正文-三相PWM光伏并网逆变器设计

城南学院三相PWM光伏并网逆变器设计摘要由于当今社会能源和环境问题的日益突出，太阳能能源作为可再生能源得到了广泛的研究和应用。近些年来，光伏并网发电系统的研究越来越多地受到国家和社会的重视，光伏并网逆变器是光伏并网发电系统的核心组成部分，本文主要研究光伏电压型并网PWM逆变器的并网控制，光伏并网系统具有输出电流正弦化、功率因数可调等功能。首先，本文对三相电压型并网PWM逆变器主电路拓扑结构、工作原理进行了详细分析,结合实际系统参数设计通过simulink仿真软件对并网控制方法进行仿真验证，建立三相电压型并网PWM逆变器在静止、旋转坐标系下的数学模型，为系统的并网控制策略设计奠定了基在此基础上建础。其次，分析了三相SPWM技术应用于逆变器调制的优缺点，建立三相逆变器模型,设计了10kW的三相电压型并网PWM逆变器。关键词：并网逆变器；三相；simulink仿真；SPWM城南学院三相PWM光伏并网逆变器设计AbstractDuetoproblemofenergyandenvironmentbecomingloominglarge,theresearchandapplicationofthesolar,onekindofrenewableenergy,hasarousedwidespreadconcern.Inrecentyears,photovoltaicgrid-connectedpowersystemresearchreceivedmoreandmoreattentionbythestateandsociety.Photovoltaicgrid-connectedinverteristhecorecomponentofgrid-connectedphotovoltaicsystems.Thispapermainlystudiesgrid-connectedcontrolofphotovoltaicgridvoltagesourcePWMinverter.Photovoltaicgrid-connectedsystemisfeaturedbysinusoidalcurrentoutput,andthefunctionofadjustpowerfactor.Thefirstofall，ThispapermakesadetailedanalysisonthetopologystructureofThree-phasegridvoltagetypePWMinverter'smaincircuitandworkingprinciples.Combinedwiththeactualsystemparameters,grid-connectedcontrolmethodisstimulationverifiedbysimulinksimulationsoftware,mathematicalmodelsofinvertunderboththestaticandrotatingcoordinatesystemareestablishedwhichlaythefoundationfordesignofgrid-connectedcontrol.Thesecond，advantagesanddisadvantagesfromthetechnologythatthree-phaseSPWMisappliedintheinvertermodulationareanalyzed.Three-phaseinvertermodelisestablishedandsimulation.Anddesigneda10kWthree-phasevoltagesourcePWMinverter.Keywords:grid-connectedinverter;three-phase;Simulinksimulation;SPWM城南学院三相PWM光伏并网逆变器设计目录1绪论…………………………………………………………………………………11.1课题研究背景与意义………………………………………………………11.2国内外研究状况……………………………………………………………11.3课题研究方法………………………………………………………………22三相光伏并网逆变器的工作原理及控制策略分析………………………………32.1三相光伏并网逆变器的工作原理…………………………………………42.1.1三相光伏并网逆变器主电路拓扑结构的设计……………………52.1.2逆变器显示及设置功能的设计……………………………………52.2三相光伏并网逆变器的控制策略分析……………………………………62.2.1三相光伏并网逆变器的并网原理…………………………………62.3本章小结……………………………………………………………………73SVPWM算法及系统Matlab仿真……………………………………………………73.1SVPWM算法的原理及数学理论推导………………………………………83.1.1PWM的定义，发展过程…………………………………………83.1.2SVPWM的调制原理………………………………………………93.2三相光伏并网逆变器的SVPWM算法分析……………………………103.2.1三相光伏并网逆变器等效电路分析……………………………113.2.2三相光伏并网逆变器的扇区划分依据…………………………123.3三相光伏并网逆变系统的Matlab仿真…………………………………133.3.1三相光伏并网逆变系统的Simulink建模………………………143.3.2三相光伏逆变系统的波形仿真…………………………………144三相光伏并网逆变系统的软件实现……………………………………………城南学院三相PWM光伏并网逆变器设计1绪论1.1课题研究背景与意义社会文明不断发展的基础是能源,充足的能源供应为实施可持续发展提供了物质保障。现阶段,可利用的能源主要以煤炭、石油、天然气等化石能源为主。但相对来说，资源还是相对匮乏的，对人类未来能源可持续供应来说,我们必须进入节约能源和利用新能源的时代，电能是目前人类应用最广泛的二次能源,迄今为止，我们可以通过各种手段将其它形式的能量转换为电能，例如：核能发电、风力发电、生物质能发电等。本文是讲述以太阳能光伏发电的形式。三相PWM并网逆变器以电网电压同步信号为逆变器输出电流的跟踪信号，使输出电流快速跟踪电网电压，通过对网侧电流的闭环跟随控制，实现以单位功率因数向电网馈送电能。与传统能源及其他分布式能源发电技术相比,光伏发电具有其独特优势：（1）发电原理具有先进性和创新性,并随着各国对光伏产业的大力扶持,光伏发电技术将日趋完善；（2）太阳能取得简单,可就近供电；（3）太阳能发电不用耗费燃料,运行成本很低，且太阳能是可再生能源发电,无废弃物产生,对环境无不良影响。太阳能是一种取之不尽，用之不竭的资源，每年照射到地球表面的太阳能相当于173万亿吨标准煤，相当于全世界所消耗的能量总和的2万倍。我国是世界上太阳能资源非常丰富的国家之一，理论储量达17000亿吨标准煤。在我国，西藏西部地区太阳能资源最丰富，日辐射量达6.4kW.h/㎡，居世界第二位，仅次于撒哈拉大沙漠。光伏利用主要是以光伏发电的形式利用,光伏发电输出的能量形式是电能,因此对于光伏利用的明显的优点是远距离传输,通用性并且可存储。因此,基于上述的光伏利用的特点,在最近几十年,光伏并网发电技术得到迅猛发展。城南学院三相PWM光伏并网逆变器设计1.2国内外研究状况能源资源紧缺和环境污染严重,世界各国加强了对可再生能源的开发利用及其开发技术的研究，全球光伏发电量一直保持着高速增长的趋势,尤其九十年代后期光伏电池行业更是出现供不应求的局面,光伏产业得到迅猛发展。在1973年,美国推出了所谓的光伏发电发展计划,并且明确各个时期发展计划和战略性目标。从此以后,德国、英国等多数发达国家,也制定了相似光伏发展计划,并投入大量的技术研发资金来推动工业化进程。国外诸多公司在利用光伏并网逆变技术中表现出色。比如美国的Power-One、德国的SMA、西门子和KACO,瑞士的SputnikEngineering等。各公司在系统拓扑结构及功率变换器控制等方面都处于世界领先水平。国外公司的先进技术不断推动着光伏发电技术向规模化和产业化发展。中国是能源生产大国,同时也是能源消费大国,主要以煤资源为主要能源。为了实现可持续发展和提高能源总体利用率,提出了调整能源利用的结构和加快可再生能源利用开发和研究战略性计划。通过几十年的发展,国内的光伏事业已初具规模,但同国外发达国家相比差距还比较大,国内企业无论技术水平还是市场份额方面，跟一流的光伏逆变厂商存在巨大的差距。但是，不少国内企业已经在逆变器行业已经研究多年，已经具备一定的规模和竞争力，虽然在逆变器技术质量、规模上与国外企业仍然具有较大差距，但未来光伏逆变器市场的巨大发展空间和发展潜力给国内外光伏逆变器企业带来了新的历史机遇。目前国内已有大批光伏发电工程建成并投入运行，着眼于未来,我国光伏产业的发展前景会更为广阔。1.3课题研究方法(1)分析三相逆变器的拓扑结构并建立数学模型。本文对三相PWM逆变器的拓扑结构进行了对比分析,并在此基础上建立了三相PWM逆变器分别在三相静止坐标系,两相静止坐标系和两相旋转坐标系下的数学模型,为并网系统控制的设计奠定了基础。(2)三相PWM逆变器的控制系统设计…(3)三相并网逆变系统软件设计…(4)三相并网逆变系统硬件电路的设计…城南学院三相PWM光伏并网逆变器设计2三相光伏并网逆变器的工作原理及控制策略分析2.1三相光伏并网逆变器的工作原理光伏逆变器最主要的功能即完成DC到AC的转变除此功能之外，还应该设有显示及设置、通信、系统保护、存储等功能，其工作原理框图如图2-1所示。逆变器在工作过程中通过采集8路模拟输入信号，经过DSP数据运算处理后，发出PWM波形控制信号，控制功率主电路开关器件，经过滤波后，产生跟电网同频同相的电流，并入电网。在设备运行过程中，需要实时地显示逆变器的运行参数和运行状态，还可以通过逆变器上的按键，对逆变器本身的参数进行设置。同时，通过计算机跟逆变器之间组成上位机和下位机，实现上位机对下位机的实时监控。针对以上工作原理，本小节具体设计了三相光伏并网逆变器的主电路拓扑结构、LCD显示及设置以及上位机通信等模块。图2-1三相光伏并网逆变器的工作原理框图太阳能电池板功率主电路结构系统参数存储上位机通信主控制芯片显示及设置电网工业以太网直流电流交流电流串行总线串行总线采样城南学院三相PWM光伏并网逆变器设计2.1.1三相光伏并网逆变器主电路拓扑结构的设计在单相并网技术中，前级BOOST升压电路+全桥(或半桥)开关电路+LC滤波电路的方式，较为常用(如图2-2所示)。在三相并网逆变器的主电路设计中，有多种结构可供选择，目前电压型三相PWM波形并网逆变器是一种比较成熟的主电路拓扑[13-14]。图2-2电压型单相光伏并网逆变器电路拓扑结构a.电压型三相PWM波形并网逆变器电压型三相并网逆变器的主电路拓扑结构如图2-3所示，该电路采用三相桥式结构，通过对IGBT或MOSFET等功率开关施加一个驱动信号，使交流侧输出三个幅值、频率相等，相位相差120度的正弦波波形信号，经过LC滤波电路后并入电网。该电路具有电路拓扑结构简单，易于控制，功率开关电压应力低等优点，可以采用谐振支路、谐振缓冲等逆变技术来是实现功率器件的软开关。图2-3电压型三相PWM波形并网逆变器城南学院三相PWM光伏并网逆变器设计滤波电路的选择上，可以选L型滤波、LC型滤波、LCL型滤波等不同的结构。在图2-4中，上边波形表示电压信号，下边波形表示电流信号。在100A电流经过L型滤波器和LC型滤波器可以看出，经过LC滤波器后，谐波分量明显好于L型滤波器。随着电流增大到600A时，此时发现LC滤波效果仍是明显好于L型滤波器。虽然LCL滤波器的滤波效果是最好的，但是在三相逆变器并网控制系