毕业论文任务书专 业：电气工程与其自动化论 文 题 目：基于MATLAB的单相逆变器并网控制技术仿真研究目 录1 绪论11.1 课题研究背景与意义11.2 国外发展情况 21.3 本课题要解决的问题 32 单相并网逆变器的总体设计 32.1 单相并网逆变器拓扑结构32.2 单相并网逆变器的总体设计与功能划分52.2.1 系统主电路拓扑52.2.2 系统总体设计与各组成部分介绍62.3 单相并网逆变器的基本原理 82.4 系统主电路参数设计 83 并网逆变控制系统硬件设计 103.1 TMS320F2808DSP与开发环境CCS介绍 103.2 并网逆变控制系统的硬件设计 113.2.1 辅助电源设计 113.2.2 电压检测电路的设计 123.2.3 电流检测电路的设计 133.2.4 过零检测电路设计 133.2.5 IGBT驱动电路设计 144 并网逆变控制系统的软件设计 144.1 软件总体设计 144.2 主程序设计 154.3 定时器下溢中断程序设计 154.4 捕捉中断程序设计 174.5 故障保护中断程序设计 185 并网逆变器控制策略的研究与实现 205.1 SPWM技术简介 205.2 逆变器并网运行时的控制策略分析 235.2.1 并网逆变器的输出控制 235.2.2 并网电流控制策略研究 245.2.3 并网电流闭环控制系统数学模型 265.2.4 PI控制器参数设计 276 基于SPWM的并网系统MATLAB/Simulink仿真 296.1 MATLAB简介 296.2 仿真模型的建立 296.3 模型各部分参数设置 306.4 仿真结果 326.5 仿真结果分析 347 结论 34参考文献 36致 39 / 1 绪论1.1 课题研究背景与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1325V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与其重要的位置。1.2 国外发展情况伴随着世界围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（Sinusoidal Pulse Width Modulation）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与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（Digital Singnal Processor）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与系统可靠性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一样，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