【導(dǎo)讀】師的指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加。而使用過的材料。均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文。不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大學(xué)可以將本學(xué)位。印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。電壓頻同相的并網(wǎng)電流,實現(xiàn)可再生能源以高功率因數(shù)回饋電網(wǎng)。是，本著嚴謹處理問題的態(tài)度和學(xué)風(fēng)認真完成設(shè)計的要求。

　　

【正文】 中包含有 inU ， 0和 inU 三個狀態(tài)，因此這種調(diào)制方中北大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)論文 第 31 頁 共 70 頁 式也被稱為三態(tài)調(diào)制。 圖 單極性 SPWM 調(diào)制原理 逆變器并網(wǎng)運行時的控制策略分析 并網(wǎng)逆變器的輸出控制 并網(wǎng)逆變器可看作一個有源逆變系統(tǒng)，是用來將從前級（光伏電池、風(fēng)機） 經(jīng)整流得到的直流電進行轉(zhuǎn)換，輸出與電網(wǎng)電壓同頻同相的交流電再饋入電網(wǎng)，并網(wǎng)逆變器的控制目標(biāo)就是控制逆變器的輸出滿足并網(wǎng)條件，保證有效并網(wǎng)。 并網(wǎng)逆變器有不同的輸入輸出方式，總的來說，并網(wǎng)逆變器共有四種方式：電壓源輸入控制輸出電壓、電壓源輸入控制輸出電流、電流源輸入控制輸出電壓、電流源輸入控制輸出電流 [21， 22]。四種方式中，先分析輸入為電流源的情形。逆變器如果以電流源作為輸入，需要在直流側(cè)串聯(lián)電感以穩(wěn)定直流輸入，但是電感的引入會使系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)變差 [23]。另外，實際應(yīng)用中多數(shù)電源都是電壓型的，所以并網(wǎng)逆變 器很少以電流源作輸入，大多采用電壓源輸入。 逆變器并網(wǎng)運行時，輸出控制分電壓控制和電流控制 [24， 25， 26， 27]。如果采用電壓控制，是把電網(wǎng)電壓看作基準(zhǔn)值，電網(wǎng)電壓直接決定并網(wǎng)電流和輸出電壓的好壞，只有當(dāng)電網(wǎng)電壓比較穩(wěn)定、擾動很小時，才能得到令人滿意的并網(wǎng)電流和電壓，如果電網(wǎng)電壓存在畸變或由于故障導(dǎo)致不平衡，并網(wǎng)電流和電壓隨之會受到極大影響，從而導(dǎo)致輸出波形不符合要求 [23]。當(dāng)采用電壓源輸入控制輸出電流的方式時，中北大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)論文 第 32 頁 共 70 頁 系統(tǒng)只需要控制輸出電流，它的波形好壞受電網(wǎng)電壓的影響較小，即使電網(wǎng)出現(xiàn)大的擾動，輸出依然符 合并網(wǎng)要求。因此，本設(shè)計采用電壓源輸入控制輸出電流的方式。 并網(wǎng)電流控制策略研究 選取并網(wǎng)電流 iL作為逆變器的控制量，可以通過對逆變器輸出電壓 Uab 的控制來完成對 iL 的控制；或者直接對 iL 進行控制。因此電流控制技術(shù)按照采用何種控制方式的不同，分為兩大類：間接電流控制和直接電流控制。 間接電流控制也稱為相位和幅值控制，考慮的是穩(wěn)態(tài)控制，沒有考慮動態(tài)過程，在已知穩(wěn)態(tài)電流給定的情況下，根據(jù) SPWM 通過控制 PWM 輸出基波電壓的幅值和相位間接對并網(wǎng)電流進行控制。該控制方法簡單易行且不需檢測并網(wǎng)電流。但其動 態(tài)響應(yīng)較慢，同時控制復(fù)雜、信號計算過程中還要考慮電路參數(shù)的影響，如果參數(shù)變化，會影響控制效果 [28]。 假設(shè)輸入電網(wǎng)的功率為 P，則有 2 t a ng ridLg rid L g rid UUP U i U LL ???? ? ? （ ） 從而有 2tan Lgrid gridiLPLUU??? ?? （ ） 另外，逆變器輸出電壓滿足 cosgridab UU ?? （ ） 而對于 SPWM 逆變器，輸出電壓基波滿足 2dcab mUU ? （ ） 其中 m 為調(diào)制度。 所以，有關(guān)系 2 / co sgr iddcUm U ?? （ ） 從上述 關(guān)系可以看出，在電網(wǎng)電壓和電感確定的情況下，根據(jù)給定的功率和并中北大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)論文 第 33 頁 共 70 頁 網(wǎng)電流，通過式（ ）和式（ ）就可以算出 Uab 相對與 Ugrid 的超前角 φ 和 SPWM的調(diào)制度 m，這種關(guān)系是一一對應(yīng)的，只要控制了 φ 和 m，就控制了輸出電壓的幅值和相位，并最終實現(xiàn)控制并網(wǎng)電流。 直接電流控制法需要引入電流反饋，先通過運算得到指令值，然后令反饋值跟蹤指令值。對于并網(wǎng)逆變器來說，要求輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，為了獲得與電網(wǎng)電壓同步的正弦波電流指令信號，通常利用鎖相環(huán)得到電網(wǎng)電壓同步信號，然后再乘以電流幅值給定，得到正弦波參考電流 ，然后控制實際輸出電流跟蹤這個參考電流。和間接電流控制相比，直接電流控制引入了電流反饋，可以獲得更好的動態(tài)響應(yīng)特性，但控制相對復(fù)雜，并且要求電流采樣信號有很高的實時性。不過隨著DSP 技術(shù)的發(fā)展，實時性已不是很難實現(xiàn)，所以直接電流控制得到廣泛應(yīng)用。 直接電流控制的最大特點就是引入了瞬時值反饋，該控制方式被大量研究，實際應(yīng)用中常采用的有電流滯環(huán)控制、三角波比較控制等，本文對這兩種控制方式的工作原理做了簡單分析。 （ 1）電流滯環(huán)控制 將實際的電流信號和指令電流信號進行比較，二者的差值送入滯環(huán)比較器，由滯環(huán)比較器輸出 PWM 驅(qū)動信號去控制逆變橋，其控制框圖如圖 所示。該控制方法簡單可行，搭建模擬電路就能夠?qū)崿F(xiàn)。當(dāng)開關(guān)管采用較高開關(guān)頻率時，有很快的響應(yīng)速度，并且受負載及電路參數(shù)的影響小 [29]。但通常在設(shè)計滯環(huán)寬度采用固定的數(shù)值，這樣做的結(jié)果將會導(dǎo)致一個 PWM 開關(guān)周期中，開關(guān)管頻率不固定，濾波器設(shè)計起來比較困難，很難獲得良好的濾波效果。 refi i?? i?P W M 信 號滯 環(huán) 比 較 器 圖 電流滯環(huán)控制原理圖 （ 2）三角波 比較控制 將反饋電流信號與給定電流信號進行比較，比較后 的誤差信號經(jīng) PI 調(diào)節(jié)器輸出與高頻三角載波比較產(chǎn)生了 PWM 驅(qū)動信號，其控制框圖如圖 所示。該控制中北大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)論文 第 34 頁 共 70 頁 方法無法實現(xiàn)對正弦信號的無靜差跟蹤，同時積分的引入則會產(chǎn)生電流相移，影響逆變器輸出電能質(zhì)量，所以有時直接采用 P 調(diào)節(jié)器。但該方法下開關(guān)管的開關(guān)頻率一定，輸出電流的頻譜固定，濾波器容易設(shè)計，所以使用的比較多。 Ar e fi i? ?? i? ?P W M 信 號比 較 器三 角 波 圖 三角波比較控制原理圖 并網(wǎng)電流閉環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型 電流閉環(huán)設(shè)計是整個控 制系統(tǒng)設(shè)計的核心，作好電流閉環(huán)的設(shè)計，可以使系統(tǒng)獲得良好的電流的動、靜態(tài)特性，可以使電流對外界擾動信號有很好的抗干擾 性。本文采用基于瞬時值反饋的三角波比較控制。并網(wǎng)電流閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖 所示，從圖中可以看出，參考電流 IL*與采樣得到的并網(wǎng)電流瞬時反饋值 iL 先作一個比較，二者誤差送入控制器，經(jīng)過調(diào)節(jié)輸出的信號作為調(diào)制波與三角波比較，得到 SPWM 信號，經(jīng)過驅(qū)動電路去驅(qū)動 IPM 模塊，再經(jīng)電感濾波后得到符合要求的并網(wǎng)電流。其中， Uab 為逆變橋輸出電壓， Ugrid 為電網(wǎng)電壓， G1（ s）為控制器傳遞函數(shù)， G2（ s）為逆變橋傳遞函數(shù)， G3（ s）為濾波器傳遞函數(shù)。 Ugrid iL* + Uab + iL 控制器 逆變橋 濾波器 圖 并網(wǎng)電流閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖 根據(jù)圖 所示的控制系統(tǒng)框圖，可以建立其數(shù)學(xué)模型。 對逆變器的輸出端有： L a b g rid L LdiL U U i Rdt ? ? ? ? （ ） G1（ s） G2（ s） G3（ s） 中北大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)論文 第 35 頁 共 70 頁 式中， abU 為逆變橋輸出電壓， gridU 為電網(wǎng)電壓， Li 為并網(wǎng)電流， L 為濾波電感值， LR為電感的串聯(lián)等效電阻。 將式（ ）寫成復(fù)頻域形式，有 31( ) ( ( ) ( ) ) ( ) ( ( ) ( ) )L a b g r id a b g r idLi s U s U s G s U s U sL s R? ? ? ?? （ ） 其中，3 1() LGs Ls R? ? （ ） 即為濾波器傳遞函數(shù)。 本文采用電流瞬時值反饋與三角波比較控制，在三角波比較控制中， PI 控制器應(yīng)用最為廣泛，其傳遞函數(shù)為： () iPI p KG s K s?? （ ） 式中， pK 和 iK 分別是 PI 控制器的比例系數(shù)和積分系數(shù)。 本文設(shè)計的逆變器開關(guān)頻率取 10kHz，遠遠大于電網(wǎng)頻率，如果忽略開關(guān)管的延時及死區(qū)時間的影響，將逆變橋等效為一個小慣性環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)為： 2 () 1PWMPWMKGs Ts? ? （ ） 式中， PWMT 是一個開關(guān)周期， PWMK 為逆變器增益，與 PI 調(diào)節(jié)器的最大限幅值有關(guān)，此時的并網(wǎng)電流控制結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。 gridU *Li + abU + Li PI 控制器 逆變橋 濾波器 圖 并網(wǎng)電流 PI 控制結(jié)構(gòu)框圖 PI 控制器參數(shù)設(shè)計 為獲得理想的動態(tài)穩(wěn)定性，并實現(xiàn)系統(tǒng)的快速響應(yīng)，將控制系統(tǒng)設(shè)計成一個二階系統(tǒng)，采用工程上常用的 ―二階最佳 ‖法對 PI 參數(shù)進行設(shè)計。 ip KK s? 1PWMPWMKTs? 1LLs R? 中北大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)論文 第 36 頁 共 70 頁 由圖 可得，控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為： 0111( ) ( )11 1pi P W M i P W M LpP W M L P W MiLK sK K K K RG s KsLs T s Ls R T s sKR?? ? ? ? ? ? ?? ? ?? （ ） 為了 使 PI 調(diào)節(jié)器抵消并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)中較大的時間常數(shù)LLR ，令 piLK LKR? （ ） 此時系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為 0 () ( 1)PWM iLPWMKKRGss T s? ? （ ） 顯然系統(tǒng)屬于典型的 I 型系統(tǒng)。 典型的 I 型系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的一般形式為 0 () ( 1)KGs s Ts? ? （ ） 按照 ―二階最佳 ‖法設(shè)計，即令式（ ）中 KT=。 對比式（ ），得 i PWMLKKTR ? （ ） 所以，有 LiPWM PWMRK KT? （ ） 代入式（ ），有 PWM PWMLK KT? （ ） 上面介紹了 PI 控制器參數(shù)設(shè)計的工程設(shè)計方法，該方法建立在逆變器傳遞函數(shù)已知的基礎(chǔ)上，式（ ）給出的逆變器傳遞函數(shù)只 是一種經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，和實際還是有誤差的，所以得到的 P， I 參數(shù)只是理論指導(dǎo)值，實際測試過程中要作適當(dāng)?shù)闹斜贝髮W(xué) 2020 屆本科畢業(yè)論文 第 37 頁 共 70 頁 調(diào)整。 6 基于 SPWM 的并網(wǎng)系統(tǒng) MATLAB/Simulink 仿真 MATLAB 簡介 MATLAB 是由美國 Mathworks 公司發(fā)布的主要面對科學(xué)計算、可視化以及交互式程序設(shè)計的高科技計算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上 擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計語言的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計算軟件的先進水平。 MATLAB 可以進行矩陣運算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應(yīng)用于工程計算、控制設(shè)計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設(shè)計與分析等領(lǐng)域。 在一些實際應(yīng)用中，如果系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，不適合用分析和編程的方法建模。在這種情況下，功能完善的 Simulink 程序可以用來方便地建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。Simulink是由 Mathworks 軟件公司 1990 年為 MATLAB 提供的新的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖編程與系統(tǒng)仿真的專用軟件工具。它有兩個顯著的功能： Simu（仿真）與 Link（連接）。在該仿真環(huán)境下，用戶程序其外觀就是控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，亦即建模過程可通過鼠標(biāo)在模型窗口上 ―畫 ‖出所需的控制系統(tǒng)模型，然后利用 Simulink 提供的輸入源模塊對結(jié)構(gòu)圖所描述的系統(tǒng)施加激勵，利用