最新大功率光伏逆变器建模与控制精品版.docx
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最新大功率光伏逆变器建模与控制精品版
2020年大功率光伏逆变器建模与控制精品版
毕业设计（论文）任务书
（2015届）
设计题目大功率光伏逆变器建模与控制
学院名称继续教育学院
专业（班级）2013级电气工程及其自动化
姓名（学号）宋玉（2013816019）
指导教师王付胜
英文摘要2
英文摘要3
目录１
1绪论４
1.1光伏并网逆变器概述４
1.1.2光伏产业崛起的背景及意义４
1.1.2光伏并网逆变器技术的作用与发展历程４
1.1.3光伏并网逆变器的分类５
1.2国内外发展现状及趋势６
1.2.1国外发展现状６
1.2.2国内发展现状６
1.2.3发展趋势６
1.3PWM控制技术简介７
1.3.1PWM控制的基本原理７
1.3.2SVPWM控制简介８
1.4本课题的主要研究内容与意义８
1.4.1课题的主要研究内容８
1.4.2课题的意义９
2三相光伏并网逆变器的数学模型及坐标变换原理９
2.1三相光伏并网逆变器在静止坐标系下的数学模型９
2.1.1电路拓扑结构及建模假定条件９
2.1.2三相静止坐标系下的数学模型９
2.2同步旋转坐标变换（dq变换）原理与方法９
2.2.1dq坐标与三相静止坐标的关系图１０
2.2.2dq坐标变换的方法１０
2.3三相光伏并网逆变器在两相旋转坐标系下的数学模型１０
3三相光伏并网逆变器的控制策略１０
3.1三相并网逆变器的开环控制１０
3.1.1无源逆变的模型及仿真１０
3.1.2有源逆变的模型及仿真１１
3.1.3SVPWM的基本原理与算法实现１１
3.2三相并网逆变器的闭环控制１５
3.2.1闭环控制模型的建立１６
3.2.2PI电流调节器的设计１６
3.2.3MPPT控制的基本原理与控制方法１６
3.2.4闭环控制系统的仿真实现与结果分析１９
4结论２２
4.1全文总结２２
4.2尚待完善的工作２２
谢辞２３
参考文献２４
中文摘要：
随着市场经济和现代化工业的发展，能源短缺和环境污染，已经成为制约人类社会健康发展的两大重要因素。
新能源的开发与利用愈来愈受到重视，太阳能以其清洁环保、蕴藏丰富等优点逐步得到了开发利用。
光伏并网逆变器作为太阳能利用中主要的能量变换装置，是目前研究和发展的重要环节。
本文在分析三相光伏并网逆变器工作原理的基础上，设计了并网逆变器的主电路和控制结构。
首先，概述了光伏发电的意义以及我国光伏产业的国内外的发展现状及前景；介绍了PWM控制技术的原理:
介绍了本课题的来源及其主要研究的内容。
接着，建立三相光伏并网逆变器在不同坐标系下的数学模型，重点分析三相静止坐标系（a-b-c）、两相静止坐标系（α-β）和两相旋转坐标系（d-q）之间的变换原理和方法,从而建立起三相静止坐标系和两相旋转坐标系下的数学模型。
随后，介绍三相并网逆变器的控制策略，以开环控制为基础，分别建立无源逆变和有源逆变的模型，分析其原理和在matlab软件中的仿真结果；同时详细介绍SVPWM控制原理和计算方法，建立起SVPWM控制模块，从而进一步建立双闭环控制模型，对两相旋转坐标系下的id，iq分别进行控制，详细介绍电流内环PI调节器的整定方法，分别对其参数进行整定，分析MPPT控制器的工作原理，得出最终的系统模型，在软件中实现仿真，并对结果进行详细分析。
最后，对三相光伏并网逆变器的设计过程进行总结，阐述已达成的目标和尚待完善的工作。
关键词：
光伏并网逆变器；SVPWM；双闭环控制；dq坐标变换
英文摘要：
Alongwithmarketeconomyandmodernindustrialdevelopment,theenergyshortageandenvironmentalpollution,hasrestrictedthehealthydevelopmentofhumansociety,woimportantfactors.Newenergydevelopmentandutilizationofsolarenergy,moreattentionwithitscleanenvironmentalprotection,richgraduallygottheadvantagesofexploitation.Photovoltaic（pv）gridinverterassolarenergyutilizationofenergyconversiondevicesmainatpresent,itistheimportantlinkofresearchanddevelopment.Basedontheanalysisofthethree-phasephotovoltaic（pv）gridinverter,thebasicprincipleofdesignthegridinverterthemaincircuitandcontrolstructure.
First,summarizedthesignificanceandphotovoltaicenergyphotovoltaicindustryathomeandabroadinthedevelopingsituationandprospects;IntroducestheprincipleofPWMcontroltechnology,;Introducedthistopicsourceandthemainresearchcontents.
Then,establishthree-phasephotovoltaic（pv）gridinverterindifferentcoordinatesandfocusesonanalyzingthemathematicalmodelofthethree-phasestaticcoordinatesystem（a-b-c）,two-phasestaticcoordinatesystem（alphabeta）andtwophaserotationcoordinatesystem（d-q）betweentransformprincipleandmethodToestablishthethree-phasestaticcoordinatesystemandtwo-phasemathematicalmodelofrotatingcoordinates.
Subsequently,introducethree-phasegridinvertercontrolstrategy,withtheopen-loopcontrolestablishedrespectivelyforthefoundation,passiveandactivevsimodel,andanalyzesitsinverterinthematlabsoftwareprincipleandthesimulationresults;MeanwhiledetailedintroductionSVPWMcontrolprincipleandcalculationmethod,establishesSVPWMcontrolmodule.Furtherestablishdoubleclosed-loopcontrolmodel,Ontwo-phaserotatingcoordinateid,iqseparatelycontrol，thedetailedintroductionofeletriccircuit.andthePIadjuster,settingmethodofitsparametersweresetting,Analysisoftheworkingprinciple,MPPTcontroller,thesystemmodel,obtainthefinalrealizationinsoftwaresimulation,andtheresultsareanalyzedindetail.
Finally,thethree-phasephotovoltaic（pv）gridinverterdesignprocessweresummarizedinthispaper，Alreadygoalofthiswork.Astoperfectthemonk.
Keywords：
Photovoltaic（pv）gridinverter;SVPWM;Closedloopcontrol;Dqcoordinatetransformation
1绪论
1.1光伏并网逆变器概述
1.1.2光伏产业崛起的背景及意义
能源是人类社会存在和发展的重要物质基础。
人类社会的可持续发展必
然需要与之相适应的能源体系作为保障。
而目前世界的能源结构是以煤炭、石
油、天然气等化石能源为主体结构。
化石能源是不可再生的能源，大量耗用
终将枯竭。
多年来，依赖大量不可再生能源的消耗来换取人类社会的快速发展，
已经造成了严重的能源短缺和环境污染问题。
长此以往，这必将给人类文明的
前景蒙上一层阴影。
因此，大力发展清洁的可再生能源已经成为当务之急。
太
阳能光伏发电作为一种清洁、无噪声的可再生能源越来越受到人们的青睐。
光
伏产业的迅速崛起对缓解能源的短缺、生态的破坏、环境的污染以及对人类社
会的可持续发展都有着极其重要的意义。
1.1.2光伏并网逆变器技术的作用与发展历程
据统计资料显示，目前光伏发电系统中，接近99%的安装容量为并网应用，这是因为并网应用相对独立光伏系统有成本低和免维护等优势，并网式光伏发电系统是当今发展方向，全世界并网式光伏系统年增长率约为25-30%。
并网逆变器作为光伏电池与电网的接口装置，将光伏电池的电能转换成交流电能并传输到电网上，在光伏并网发电系统中起着至关重要的作用，现代逆变技术为光伏并网发电的发展提供了强有力的技术和理论支持。
并网逆变器正朝着高效率、高功率密度、高可靠性、智能化的方向发展。
并网逆变器性能的改进对于提高系统的效率、可靠性，提高系统的寿命、降低成本至关重要。
并网逆变器性能的改进对于提高系统的效率、可靠性，提高系统的寿命、降低成本至关重要。
逆变器技术发展历程逆变器技术的发展始终与功率器件及其控制技术的发展紧密结合，从开始发展至今经历了五个阶段：
第一阶段：
20世纪50-60年代，晶闸管SCR的诞生为正弦波逆变器的发展创造了条件；
第二阶段：
20世纪70年代，可关断晶闸管GTO及双极型晶体管BJT的问世，使得逆变技术得到发展和应用；
第三阶段：
20世纪80年代，功率场效应管、绝缘栅型晶体管、MOS控制晶闸管等功率器件的诞生为逆变器向大容量方向发展奠定了基础。
第四阶段：
世纪90年代，微电子技术的发展使新近的控制技术如矢量控制技术、多电平变换技术、20重复控制、模糊控制等技术在逆变领域得到了较好的应用，极大的促进了逆变器技术的发展；
第五阶段：
21世纪初，逆变技术的发展随着电力电子技术、微电子技术和现代控制理论的进步不断改进，逆变技术正朝着高频化、高效率、高功率密度、高可靠性、智能化的方向发展。
1.1.3光伏并网逆变器的分类
光伏并网逆变器可以按照拓扑结构、隔离方式、输出相数、功率等级、功率流向等进行分类。
按照拓扑结构分类，目前采用的拓扑结构包括：
全桥逆变拓扑、半桥逆变拓扑、多电平逆变拓扑、推挽逆变拓扑、正激逆变拓扑、反激逆变拓扑等，其中高压大功率光伏并网逆变器可采用多电平逆变拓扑，中等功率光伏并网逆变器多采用全桥、半桥逆变拓扑，小功率光伏并网逆变器采用正激、反激逆变拓扑。
按照隔离方式分类包括隔离式和非隔离式两类，其中隔离式并网逆变器又分为工频变压器隔离方式和高频变压器隔离方式，光伏并网逆变器发展之初多采用工频变压器隔离的方式，但由于其体积、重量、成本方面的明显缺陷，近年来高频变压器隔离方式的并网逆变器发展较快，非隔离式并网逆变器以其高效率、控制简单等优势也逐渐获得认可，目前已经在欧洲开始推广应用，但需要解决可靠性、共模电流等关键问题。
按照输出相数可以分为单相和三相并网逆变器两类，中小功率场合一般多采用单相方式，大功率场合多采用三相并网逆变器。
按照功率等级进行分类，可分为功率小于1kVA的小功率并网逆变器，功率等级1kVA~50kVA的中等功率并网逆变器和50kVA以上的大功率并网逆变器。
从光伏并网逆变器发展至今，发展最为成熟的属于中等功率的并网逆变器，目前已经实现商业化批量生产，技术趋于成熟，光伏并网逆变器未来的发展将是小功率微逆变器也即光伏模块集成逆变器和大功率并网逆变器两个方向并行。
微逆变器在光伏建筑集成发电系统、城市居民发电系统、中小规模光伏电站有其独特的优势，大功率光伏并网逆变器在大规模光伏电站，如沙漠光伏电站，等系统具有明显优势。
按照功率流向进行分类，分为单方向功率流并网逆变器和双方向功率流并网逆变器两类，单向功率流并网逆变器仅用作并网发电，双向功率流并网逆变器除可用作并网发电外，还能用作整流器，改善电网电压质量和负载功率因素，近几年双向功率流并网逆变器开始获得关注，是未来的发展方向之一。
未来的光伏并网逆变器将集并网发电、无功补偿、有源滤波等功能与一身，在白天有阳光时实现并网发电，夜晚用电时实现无功补偿、有源滤波等功能。
1.2国内外发展现状及趋势
1.2.1国外发展现状
近几年，随着西班牙、德国、美国、日本对本国光伏产业的政策扶持，全球光伏发电逆变器的销售额逐年递增，光伏发电用逆变器进入了一个快速增长的阶段。
但目前全球光伏逆变器市场基本被国际几大巨头瓜分，欧洲式全球光伏市场的先驱，具备完善的光伏产业链，光伏逆变器技术处于世界领先地位。
SMA是全球最早也是最大的光伏逆变器生产企业（德国市场占有率达50%以上），约占全球市场份额的三分之一，第二位是Fronius。
全球前七位的生产企业占领了近70%的市场份额。
1.2.2国内发展现状
目前国内光伏并网逆变器市场规模较小，国内生产逆变器的厂商众多，但专门用于光伏发电系统的逆变器制造商并不多，但是不少国内企业已经在逆变器行业已经研究多年，已经具备一定的规模和竞争力，但在逆变器技术质量、规模上与国外企业仍具有较大差距，目前具有较大规模的厂商有合肥阳光、北京科诺伟业、北京索英、志诚冠军、南京冠亚、上海英伟力新能源科技有限公司等企业。
目前这些企业用于光伏系统的产量呈逐年上升的趋势。
国内市场规模虽然较小，但未来光伏电站市场的巨大发展空间和发展潜力给国内企业带来发展的历史机遇。
目前国内光伏逆变器主要被阳光电源、艾思玛、KACO等品牌所占领，国外企业多数通过代理渠道进入国内市场，由于售后服务提供难度大整体市场占有率不高。
2008年统计数字显示，合肥阳光电源公司占据70%以上的光伏逆变器市场份额，国内重点光伏项目大功率产品几乎全部选用国内产品。
从技术方面来看，国内企业在转换效率、结构工艺、智能化程度、稳定性等方面与国外先进水平仍有一定差距，目前我国在小功率逆变器技术上与国外处于同一水平，在大功率并网逆变器上，大功率并网逆变器仍需进一步发展。
1.2.3发展趋势
从技术层面来讲，大功率并网逆变器和小功率并网逆变器是未来的两个主要发展方向，其中小功率光伏并网逆变器——微逆变器是最具发展潜力和市场应用前景的发展方向，高频化、高效率、高功率密度、高可靠性和高度智能化是未来的发展方向。
从市场层面来讲，国外光伏企业起步早、技术成熟，在市场上占据了主导地位，国内下游光伏系统市场规模仍较小，但未来的发展潜力巨大，使得众多国际光伏企业纷纷抢滩国内市场，国内企业近几年发展势头迅猛，占领了国内市场的主要份额。
未来国内市场将是众多光伏并网逆变器企业争夺的焦点。
1.3PWM控制技术简介
PWM（PulseWidthModulation）控制技术就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值）。
1.3.1PWM控制的基本原理
脉宽调制（PWM）控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。
也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次斜波谐波少。
按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。
在采样控制理论中有一个重要的结论，即冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上，其效果基本相同。
冲量既指窄脉冲的面积。
这里所说的效果基本相同。
是指该环节的输出响应波形基本相同。
如把各输出波形用傅里叶变换分析，则它们的低频段特性非常接近，仅在高频段略有差异。
根据上面理论我们就可以用不同宽度的矩形波来代替正弦波，通过对矩形波的控制来模拟输出不同频率的正弦波。
例如，把正弦半波波形分成N等份，就可把正弦半波看成由N个彼此相连的脉冲所组成的波形。
这些脉冲宽度相等，都等于∏／n，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。
如果把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦部分面积（即冲量）相等，就得到一组脉冲序列，这就是PWM波形。
可以看出，各脉冲宽度是按正弦规律变化的。
根据冲量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。
对于正弦的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。
在PWM波形中，各脉冲的幅值是相等的，要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按同一比例系数改变各脉冲的宽度即可。
根据上述原理，在给出了正弦波频率，幅值和半个周期内的脉冲数后，PWM波形各脉冲的宽度和间隔就可以准确计算出来。
按照计算结果控制电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的PWM波形.
1.3.2SVPWM控制简介
SVPWM是近年发展的一种比较新颖的控制方法，是由三相功率逆变器的六个功率开关元件组成的特定开关模式产生的脉宽调制波，能够使输出电流波形尽可能接近于理想的正弦波形。
空间电压矢量PWM与传统的正弦PWM不同，它是从三相输出电压的整体效果出发，着眼于如何使电机获得理想圆形磁链轨迹。
SVPWM技术与SPWM相比较，绕组电流波形的谐波成分小，使得电机转矩脉动降低，旋转磁场更逼近圆形，而且使直流母线电压的利用率有了很大提高，且更易于实现数字化。
SVPWM的理论基础是平均值等效原理，即在一个开关周期内通过对基本电压矢量加以组合，使其平均值与给定电压矢量相等。
在某个时刻，电压矢量旋转到某个区域中，可由组成这个区域的两个相邻的非零矢量和零矢量在时间上的不同组合来得到。
两个矢量的作用时间在一个采样周期内分多次施加，从而控制各个电压矢量的作用时间，使电压空间矢量接近按圆轨迹旋转，通过逆变器的不同开关状态所产生的实际磁通去逼近理想磁通圆，并由两者的比较结果来决定逆变器的开关状态，从而形成PWM波形。
1.4本课题的主要研究内容与意义
1.4.1课题的主要研究内容
本课题研究的三相光伏并网逆变器，是光伏并网发电系统的重要组成部分，主要由主电路和控制电路两部分组成。
主电路部分采用三相电压型PWM逆变电路，控制电路主要包含双闭环控制模块（电流内环，电压外环）、DQ坐标变换模块和SVPWM控制模块。
本课题主要利用MATLAB的SIMILINK系统仿真软件，建立了三相并网逆变器的仿真模型，构成双闭环，对这些模块的基本原理进行详细分析和参数整定（如PI调节器参数整定）。
直流变换侧加入电流环为光伏电池最大功率点跟踪（MPPT）算法提供电流数据，实时跟踪功率的最大输出值，尽可能提高光伏发电系统的效率，并保证并网运行具有稳定可靠的锁相功能。
1.4.2课题的意义
本课题设计的三相光伏并网逆变器，应使输出电流为良好的正弦电流波形，并于电网电压基本同相位，具有实时控制、电流响应快、输出电压电流波形不含特定次谐波等优点。
2三相光伏并网逆变器的数学模型及坐标变换原理
2.1三相光伏并网逆变器在静止坐标系下的数学模型
2.1.1电路拓扑结构及建模假定条件
常用的三相电压型PWM逆变器主电路拓扑结构如图2.1所示,其中ea、eb、ec为电源三相电动势,ia、ib、ic表示逆变器三相输出电流;ua、ub、uc为逆变器输出相电压;L为交流侧滤波电感,C为直流侧滤波电容，Vdc为直流侧电源电压，开关器件由可控器件IGBT组成。
为简化分析且又不脱离电路的实际工作情况,在推导以便其的数学模型之前,特做如下假设:
（1）电网为三相对称的理想电压源;
（2）三相回路等效电阻和电感相等;
（3）网侧滤波电感L是线性的,且不考虑饱和;
（4）忽略分布参数影响;
（5）忽略开关器件的导通压降和开关损耗。
2.1.2三相静止坐标系下的数学模型
不考虑逆变器变换损耗,忽略高频分量的影响，根据基尔霍夫定律,
2.2同步旋转坐标变换（dq变换）原理与方法
在ABC坐标系中,需要控制的网侧电流均为时变交流量,因而不利于控制系统设计。
因此通过坐标变换将三相ABC静止坐标系转换成同步旋转dq坐标系。
经坐标旋转变换后,三相对称静止坐标系中的基波正弦变量将转化成同步旋转坐标系中直流变量。
另外，两相坐标系的d轴q轴互相垂直,因而没有磁的耦合;仅此两点就会使数学模型简单许多,利于控制系统的设计应用。
2.2.1dq坐标与三相静止坐标的关系图
坐标系的定义基准不同,电气量的表达式及坐标变换的结果也就不一样。
在此以IEEE的定义标准为基准,即以逆时针旋转方向为基准,abc三相静止坐标逆时针排列、彼此相差,dq坐标逆时针同步旋转（以角频率ωθ同步旋转）、d轴与a轴的夹角为θ、q轴位于在旋转方向上比d轴超前的位置上。
dq坐标与abc三相静止坐标的关系。
2.2.2dq坐标变换的方法
坐标变换通常有等量变换和等功率变换两种方式,所谓等量变换是指坐标变换前后电气量的通用矢量相等,而等功率变换则是变换前后功率保持不变。
本文采用等量dq变换法来建立三相VSR的数学模型。
将d轴定向于A轴旋转θ角度后的矢量方向上,q轴与之垂直,如图2.2所示。
定义d轴与电网电动势矢量e同相,则d轴方向的电流分量id为有功电流,d轴落后于q轴,因此q轴方向的电流分量iq为无功电流。
初始条件下,令d轴与a轴重合。
2.3三相光伏并网逆变器在两相旋转坐标系下的数学模型
式中为电感电流矢量;为逆变器桥臂输出电压矢量;为电网电压矢量;L为每相滤波电感。
整理后可以得到三相并网逆变器在两相
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