基于MatlabSimulink地三相光伏发电并网系统地仿真.docx
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基于MatlabSimulink地三相光伏发电并网系统地仿真
题目：
基于Matlab/Simulink的三相光伏发电并网系
统的仿真
院系：
姓名：
学号：
导师：
一、
背景与目的..........................................................................................
3
二、
实验原理..............................................................................................
3
1.
并网逆变器的状态空间及数学模型...................................................
3
1.1
主电路拓扑....................................................................................
4
1.2
三相并网逆变器dq坐标系下数学模型...........................................
4
1.3
基于电流双环控制的原理分析.......................................................
5
2.
LCL型滤波器的原理..........................................................................
6
三、
实验设计..............................................................................................
8
1.
LCL型滤波器设计....................................................................................
8
1.1
LCL滤波器参数设计的约束条件........................................................
8
1.2
LCL滤波器参数计算..........................................................................
8
1.3
LCL滤波器参数设计实例...................................................................
9
2.
双闭环控制系统的设计.........................................................................
10
2.1
网侧电感电流外环控制器的设计..................................................
10
2.2
电容电流内环控制器的设计.........................................................
11
2.3
控制器参数计算...........................................................................
12
四、
实验仿真及分析.................................................................................
12
五、
实验结论............................................................................................
16
一、背景与目的
伴随着传统化石能源的紧缺，石油价格的飞涨以及生态环境的不断恶化，这些问题促使
了可再生能源的开发利用。
而太阳能光伏发电的诸多优点，使其研究开发、产业化制造技术
以及市场开拓已经成为令世界各国，特别是发达国家激烈竞争的主要热点。
近年来世界太阳
能发电一直保持着快速发展，九十年代后期世界光伏电池市场更是出现供不应求的局面，进
一步促进了发展速度。
目前太阳能利用主要有光热利用，光伏利用和光化学利用等三种主要形式，而光伏发电
具有以下明显的优点：
1.无污染：
绝对零排放－没有任何物质及声、光、电、磁、机械噪音等“排放”；
2.可再生：
资源无限，可直接输出高质量电能，具有理想的可持续发展属性；
3.资源的普遍性：
基本上不受地域限制，只是地区之间是否丰富之分；
4.通用性、可存储性：
电能可以方便地通过输电线路传输、使用和存储；
5.分布式电力系统：
将提高整个能源系统的安全性和可靠性，特别是从抗御自然灾害和战备的角度看，它更具有明显的意义；
6.资源、发电、用电同一地域：
可望大幅度节省远程输变电设备的投资费用；
7.灵活、简单化：
发电系统可按需要以模块化集成，容量可大可小，扩容方便，保持
系统运转仅需要很少的维护，系统为组件，安装快速化，没有磨损、损坏的活动部件；
8.光伏建筑集成（BIPV-BuildingIntegratedPhotovoltaic）：
节省发电基地使用
的土地面积和费用，是目前国际上研究及发展的前沿，也是相关领域科技界最热门的话题之
一。
我国是世界上主要的能源生产和消费大国之一，也是少数几个以煤炭为主要能源的国家
之一，提高能源利用效率，调整能源结构，开发新能源和可再生能源是实现我国经济和社会可持续发展在能源方面的重要选择。
随着我国能源需求的不断增长，以及化石能源消耗带来的环境污染的压力不断加剧，新能源和可再生能源的开发利用越来越受到国家的重视和社会的关注。
二、实验原理
1.并网逆变器的状态空间及数学模型
1.1主电路拓扑
图1.1所示为三相并网发电系统的拓扑结构，图中，
流母线滤波电容,为三相逆变桥的6个IGBT开关管
相桥臂上、下管互锁死区所引起的电压损失，为滤波电感
为直流输入电源为滤波电感的内阻，、
为输入直的内阻和由每、组成三阶
LCL滤波器。
图1.1三相并网发电系统拓扑结构图
1.2三相并网逆变器dq坐标系下数学模型
滤波器状态空间模型的具体形式与所选状态变量有关，为了建立采用LCL滤波器的三相
并网逆变器的状态空间数学模型，这里选择的电感电流、电容的电压。
以及并网电
感上的电流为状态变量,在三相平衡的情况下根据PARK变换可得两相同步旋转dq坐标
系下的状态方程为:
式中
、、
、
为三相桥臂电压与电网电压的
dq分量。
根据式（
1）所示的LCL
滤波器在dq坐标系下的数学模型，旋转3/2变换在系统的
d轴和q轴之间引入了强耦合，d、
q轴电流除受控制量
均和
影响外，还受耦合电压
、
、
、
和
耦合电流
、
以及电网电压
、
的影响。
如果不对
d轴和q轴进行解耦控
制，采用电流闭环控制时
d轴和q轴的电流指令跟踪效果不是很理想。
1.3基于电流双环控制的原理分析
基于并网电流单环PI控制无法使系统稳定运行,采用电感电流作为内环电流反馈的
电流双环控制对系统稳定性没有明显的改善，但采用如图1.3.1所示的电容电流作为内环
反馈的双环控制，在选择合适的内外环控制器参数情况下完全能够使系统稳定运行。
图1.3.1电感电流外环电容电流内环系统框图
i2k
Gi（s）Gc（s）G1（s）G2
（s）G3
（s）
）
i*2ki2k
（3
1G1（s）G2（s）G2（s）G3（s）Gc（s）G1（s）
式中G1（s）
1
；G2（s）
1；Gc（s）
Kc；G3（s）
1
；Gi（s）Kp
Ki。
L1SR1
C2S
L2SR2
S
将图
1.3.1
等效变换为图
1.3.2
所示的电流双环控制系统等效图,
其参考信号为
I
*
2r
Kc（K
p
Ki
/s）I2*。
图
1.3.2
中，反馈通道的反馈信号由电容电流
Ic和并网电流
I2及
积分量分别乘以
Kc、KcKp、KiKp3个常系数的总和形成。
如果把电容电流
Ic和并网电流
I2及其积分量看成系统的
3个状态变量
则图
1.3.2
是以
I*2r
为输入量
以Kc、KcK
p、
KiKp组成状态反馈增益矩阵的状态反馈控制系统。
可以看出，当改变内环控制参数
Kc时，
也同时改变了电容电流
Ic和并网电流
I2及其积分量的反馈通道系数
Kc、KcKp以及
KiKp，
因此导致电流双环控制器无法通过改变Ki、Kp、Kc的数值将系统的闭环极点配置到所希
望的位置上以满足性能指标要求,也是下一步采用高阶极点配置的方法设计电流双环控
制器参数时需要解决的问题。
图1.3.2并网逆变器双环控制系统等效框图
1.LCL型滤波器的原理
LCL与L不同，它是三阶模型，如果设计不好会影响系统的稳定性，需要分
析LCL滤波器的整体模型。
参数设计过程中，除了要满足网侧电流谐波含量标准外，还要使逆变器侧电流谐波和电容吸收无功功率小。
ii1
R1
L1
R2
L2
ii2
Rf
Vri
Vc
Vsi
Cf
图2.2.1单相LCL滤波器拓扑结构
针对单相LCL频率特性进行分析和研究图2.2.1所示，Vriia,b,c是逆变器侧输出交流电压，Vsiia,b,c是电网侧电压，L1和L2分别为逆变器侧和电网侧的滤波电感，R1和R2分别为对应电感的等效电阻，Cf是滤波电容，Rd是电容
支路的电阻。
相比于L滤波器，LCL滤波器多了L2和Cf，电容支路对高频纹波
电流呈现低阻抗通路从而旁路高频电流，电感
L2抑制电流ii2中的高频纹波。
逆
变器侧和网侧电阻R1、R2相比于感抗L1、L2较小，可以忽略。
图2.2.1进行拉
普拉斯变换得到滤波器的结构框图如2.2.2
。
图中看出，LCL滤波器中，逆变器
侧电感支路L1与网侧电感支路L2和电容支路Cf并联电路串联，求出滤波器的传
递函数。
Vri1
sL1ii1
1
ic1
Vc
Rd
sCf
V
1
ii2
si
sL2
图2.2.2LCL滤波器的结构框图
系统的串联阻抗为X：
L1L2s3
RfL1
RfL2
Cfs2
L1L2
s
XsL1
（2-1）
XL2//Cf
2
L2CfsRfCfs1
逆变器侧电流ii1为ii1
Vri
X，网侧滤波电感和电容分流关系：
XCf
RfCfs
1
（2-2）
ii2
XL2XCf
ii1
L2Cfs2
RfCfs1ii1
由逆变器侧电流ii1
和公式（3-2）带入可以得到网侧电流
ii2：
Vri
RfCfs1
Vri
RfCfsVri
（2
ii2
RfCfs1
L1L2Cfs3
RfL1
RfL2
Cfs2
L1
L2
XL2Cfs2
s
-3）
由上式可以得出从逆变器侧电压Vri到网侧电流ii2的传递函数：
ii2
RfCfs1
（2-4）
Gs
L1L2RfCfs2
L1L2s
VriL1L2Cfs3
在电路滤波器设计的过程中，功率开关元器件的纹波是设计的主要依据。
在
给定纹波衰减率的条件下，可以由式（
2-4）得出两个电感和电容的约束关系。
但是满足上述关系的参数可以是多组的并不唯一这给
LCL滤波器的设计增加了
难度，需要分析LCL滤波器的运行特性，找出电感和电容的约束条件。
三、实验设计
1.LCL型滤波器设计
1.1LCL滤波器参数设计的约束条件
（1）LCL滤波器的电容Cf将引起无功功率增加，从而降低功率因数。
为了保证
系统的高功率因数，一般限制电容吸收的无功功率低于额定功率的5%。
（2）总电感值要小于
0.1pu，即
L
Lg
0.1pu
，否则需要较高的直流电压来保
证电流的控制性，这将会增大功率开关的损耗。
（3）为了避免开关频率附近的谐波激发
LCL谐振，谐振频率
fres应远离开关频
率，一般小于
0.5fres
，但不能过小，否则低次谐波电流将通过
LCL
滤波器得以
放大。
一般谐振频率在十倍的基波频率到开关频率的一半之间
10f
fres
0.5fsw。
（4）需增设阻尼电阻防止谐振，但阻值不能太大，以免带来过多的损耗，从而降低了效率。
1.2LCL滤波器参数计算
（1）电感L1的计算：
L1
U
）
（3-1
26fswisip
U为网侧相电压有效值，isip为谐波电流峰值，fsw为开关频率。
（2）总电感值的约束条件：
Udc2
4Em2
L
2Imw
（3-2）
其中Udc为直流母线电压，
Em为网侧相电压峰值，
Im为相电流峰值,且
Udc
（3-3）
L
8isipfsw
（3）计算电容C
可先确定谐振频率fr，10ffr0.5fsw，再根据公式：
fr
1
L1
L2
（3-4）
2L1L2C
计算得电容C的值；也可以取电容消耗的无功功率为总功率的
5%，利用约束条
件：
C
5%Cb
，其中Cb
1
且z
E2
wb为
其中为网侧线电压有效值，
wbzb，
b
E
p
基波频率。
（4）电容所串电阻Rd
Rd
1
1
（3-5）
32
fr
有很多的限制条件，满足有功功率和无功的控制要求，总结如下：
（1）滤波电容吸收的无功尽量少；
（2）逆变器侧电流纹波尽量少；
（3）谐振频率避免与开关频率及其倍数附近重合；
（4）提高逆变器电压对电网侧电流控制。
1.3LCL滤波器参数设计实例
选定直流母线电压800V，电网电压380V/50Hz，总功率100kW,开关频率选定
为5kHz,可得输出相电流峰值为10A，令L1为逆变器侧滤波电感，L2为网侧滤波电感，Cf为滤波电容，Rd为单环控制策略中电容所串电阻。
根据前面所述参数计算方法，可得到：
总电感约束值：
L
Udc
0.62mH
8isipfsw
2
2
Udc
4Em
3.73mH
，
且L
2Im
U
0.8
又L1
26fswisip
所以可取总电感为3mH，取
L1
L21.2mH
又由于Cb
1
且zb
E2
，C
5%Cb，可得Cf
22uF，取20uF。
bzb
p
可得谐振频率:
fr
1
L1
L2
1012Hz
2
L1L2C
满足约束条件:
10ffres0.5fsw
1
1
进而可得单环控制策略中电容所串电阻:
Rd
3
32
fr
2.双闭环控制系统的设计
2.1网侧电感电流外环控制器的设计
下图是基于LCL滤波的三相并网逆变器原理图所得系统线性控制模型：
*
IL1
Ic1
Ug
IL2＋
Ki
Kpwm
1
－
1
IL2
Kp
Ts1
L1s
Cs
L2s
Ks
－
－
－
图3.1.1基于有源阻尼的线性系统控制
计算PI调节器的参数，根据文献[2]得LCL滤波器的传递函数：
F（s）
sCRd1
3
Rd（L1L2）Cs2
（L1L2）s（3-6）
L1L2Cs
1
将逆变器等效为一个小惯性环节:
Ts1
又L1L2C的数值很小，忽略不计，则
F（s）化简为：
F（s）
1
（L1
L2）s
（3-7）
进而可得被控对象的传递函数：
W1（s）
Kpwm
（L1
L2）s（Ts1）
（3-8）
Kpi（s
1）
Wpi
s
其中τ=hT
且已知PI调节器的传递函数为：
整定为II
型系统后为：
W（s）
KpwmKpi（s
1）
（L1
L2）
s2（Ts
1）
（3-9）
且典型II
型系统的传递函数为：
WII
K（s
1）
（s）
1）
（3-10）
s2（Ts
K
h
1
，选定h，滤波器参数L1、C和L2的值，即可计算出
其中
2h
2T2
K，然后可
Kpi
Kp
Kp
Ki
Rd
得
即
，且
，电容所串电阻
为：
1
1
Rd
fr
32
（3-11）
以上为理论计算方法，仿真过程中各参数还需要适当调整，才能得到较好的滤波
效果和稳定的电压电流波形。
2.2电容电流内环控制器的设计
由系统线性控制模型可得电容电流内环控制对象传递函数为：
Kpwm
（Ts1）（L1Cs2RCs1）
由于L1C的数量级在109，忽略不计，控制对象可简化为：
Kpwm
（Ts1）（RCs1）
典型I型系统为：
K
s（Ts1）
上述控制对象要整定为I型系统，可采用PI调节器：
Kp（1s1），
1s
且取1为T和RC中较大的数，由于R5，取3,C=20uF，T为0.0002S，RCT，
则取1=RC，整定后的I型系统为：
WI（s）
KpwmKp，
1s（Ts1）
又Kpwm
Udc
400
且取KT=0.5时超调较小、动态响应较快，计算可得
Kp的
2
值，Ki
Kp。
1
2.3
控制器参数计算
根据2.1节，可得整定后的并网电感电流外环传函为
升级会员 