南師大電力電子大作業(yè)--發(fā)電變網(wǎng)逆變器的設(shè)計--PPT

1、這次PPT講解主要包括以下內(nèi)容：1、并網(wǎng)逆變器設(shè)計的背景2、逆變器的建模與解耦分析3、逆變器的控制策略4、逆變器的參數(shù)設(shè)計與仿5、結(jié)論1、逆變器的設(shè)計背景 人類社會發(fā)展至今，資源問題、環(huán)境問題和能源問題困擾著世界的發(fā)展。由于我國資源分布不均衡，有些地方風(fēng)能蘊(yùn)藏量大，如內(nèi)蒙古、沿海，有的地方太陽能蘊(yùn)藏量大,因此將電資源豐富的地方發(fā)出的電并入電網(wǎng)是明智之舉。然而分布型電能并入電網(wǎng)需要做到與電網(wǎng)同頻同相同幅值，目前并網(wǎng)技術(shù)成為了新能源發(fā)電的瓶頸技術(shù)。因此，本文通過從并網(wǎng)逆變器的設(shè)計著手研究新能源并網(wǎng)技術(shù)。2、逆變器的建模與解耦分析 新能源發(fā)電輸出的既有交流電也有直流電，風(fēng)能發(fā)出的是交流電，對于發(fā)電機(jī)

2、輸出交流電的發(fā)電類型，通常要先進(jìn)行整流，再通過逆變器并網(wǎng)。常見的逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有雙PWM逆變型、不可控整流+SPWM逆變型、不可控整流+Z源逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?？紤]到性價比，本文采用不可控整流+SPWM逆變型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 不可控整流+SPWM逆變型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的整流橋的開關(guān)器件是二極管，逆變橋的開關(guān)器件是全控型電力電子器件。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的顯著優(yōu)點(diǎn)是成本低，控制簡單。2.1三相電壓全控型逆變器的工作原理三相電壓全控型逆變器的結(jié)構(gòu)圖現(xiàn)做以下合理假設(shè)：1、電網(wǎng)電壓是穩(wěn)定的純正弦波電壓，分別設(shè)為Ea、Eb、Ec。2、電路參數(shù)是三相對稱的。3、交流側(cè)濾波電感L為線性電感，無飽和。4、主電路上的開關(guān)器件都是理想開關(guān)，沒

3、有損耗。 任一時刻，三相橋的每對橋臂都只有一個開關(guān)導(dǎo)通，一個開關(guān)關(guān)斷。通過SPWM對V1-V6六個IGBT進(jìn)行合理控制就能輸出與電網(wǎng)電壓、頻率、相位、相序相符合的電能，實(shí)現(xiàn)安全并網(wǎng)。本文所設(shè)計風(fēng)電逆變器總體的動態(tài)控制結(jié)構(gòu)框圖如圖：圖中，Udc*是給定的中間直流電壓，Udc是作為外環(huán)反饋的中間直流電壓，二者之差作為PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)信號進(jìn)入PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)控，調(diào)控的結(jié)果又作為內(nèi)環(huán)d軸的給定電流id*。作為內(nèi)環(huán)反饋的逆變器網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)交流電流信號經(jīng)過坐標(biāo)變換得到兩相靜止坐標(biāo)系下的直軸分量id和交軸分量iq 。賦iq*值為0以獲得單位功率因數(shù)。d軸和q軸各自的反饋量和給定量進(jìn)行比較后分別進(jìn)入獨(dú)立的PI調(diào)節(jié)

4、器進(jìn)行獨(dú)立調(diào)控，PI調(diào)節(jié)器的輸出結(jié)果注入反饋的電網(wǎng)電壓以及軸互相之間的耦合量進(jìn)行解耦，經(jīng)過坐標(biāo)變換將反饋調(diào)控的結(jié)果變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，然后把信號交給SPWM調(diào)控，對逆變器三相橋上開關(guān)器件進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)逆變器的控制。3、逆變器的控制策略3.1電流內(nèi)環(huán)的設(shè)計 根據(jù)雙閉環(huán)控制先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的原則，本文先設(shè)計電流內(nèi)環(huán)，然后將電流內(nèi)環(huán)視為電壓外環(huán)的一部分，進(jìn)行電壓外環(huán)的設(shè)計。此處僅對軸電流的控制進(jìn)行分析,得到iq內(nèi)環(huán)控制的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如上電流內(nèi)環(huán)簡化結(jié)構(gòu)圖在CCM模式下，可將開關(guān)器件和逆變裝置近似為一階慣性環(huán)節(jié)，Kpwm則為三相橋開關(guān)器件和PWM逆變裝置的放大系數(shù)，Ts是電流采用周期不計Ed擾動的影響，且

5、將PWM開關(guān)周期Ts與最小時間常數(shù)0.5Ts整合，則可化簡得到如右圖示的電流內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)圖。21.5(s)11.5iPpwmsicPpwmsk kR TWSsk kT由電流內(nèi)環(huán)簡化結(jié)構(gòu)圖可得電流內(nèi)環(huán)典型型系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)：其中，RL式中，Kip PI調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)； R系統(tǒng)等效電阻； L系統(tǒng)等效電感。取最佳阻尼比0.707，則：1.50.5s P pwmTk kR求得PI調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)Kip和積分系數(shù)KiI為：3iPpwm sRkkT3iIpwmsRkkT典型I型系統(tǒng)的動態(tài)跟隨性能較好，但是其動態(tài)抗干擾性能較差，所以，在仿真過程中，上述兩個公式計算得到的參數(shù)值并非合適值，只能作為調(diào)試的參考值

6、需要反復(fù)調(diào)試才能得到適宜的參數(shù)值。3.2電壓外環(huán)的設(shè)計將電流內(nèi)環(huán)視為電壓外環(huán)的一個環(huán)節(jié)處理，則電壓外環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖電壓外環(huán)簡化的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖uIkuPk、分別為電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)和積分系數(shù)。滯后環(huán)節(jié)1(1 TS)s代表電壓采樣延時。1(1 3TS)s是開關(guān)頻率足夠高時電流內(nèi)環(huán)簡化的傳遞函數(shù)。不計負(fù)載擾動iL的影響，則有電壓外環(huán)簡化的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。 電壓外環(huán)控制是為了穩(wěn)定逆變器直流側(cè)電壓，因此，電壓外環(huán)設(shè)計更注重穩(wěn)定性能，故本文按典型 型系統(tǒng)設(shè)計電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)器。得開環(huán)傳遞函數(shù)為：2(1 TS)(s)(1 4TS)uIsucuPskWS k C取最佳中頻寬54uPskhT并結(jié)合典型型

7、系統(tǒng)PI控制器的整定關(guān)系得：22132uIuPskhCkhT則可得電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置的表達(dá)式：32020uIsuPsCkTkT 同電流內(nèi)環(huán)一樣，在設(shè)置仿真參數(shù)時，可參考右邊的公式大概計算外環(huán)PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)值，但只能作為調(diào)試的參考值，需要反復(fù)調(diào)試才能得到適宜的參數(shù)值。4、逆變器的參數(shù)設(shè)計與仿真4.1并網(wǎng)逆變器的技術(shù)指標(biāo) 本文設(shè)電網(wǎng)額定頻率為50Hz，電網(wǎng)線電壓額定值為690v。本文取，再參考逆變器單相并網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)，本文設(shè)計的直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)逆變器的技術(shù)指標(biāo)如下表所示：4.2PI調(diào)節(jié)器參數(shù)的計算4.2.1 電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器15pwmk，RL濾波器中的電阻為5，回路等效電阻為2，等

8、效電感為60mH，則可求得時間常數(shù)為：0.03LR則可求得電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)：2.667388.893iPpw msiIpw msRkkTRkkT4.2.2 電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)器電壓外環(huán)的PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)由直流側(cè)電容值與PWM開關(guān)周期決定，由上文確定了電容值為2300F，求得電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)：30.6920200.01uIsuPsCkTkT 計算得到的PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)值只能作為調(diào)試的一個參考，適合系統(tǒng)的具體值要經(jīng)過反復(fù)調(diào)試才可確定。 本文在逆變器的仿真調(diào)試中，確定的PI調(diào)節(jié)器參數(shù)值如表所示：4.3 并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)仿真及結(jié)果分析并網(wǎng)逆變器在Simulink上搭建的仿真電路模型如圖，由

9、于本文設(shè)計的重點(diǎn)是逆變器，仿真逆變器時忽略整流得到直流電壓之前的環(huán)節(jié)。為了仿真逆變器的并網(wǎng)性能，逆變器的直流側(cè)接一個1100V的直流電壓源，設(shè)以iq*=0獲得單位功率因數(shù)。仿真得到的仿真結(jié)果如圖：00.10.20.30.40.50.60.70.80.9110991099.511001100.511010.870.880.890.90.910.920.930.940.95-400-2000200400逆變器直流側(cè)電容電壓逆變器交流側(cè)相電壓0.740.760.780.80.820.840.86-150-100-500501001500.360.370.380.390.40.410.420.430.44-5000500逆變器交流側(cè)相電流逆變器并網(wǎng)電壓與電流5、結(jié)論本文的研究思路是先建立數(shù)學(xué)模型后進(jìn)行試驗(yàn)仿真，先設(shè)計主電路后設(shè)計控制電路，著重研究逆變器的并網(wǎng)控制，得到的結(jié)論如下：（1）本文的仿真結(jié)果驗(yàn)證了所設(shè)計的并網(wǎng)逆變器的數(shù)學(xué)模型是可行的，說明本文搭建的仿真模型在正確的