【正文】 、LCL濾波器的參數(shù)設(shè)計(jì)；進(jìn)網(wǎng)電流諧波分析；逆變器側(cè)電流諧波分析；系統(tǒng)仿真研究。（2）擬解決的主要問(wèn)題：如何設(shè)計(jì)LCL濾波器使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行；如何有效擬制并網(wǎng)逆變器交流側(cè)輸出電流諧波問(wèn)題；如何減少輸出電流紋波，提高電流的質(zhì)量；如何增加網(wǎng)側(cè)電流對(duì)電網(wǎng)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(guān)三相并網(wǎng)逆變器的基本知識(shí)，然后有針對(duì)性的對(duì)LCL濾波器設(shè)計(jì)和雙閉環(huán)控制設(shè)計(jì)方法進(jìn)行學(xué)習(xí)。其次找到基于LCL濾波器的三相并網(wǎng)逆變器控制技術(shù)研究相關(guān)文獻(xiàn)，了解現(xiàn)有基于LCL濾波器的三相并網(wǎng)逆變器控制技術(shù)，并熟悉過(guò)程。最后設(shè)計(jì)完成主電路和控制電路，并利用Matlab進(jìn)行仿真。（2）研究方法：通過(guò)上網(wǎng)查找資料和閱讀學(xué)校圖書館的相關(guān)書籍作好理論知識(shí)的儲(chǔ)備；相關(guān)軟件及優(yōu)化設(shè)計(jì)理論的學(xué)習(xí)；擬定以各種參數(shù)為變量的不同的方案進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比方法包括理論計(jì)算和計(jì)算機(jī) 輔助設(shè)計(jì)和分析：對(duì)分析數(shù)據(jù)和結(jié)果進(jìn)行全面的歸納整理，選擇最優(yōu)方案并撰寫論文。四、研究工作進(jìn)度： 查閱資料，、工作原理及系統(tǒng)構(gòu)成 。（14周） 完成主電路和控制電路方案選擇，對(duì)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行理論分析。（58周） 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)與仿真研究。（912周） 系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)研究。（1316周） 整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并與理論比較，撰寫論文。（1718周）目前完成的工作和結(jié)果：為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，目前國(guó)內(nèi)外主要有以下幾種策略： 基于無(wú)源阻尼的直接電流控制策略 直接電流控制通過(guò)電流反饋閉環(huán)控制直接調(diào)節(jié)電流，具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、受系統(tǒng)參數(shù)影響小等特點(diǎn)，是目前常用的電流控制方案，然而無(wú)論采用P、PI還是PID調(diào)節(jié)均無(wú)法使系統(tǒng)穩(wěn)定，并網(wǎng)逆變器LCL接口直接輸出電流控制穩(wěn)定性問(wèn)題簡(jiǎn)單直接的解決方案是LCL串聯(lián)電阻形成無(wú)源阻尼PD衰減諧振峰值，增大相角裕度，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性?；谟性醋枘岬闹苯庸β士刂撇呗? 由于動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、原理簡(jiǎn)單，近年來(lái)直接功率控制已被越來(lái)越多地應(yīng)用于PWM 整流器的控制。但是傳統(tǒng)的直接功率控制策略沒(méi)有電流內(nèi)環(huán)，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(shè)計(jì)了基于直接功率控制的有源阻尼方法來(lái)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(guò)檢測(cè)交流側(cè)電流和直流側(cè)電壓來(lái)估算系統(tǒng)的虛擬磁鏈，從而算出系統(tǒng)的有功、無(wú)功功率，然后與給定值進(jìn)行比較，偏差值送入開關(guān)狀態(tài)選擇表，產(chǎn)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(wú)功功率減去阻尼分量后就可以避免諧振問(wèn)題?；跓o(wú)源阻尼的無(wú)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(wú)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，F(xiàn)elipe Espinosa等人提出了改進(jìn)的矢量無(wú)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(tài)觀測(cè)器獲得，系統(tǒng)的擾動(dòng)可以用無(wú)源阻尼來(lái)衰減。改進(jìn)的無(wú)差拍控制策略通過(guò)反饋電容電壓將其引入到控制策略中，使控制效果更好?；谌]環(huán)的電網(wǎng)不平衡控制策略2003 年ErikaTwining和Donald Grahame Holmes提出三閉環(huán)控制策略,這也是首次針對(duì)不平衡電網(wǎng)電壓提出的控制策略。其中，電壓外環(huán)用來(lái)控制直流側(cè)電壓。電流控制采用雙內(nèi)環(huán)的控制結(jié)構(gòu)，第一內(nèi)環(huán)是網(wǎng)側(cè)電流內(nèi)環(huán)，第二內(nèi)環(huán)是電容電流內(nèi)環(huán)。電壓調(diào)節(jié)器的輸出作為網(wǎng)側(cè)電流有功分量的給定，dq 坐標(biāo)系中網(wǎng)側(cè)電流調(diào)節(jié)器輸出經(jīng)坐標(biāo)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(wǎng)側(cè)電流與整流器交流側(cè)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(shù)量多是其缺點(diǎn)。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該方法對(duì)于不平衡電網(wǎng)電壓有較強(qiáng)的魯棒性。逆變器的工作原理：用三個(gè)單相逆變電路可以組合成一個(gè)三相逆變電路，但在三相逆變電路中，應(yīng)用最廣的還是三相橋式逆變電路，采用IGBT作為開關(guān)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(cè)通常只有一個(gè)電容器件就可以了，但為了分析方便，畫作串聯(lián)的兩個(gè)電容器并標(biāo)出了假想中點(diǎn)，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(dǎo)通方式，即每個(gè)橋臂的導(dǎo)通角為180176。，同一相即同一半橋的上下兩個(gè)臂交替導(dǎo)電，各相開始導(dǎo)電的角度一次相差120176。，這樣，在任一瞬間，將有三個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通，也可能是上面兩個(gè)臂下面一個(gè)臂同時(shí)導(dǎo)通，因?yàn)槊看螕Q流都是在同一相上下兩個(gè)橋臂之間進(jìn)行的，因此也被稱為縱向換流。在上述180176。導(dǎo)電的方式逆變器中，為了防止同一相上下兩橋臂的開關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)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(yīng)關(guān)斷的器件關(guān)斷信號(hào)，待其關(guān)斷后留一定的時(shí)間裕量，然后再給應(yīng)導(dǎo)通的器件發(fā)出開通信號(hào)，即在兩者之間留一個(gè)短暫的死區(qū)時(shí)間，死區(qū)時(shí)間的長(zhǎng)短要視器件的開關(guān)速度而定，器件的開關(guān)速度越快，所留的死區(qū)時(shí)間就可以越短，這一“先斷后通”的方法對(duì)于工作在上下橋臂通斷互補(bǔ)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(jìn)行對(duì)比：三相并網(wǎng)逆變器的濾波器設(shè)計(jì)至關(guān)重要，不僅影響系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)，還制約著系統(tǒng)損耗、直流側(cè)電壓、進(jìn)網(wǎng)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(yīng)用場(chǎng)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(jié)構(gòu)及控制簡(jiǎn)單，普遍應(yīng)用于并網(wǎng)逆變的場(chǎng)合。然而，隨著并網(wǎng)功率等級(jí)的不斷增加，基于效率和可靠性的考慮，并網(wǎng)逆變器的開關(guān)頻率一般較低，為了使進(jìn)網(wǎng)電流達(dá)到并網(wǎng)要求，電感值需要增大。這不僅是系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能下降，還會(huì)引起成本和體質(zhì)重量增加等一系列問(wèn)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，大多數(shù)應(yīng)用于獨(dú)立逆變的場(chǎng)合。若使用在并網(wǎng)逆變器中，需要對(duì)電容電流進(jìn)行補(bǔ)償，否則將影響進(jìn)網(wǎng)電流的功率因數(shù)。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(jìn)網(wǎng)電流的高次諧波，同時(shí)網(wǎng)側(cè)電感還可以起到抑制沖擊電流的作用。通常應(yīng)用于中大功率逆變場(chǎng)合。然而LCL濾波器本身是一個(gè)三階系統(tǒng)，存在著諧振問(wèn)題，若參數(shù)設(shè)計(jì)及控制策略不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。因此在設(shè)計(jì)時(shí)不僅要考慮濾除進(jìn)網(wǎng)電流的高次諧波，還要避免系統(tǒng)發(fā)生諧振，從而達(dá)到良好的穩(wěn)定性和可靠性。本課題研究的三相并網(wǎng)逆變器選用LCL型濾波器，具體設(shè)計(jì)思路如下：圖3 三相并網(wǎng)逆變器主電路拓?fù)鋱D3是三相并網(wǎng)逆變器的主電路拓?fù)洌渲?、為三相電網(wǎng)電壓，為電網(wǎng)中性點(diǎn)，、為濾波電容支路電壓，進(jìn)網(wǎng)電流分別為、,逆變器輸出電流分別為、逆變器側(cè)電感為，網(wǎng)側(cè)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(cè)電壓。建立三相并網(wǎng)逆變器的數(shù)學(xué)模型的目的是為了分析其穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)運(yùn)行特性，是研究控制策略和控制器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，因此需要建立三相并網(wǎng)逆變器的低頻數(shù)學(xué)模型。三相并網(wǎng)逆變器的低頻數(shù)學(xué)模型是基于基波分析而得，忽略了開關(guān)頻率等高頻諧波，適合分析控制系統(tǒng)和設(shè)計(jì)控制器參數(shù)。在分析低頻數(shù)學(xué)模型之前可以做如下假設(shè)：（1）電網(wǎng)電壓為三相對(duì)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(shù)相同；（3）IGBT均為理想器件，忽略死區(qū)時(shí)間。根據(jù)假設(shè)可得三相電網(wǎng)電壓為： (21)式中是電網(wǎng)相電壓的幅值，根據(jù)式（21）可知，電網(wǎng)電壓相序?yàn)閍相超前b相超前c相。由于三相并網(wǎng)逆變器工作的進(jìn)網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，則進(jìn)網(wǎng)電流基波為： (22)式中進(jìn)網(wǎng)相電流的幅值。根據(jù)基爾霍夫電壓定律，可以得到三相并網(wǎng)逆變器在三相靜止坐標(biāo)系下的狀態(tài)方程： (23)式中，各變量的物理意義清晰直觀，但變量數(shù)目較多且均是交流信號(hào)，不利于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。因此，需要進(jìn)行變換，即Clark變換：將三相靜止坐標(biāo)系變換到兩相靜止坐標(biāo)系，其原理圖如圖24所示：圖24 Clark變換假設(shè)兩相靜止坐標(biāo)系的軸與三相靜止坐標(biāo)系的A軸重合，根據(jù)等幅變換原則，其變換矩陣為： (24)反變換矩陣為： (25)聯(lián)立（23）、（24）、（25）可得三相并網(wǎng)逆變器在兩相靜止坐標(biāo)系下的狀態(tài)方程為：(26)化簡(jiǎn)可得：(27)此狀態(tài)方程與式（23）類似，物理意義也十分清晰直觀，變量數(shù)目得以減少，但仍然是交流信號(hào)。 為了將坐標(biāo)系下的交流信號(hào)變成直流信號(hào)，需要進(jìn)行變換，即Park變換：將兩相靜止坐標(biāo)系變換到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，其原理圖如圖25所示：圖25 Park變換假設(shè)初始時(shí)刻兩坐標(biāo)系夾角為，一般令，同時(shí)坐標(biāo)系以角速度旋轉(zhuǎn)，根據(jù)等幅變換原則，其變換矩陣為： (28)反變換矩陣為： (29)兩坐標(biāo)系下的進(jìn)網(wǎng)電流之間的關(guān)系是： (210)聯(lián)立式（27）、（28）、（210）可得并網(wǎng)逆變器在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的狀態(tài)方程為： （211）式（211）表明：經(jīng)過(guò)Park變換之后，交流變量都轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)應(yīng)的直流變量，兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的狀態(tài)方程可以大大簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)，但是軸和軸分量是耦合的，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定性及動(dòng)態(tài)性[610]。鎖相環(huán)節(jié)的工作原理：逆變器輸出電壓電流同頻同相才能并網(wǎng)供電，所以控制器的設(shè)計(jì)中都要設(shè)置鎖相環(huán)節(jié)。 鎖相環(huán)路是一種反饋電路，鎖相環(huán)的英文全稱是PhaseLocked Loop,簡(jiǎn)稱PLL。其作用是使得電路上的時(shí)鐘和某一外部時(shí)鐘的相位同步。因鎖相環(huán)可以實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)頻率對(duì)輸入信號(hào)頻率的自動(dòng)跟蹤，所以鎖相環(huán)通常用于閉環(huán)跟蹤電路。鎖相環(huán)在工作的過(guò)程中，當(dāng)輸出信號(hào)的頻率與輸入信號(hào)的頻率相等時(shí)，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(huán)名稱的由來(lái)。 在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，鎖相環(huán)是一種非常有用的同步技術(shù)，因?yàn)橥ㄟ^(guò)鎖相環(huán)，可以使得不同的數(shù)據(jù)采集板卡共享同一個(gè)采樣時(shí)鐘。因此，所有板卡上各自的本地80MHz和20MHz時(shí)基的相位都是同步的，從而采樣時(shí)鐘也是同步的。因?yàn)槊繅K板卡的采樣時(shí)鐘都是同步的，所以都能嚴(yán)格地在同一時(shí)刻進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。鎖相環(huán)的基本結(jié)構(gòu)：鎖相環(huán)路是一個(gè)相位反饋?zhàn)詣?dòng)控制系統(tǒng)。它由以下三個(gè)基本部件組成：鑒相器（PD）、環(huán)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(huán)的基本方框圖鎖相環(huán)的工作原理： 1. 壓控振蕩器的輸出經(jīng)過(guò)采集并分頻； 2. 和基準(zhǔn)信號(hào)同時(shí)輸入鑒相器； 3. 鑒相器通過(guò)比較上述兩個(gè)信號(hào)的頻率差，然后輸出一個(gè)直流脈沖電壓； 4. 控制VCO，使它的頻率改變； 5. 這樣經(jīng)過(guò)一個(gè)很短的時(shí)間，VCO 的輸出就會(huì)穩(wěn)定于某一期望值。 鎖相環(huán)可用來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出和輸入兩個(gè)信號(hào)之間的相位同步。當(dāng)沒(méi)有基準(zhǔn)（參考）輸入信號(hào)時(shí)，環(huán)路濾波器的輸出為零（或?yàn)槟骋还潭ㄖ担?。這時(shí)，壓控振蕩器按其固有頻率fv進(jìn)行自由振蕩。當(dāng)有頻率為的參考信號(hào)輸入時(shí)，和同時(shí)加到鑒相器進(jìn)行鑒相。如果和相差不大，鑒相器對(duì)和進(jìn)行鑒相的結(jié)果，輸出一個(gè)與和的相位差成正比的誤差電壓ud，再經(jīng)過(guò)環(huán)路濾波器濾去中的高頻成分，輸出一個(gè)控制電壓,將使壓控振蕩器的頻率（和相位）發(fā)生變化，朝著參考輸入信號(hào)的頻率靠攏，最后使=，環(huán)路鎖定。環(huán)路一旦進(jìn)入鎖定狀態(tài)后，壓控振蕩器的輸出信號(hào)與環(huán)路的輸入信號(hào)（參考信號(hào)）之間只有一個(gè)固定的穩(wěn)態(tài)相位差，而沒(méi)有頻差存在。這時(shí)我們就稱環(huán)路已被鎖定。 環(huán)路的鎖定狀態(tài)是對(duì)輸入信號(hào)的頻率和相位不變而言的，若環(huán)路輸入的是頻率和相位不斷變化的信號(hào)，而且環(huán)路能使壓控振蕩器的頻率和相位不斷地跟蹤輸入信號(hào)的頻率和相位變化，則這時(shí)環(huán)路所處的狀態(tài)稱為跟蹤狀態(tài)。 鎖相環(huán)路在鎖定后，不僅能使輸出信號(hào)頻率與輸入信號(hào)頻率嚴(yán)格同步，而且還具有頻率跟蹤特性，所以它在電子技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域中都有著廣泛的應(yīng)用。主要參考文獻(xiàn)[1] E. 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