基于MATLAB的单相逆变器并网控制技术仿真研究.docx
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基于MATLAB的单相逆变器并网控制技术仿真研究
基于MATLAB的单相逆变器并网控制技术仿真研究
中北大学
毕业论文任务书
学院、系：
信息商务学院、信息与通信工程系
专业：
电气工程及其自动化
学生姓名：
雒瑞阳
学号：
09050444X47
论文题目：
基于MATLAB的单相逆变器并网控制技术仿真研究
起迄日期:
2013年月日~2013年月日
指导教师:
李静
系主任:
王明泉
发任务书日期:
2013年月日
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名：
日 期：
指导教师签名：
日 期：
使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名：
日 期：
学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：
日期：
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名：
日期：
年月日
导师签名：
日期：
年月日
指导教师评阅书
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
评阅教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
教研室（或答辩小组）及教学系意见
教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
教研室主任（或答辩小组组长）：
（签名）
年月日
教学系意见：
系主任：
（签名）
年月日
毕业论文任务书
1．毕业论文的任务和要求：
1、学习单相逆变器并网控制技术工作原理；
2、设计一种基于DSP控制的单相并网逆变器。
采用电压型逆变器电流控制的方式,引入固定载波频率的SPWM强迫电流跟踪和软件锁相等技术,控制逆变器输出与电网电压频同相的并网电流,实现可再生能源以高功率因数回馈电网。
2．毕业论文的具体工作内容：
学习的知识：
需要具备DSP；电力电子技术；Matlab仿真等方面的知识。
掌握的技术：
电力电子技术；DSP控制；单相并网逆变器并网控制技术。
技术要求：
设计一种基于DSP控制的单相并网逆变器，包括软件和硬件设计，通过对并网控制和孤岛效应等问题的分析,给出具体的解决方案.并用Matlab/simulink建立单相并网逆变器功率输出级在闭环状态下的仿真模型,观察并网工作时重要观测点的电压和电流。
工作（纪律）要求：
遵守学校相关规定。
在毕业设计过程中要工作踏实，态度端正，对待问题要实事求是，本着严谨处理问题的态度和学风认真完成设计的要求。
毕业论文任务书
3．对毕业论文成果的要求：
毕业设计说明书
相关英文资料翻译
4．毕业论文工作进度计划：
起迄日期
工作内容
年
月日~月日
月日~月日
月日~月日
月日~月日
月日~月日
查阅资料，了解课题背景，掌握基本技术，制定设计思路，完成开题报告；
完成系统方案设计，完成系统仿真设计，并对结果进行分析
撰写毕业论文说明书并修改完善
翻译资料及论文修改等
论文答辩
学生所在系审查意见：
系主任：
年月日
1绪论……………………………………………………………………………………1
1.1课题研究背景及意义………………………………………………………………1
1.2国内外发展情况…………………………………………………………………2
1.3本课题要解决的问题……………………………………………………………3
2单相并网逆变器的总体设计………………………………………………………3
2.1单相并网逆变器拓扑结构…………………………………………………………3
2.2单相并网逆变器的总体设计及功能划分…………………………………………5
2.2.1系统主电路拓扑…………………………………………………………………5
2.2.2系统总体设计及各组成部分介绍………………………………………………6
2.3单相并网逆变器的基本原理……………………………………………………8
2.4系统主电路参数设计……………………………………………………………8
3并网逆变控制系统硬件设计………………………………………………………10
3.1TMS320F2808DSP及开发环境CCS介绍…………………………………………10
3.2并网逆变控制系统的硬件设计…………………………………………………11
3.2.1辅助电源设计…………………………………………………………………11
3.2.2电压检测电路的设计…………………………………………………………12
3.2.3电流检测电路的设计…………………………………………………………13
3.2.4过零检测电路设计……………………………………………………………13
3.2.5IGBT驱动电路设计……………………………………………………………14
4并网逆变控制系统的软件设计……………………………………………………14
4.1软件总体设计……………………………………………………………………14
4.2主程序设计………………………………………………………………………15
4.3定时器下溢中断程序设计………………………………………………………15
4.4捕捉中断程序设计………………………………………………………………17
4.5故障保护中断程序设计…………………………………………………………18
5并网逆变器控制策略的研究与实现………………………………………………20
5.1SPWM技术简介……………………………………………………………………20
5.2逆变器并网运行时的控制策略分析……………………………………………23
5.2.1并网逆变器的输出控制………………………………………………………23
5.2.2并网电流控制策略研究………………………………………………………24
5.2.3并网电流闭环控制系统数学模型……………………………………………26
5.2.4PI控制器参数设计……………………………………………………………27
6基于SPWM的并网系统MATLAB/Simulink仿真……………………………………29
6.1MATLAB简介………………………………………………………………………29
6.2仿真模型的建立…………………………………………………………………29
6.3模型各部分参数设置……………………………………………………………30
6.4仿真结果…………………………………………………………………………32
6.5仿真结果分析……………………………………………………………………34
7结论…………………………………………………………………………………34
参考文献………………………………………………………………………………36
致谢……………………………………………………………………………………39
1绪论
1.1课题研究背景及意义
在全球生态环境恶化和化石能源逐渐枯竭的双重压力下，对新能源的研究和利用已成为全球各国关注的焦点。
除水力发电技术外，风力发电是新能源发电技术中最成熟、最具大规模开发和最有商业化发展前景的发电方式[1]。
我国的并网风电在“十五”期间也得到迅速发展。
到2005年底，全国风电装机总容量为126万千瓦，居世界第十位。
到“十一五”末期，全国总装机容量将达到500万千瓦。
中国将成为继欧洲、美国和印度之后发展风力发电的主要市场之一[2]。
随着风电场的容量越来越大，对系统的影响也越来越明显，研究风电并网对系统的影响已成为重要课题[3]。
据了解，大部分的新能源直接产生的能量通常是不稳定的，他们在并网时如果不加控制和调节，就会对电网造成冲击，同时为了保证将尽可能多的有功能量送入电网，在新能源发电系统中还要加上储能环节，这些过程都需要利用变流技术对其进行控制，因此新能源在从其原始状态转化到可供人们实际应用的电能过程中与变流技术是密不可分的。
比如说，在风力发电系统中，风力发电机因风量不稳定，故其输出的是13～25V变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电池充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。
然后用有保护电路的逆变电源，把电池里的化学能转变成交流电并入电网，才能保证稳定使用。
在这次仿真研究中，我主要就单相逆变器并网控制技术的工作原理学习了解，并设计一种基于DSP控制的单相逆变器。
作为新能源发电系统和电网的接口设备，并网逆变器是研究热点之一。
目前并网逆变器从组成结构和单机容量来看，主要分为单级变换和双级变换两种。
其中单级式并网逆变器，将直流电直接经过一级直-交变换并网。
双级式并网逆变器，由DC/DC升压和DC/AC逆变两级变换构成，一般用于直流侧电压较低、单机容量较小的场合[4]。
随着系统的容量增大，单个逆变器的容量已经不能满足要求。
为了提高系统的功率、可靠性和效率，逆变器可以并联运行，这又不可避免的产生了环流，导致输出电流畸变，同时使负载不平衡，从而损害整个系统的性能[5]。
由于本次研究主体是对于风力发电系统中的单相逆变器并网运行，所以必须得兼顾一些风电行业必须面对的问题与挑战。
由于我国的风电并网采用“大规模—高集中—高电压—远距离输送”与欧洲的“分散上网、就地消纳”并网方式不同，所以对于电能并网的稳定性和应急能力有极高的要求[6]。
而逆变器则在其中担任了及其重要的位置。
1.2国内外发展情况
伴随着世界范围内开发利用新能源的热潮，很多国家都纷纷研发了光伏发电、风力发电等可再生能源并网发电系统。
人们对可再生能源并网发电的技术进行了大量的研究，并使得该技术得到了迅速的发展和应用[7]。
目前广泛应用于可再生能源回馈电网系统中的方案是：
首先将可再生能源转化成电能的形式，然后将电能调节成满足正弦波脉宽调制SPWM（SinusoidalPulseWidthModulation）全桥逆变器需要的直流电压，最后经SPWM全桥逆变器将可再生能源回馈给交流电网。
在整个系统中最主要的就是逆变器，它采用的是SPWM逆变技术[8]。
在理论和实践上，这种方案能够满足新能源回馈电网的要求，但由于该方案使用了同步、锁相（PLL）、SPWM脉冲发生器、低通滤波等诸多模拟环节，而且控制方法比较落后，因此使得并网逆变装置的控制繁琐，电路复杂，可靠性低，硬件成本高，并网效果不是十分理想，产品价格昂贵，应用得到限制[9]。
但是，随着世界各国对可再生能源开发重视程度的不断提高，针对并网逆变器的技术研究也越来越多，人们对以往控制技术的不足，纷纷提出了很多的研究方向，大体可以分为以下几个方向：
1并网逆变器的拓扑分类及控制方法的研究
目前研究人员提出针对不同的系统要求，逆变器应该有着各种不同的拓扑结构，对于功率较小的并网逆变器可以采用高效、低成本的单级变换器，而多级逆变器变换结构可以使用在大功率、宽电压范围的输入的应用场合[10]。
除此以外，逆变器的拓扑结构中还包括单相、三相；隔离、非隔离；功率单向流动、双向等各种形式[11]。
例如，并网逆变器采用双向功率流动的拓扑，在并网工作时，既可以向电网提供电能，同时也可以当电网电能富足时，从公用电网吸收电能，并将其储存起来。
因此各种拓扑可以分别使用在不同的场合，并且这些拓扑结构可以相互组合成各种不同的形式，以满足各种要求。
在控制方法上，随着各种高速的数字信号处理器DSP（DigitalSingnalProcessor）的出现，将先进的数字控制应用到并网逆变器的控制中的研究将到达理想的控制效果，这也是目前研究高性能并网逆变器的一个特点[12]。
2逆变器并网控制技术的研究
研究人员认为作为一个功能完整的并网逆变器系统，其工作模式应比通常的独立逆变器更为复杂，它不仅可在无市电接入时独立作为电压源逆变，也能在并网时作为电流源工作[13]。
针对这些要求，在逆变器并网控制技术上提出了以下几个方面的研究方向：
逆变器两种工作模式的无缝切换技术[14]；逆变器工作过程中的同步锁相和电压跟踪技术[15]；并网工作下的防孤岛技术[16]。
达到并网电压、电流谐波标准的闭环控制技术[17]。
3多台并网逆变器并联技术的研究
多台逆变器并联可实现大容量供电和冗余供电，因而被公认为当今逆变技术发展的重要方向之一[18]。
多台逆变器并联实现扩容可大大提高系统的灵活性，使系统的体积重量大为降低，同时其主开关器件的电流应力也可减少，从根本上降低成本和提高功率密度及系统可靠性[19]。
1.3本课题要解决的问题
设计一种基于DSP控制的单相并网逆变器。
采用电压型逆变器电流控制的方式,引入固定载波频率的SPWM强迫电流跟踪和软件锁相等技术,控制逆变器输出与电网电压同频同相的并网电流,实现可再生能源以高功率因数回馈电网。
2单相并网逆变器的总体设计
2.1单相并网逆变器拓扑结构
并网逆变器的拓扑结构有很多形式，拓扑结构不同，具有的特点不同，相应的控制方法也不尽相同，所以要先确定符合设计要求的拓扑，然后再展开相关研究。
拓扑结构对逆变器的各种性能指标有很大影响，逆变器的效率和制造成本都与拓扑有关。
风力发电系统在选择并网逆变器的拓扑时，主要考虑如何降低成本、提高效率，而且由于逆变器输入的直流电压存在波动，所以要求选择的拓扑能承受各种实际运行中存在的问题[11]。
另外，对逆变器的输出也有要求，比如输出电流与电网电压同频同相、功率因数为1等等。
根据逆变器输出相数的不同，可以划分为单相逆变器、三相逆变器：
根据直流输入端储能元件的不同，又可以分为电压型并网逆变器和电流型并网逆变器[12]。
本文重点研究单相电压型并网逆变器，其拓扑结构如图2.1所示，电压型逆变器最大的特点是在直流输入侧并联滤波电容以稳定直流输入电压，输入可看成恒压源，通过控制开关管动作，在输出端生成一列幅值固定、脉宽变化的方波电压。
图2.1单相电压型并网逆变器拓扑
图2.2给出了单相电流型并网逆变器的拓扑，与电压型相比，直流侧不再并联电容，而是串接一个电感，输出侧采用LC滤波器，用来滤除输出电流中的高频开关谐波。
开关管由可控器件与二极管串联构成，一方面可以阻断反向电流，同时有利于提高耐压。
在实际应用中，较少采用电流型并网逆变器，这是因为大多数供电电源都属于电压型，另外输入级串联电感不论在价格还是体积上都不如电容，另外所串联的二极管会产生损耗，影响效率。
但它也有自己的优势，那就是不要求直流电压必须高于网侧电压峰值，低于电网电压也能工作，这省去了中间DC/DC升压环节的开销，且采用电感更加耐用，不经常更换，可靠性会提高很多，所以科研人员对电流型并网逆变器也作了大量研究[13]。
另外可以依据逆变器的输入和电网之间有没有电气联系，是否隔离，将逆变器分为隔离型的和非隔离型的：
根据逆变器采用几级拓扑，可以将逆变器分为单级式、两级式和多级式逆变器。
图2.2单相电流型并网逆变器拓扑
2.2单相并网逆变器的总体设计及功能划分
2.2.1系统主电路拓扑
根据系统设计要求，本文采用单相电压型逆变器结构，逆变电路采用单相全桥结构，逆变器输出由电感滤波后并网。
主电路拓扑如图2.3所示。
图2.3单相并网逆变系统主电路拓扑图
2.2.2系统总体设计及各组成部分介绍
本文设计的并网逆变器功率为10kW，图2.4给出了单项并网逆变系统的组成框图，从图中可以看出，并网逆变控制系统主要有以下几个部分：
辅助电源电路、主控单元、逆变驱动电路、信号采样调理及故障检测电路、滤波电路、通讯接口电路。
各部分作用不同，分工协作，组成一个整体。
直流母线
控制
保护
图2.4单相并网逆变器系统组成框图
结合图2.4，现将系统各个模块的具体功能分别作介绍：
1.辅助电源电路
稳定的电源是整个系统正常工作的前提条件，所以电源的设计通常是系统设计的第一步。
要求辅助电源电路为DSP芯片、各种有源器件提供可靠的供电，本系统设计的辅助电源，从直流输入取电，采用控制芯片UC3844，经变压器产生四路相互隔离的电源。
2.主控单元
主控制器部分的设计是系统设计中最关键的部分，主控单元的性能直接影响系统各项控制指标，经过对各种控制芯片的比较，最终选择TI公司DSP（TMS320F2808）芯片。
主控单元实现的功能可以用图2.5表示，具体描述如下：
（1）产生IGBT驱动信号；
（2）对电网电压完成锁相，产生同频同相的基准信号；
（3）完成对反馈电流信号的控制；
（4）实现系统保护功能；
（5）实现人机交互。
图2.5主控单元模块功能
3.逆变驱动电路
逆变驱动电路的设计直接影响开关管的通断，驱动电路的作用主要有：
（1）放大PWM驱动信号，驱动逆变桥正常工作；
（2）将四路PWM驱动信号彼此隔离，没有电气联系；
（3）通过光耦将控制电路与主电路电气隔离。
4.信号采样调理及故障检测电路
为实现逆变系统的稳定运行，需要对一些信号进行实时采样，再经过适当调理后送入DSP处理。
当系统故障时，要求逆变器能迅速作出反应。
需要采样的信号经采样电路送入DSP中，主要包括以下信号：
（1）直流母线电压采样；
（2）直流电流采样；
（3）电网电压信号，需要测出幅值、频率及相位；
（4）并网电流信号；
（5）逆变器温度信号检测；
（6）继电器开关信号。
采样调理电路要保证采样信号的准确性，为系统正常工作提供各种参数，正确的参数是实现有效控制的前提。
保护检测电路要能够保证系统的可靠运行，必须有可靠的灵敏性，反应要迅速准确。
5.滤波电路
为保证逆变器输入输出信号都能满足相关要求，本设计在交流输出侧串联滤波电感，从而实现以下作用：
（1）滤除开关管产生的高频谐波，保证输出高质量的正弦电流；
（2）利用电感对电流的阻尼作用，稳定电流，保证系统稳定。
6.通讯电路
通讯电路可以实现人机交互功能，随时对系统运行状况实施监控，便于远程控制。
通讯功能主要利用DSP的SCI、CAN等通讯接口。
2.3单相并网逆变器的基本原理
在图2.3中，功率开关元件采用四只IGBT管V1、V2、V3、V4，由DSP输出的SPWM脉宽调制信号控制驱动IGBT管的导通或截止。
当逆变器电路接上直流电源后，先由V1、V4导通，V2、V3截止，则电流由直流电源正极输出，经Vl、滤波器、V4后，再回到电源负极。
当V1、V4截止后，V2、V3导通，电流从电源正极经V3、滤波器、V2后，再回到电源负极。
此时，逆变器输出端已形成正负交变的方波。
利用SPWM控制，使得两对IGBT管交替重复开关动作，输出等效交流电压，再经过滤波器的作用，使输出端形成正弦波交流信号。
同时，为了给交
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