江,冢大星JIANGSUUNIVERSITY電氣信息工程學(xué)院《電氣工程綜合訓(xùn)練II》報告設(shè)計題目：三相并網(wǎng)逆變器分析、設(shè)計與仿真專業(yè)班級：學(xué)生姓名：學(xué)生學(xué)號：指導(dǎo)老師：許完成日期：2016年1月13日江蘇大學(xué)?電氣信息工程學(xué)院

《電氣工程綜合訓(xùn)練III》任務(wù)書訓(xùn)練題目：三相并網(wǎng)逆變器分析、設(shè)計與仿真訓(xùn)練目標：通過本課程的綜合訓(xùn)練，掌握電力電子變換器及其控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模、性能分析、參數(shù)設(shè)計和基于PSIM軟件的仿真驗證，為后續(xù)畢業(yè)設(shè)計及未來工作與科研奠定一定的電氣工程綜合實踐基礎(chǔ)。訓(xùn)I練內(nèi)容：三相并網(wǎng)逆變器的并網(wǎng)原理與數(shù)學(xué)模型，基于PI控制器的矢量控制策略及參數(shù)設(shè)計，三相SVPWM調(diào)制技術(shù)，三相軟件PLL技術(shù)及參數(shù)設(shè)計，三相并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)的PSIM仿真分析。CdcdcCdcDT14J?令wSVPWM]D/2Jdt\ap4-\dqab\Q入arcdlD3T5」NgCdcdcCdcDT14J?令wSVPWM]D/2Jdt\ap4-\dqab\Q入arcdlD3T5」Ngapf-JUrdKp+%UrqKp+%+igqref+%drefigqPLL《電氣工程綜合訓(xùn)練II》報告內(nèi)容《電氣工程綜合訓(xùn)練II》報告內(nèi)容一、新能源發(fā)電與并網(wǎng)技術(shù)新能源是指傳統(tǒng)能源之外的各種形式能源，包括太陽能、風(fēng)能、水能、地熱能、生物質(zhì)能和海洋能。新能源發(fā)電是指某些中小型發(fā)電裝置靠近用戶側(cè)安裝，它既可以獨立于公共電網(wǎng)直接為少量用戶提供電能，也能直接接入配網(wǎng)，與公共電網(wǎng)一起為用戶提供電能。新能源發(fā)電主要包括：光伏發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、燃料電池、水能發(fā)電系統(tǒng)、海洋能發(fā)電系統(tǒng)、地熱能發(fā)電系統(tǒng)、生物質(zhì)發(fā)電裝置以及儲能裝置等。根據(jù)用戶及使用目的的不同，新能源發(fā)電可用于備用電站、電力調(diào)峰、冷熱電聯(lián)供以及邊遠地區(qū)的獨立供電等多種用途。中小容量燃氣輪機發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電機組以及以直流電形式存在的太陽能光伏電池、燃料電池等分布式電源發(fā)出的電能無法直接供給交流負荷，須經(jīng)一定的接口并網(wǎng)。分布式發(fā)電并網(wǎng)接口方式分電力電子逆變器接口和常規(guī)旋轉(zhuǎn)電機接口類，前者在體積、重量、變換效率、可靠性、電性能等方面均優(yōu)于后者，目前主要裝置是并網(wǎng)逆變器。逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)是關(guān)鍵，關(guān)系到逆變器的效率和成本。一方面新能源大規(guī)模并網(wǎng)要求電網(wǎng)不斷提高適應(yīng)性和安全穩(wěn)定控制能力，主要體現(xiàn)在：電網(wǎng)調(diào)度需要統(tǒng)籌全網(wǎng)各類發(fā)電資源，使全網(wǎng)的功率供給與需求達到實時動態(tài)平衡，并滿足安全運行標準；電網(wǎng)規(guī)劃需要進行網(wǎng)架優(yōu)化工作，通過確定合理的大規(guī)模新能源基地的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和送端電源結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)新能源與常規(guī)能源的合理布局和優(yōu)化配置；輸電環(huán)節(jié)需要采用高壓交/直流送出技術(shù)，提升電網(wǎng)的輸送能力，降低輸送功率損耗。另一方面為了降低風(fēng)能、太陽能并網(wǎng)帶來的安全穩(wěn)定風(fēng)險，需要新能源發(fā)電具備基本的接入與控制要求。智能電網(wǎng)對風(fēng)電場和光伏電站在按入電網(wǎng)之后的有功功率控制、功率預(yù)測、無功功率、電壓調(diào)節(jié)、低電壓穿越、運行頻率、電能質(zhì)量、模型和參數(shù)、通信與信號和接入電網(wǎng)測試等方面均作出了具體的規(guī)定，用以解決風(fēng)能、太陽能等新能源發(fā)電標準化接入、間歇式電源發(fā)電功率精確預(yù)測以及運行控制技術(shù)等問題，以實現(xiàn)大規(guī)模新能源的科學(xué)合理利用。二、三相電網(wǎng)電壓鎖相環(huán)原理分析與參數(shù)設(shè)計2.1PLL的工作原理：鎖相環(huán)（PLL）是目前使用最普遍的相位同步方法，它用于獲得準確實時的相位信息，提供計算基準，其性能對于整個控制系統(tǒng)至關(guān)重要。在控制過程中要求鎖相電路必須在存在電壓畸變?nèi)缰C波、頻率突變、相位突變以及三相不平衡條件下，能夠快速、準確地鎖定電壓相位，并需滿足收斂速度要快、相位估計精度高、抗干擾能力強等幾方面要求。圖1：PLL的工作原理模塊分析：Thephasedetector(PD)：該模塊產(chǎn)生的輸出信號正比于輸入信號u和鎖相環(huán)的VCO輸出信號u'之間的相位角偏差，印d中可能包含有高頻諧波。Theloopfilter(LF):該模塊具有低通濾波特性，可以衰減PD輸出中的高頻諧波，LF模塊可以是一個一階低通濾波器，也可以是一個PI控制器。Thevoltage-controlledoscillator(VCO):該模塊的輸出將產(chǎn)生一個交流信號，該信號的頻率相對中心頻率wc波動，VCO輸出信號u的相位最終希望與輸入信號u的相位相同。2.2PLL的數(shù)學(xué)模型PDLFVCO圖2：PLL的數(shù)學(xué)建模圖由于高頻(二倍頻)分量被LF濾除，因此可以只考慮低頻分量。假設(shè)VCO已經(jīng)調(diào)諧至輸入電壓頻率即323'，則當PLL進入鎖相穩(wěn)態(tài)時相角誤差很小(中R中')，因此有sin(O-O')2sin(O-0')20-O'，那么乘法鑒相器PD的輸出仍然能夠在穩(wěn)態(tài)工作點附近進行線性化，以便進行PLL性能分析與參數(shù)設(shè)計。

PD(s)=E(s)=%(0-0')pd2(s)(s)<LF(s)=^^=$+Ki膈0.sig(s)=廣=-sIIf(s)不同于通信系統(tǒng)，在并網(wǎng)系統(tǒng)中，電網(wǎng)頻率非常接近PLL的截止頻率。當采用傳統(tǒng)乘法PD時，PLL鎖相后進入穩(wěn)態(tài)時相角誤差信號中高頻振蕩信號頻率僅僅是電網(wǎng)頻率的兩倍，因此只是通過LF來完全消除該高頻振蕩信號是不可能的構(gòu)造不產(chǎn)生兩倍電網(wǎng)頻率的PD？可以采用正交信號發(fā)生器-QSG。由上可知，基于QSG-PD不會產(chǎn)生任何穩(wěn)態(tài)振蕩信號，因此可以完全遵循常規(guī)PLL的通用設(shè)計準則，而且允許進一步提升PLL的帶寬。SRF-QSG圖3：正交信號發(fā)生器SRF-QSG圖3：正交信號發(fā)生器假設(shè)一個三相系統(tǒng)的輸入端為:u—Usin（①l+甲）2_,小、u—Usin（①l——冗+中）2、—Usin（wr+3兀+中）ugau,Lgb」gau必uLgc-110ugau,Lgb」gau必uLgc-1101——2v3~T1■—2~Tugauusin（wi+中）—cos（①l+中）ugd—uLgq」ugauLgB」gbgc-1sin（①l+中一①l）—cos（①l+中一①l）在第二個式中輸出角頻率。=學(xué)，由于完全捕獲后的。'保持不變’故有°'2令輸入A相電壓的相位為令輸入A相電壓的相位為°f則第二式轉(zhuǎn)化為，]=L[sin(0-°')u\3m-cos(0-0')qPI調(diào)節(jié)器接到uq端，這樣就獲得了相位差0—0'的表達式sin(°-0')，利用這個偏差就能實現(xiàn)反饋控制，在相位差很小時，對三相電壓的鎖相是一個非線性過程，可通過負反饋將"調(diào)q節(jié)到足夠小，也就使偏差角達到最?。划斚辔徊詈苄r，sin(0-0')?0-0'，鎖相的過程可近似的認為是一個線性過程。uq的大小表示輸入相位和輸出相位的差值，uq經(jīng)pi調(diào)節(jié)器后可視為誤差信號？3，它與一擾動角頻率相加后為①'，該角頻率經(jīng)過一積分環(huán)節(jié)得到最終輸出相位0'。由于該系統(tǒng)是二階的，所以能實現(xiàn)無靜差的斜坡信號0=^t，即使得輸出相位無靜差的復(fù)現(xiàn)輸入相位0，實現(xiàn)相位的完全鎖定。2.3PLL的參數(shù)設(shè)計2.3.1開環(huán)傳遞函數(shù)設(shè)計開環(huán)傳遞函數(shù)G(s)=PD(s)LF(s)VCO(s)=OLUm"",

s2閉環(huán)傳遞函數(shù)Gcl(s)0'—(s)—\**7(s)2g①s+①2

s2+2如開環(huán)傳遞函數(shù)G(s)=PD(s)LF(s)VCO(s)=OLUm"",

s2閉環(huán)傳遞函數(shù)Gcl(s)0'—(s)—\**7(s)2g①s+①2

s2+2如s+品PIM圖4：三相鎖相環(huán)原理圖穩(wěn)態(tài)誤差為±1%設(shè)計。阻尼比匚為0.707，調(diào)整時間為30ms,即1=0.03s其中，Uscm9.21取1，開關(guān)頻率fsw=-，ts推導(dǎo)得到公式：』KptUK21.16I12。2UmPPL的開環(huán)傳遞函數(shù)為:八7306.7s+4.704x104Gol=s2-4-9Bode-Diagram亶星=左言巨&oooQ986422531-

aBsBOTBud10e1011O2103Frequency(Hz)分析：從伯特圖可知，在乙@)>0dB的頻帶范圍內(nèi)，隨著①的增大，相頻特性曲線始終都在180相位線的上方，說明閉環(huán)系統(tǒng)是穩(wěn)定的。通過開環(huán)傳遞函數(shù)Gol=306.7Gol=306.7s+4.704x104可以看出，系統(tǒng)在s右半平面的極點數(shù)為0，系統(tǒng)是穩(wěn)定的。從上圖可知截止頻率fc=53.8Hz，相位裕度為丫=180。-114。=66。>0，滿足了工程設(shè)計中對相位裕度7>30的要求。2.3.2閉環(huán)傳遞函數(shù)設(shè)計PPL的相角閉環(huán)傳遞函數(shù)為：PPL的相角閉環(huán)傳遞函數(shù)為：Gcl=306.7s+4.704x104s2+306.7s+4.704x104把閉環(huán)相角的橫坐標單位由rad/s改為HZ后，即:System:GulFrequency(Hz):53.3Magnitiide(dlB):-0.0-24+B0Bode-System:GulFrequency(Hz):53.3Magnitiide(dlB):-0.0-24+B0Bode-Diagram蓿1o1苻Frequency(Hz}執(zhí)行操作step(gcl)，PPL的相角階躍響應(yīng)，誤差按照0皿=1%計算，時間ts=0.991。StepResponse.2O￡n-l=!o.Luy4O.2O￡n-l=!o.Luy4O圖7：PPL的閉環(huán)傳遞函數(shù)的相角階躍響應(yīng)分析：由上圖我們可以看出這是一個欠阻尼二階系統(tǒng)。從平穩(wěn)性來分析：我們設(shè)計的PI控制器是按照最佳阻尼比&=0.707來考慮,、一一12-1的，所以基本上沒有什么振蕩過程，平穩(wěn)性很好;超調(diào)量a"%」X100%=20%；因此要使系統(tǒng)的階躍響應(yīng)平穩(wěn)性好，則要求阻尼比大，自然頻率小。從快速性分析：階躍響應(yīng)剛進入穩(wěn)態(tài)的時間是0.0252s，調(diào)節(jié)時間八=0.05s，快速性最好，并且進入穩(wěn)態(tài)后的圖線在兩條虛線之間，滿足了穩(wěn)態(tài)誤差在土1%。對于阻尼比一定的情況下，它所對應(yīng)的七［是固定的。七越大，調(diào)節(jié)時間也就越短，快速性越好。圖8：PPL的PSIM仿真圖圖10：a,P軸電壓波形圖圖11:波形圖三、三相并網(wǎng)逆變器的矢量控制策略分析與參數(shù)設(shè)計3.1并網(wǎng)控制原理圖并網(wǎng)逆變器按控制方式分類，可分為電壓源電壓控制、電壓源電流控制、電流源電壓控制和電流源電流控制四種。并網(wǎng)時逆變器的輸入常采用電壓源方式，因為以電流源為輸入的逆變器，直流側(cè)需要串聯(lián)一大電感以提供較穩(wěn)定的直流輸入電流，但由于此大電感往往會導(dǎo)致系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)差，因此大部分并網(wǎng)逆變器均采用以電壓源輸入為主的方式對逆變器的控制通常分為電壓控制和電流控制。采用電壓控制時，如果逆變器輸出電壓相位與電網(wǎng)電壓不一致，將會有環(huán)流出現(xiàn)，而且并網(wǎng)后，交流側(cè)只能檢測電網(wǎng)電壓而不能有效地控制輸出電壓的變化。如果逆變器的輸出采用電流控制，則只需控制逆變器的輸出電流以跟蹤電網(wǎng)電壓，即可達到并聯(lián)運行的目的由于其控制方法相對簡單，因此使用比較廣泛。在并網(wǎng)技術(shù)中常常采用電流控制方式。并網(wǎng)電流控制策略可分為間接電流和直接電流控制兩大類。間接電流控制策略是通過控制逆變器輸出電壓的幅值和相位去間接調(diào)節(jié)并網(wǎng)電流的幅值和相位。該方法控制簡單但動態(tài)響應(yīng)慢，并且對系統(tǒng)參數(shù)的變化敏感。并網(wǎng)電流直接控制策略主要有滯環(huán)控制、比例積分控制、比例諧振控制、重復(fù)控制、無差拍控制及模型預(yù)測控制，其中又以基于同步旋轉(zhuǎn)dq坐標系

下的矢量控制策略應(yīng)用最為廣泛。下的矢量控制策略應(yīng)用最為廣泛。圖12：并網(wǎng)控制原理圖3.2電網(wǎng)電壓定向的矢量控制為了實現(xiàn)從3s/2s/2r的變換，需進行如下坐標變化:di「"]di「"]°u=匹dt+RiaRib+「u[gaug-「u]au=Uc」TdiRic」uLgc^Lp」diL-^+RidtadiL7_

dt+RiP+uga+ugP「u]d=Ld「i]d+R「i]d+wL「i]q+「u]gd一udt?I?I?I一uLq」Lq」Lq」LdJLgqJ圖13：基于電網(wǎng)電壓定向的矢量控制策略矢量控制是為了實現(xiàn)功率解耦，定子電流的勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量分開控制，就是實現(xiàn)了解耦。由瞬時無功功率理論，作以下變換：

u=UIp=(uxi+uxi)Ip=Uigdg—>Jgddgqq—>Jgdu=0Iq=(uxi-uxi)Iq=UigqIgdqgqdPgq通過控制d軸電流實現(xiàn)有功功率控制，通過控制q軸電流實現(xiàn)無功功率控制。id,iq均是直流，則可以用PI調(diào)節(jié)器實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無靜差跟蹤控制。圖14：基于電網(wǎng)電壓定向的矢量控制策略3.3PI控制器的參數(shù)設(shè)計當采用SPWM調(diào)制時，三相逆變橋在忽略控制延時的情況下可等效為Udc/2的常數(shù)（即比例環(huán)節(jié)）。對于SVPWM調(diào)制，則為Udc/1.732。Gl(s)=K+當采用SVPWM調(diào)制時，得到如下公式，

2n-fL2fp10已知f=\kHZ開關(guān)頻率10f=10kHZ,Ud=700V,U=1,L=3mH,R=0.3Q,計算得到以下PI參數(shù):K2xpixfxL00539p"Ki=2xpixfx2n-fL2fp10已知f=\kHZ開關(guān)頻率10f=10kHZ,Ud=700V,U=1,L=3mH,R=0.3Q,計算得到以下PI參數(shù):K2xpixfxL00539p"Ki=2xpixfxK33838610>>G0]^tff.Lpk;]j[ld])GDI=0.05386s+33.84?G03=t￡([01]』[lgRg])GQ3=1s0.003s+0.3經(jīng)過計算得到PI控制器的開環(huán)傳遞函數(shù)為:?G-112=35a*G01*G03G112=18.35s十1.184e040.003<2+0.33System:G112Frequency(Hz):1.02&+QSMagnitude(d&):-0.1Frequency(Hz)S-ystem:切12Frequency(Hz):1e-KKPhase(deg);-&4.B圖15：PI控制器的開環(huán)傳遞函數(shù)波特圖因為開環(huán)傳遞函數(shù)GL(s)在s右半平面內(nèi)無極點，而在GL(s)幅頻特性曲線大于零的范圍內(nèi)相頻特性曲線穿越(2k+1)n線的次數(shù)為零，因此系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定。分析：從伯特圖可知，在乙?)>°dB的頻帶范圍內(nèi)，隨著①的增大，相頻特性曲線始終都在15°相位線的上方，沒有穿越(2k+^"，說明閉環(huán)系統(tǒng)是穩(wěn)定的。系統(tǒng)f=1kHz,y=18°。-94.8o=85.2。。c四、三相SPWM調(diào)制技術(shù)圖16：三相橋式SPWM型逆變電路工作過程：U,V,W三相的PWM控制是通常公用一個三角波Uc，三相的調(diào)制信號Uru、Urv、Urw依次相差12°°。U,V,W各相功率開關(guān)器件的控制規(guī)律相同，現(xiàn)以U相為例來分析。當Uru>Uc時，給橋臂V1以導(dǎo)通的信號，給下橋臂V4以關(guān)斷的信號，則U相相對于直流電源假想中點"的輸出電壓U=Ud/2。當UruvUc時，給V4以導(dǎo)通的信號，給V1以關(guān)斷的信號，則U=-Ud/2。V1和V4的驅(qū)動信號始終時互補的。當給V1(V4)加導(dǎo)通信號時，可能是V1(V4)導(dǎo)通，也可能是二極管VD1,VD4續(xù)流導(dǎo)通，這要求阻感負載中電流方向來決定。根據(jù)計算式可得，負載相電壓Un可求得Un=Un,-(Un+Vn+Wn)/3,在電壓型逆變電路的PWM控制中，同一相上下兩個臂的驅(qū)動信號都是互補的。PWM(PulseWidthModulation)控制就是對脈沖的寬度進行調(diào)制的技術(shù)，即通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制，來等效地獲得所需要的波形。PWM控制技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)是面積等效原理，艮即沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。下面分析如何用一系列等幅不等寬的脈沖

來代替一個正弦半波。把正弦半波分成N等分，就可以把正弦半波看成由N個彼此相連的脈沖序列所組成的波形。如果把這些脈沖序列用相同數(shù)量的等幅不等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖的中點和相應(yīng)正弦波部分的中點重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)的正弦波部分面積（沖量）相等，就可得到圖1所示的脈沖序列，這就是PWM波形。像這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形，也稱為SPWM波。上圖所示的波形稱為單極性SPWM波形，根據(jù)面積等效原理，正弦波還可等效為圖2中所示的PWM波，這種波形稱為雙極性SPWM波形，而且這種方式在實際應(yīng)用中更為廣泛。0.5五、基于PSIM軟件的三相并網(wǎng)逆變器仿真分析■>q?Eia-f"U食〕"工Lri..；Thwbi■.y1_■罕一0.5五、基于PSIM軟件的三相并網(wǎng)逆變器仿真分析■>q?Eia-f"U食〕"工Lri..；Thwbi■.y1_■罕一*三如并網(wǎng)逆變醐真I:.'f

■jL"?EMi-RiL-IHidAnM_HL-44J<9MhJU.--1duW41.^-T^~k-P~r|l—^~l.HSj■尸L-TT}~~k?，H-3]由畢、；-'1凱孔標TnMihi就做幽uh，血五M■tD從最右端三相交流，變成d,q軸的直流，通過PI調(diào)節(jié)器實現(xiàn)無靜差控制，控制好了之后，在通過逆變換，變成三相交流，作為SPWM的控制信號，控制逆變橋的關(guān)斷，最后并入電網(wǎng)。仿真時間t為0.2s仿真一：iq=0，id從20v突加20v（變成40v）

Time場三相交流電壓三相