會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生很大危害，為了緩解能源危機(jī)，避免環(huán)境的進(jìn)一步惡化，對(duì)風(fēng)能、太陽能等新能源的開發(fā)利用顯得尤為重要，可再生能源的使用兼具環(huán)保性和持續(xù)利用性，但是也存在著缺陷和難點(diǎn)。鑒于我國太陽能、風(fēng)力資源豐富，可以說是取之不盡、用之不竭，這為我國發(fā)展清潔能源事業(yè)提供了很好的機(jī)遇。而在這些清潔能源利用過程中，并網(wǎng)逆變器是關(guān)鍵。人們一直在電力電子技術(shù)的發(fā)展中探索一條“綠色之路，對(duì)逆變裝置而言，“綠色”的內(nèi)涵包括電網(wǎng)無諧波，單位功率因數(shù)，以及功率控制系統(tǒng)的高性能，高穩(wěn)定性，高效率等傳統(tǒng)逆變裝置所不具備的優(yōu)越性能。在所有的變換器中，PWM變換器由于其產(chǎn)生諧波損耗小，對(duì)通信設(shè)備干擾小，整機(jī)效率高，而牢牢占據(jù)了主流產(chǎn)品的市場(chǎng)。PWM變換器可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)交流側(cè)電流正弦化，且運(yùn)行于單位功率因數(shù)或者功率因數(shù)可調(diào)，諧波含量很小，被稱之為“綠色電能變換’’。PWM變換器能達(dá)到“綠色逆變器的目的，已經(jīng)受到國內(nèi)外學(xué)者普遍的重視，成為研究的熱點(diǎn)。 逆變器的研究現(xiàn)狀 PWM逆變器的研究現(xiàn)狀 光伏、風(fēng)力等并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏陣列、風(fēng)機(jī)和并網(wǎng)逆變器等組成，在可調(diào)度式系統(tǒng)中，還會(huì)配備蓄電池作為儲(chǔ)能設(shè)備。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖(11)所示。由圖可見，并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)通過配合容量適合的逆變器連接到公共電網(wǎng)上，在白天日照充足情況下，除了提供本地負(fù)載，多余電力可以提供給公共電網(wǎng)：夜間或陰天情況，本地負(fù)載則直接從電網(wǎng)獲取所需電能。圖11 并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖PWM控制技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展為逆變器性能的改進(jìn)提供了變革性的思路和手段，結(jié)合了PWM控制技術(shù)的新型逆變器稱為PWM逆變器。將PWM控制技術(shù)應(yīng)用于逆變器始于20世紀(jì)70年代末，但由于當(dāng)時(shí)諧波問題不突出，加上受電力電子器件發(fā)展水平的制約，PWM逆變器沒有引起充分的重視。進(jìn)入80年代后，由于自關(guān)斷器件的日趨成熟及應(yīng)用，推動(dòng)了PWM技術(shù)的應(yīng)用與研究。隨著PWM控制技術(shù)的發(fā)展，如空間矢量PWM，滯環(huán)電流PWM控制等方案的提出，以及現(xiàn)代控制理論和智能控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，PWM逆變器的性能得到了不斷提高，功能也不斷擴(kuò)展，PWM逆變器網(wǎng)側(cè)獨(dú)特的受控電流源特性，使得PWM逆變器作為核心設(shè)備被廣泛應(yīng)用于各類電力電子應(yīng)用系統(tǒng)中，經(jīng)過國內(nèi)外專家學(xué)者多年的研究，PWM逆變器在電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，數(shù)學(xué)模型，控制方法，電網(wǎng)電壓不平衡，系統(tǒng)特性等方面取得了豐碩的研究成果。PWM逆變器經(jīng)過30多年的探索和研究，取得了很大的進(jìn)展，其主電路從早期的半控型器件橋路發(fā)展到如今的全控型器件橋路；其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)從單相、三相電路發(fā)展到多相組合及多電平拓?fù)潆娐罚籔WM開關(guān)控制由單純的硬開關(guān)調(diào)制發(fā)展到軟開關(guān)調(diào)制；功率等級(jí)也從千瓦級(jí)發(fā)展到兆瓦級(jí)，隨著PWM逆變器技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)設(shè)計(jì)出多種PWM逆變器，并可分類如下：一、按照電網(wǎng)相數(shù)分類：?jiǎn)蜗嚯娐?，三相電路，多相電路；二、按照PWM開關(guān)調(diào)制分類：硬開關(guān)調(diào)制，軟開關(guān)調(diào)制；三、按照橋路結(jié)構(gòu)分類：半橋結(jié)構(gòu)，全橋結(jié)構(gòu)；四、按照調(diào)制電平分類：二電平，三電平電路，多電平電路；對(duì)于不同功率等級(jí)以及不同的用途，人們研究了各種不同的PWM逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在小功率應(yīng)用場(chǎng)合，PWM逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究主要集中在減少功率開關(guān)損耗。對(duì)于中等功率場(chǎng)合，多采用六個(gè)功率開關(guān)器件構(gòu)成的PWM逆變器，包括三相電壓型PWM逆變器和三相電流型PWM逆變器，這是本章介紹的重點(diǎn)。對(duì)于大功率PWM逆變器，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究主要集中在多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和軟開關(guān)技術(shù)上。多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的PWM逆變器主要應(yīng)用于高壓大容量場(chǎng)合。此外，由于軟開關(guān)技術(shù)(ZVS、ZCS)在減小開關(guān)損耗、抑制電磁干擾、降低噪聲等方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，近年來在電壓型PWM逆變器設(shè)計(jì)上受到了廣泛的重視，并得以迅速發(fā)展。而電流型PWM逆變器的軟開關(guān)技術(shù)研究相對(duì)較少，有待進(jìn)一步研究。根據(jù)直流儲(chǔ)能元件的不同，PWM逆變器又分為電壓型PWM逆變器和電流型PWM逆變器。電壓型、電流型PWM逆變器，無論是在主電路結(jié)構(gòu)、PWM信號(hào)發(fā)生以及控制策略等方面均有各自的特點(diǎn)，并且兩者間存在電路上的對(duì)偶性。其他分類方法就主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而言，均可歸類于電流型或電壓型PWM逆變器之列。* 電壓型逆變器：以單相電壓源逆變器為例，其主電路結(jié)構(gòu)如圖(12)所示。電壓型逆變器一般需要在直流側(cè)接有平波電容，根據(jù)器件的開關(guān)動(dòng)作，輸出一連串的方波電壓，方波的幅值嵌位在直流電壓上逆變器是個(gè)電壓源。該逆變器以對(duì)角線T1和T4，對(duì)角線T2和T3構(gòu)成兩組聯(lián)動(dòng)開關(guān)，兩組開關(guān)交替開通，其結(jié)果是在負(fù)載端輸出分別為正和負(fù)的方波電壓。具體器件的開關(guān)順序選擇，根據(jù)控制目的的不同也存在多種控制方式，如方波逆變控制，正弦波PWM逆變控制等。圖12 單相逆變器原理圖 基于LCL濾波的PWM逆變器的研究現(xiàn)狀 由于三相電壓型PWM逆變器有許多優(yōu)點(diǎn)，如能量可以雙向流動(dòng)，直流側(cè)電壓波動(dòng)小，功率因數(shù)可控，網(wǎng)側(cè)輸入電流接近正弦等，因此應(yīng)用廣泛。特別是近年來，隨著風(fēng)力發(fā)電的快速發(fā)展，交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)得到了廣泛的關(guān)注和深入的研究。雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與電網(wǎng)之間具有一個(gè)“背靠背”的雙向變流器，用來實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)的交流勵(lì)磁和能量對(duì)電網(wǎng)的回饋。三相電壓型PWM整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)成為交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中變流器的首選。但是，三相PWM整流器的功率開關(guān)器件的開關(guān)頻率一般為2～15kHz，會(huì)產(chǎn)生對(duì)電網(wǎng)干擾的高次諧波，主要在開關(guān)頻率或開關(guān)頻率整數(shù)倍附近。該諧波進(jìn)入電網(wǎng)后會(huì)影響電網(wǎng)上對(duì)電磁干擾敏感的負(fù)載，也會(huì)產(chǎn)生損耗。通常為了減小開關(guān)頻率及其整數(shù)倍附近的高次諧波，一般采用電感進(jìn)行濾波。通過加大網(wǎng)側(cè)濾波電感的值，可以減小諧波。但是，當(dāng)整流器的功率比較大時(shí)，交流側(cè)電抗器損耗增大。此外，電抗器的體積和重量很大，造價(jià)也比較高。這對(duì)三相PWM整流器在大功率領(lǐng)域中的應(yīng)用產(chǎn)生了不利影響。1995年， 濾波器代替原有的單電感濾波器，來解決上述問題。在交流側(cè)應(yīng)用LCL 濾波器可以減少電流中的高次諧波含量,并在同樣的諧波要求下,相對(duì)純電感型濾波器可以降低電感值的大小，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。不過，LCL 濾波器本身存在著諧振問題，PWM整流器如同一個(gè)諧波源，電流中某次諧波可能會(huì)對(duì)濾波器產(chǎn)生激勵(lì)，從而發(fā)生諧振，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，輸入電流諧波畸變率增大。學(xué)者針對(duì)LCL濾波器的諧振問題，提出了許多增加阻尼的辦法，其中一些有源阻尼的控制策略，不僅抑制了LCL濾波器的諧振，而且不會(huì)產(chǎn)生功率損耗，降低系統(tǒng)的效率，很適用于大功率系統(tǒng)。 由于LCL 濾波器的濾波電容的分流作用，使整流器的電流控制系統(tǒng)由一階變?yōu)槿A，控制更為復(fù)雜，并且在某些高次諧波電流下，LCL 濾波器的總阻抗接近零，將導(dǎo)致諧振效應(yīng)，影響系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。因此LCL 濾波的PWM整流器應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一就是諧振抑制問題。一般采用在已有控制策略的基礎(chǔ)上增加阻尼作用來解決這個(gè)問題。阻尼方法分為兩種：一種叫做“無源阻尼法”，它是通過在電容上串聯(lián)電阻來使系統(tǒng)穩(wěn)定，這種方法穩(wěn)定可靠，在工業(yè)中被廣泛應(yīng)用，但是加入的電阻會(huì)增加系統(tǒng)的損耗。無源阻尼法可用于任何成熟的控制策略，最常見的是基于無源阻尼的無差拍控制；另一種方法叫做“有源阻尼法”，它是通過修正控制算法使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定，消除共振作用，該方法通過增加控制的復(fù)雜性避免無源阻尼的損耗問題。關(guān)于有源阻尼的研究已成為熱點(diǎn)，因?yàn)榭蓽p小損耗，節(jié)約能源。常見的有超前網(wǎng)絡(luò)法，虛擬電