单相逆变器并网工作原理分析与仿真设计
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
所谓定频积分控制是指保持电路工作的开关频率 不变，而通过积分器和D触发器来控制开关器件在每个周期的导通时间 和关断时间 。图2-1所示为定频积分控制的一般原理图。
定频积分控制是基于单周期控制的一种控制方法[43~45]。单周期控制是一种非线性控制技术，该控制方法的突出特点是：无论是稳态还是暂态，它都能保持受控量(通常为斩波波形)的平均值恰好等于或正比于给定值，即能在一个开关周期，有效的抵制电源侧的扰动，既没有稳态误差，也没有暂态误差，这种控制技术可广泛应用于非线性系统的场合，比如脉宽调制、谐振、软开关式的变换器等。下面具体从理论上分析基于单周控制的定频积分控制的一般原理和特点。
(2-2)
假设开关频率远大于输入信号 及给定信号 的频率，即在一个开关周期， 、 均认为是常数。对于传统控制而言，占空比 由给定信号 线性调制而成，可写为：
(2-3)
式中 为常数。因此输出信号的平均值 为：
(2-4)
上式表明：应用传统电压反馈控制，输出信号 是输入信号 与给定信号 的乘积。因此，输入信号 的变化必然导致输出信号 的变化，开关是非线性的。
(2-18)
因此，逆变器并网工作时，只需一个电流环就能满足控制方程式(2-18)，使逆变器输出正弦电流与电网电压严格保持一致，达到单位功率因数并网。
第2章 基于定频积分的逆变器并网控制
2.1引言
本章探索了一种基于定频积分控制的可选择独立工作和并网运行两种工作模式的光伏逆变器控制方案，对其工作原理以及并网电流纹波影响因素进行了理论分析，推导了控制方程，并给出了计算机仿真分析结果。
2.2逆变器并网控制系统总体方案设计
如本文第一章所述，并网型逆变器主要应用在可再生新能源并网发电技术中，因此，对逆变器并网控制方案的研究也必须结合新能源发电的特点，达到最大限度的利用可再生资源。作者设计了一种既可以控制逆变器工作在并网送电状态，又可以控制逆变器工作在独立带载状态的逆变器并网控制系统。逆变器的具体工作模式由工作场合和用户需求决定，系统具有多功能。
(2-13)
假设 为电流检测电阻，则式(2-13)可以写成如下：
(2-14)
将式(2-12)带入式(2-14)的得到下面方程：
(2-15)
假设：
(2-16)
可看成控制输出功率大小的控制量，则与开关占空比有关的控制表达式可以通过积分电路对一个常量的积分来实现，具体如下：
(2-17)
其中 为积分器积分时间常数，当取积分时间常数为开关周期的一半，即 时，式(2-17)成立。由式(2-15)和式(2-17)可得到系统的控制方程如下：
对于单周控制，其原则是保证在每一开关周期，输入信号 的积分值恰好等于给定信号 ，即：
(2-5)
将式(2-1)、(2-3)代入上式整理得：
(2-6)
由于开关周期 固定，ห้องสมุดไป่ตู้输出信号在每一个开关周期的平均值 等于给定信号 ，即为：
(2-7)
式中 为常数。
因此，开关输出信号 只需在一个开关周期便可跟踪给定信号 ，基于这种思想的非线性技术称为单周期控制技术，采用这种控制技术，开关输出信号 只与给定信号 有关，即：
本文选择电压源型全桥逆变器作为研究对象。图2-2所示为电压源电流控制模式下的单相逆变器并网系统的等效电路示意图。
逆变器并网控制的目标是：控制逆变电路输出的交流电流为稳定的、与电网同频同相的正弦波，也就是实现单位功率因数并网送电。本文采用定频积分控制实现逆变器的并网控制。逆变器输出波形调制采用双极性调制策略。所谓双极性调制指的是逆变器桥路两桥臂交叉对应开关V1和V4、V2和V3分别各由一个信号控制，两个信号相位相反。并网控制方程的推导过程如下。
图2-2 单相全桥逆变器并网系统等效电路
Fig.2-2 Single phase grid-connected full-bridge inverter system
为简化分析，首先作如下假设：
(1)直流侧电压保持恒定。
(2)开关频率远远大于电网频率和逆变器输出电流的频率。
设开关频率为 ，开关周期为 ，开关导通占空比为 ， 为逆变器输出滤波电感上的电压， 为直流侧电压， 为电网电压， 为逆变器电感电流，由于逆变器采用双极性调制，一个开关周期，电感两端的电压满足：
本系统采用以定频积分为核心的控制方案。逆变器并网工作时采用基于定频积分的电流控制方案；独立工作时，在并网电流控制方案的基础上加入电压PI外环，实现输出电压控制。定频积分控制不仅将并网输出电流控制和独立输出电压控制有机地融合在一起，而且使系统在两种工作模式下都具有良好的性能。
2.3 定频积分控制的一般理论
图2-1定频积分控制的工作原理图
Fig.2-1 Schematic diagram of unifiedconstant-frequencyintegrationcontrol
假设开关运行开关频率为 ，开关函数 为：
(2-1)
式中 为开关导通时间， 为开关关断时间， 。
在每一开关周期，开关导通时间为 ，关断时间为 ，占空比为 ，给定信号 ，开关输入信号为 ，输出信号为 ，它是由输入信号 经开关斩波后形成的信号，因此又称为开关变量。 与 ， 三者之间的关系如下：
(2-8)
开关输出 完全抑制了输入干扰，线性的再现了给定信号 ，因此，基于单周期控制技术的定频积分控制可以将一个非线性开关变成一个线性开关。这种控制可以有效抑制输入信号的扰动，使得系统的输出迅速跟踪输入给定的变化，系统具有优良的抗扰动性和跟随性能。
2.4 基于定频积分的并网控制方案
2.4.1并网工作原理分析与控制方程推导
在 < < 期间，器件V1、V4导通，V2、V3关断，有：
(2-9)
在 < < 期间，器件V2、V3导通，V1、V4关断，有：
(2-10)
在准稳态情况下，根据一个开关周期电感的伏秒平衡原则有：
(2-11)
由式(2-11)可得：
(2-12)
逆变器并网工作时，要求逆变器输出的正弦波电流，且要求该电流与电网电压同频、同相，因此可以引入两个常量 、 ，且 、 都大于零，由 和 共同来决定逆变器输出功率的大小。 用来限定逆变器的最大输出电流， 用以控制输出功率的大小。则逆变器并网工作时，输出电流 可以由下式表示：
定频积分控制是基于单周期控制的一种控制方法[43~45]。单周期控制是一种非线性控制技术，该控制方法的突出特点是：无论是稳态还是暂态，它都能保持受控量(通常为斩波波形)的平均值恰好等于或正比于给定值，即能在一个开关周期，有效的抵制电源侧的扰动，既没有稳态误差，也没有暂态误差，这种控制技术可广泛应用于非线性系统的场合，比如脉宽调制、谐振、软开关式的变换器等。下面具体从理论上分析基于单周控制的定频积分控制的一般原理和特点。
(2-2)
假设开关频率远大于输入信号 及给定信号 的频率，即在一个开关周期， 、 均认为是常数。对于传统控制而言，占空比 由给定信号 线性调制而成，可写为：
(2-3)
式中 为常数。因此输出信号的平均值 为：
(2-4)
上式表明：应用传统电压反馈控制，输出信号 是输入信号 与给定信号 的乘积。因此，输入信号 的变化必然导致输出信号 的变化，开关是非线性的。
(2-18)
因此，逆变器并网工作时，只需一个电流环就能满足控制方程式(2-18)，使逆变器输出正弦电流与电网电压严格保持一致，达到单位功率因数并网。
第2章 基于定频积分的逆变器并网控制
2.1引言
本章探索了一种基于定频积分控制的可选择独立工作和并网运行两种工作模式的光伏逆变器控制方案，对其工作原理以及并网电流纹波影响因素进行了理论分析，推导了控制方程，并给出了计算机仿真分析结果。
2.2逆变器并网控制系统总体方案设计
如本文第一章所述，并网型逆变器主要应用在可再生新能源并网发电技术中，因此，对逆变器并网控制方案的研究也必须结合新能源发电的特点，达到最大限度的利用可再生资源。作者设计了一种既可以控制逆变器工作在并网送电状态，又可以控制逆变器工作在独立带载状态的逆变器并网控制系统。逆变器的具体工作模式由工作场合和用户需求决定，系统具有多功能。
(2-13)
假设 为电流检测电阻，则式(2-13)可以写成如下：
(2-14)
将式(2-12)带入式(2-14)的得到下面方程：
(2-15)
假设：
(2-16)
可看成控制输出功率大小的控制量，则与开关占空比有关的控制表达式可以通过积分电路对一个常量的积分来实现，具体如下：
(2-17)
其中 为积分器积分时间常数，当取积分时间常数为开关周期的一半，即 时，式(2-17)成立。由式(2-15)和式(2-17)可得到系统的控制方程如下：
对于单周控制，其原则是保证在每一开关周期，输入信号 的积分值恰好等于给定信号 ，即：
(2-5)
将式(2-1)、(2-3)代入上式整理得：
(2-6)
由于开关周期 固定，ห้องสมุดไป่ตู้输出信号在每一个开关周期的平均值 等于给定信号 ，即为：
(2-7)
式中 为常数。
因此，开关输出信号 只需在一个开关周期便可跟踪给定信号 ，基于这种思想的非线性技术称为单周期控制技术，采用这种控制技术，开关输出信号 只与给定信号 有关，即：
本文选择电压源型全桥逆变器作为研究对象。图2-2所示为电压源电流控制模式下的单相逆变器并网系统的等效电路示意图。
逆变器并网控制的目标是：控制逆变电路输出的交流电流为稳定的、与电网同频同相的正弦波，也就是实现单位功率因数并网送电。本文采用定频积分控制实现逆变器的并网控制。逆变器输出波形调制采用双极性调制策略。所谓双极性调制指的是逆变器桥路两桥臂交叉对应开关V1和V4、V2和V3分别各由一个信号控制，两个信号相位相反。并网控制方程的推导过程如下。
图2-2 单相全桥逆变器并网系统等效电路
Fig.2-2 Single phase grid-connected full-bridge inverter system
为简化分析，首先作如下假设：
(1)直流侧电压保持恒定。
(2)开关频率远远大于电网频率和逆变器输出电流的频率。
设开关频率为 ，开关周期为 ，开关导通占空比为 ， 为逆变器输出滤波电感上的电压， 为直流侧电压， 为电网电压， 为逆变器电感电流，由于逆变器采用双极性调制，一个开关周期，电感两端的电压满足：
本系统采用以定频积分为核心的控制方案。逆变器并网工作时采用基于定频积分的电流控制方案；独立工作时，在并网电流控制方案的基础上加入电压PI外环，实现输出电压控制。定频积分控制不仅将并网输出电流控制和独立输出电压控制有机地融合在一起，而且使系统在两种工作模式下都具有良好的性能。
2.3 定频积分控制的一般理论
图2-1定频积分控制的工作原理图
Fig.2-1 Schematic diagram of unifiedconstant-frequencyintegrationcontrol
假设开关运行开关频率为 ，开关函数 为：
(2-1)
式中 为开关导通时间， 为开关关断时间， 。
在每一开关周期，开关导通时间为 ，关断时间为 ，占空比为 ，给定信号 ，开关输入信号为 ，输出信号为 ，它是由输入信号 经开关斩波后形成的信号，因此又称为开关变量。 与 ， 三者之间的关系如下：
(2-8)
开关输出 完全抑制了输入干扰，线性的再现了给定信号 ，因此，基于单周期控制技术的定频积分控制可以将一个非线性开关变成一个线性开关。这种控制可以有效抑制输入信号的扰动，使得系统的输出迅速跟踪输入给定的变化，系统具有优良的抗扰动性和跟随性能。
2.4 基于定频积分的并网控制方案
2.4.1并网工作原理分析与控制方程推导
在 < < 期间，器件V1、V4导通，V2、V3关断，有：
(2-9)
在 < < 期间，器件V2、V3导通，V1、V4关断，有：
(2-10)
在准稳态情况下，根据一个开关周期电感的伏秒平衡原则有：
(2-11)
由式(2-11)可得：
(2-12)
逆变器并网工作时，要求逆变器输出的正弦波电流，且要求该电流与电网电压同频、同相，因此可以引入两个常量 、 ，且 、 都大于零，由 和 共同来决定逆变器输出功率的大小。 用来限定逆变器的最大输出电流， 用以控制输出功率的大小。则逆变器并网工作时，输出电流 可以由下式表示：