【正文】 ???????????????????????????????????????????????????????????0010100001011000001000100000100022112211ffffggggccCCCCLLRLLRLLRLLRuuiiii?????? 燕山大學本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 16 ?????????????????????????????????????????????????rrssgguuuuLLLL000000001000010000100001 （ 244） 然后進行 αβ → dq根據式（ 241），（ 242）的變換矩陣，可得 dq坐標系下的 LCL濾波器狀態(tài)空間方程為： ????????????????????????????????????????????????????????????????????0101000101100001001000010022112211bffbffgbbgggbgbgcqcdqdqdCCCCLLRLLRLLRLLRuuiiii?????? 第 2 章 PWM 逆變器的原理及數學模型 17 ???????????????????????????????????????????rqrdsqsdgguuuuLLLL000000001000010000100001 （ 245） 式中 : b? ——三相電網電壓的基波角頻率 sqsduu , ——三相電網電壓矢量的 d， q 軸分量 cqcduu , ——三相濾波電容電壓矢量的 d， q 軸分量 rqrduu , ——整流器交流側電壓矢量的 d， q 軸分量 qdii 11, ——三相電網電流矢量的 d， q 軸分量 qd ii 22 , ——整流器交流側電流矢量的 d， q 軸分量 由式（ 245）可以得出圖 所示的 LCL 濾波器的結構框圖。 基于 LCL 濾 波器的 PWM 逆變器數學模型 LCL 濾波的高頻 PWM逆變器拓撲結構如圖 所示。把橋臂 5 的電流加起來，就可得到直流側電流 di 的波形， di 每隔 60176。 負載參數已知時，可以由 UNu 的波形求出 U相電流 Ui 的波形。1 ()3N N U N V N W Nu u u u? ? ? （ 24） 39。 WNVNUNWNVNUNNN uuuuuuu ?????? （ 23） 設負載為三相對稱負載，則有 0??? WNVNUN uuu ，故可得 39。NNWNWNNNVNVNNNUNUNuuuuuuuuu （ 22） 把上面各式相加并整理可求得 )(31)(3139。39。UV UN VNVW VN WNWU UNu u uu u uu u u?????? （ 21） 該負載中點 N 與直流電源假想中點 39。39。WNu 的波形形狀和 39。 dUN Uu ?， 因此， 39。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。 最后，完成了系統參數設計，并對基于無源阻尼和基于有源阻尼 兩 種控制策略進行了仿真，通過仿真實驗對比分析，證明采用 LCL 濾波器的并網逆變器可以有效抑制輸出電流中的諧波分量，獲得較好的正弦電流波形；所采用的控制策略可以使系統具有較好的穩(wěn)定性和動態(tài)性能。 燕山大學本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 8 在電網電壓確定的情況下，如何減少輸出電流紋波，提高電流的質量就成為主要的工作，傳統的濾波方式是采用逆變器與電網之間串聯電感，但在低開關頻率的大功率逆變器中，所需的電感量將很大，這樣既增大了設備體積，也增加了成本，為了采用較少的電感量，達到更好的濾波效果，本文研究了基于 LCL 濾波的三相并網逆變器，并與單電感濾波電路進行了比較，主要內容有以下幾個方面。 基于 LCL 濾波器的三相 PWM 逆變器的控制策略的研究現狀分析可知，無差拍控制是研究較早的控制策略，控制策略的離散化便于數字化實現，但是無差拍控制需要的傳感器較多，所以無傳感器的研究成為研究重點。坐標變換所需的旋轉角度 θ 由三相電網電壓獲得。其中，電壓外環(huán)用來控制直流側電壓。不平衡的電網電壓會引起低頻電流諧波，因此不平衡控制策略的研究也有重大的意義。電壓外環(huán)采用常規(guī) PI 調節(jié)器進行控制，電流內環(huán)采用上 述無差拍算法來跟蹤給定電流。這是最早的基于LCL 濾波器的控制策略。直接功率控制是近年來產生的一種新的控制方法，方法的優(yōu)點就是采用靜止 αβ坐標系進行控制計算，無需復雜的坐標變換和解耦控制，直接對系統的無功功率進行控制，結構和算法簡單；避免了 PWM 算法，采用查表技術，動態(tài)響應快；采用虛擬磁鏈定向，省去了電網電壓傳感器。這是一種基于虛擬磁鏈的直接功率控制。 （ 2）基于有源阻尼的直接功率控制策略 由于動態(tài)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。目前對于有源阻尼法的研究大多基于矢量控制和直接功率控制策略。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電阻來使系統穩(wěn)定，這種方法穩(wěn)定可靠，在工業(yè)中被廣泛應用，但是加入的電阻會增加系統的損耗。學者針對 LCL 濾波器的諧振問題，提出了許多增加阻第 1 章 緒論 5 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，而且不會產生功率損耗，降低系統的效率，很適用于大功率系統。這對三相 PWM 整流器在大功率領域中的應用產生了不利影響。通常為了減小開關頻率及其整數倍附近的高次諧波，一般采用電感進行濾波。雙饋發(fā)電機轉子與電網之間具有一個 ―背靠背 ‖的雙向變流器，用來實現對發(fā)電機的交流勵磁和能量對電網的回饋。該逆變器以對角線 T1 和 T4，對角線 T2 和 T3 構成兩組聯動開關，兩組開關交替開通，其結果是在負載端輸出分別為正和負的方波電壓。電壓型、電流型 PWM 逆變器，無論是在主電路結構、PWM 信號發(fā)生以及控制策略等方面均有各自的特點，并且兩者間存在電路上的對偶性。多電平拓撲結構的 PWM 逆變器主要應用于高壓大容量場合。 PWM 逆變器經過 30 多年的探索和研究，取得了很大的進展，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；其拓撲結構從單相、三相電路發(fā)展到多相組合及多電平拓撲電路； PWM 開關控制由第 1 章 緒論 3 單純的硬開關調制發(fā)展到軟開關調制；功率等級也從千瓦級發(fā)展到兆瓦級，隨著 PWM 逆變器技術的發(fā)展，已經設計出多種 PWM 逆變器，并可分類如下： 一、 按照電網相數分類：單相電路，三相電路，多相電路； 二、 按照 PWM 開關調制分類：硬開關調制，軟開關調制； 三、 按照橋路結構分類：半橋結構，全橋結構； 四、 按照調制電平分類：二電平，三電平電路，多電平電路； 對于不同功率等級以及不同的用途，人們研究了各種不同的 PWM 逆變器拓撲 結構。 光 伏 /風 能=~負 載~電 力 公 司配 電 線 圖 11 并網發(fā)電系統結構示意圖 PWM控制技術的應用與發(fā)展為逆變器性能的改進提供了變革性的思路和手段，結合了 PWM 控制技術的新型逆變器稱為 PWM 逆變器。 PWM 變換器能達到 ―綠色 逆變器的目的，已經受到國內外學者普遍的重視，成為研究的熱點。而在這些清潔能源利用過程中，并網逆變器是關鍵。尤其隨著經濟的高速發(fā)展，我國很多地區(qū)的用電缺乏非常嚴重，一些城市不得不實行分時分區(qū)域供電。 最后，在詳細闡述各元件的取值原則與計算步驟的基礎上，給出了設計實例，并對所設計的 逆變器 進行了仿真驗證，結果表明，根據該方案設計的控制器參數能夠使三相并網逆變器安全、可靠運行且具有較快的動態(tài) 響應速度。如何獲得高質量的電流成為研究的焦點。隨著光伏發(fā)電系統的日益推廣，逆變器的使用也越來越多。 其次，文章討論了 LCL 濾波器的參數設計方法，給出了系統 LCL 濾波器參數的設計步驟。近些年來，太陽能光伏 (Photovoltaic， PV)發(fā)電技術，風力發(fā)電技術得到了持續(xù)的發(fā)展。 鑒于我國太陽能、風力資源豐富，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)提供了很好的機遇。 PWM 變換器可以實現電網交流側電流正弦化，且運行于單位功率因數或者功率因數可調，諧波含量很小，被稱之為 ―綠色電能變換 ’’。由圖可見，并網發(fā)電系統通過配合容量適合的逆變器連接到公共電網上，在白天日照充足情況下，除 了提供本地負載，多余電力可以提供給公共電網：夜間或陰天情況，本地負載則直接從電網獲取所需電能。 隨著 PWM 控制技術的發(fā)展，如空間矢量 PWM，滯環(huán)電流 PWM 控制等方案的提出，以及現代控制理論和智能控制技術的發(fā)展和應用， PWM 逆變器的性能得到了不斷提高，功能也不斷擴展， PWM 逆變器網側獨特的受控電流源特性，使得 PWM 逆變器作為核心設備被廣泛應用于各類電力電子應用系統中，經過國內外專家學者多年的研究， PWM 逆變器在電路拓撲結構，數學模型，控制方法，電網電壓不平衡，系統特性等方面取得了豐碩的研究成果。對于大功率 PWM 逆變器，其拓撲結構的研究主要集中在多電平拓撲結構和軟開關技術上。 根據直流儲能元件的不同， PWM 逆變器又分為電壓型 PWM 逆變器和電流型 PWM 逆變器。 電壓型逆變器一般需要在直流側接有平波電容，根據器件的開關動作，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電壓源。特別是近年來，隨著風力發(fā)電的快速發(fā)展，交流勵磁雙饋發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統得到了廣泛的關注和深入的研究。該諧波進入電網后會影響電網上對電磁干擾敏感的負載 ，也會產生損耗。此外，電抗器的體積和重量很大，造價也比較高。不過，LCL 濾波器本身存在著諧振問題， PWM 整流器如同一個諧波源，電流中某次諧波可能會對濾波器產生激勵，從而發(fā)生諧振，導致系統不穩(wěn)定，輸入電流諧波畸變率增大。一般采用在已有控制策略的基礎上增加阻尼作用來解決這個問題。常見的有超前網絡法，虛擬電阻法，基于遺傳算法的有源阻尼法。 (1)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(huán)控制直接調節(jié)電流，具有動態(tài)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(jié)均無法是系統穩(wěn)定，并網逆變器 LCL 接口直接輸出電流控制穩(wěn)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(wěn)定性。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。將有功、無功功率減去阻尼分量后就可以避免諧振問題。 （ 3）基于無源阻尼的無差拍控制策略 為了便于矢量控制的數字 化實現， 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。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。 （ 4）基于三閉環(huán)的電網不平衡控制策略 在實際系統中，三相電網電壓不可能完全對稱。這也是首次針對不平衡電網電壓提出的控制策略。最后，電容電流給定和反饋的偏差 經過三個