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1、扬州大学本科生毕业设计工学学士学位论文新能源并网逆变器设计和仿真研究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
2、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 日目录摘要3Abstract31.前言51.1课题研究背景及意义51.2太阳能并网发电系统61.2.1电网对逆变器的要求71.2.2光伏阵列对逆变器的要求71.2.3用户对逆变器的要求82光伏电池及其特性92.1光伏阵列的组成92.2光伏电池物理机制的数学模型92.3光伏模块的PSIM仿真模型102.4光伏模块PSIM模型的仿真分析112.5串联电阻和并联电阻对模块输出特性的影响分析14系统主电路的设计和控制方法163.1光伏并网逆变器常用拓
3、扑方案163.1.1按有无变压器分类163.1.2按功率变换级数分类173.1.3 DC-AC-DC-AC拓扑结构183.2逆变器并网运行电路原理分析203.3系统总电路的设计213.3.1 DC-DC变换器213.3.2逆变器主电路的设计223.4空间矢量直接电流控制233.4.1 d/q坐标系下的数学模型233.4.2 d/q坐标系下的控制策略253.4.3 d/q坐标系下的控制方程264光伏并网发电系统的仿真研究294.1 PSIM仿真软件的介绍294.2 对DC-DC转化器PSIM仿真294.2.1 DC-DC原理图304.2.2 DC-DC c block编程304.2.3 DC-D
4、C仿真图324.3并网逆变器的PISM仿真334.3.1 并网逆变器原理图334.3.2并网逆变器 C block编程334.3.3并网逆变器仿真图365致谢37参考文献38摘要太阳能作为一种新型能源及其清洁、储量大、无污染等优点使其利用越来越受到人们的重视，而光伏发电技术的应用更是人们普遍关注的焦点。本文主要研究了光伏并网发电系统的设计、控制方法和仿真。本文针对光伏发电系统的特点，将其分为三部分进行研究。研究了光伏电池的工作原理及输出特性，在此基础上建立了其仿真模型。利用PSIM仿真软件对其仿真。仿真与实测数据的对比验证可其仿真模型的正确性，为后续的仿真奠定基础。阐述了并网逆变器的工作原理和
5、控制策略。基于逆变控制方法的研究，对系统进行仿真与实验。其中控制方法采用基于同步旋转Park变换的d/q法进行PWM调制。从仿真及实验结果中可以看出实现了输出功率因数为1的控制目标。关键词：光伏电池；单位功率因数；逆变器；Park变化AbstractAs a new type of solar energy which is clean,rich reserves,and no pollution are attracting more and more attention.Moreover the application of photovoltaic generation technolo
6、gy is the focus of widespread concern.This paper mainly studies the photovoltaic(pv) grid power system design,the control method and simulation.Aiming at the characteristics of photovoltaic energy system, which is divided into three parts. Studied the working principle and photovoltaic battery outpu
7、t characteristic, based on the simulation model was established. Use of its PSIM simulation software simulation. The simulation and comparison of measured data validation can the correctness of the simulation model for subsequent simulation, lay the foundation. Expounds the grid inverter working pri
8、nciple and control strategy. Based on the study of the method of inverter control the system simulation and experiment. The control method based on synchronization Park transform d - q method on PWM. From the simulation and experimental results can be seen in the output power factor to realize contr
9、ol targets of 1. Key words:Photovoltaic cells;Unit power factor；Inverter；Park change 1.前言1.1课题研究背景及意义随着人类社会的不断发展，人们的经济及文化活动需要大量的能源。目前，人类利用的电能主要有三种，即火电、水电、核电。但由于化石燃料的有限性和分布的不均匀性，造成了世界上大部分国家能源供应不足，不能满足经济、社会发展的需要，并且由于储存量有限，矿物能源正面临着枯竭的危险。另外，由于燃烧煤、石油等化石燃料，每年有数十万吨硫等有害物质排向天空，使大气环境遭到严重污染，同时由于大量排放二氧化碳等气体而使地球
10、产生明显的温室效应，引起全球气候变化；水力发电受到水力资源的限制和季节的影响，并且有时会会破坏当地的生态平衡；核电在正常情况下固然是干净的，但万一发生核泄露，后果同样是十分严重，并且核废料的处理直至今日仍然是一个全球性解决的问题。因此，随着社会的进步，经济的发展，人们对能源提出了越来越高的要求，寻找新能源已经是当前人类面临的迫切课题。新一代能源应该符合来个条件：一是储藏丰富，甚至是可再生的；二是安全、洁净。符合这两个条件的主要是可再生能源，包括太阳能、风能、生物能等。其中，最理想的新能源是太阳能。太阳能照射在地球上的能量非常巨大，大约分钟照射在地球上的太阳能，便足以供全球人类一年能量的消费，特
11、别是太阳能洁净、取之不尽、用之不竭，所以太阳能能和其它形式的太阳能一起被誉为“人类的理想能源”。太阳能的利用主要包括热利用、化学利用和光伏利用。热利用的主要形式是太阳能热水器、太阳能建筑以及太阳能热发电。太阳能热水器是太阳能热利用中商业化程度最高、应用最普遍的技术产品。太阳能热发电随着技术的发展，成本逐渐降低，变得越来越可行。光化学利用主要指：太阳能光合作用、太阳能化学储存、太阳能催化光解水制氢、太阳能光电化学转换等方面的新技术，其中令人看好的太阳能制氢技术将可能是促进人类大规模利用太阳能的关键技术之一。光伏利用的主要形式是光伏发电，有独立供电和并网两种工作方式。过去光伏发电大多采用独立供电方
12、式，用于偏远无电地区，而且用于户用和中小系统偏多。易受到诸如时间和季节的影响。随着电力电子技术的进步和控制理论的发展，光伏产业发生了巨大变化，已经开始向并网发电转变。并网发电已经成为光伏发电的发展趋势。并网发电开始于80年代初，但由于当时成本过高，且环境效益还不是很明显， 使得电力公司难以接受。直到90年代，国外发达国家才掀起了光伏并网系统研发的高潮，美国、欧洲、日本等国家已实施了光伏屋顶计划并取得了一定的成果。同时许多发达国家成功启动并实现了兆瓦级的大型光伏并网电站计划。专家预测太阳电池及相应的系统将通过大规模并网发电迅速发展为全球重要产业。我国在“九五”期间，将太阳能并网系统列为国家科技攻
13、关项目，但国内光伏并网系统的研究和开发尚处于起步阶段。光伏并网发电的关键技术及设备仍主要来自进口，面对如此巨大的国内需要，发展具有自我知识产权的相关高新技术，从而实现产业化是刻不容缓的事情。正是基于这种思想，本文对太阳能并网发电的核心部分并网逆变器进行了深入的研究。1.2太阳能并网发电系统为了使太阳能大规模应用，太阳能发电的应用趋势就是由边远无电地区的独 立供电模式向有电地区的常规并网发电方向发展，即将太阳能发电系统与电网并 联。当太阳能电池输出电能不能满足负载要求时，由电网来进行补充；而当输出的功率超出负载需求时，将电能输送到电网中。光伏并网发电系统如图1.1所示。 图1.1 光伏并网发电系
14、统1.2.1电网对逆变器的要求逆变器要与电网相连，必须满足电网电能质量、防止孤岛效应和安全隔离接地3个要求。为了避免光伏并网发电系统对公共电网的污染，逆变器应输出失真度小的正弦波。影响波形失真度的主要因素之一是逆变器的开关频率。在数控逆变系统中采用高速DSP等新型处理器，可明显提高并网逆变器的开关频率性能，它已成为实际系统广泛采用的技术之一；同时，逆变器主功率元件的选择也至关重要。小容量低压系统较多地使用功率场效应管（MOSFET），它具有较低的通态压降和较高的开关频率；但MOSFET随着电压升高其通态电阻增大，因而在高压大容量系统中一般采用绝缘栅双极晶体管(IGBT);而在高压大容量系统中，
15、一般采用可关断晶闸管（GTO）作为功率元件。依据IEEE 200-929和UL1741标准，所有并网逆变器必须具有防孤岛效应的功能。孤岛效应是指当电网因电气故障、误操作或自然因素等原因中断供电时，光伏并网发电系统为能及时检测出停电状态并切离电网，使光伏并网发电系统与周围的负载形成一个电力公司无法掌握的自给供电孤岛。防孤岛效应的关键是对电网断电的检测。为了保证电网和逆变器安全可靠运行，逆变器与电网的有效隔离及逆变器接地技术也十分重要。电气隔离一般采用变压器。在三相输出光伏发电系统中，其接地方式可参照国际电工委员会规定的非接地（-）方式、单个保护接地(-)方式和变压器中性线直接接地。而用电设备的外
16、壳通过保护线（）与接地点金属性连接（-）。1.2.2光伏阵列对逆变器的要求由于日照强度和环境温度都会影响光伏阵列的功率输出，因此必须通过逆变器的调节使光伏阵列输出电压趋近于最大功率点输出电压，以保证光伏阵列在最大功率点运行而获得最大电源。常用的最大功率点跟踪(MPPT)方法有：定电压跟踪法、“上山”法、干扰观察法及增量电导法。1.2.3用户对逆变器的要求从光伏发电系统的用户来说，成本低、效率于可靠性高、使用寿命长是其对逆变器的要求。因此，对逆变器的要求通常是：具有合理的电路结构，严格筛选的元器件：具备输入直流极性反接、交流输出短路、过热过载等保护功能。具有较宽的直流输入电压适应范围。由于光伏阵
17、列的端电压随负载和日照强度而变化，因此逆变器必须能在较宽的直流输入电压适应范围内正常工作，且保证交流输出电压的稳定。尽量减少中间环节（如蓄电池等）的使用，以节约成本、提高效率。2光伏电池及其特性2.1光伏阵列的组成单体光伏电池又称为光伏电池片（cell），是光伏电池的最基本单元。在使用光伏电池供电时，光伏电池片容量较小，输出电压只有零点几伏、输出峰值功率也只有左右。一般不能满足负载用电的需要，也不便安装使用，所以通常不直接使用。因此要将几片、几十片或几百片单体太阳能电池根据负载需要，经过串、并联连接起来构成组合体，再将组合体通过一定的工艺流程封装在透明的薄板盒子内，引出正负极引线，方可独立发电
18、使用。封装前的组合体称之为光伏电池模块组件（）；而封装后的薄板盒子称之为光伏电池组合板（简称光伏电池板）。工程上使用的光伏电池板是光伏电池使用的基本单元，其输出电压一般在十几至几十伏左右。此外，还可将若干个光伏电池板根据负载容量大小要求，再串联、并联组成较大功率的实际供电装置，称之为光伏阵列。2.2光伏电池物理机制的数学模型光伏电池就是利用半导体光伏效应制成，它是一种直接将光能转换成电能的转换器件。根据电池的实际特性，为达到工程精度要求，光伏电池的等值电路模型选择既考虑串联电阻，又考虑并联电阻较精确的仿真模型，其等效电路模型如图1所示。图2-1 光伏电池的等效电路图根据图2-1所示的光伏电池等
19、效电路模型，应用基尔霍夫定律，可的流过负载的电流与其端口电压之间的关系。 （2-1）其中 （2-2） （2-3） （2-4） （2-5）式中，为光生电流；为短路电流；为负载电流；为端口电压；为禁宽带度电压（）；为光照强度();为波尔慈曼常数（）;为电池温度（）；为参考温度；为电子量（）；为串联电阻（）；为并联电阻（）；为温度系数；为结理想因子（）；为下电池饱和电流。2.3光伏模块的PSIM仿真模型在实际应用中,按照所需要的功率等级和电压等级将若干光伏电池在实际应用中,按照所需要的功率等级和电压等级若光电串联成光模块,以光伏模块方式进行输电。再考虑整个光伏模块的模型时,通常要用一些假设后对实际情
20、况加以简化。此时, 光伏模块的输出将满足以下方程组。 （2-6） （2-7） （2-8）其中，、分别为整个光伏模块的输出电压、电流及功率；、分别为光伏模块中串联和并联电池个数；、分别为单个光伏电池的输出电压、电流及功率。则根据上一节的光伏电池数学模型，可以得到如下光伏模块表达式。 （2-9）其中， 根据以上光伏模块的数学表达式及确定公式中的各个参数，在PSIM软件中采用已有的器件模块直接搭建实现该模型。2.4光伏模块PSIM模型的仿真分析模型所需的电池结构参数如表2-1所示。表2-1光伏电池模式参数表0.00810001.120.00241.2建立如图2-2所示仿真电路，用PSIM软件进行仿真
21、验证。图-2光伏模块仿真电路图中、分别模拟光照强度与电池温度；用电流表A检测光伏模块的输出电流。用表测量模块端口输出电压；然后分别引电压和电流进乘法器用表显示模块功率。仿真时，通过对S、T输入端的电压分别进行参数扫描，来模拟光照强度和温度的变化，从而得到不同光照强度和环境温度条件下，光伏模块的输出电流、输出功率随端口电压变化的关系。首先，设置T端口的电压为25V，对S输入端得电压进行参数扫描，使其电压分别从400V增加到1000V，步长为200V。分别可以得到光伏模块在相同环境温度（25）不同光照强度S条件下的模块输出电流、输出功率对应输出电压V关系的-和输出特性曲线，如图2-、图2-所示。图
22、2-不同光照强度下特性曲线（） 图2-不同光照强度下特性曲线（）从上图可知，随着光照增强，输出电流和输出功率增大，最大功率点的值也越大。输出电压从零逐渐开始增大，输出电流基本不变；而输出功率随着电压线性增大，当输出电压增大到一定值，输出电流和输出功率迅速减小，即光伏模块存在最大功率点。然后，设置端口的电压为1000，对输入端的电压进行参数扫描，使其电压分别从0V增加到75V，步长为25V。分别可以得到光伏模块在相同光照强度（）不同环境温度T条件下的模块输出电流、输出功率对应输出电压关系的-和-输出特性曲线，如图2-5、图2-6所示。图2-5 不同温度下-特性曲线（S=）图2-6 不同温度下-特
23、性曲线（S=）从上图同样可知，光伏模块的输出电流随着环境温度的增大而略有减少，而短路电压有所增大。输出功率由环境温度的增大而减少。 2.5串联电阻和并联电阻对模块输出特性的影响分析理想光伏电池的转化效率为 （2-10） （2-11）式中，为太阳辐射功率；为填充因子，填充因子是最大功率矩形对矩形的比例，若要得到最大效率，不变时，要使式中分子最大。但是，对于实际光伏电池，有各种因素影响转化效率。还对串联电阻和并联电阻对转化效率的影响进行了分析。图2-7 不同串联电阻下-特性曲线图2-8 不同并联电阻下-特性曲线图2-8、图2-9为不同串联电阻下的-特性曲线，曲线表明光伏模块的等效串并联电阻对输出特
24、性都有影响。但是，串联电阻对输出特性的影响较大，并联电阻影响小。而且，随着等效串联电阻越大，并联电阻越小，填充因子下降越快，进而影响模块转换效率。系统主电路的设计和控制方法3.1光伏并网逆变器常用拓扑方案光伏并网逆变器的具体电路拓扑众多,一般可按照有无变压器分类,也可根据功率变换的级数来进行分类。3.1.1按有无变压器分类根据系统中有无变压器,光伏并网逆变器可分为无变压器型( Tr a n s f o r m e r l e s s )、工频变压器型 (Line-Frequency Transformer, LFT)和高频变压器型(High-Frequency Transformer, HFT
25、)三种. 图3-1是 采用工频变压器型的拓扑结构,变压器置于工频电网侧,可有效阻止电流直流分量注入电网.高频变压器型中的变压器一般可放置在两个地方,如图3-2所示.图3-2(a)是把高频变压器置于DC-AC变换器内;图3-2(b)是把高频变压器置于DC-DC变换器内,两种方式均可实现隔离功能.图3-1 工频变压器型拓扑结构图（a）（b）图3-2 高频变压器的两种拓扑结构图3.1.2按功率变换级数分类按照功率变换的级数分类,并网逆变器一般可分为单级式( S i n g l e - S t a g e I n v e r t e r ) 和多级式(Multiple-Stage Inverter)两
26、种拓扑方案,如图3所示。（a）（b）图3-3按功率变化级数分类的逆变器拓扑方案图3-3(a)所示为单级式逆变器的结构框图,它仅用一级能量变换就可以完成电压调整和并网逆变功能,具有电路简单、元器件少、可靠性高和高效低功耗等诸多优点,所以在满足系统性能要求的前提下, 单级式拓扑结构将会是首选。图3-3(b)给出了三种多级式变流器(Multiple-Stage Inverter)拓扑结构:DC- DC-AC、DC-AC-DC-AC和DC-AC-AC.它们需要多于一级的能量转换,其中前几级中通常具备升降压 或电气隔离的功能,最后一级实现逆变并网的转换.DC-DC-AC为目前常用的一种拓扑结构,其前级为
27、 D C -D C 变换器,用于实现电压调整和M P P T 功能;后级为D C - A C 逆变器,用于实现输出电流正弦化并 网、孤岛效应检测和预防等功能。该拓扑结构简化了每一级的控制方法,使得每一级可以专注于各自控 制方法的质量和效率。3.1.3 DC-AC-DC-AC拓扑结构高升压比的多级式逆变器拓扑结构通常是由高频DC-AC-DC变流器和高频(或工频)逆变器两大部分组成。高频DC-AC-DC变流器可将PV阵列输出的直流电压变换成可调的直流电压；逆变器可将该直流电转换成预期的交流电压。图3-4(a)为一种传统的DC- AC-DC-AC拓扑结构,该拓扑通过前级逆变器、高频升压变压器、整流器
28、和直流滤波器,使其后级逆变器的输入得到了一个可控的直流电压。由于该拓扑前后级的开关管工作频率都很高,从而导致损耗较大、成本也很高。(a)电流源型Buck逆变器(b)电压源型Boost逆变器(c)电流源型Boost逆变器图3-4 DC-AC-DC-AC拓扑族图3-4(b)为一种电压源型Boost逆变器,它的前级由PWM控制,在前级与后级之间得到一串被称为伪直流环节的直流脉冲序列。根据冲量原理,这些直流脉冲序列所对应的是正弦或者半正弦波形。与图3-4(a)相比,图3-4 ( b ) 省去了直流滤波电路,整流后直接通过后级逆变电路可得到高质量的交流输出,并且其逆变电路的功率器件工作在工频,从而降低了
29、开关损耗.最后交流输出需要利用低通滤波器来减小THD,以提高交流输出的波形质量,但其体积有所增大。图3-4 ( a )、( b ) 所示的两种拓扑结构的后级为电压源 型逆变器,而图3-4(c)的后级为一个电流源型逆变器,其前级开关管高频斩波在电感上得到正半波,后级使用很低的开关频率将电感电流调整为正弦输出,输出端省去了交流滤波器,中间省去了电解电容。该拓扑被美国通用电气公司在10 kW光伏并网发电系统中商业化推广。以上对多级式逆变器拓扑结构的分析结果表明,为了增强承受PV阵列输出电压波动的能力、扩大容量,多级式逆变器一般包含两级或者更多级,通常需要在前级装设一个高频变压器,提高升压的比例, 实
30、现必要的隔离;后级是一个低开关频率的逆变器,以减少整体的开关损耗.与单级式逆变器相比,它使用的开关器件数增多,从而导致其开关损耗也略有加大。3.2逆变器并网运行电路原理分析图3-5光伏发电并网运行电路原理图光伏发电并网运行时的电路原理如图3-5所示，电网认为是容量无穷大的电压源，、分别是电网电压、电网线路阻抗、电网电流；控制输出电流的并网逆变器看作是电流源，其输出电流是，同时此电流也是逆变器输出电流;负载上的电流、电压以及阻抗分别是、。当逆变器独立运行时，负载作为本地负载，它的能量由逆变器单独提供。当逆变器并网运行时，负载被认为是电网上的一个负载，与电网上其它负载一样，只不过它的能量由电网和逆
31、变器共同提供，此时逆变器的输出电流被认为是并网电流。为了能够持续不断地向电网提供电能，输出电流必须与电网电压同频率，否则由于频率导致的相位不断变换使逆变器不能向电网提供一个稳定的功率。在电网电压频率与输出电流频率同频率的情况下，有: （3-1）因为电网线路阻抗非常的小，可以忽略不计，即 （3-2）代入式（3-1）得 （3-3）可以看出逆变器并网时，其输出电压由电网电压决定。逆变器输出的视在功率为： （3-4）那么逆变器输出的有功功率和无功功率为： （3-5） （3-6）为了能达到高效功率输入输出的目的就要考虑功率因数，如果功率因数太低，会向电网中注入谐波和无功分量。为了向电网输入高质量的电能，
32、逆变器输出的功率中尽量增加有功功率使输出功率因数接近1，即要求，则 （3-7）当逆变器输出电流与电网电压相位差为0，并且假设输出电流无畸变，逆变器对外输出功率且功率因数为1;当逆变器输出电流与电网电压反相时输出功率因数为一1，逆变器变为吸收功率。本文要求逆变器并网运行，逆变器向电网输送功率，所以要求逆变器输出电流与电网电压的频率与相位一致。3.3系统总电路的设计整个系统分为两个部分，由高频DC-AC-DC变流器和高频逆变器组成。两部分的控制目标不同，互相独立。DC/DC部分控制目的是保持一定的直流电压输出，DC/AC部分控制目的是控制逆变其输出电流并与电网电压同频、同相。3.3.1 DC-DC
33、变换器光伏并网逆变器中的DC-DC变换器完成提高光伏电压的功能。DC-DC变换器如图3-6，变换器由输入电容、四个带续流二极管的MOSFET管、变比为1:N的高频变压器、全波整流器中的四个二极管V1-V4、 直流端电感L和电容C1组成。图3-6 DC-DC变换器整流器中的二极管必须能承受光伏侧通过变压器施加的反向电压，既为变压器变比乘以光伏阵列模块最大工作电压15x48V=720V，因此要求采用1 OOOV的二极管。MOSFET管必须能承受光伏阵列模块的开路电压48V，因此选择击穿电压为60V的MOSFET管。输入电容的作用是去除光伏阵列模块上由DC-DC变换器产生的高频电流纹波。通过分析计算
34、得到输入电容的大小为15uF。计算得到的15uF薄膜电容为大电容，可通过测量实际逆变器的高频开关噪声，优化电容的设计。3.3.2逆变器主电路的设计图3-7所示为以绝缘栅双极性晶体管(IGBT)为主开关器件的三相全桥逆变器主电路图，其中L为交流输出电感，C为直流侧支撑电容，也即前级Boost电路的输出电容，Sl-S6是主开关管IGBT, 使其对应的是其反并联二极管，对6个开关管进行适当的PWM控制，就可以调节输出电流为正弦波，并且与网压保持同相位，达到输出功率因数为1的目的。三相全桥逆变器是由三个桥臂并联组成，其启动的先决条件是直流侧滤波电容预先充电到接近电网电压的峰值，而欲使电感电流能按照给定
35、的波形和相位得到控制，必须保证在运行过程中，直流侧电压不低于电网电压的峰值，否则，续流二极管将以传统的整流方式运行，电感电流不完全可控。图3-7三相全桥逆变器3.4空间矢量直接电流控制3.4.1 d/q坐标系下的数学模型采用空间矢量直接电流控制策略，在d/q旋转坐标系下建立三相并网逆变器系统的模型。给出了d/q坐标系下跟踪电网电压空间矢量的方法和输出电流环的设计。仿真和实验均证明了控制策略的可行性，电流能够很好地跟踪电网电压的相位，实现单位功率因数并网。图3-8 三相并网逆变器拓扑逆变器正常工作在单位功率因数并网模式，并网输出电流是与电网电压同频同相的正弦波。忽略高频分量的影响，三相电感电流的
36、回路方程为: （3-8）在该数学模型中，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。为此，可以通过坐标变换将三相对称、静止坐标系转换成以电网基波频率同步旋转的/坐标系。将轴定向于轴旋转角度后的矢量方向上，轴与之垂直，如图3-9所示。图3-9 /坐标系矢量图定义轴与电网电动势矢量同相，则轴方向的电流分量为有功电流，轴落后轴，故轴方向的电流分量式为无功电流，初始条件下，令轴与轴重合。则三相静止坐标系到两相同步旋转坐标系变换矩阵为: （3-9） 式（3-9）乘以式（3-8），当电网电压三相对称时，得： （3-10）式中:=。整理后可以得到三相并网逆变器在两相同步旋转坐标系下的数学模型为
37、： （3-11）由式（3-11）可见，只要分别控制、轴电流，便可实现对并网有功和无功分量的控制。3.4.2 d/q坐标系下的控制策略三相并网逆变器的输出控制采用空间矢量直接电流控制方式，系统控制采用无功电流控制，控制框图如图3-10所示。图3-10 三相系统控制框图采样两相电网电压、进行锁相，获得电压相位和频率信号作为电感电流的相位和频率给定。同时采样两相电感电流，通过/坐标变换得到/轴电流，与程序内部给定的并网电流基准、做PI调节，调节后的结果经过/,/变换得到，通过SVPWM运算得到占空比信号驱动开关，实现单位功率因数并网运行 系统控制策略中一个关键点就是三相电网电压的锁相，三相逆变器并网
38、运行时，不仅要跟踪电网电压的相位，而目相序要和三相电网电压相序相同，在/坐标系下，锁相主要是通过跟踪电网电压合成矢量来实现，亦即求出电网电压合成矢量的空间位置角，作为控制策略中所用坐标变换的给定角度，便可实现电网相位与相序的跟踪。3.4.3 d/q坐标系下的控制方程以三相PWM整流器为例：图3-11三相PWM整流器主电路如图3-11所示拓扑结构，可得三相静止坐标系a，b，c下的方程为： （3-12）其中，分别表示三相桥臂的开关函数，s=1代表上管通，下管关；s=0代表下管通，上管关。对三相对称平衡且无中线系统有： （3-13）所以有： （3-14）采用空间坐标变换概念，进行坐标变化。以输入电压
39、矢量的位置为d轴正方向，即取三相输入电压为： （3-15）得d/q坐标系下的表示为： （3-16）则对（3-12）式进行park变换得PWM整流器在d/q坐标系下方程： （3-17）其中： （3-18）取新变量、，作如下变换： （3-19）将式（3-19）代入式（3-17）可得完全解耦的三相电压型PWM整流器模型： （3-20）式（3-20）为完全解耦控制模型，其控制框图如图3-12。图3-12完全解耦的电流模型4光伏并网发电系统的仿真研究4.1 PSIM仿真软件的介绍Psim的全称是POWERSIM，专门为电力电子电源与电力电子传动设计。Psim包招一个基本软件包与两个配备的工具包:数字信号
40、处理模块与电力拖动模块。而且Psim中设置了动态连接库，这样使用者可以很方便利用程序来实现复杂算法。Psim的仿真流程图和仿真电路模块相互关系如4-1, 4-2所示。图4-1 PSIM仿真流程图 图4-2仿真电路模块相互关系图PSIM的基本程序有三个，SimCAD是电路原理图的编辑程序，PSIM是仿真程序，而SIMVIEW是仿真结果的图形显示程序。Psim仿真过程中，开关与控制单元大量使用了理想元件，其中开关控制器只要直接与开关相连即可，不需要考虑电平移动。由于忽略了开关的杂散参数，使得电路的数据处理量大为减少，使运算速度显著提高。由于开关元件处理上的简化，Psim在提高仿真速度、简化电路图设
41、计过程的同时，也失去了描述开关过渡过程的能力。因此，对于开关过程的电流、电压尖刺等暂态过程，Psim一般不能直接详细描述。虽然通过附加杂散小参数，也可以使Psim能够反映电流、电压尖刺等开关暂态过程，但这会使电路设计复杂化。在模拟实际电路的波形方面，Psim不如其它几种仿真软件。4.2 对DC-DC转化器PSIM仿真对DC-DC转化器输出的电压进行控制，使其保持在所要求的工作电压4.2.1 DC-DC原理图图4-3图中4-3所示，VTRT1、VTRT2 是互差相位的三角波，通过测得输出电压与给定电压的偏差进行PI调节，再与三角波进行比较，产生PWM波形来控制4个MOS管导通和关断。从而控制电压
42、稳定在某个值。4.2.2DC-DC c block编程Variable/Function defintitions：#include #include int g_nInputNodes=0;int g_nOutputNodes=0;int g_nStepCount=0;double Uout=0;double Uset=0;double Iout=0;double deltU;double duty;double sumI=0.0;double summerror=0; RunSimUser Fcn：g_nStepCount+;Uout=in0;Uset=in1;deltU=Uset-Uout; /计算电压偏差summerror=summerror+deltU*Ti；duty=deltU*0.05+summerror; /对电压偏差进行PI调节if(duty0.5) /占空比 duty=0.45;if(duty0.0000005) duty=0.0000005