基于Matlab_Simulink的三相光伏发电并网系统的仿真

L1 L2
s
（2 -3）
由上式可以得出从逆变器侧电压Vri 到网侧电流 ii2 的传递函数：
G s ii2
Vri
L1L2C f s3
Rf Cf s 1
L1 L2 Rf C f s2
L1 L2 s
（2-4）
在电路滤波器设计的过程中，功率开关元器件的纹波是设计的主要依据。在 给定纹波衰减率的条件下，可以由式（2-4）得出两个电感和电容的约束关系。 但是满足上述关系的参数可以是多组的并不唯一这给 LCL 滤波器的设计增加了 难度，需要分析 LCL 滤波器的运行特性，找出电感和电容的约束条件。
ii1
R1
Vri
L1
Rf
Vc Cf
ii2 R2
L2 Vsi
图 单相 LCL 滤波器拓扑结构
针对单相 LCL 频率特性进行分析和研究图所示，Vri i a,b,c 是逆变器侧输
出交流电压，Vsi i a,b,c 是电网侧电压，L1 和 L2 分别为逆变器侧和电网侧的滤
波电感，R1 和 R2 分别为对应电感的等效电阻，C f 是滤波电容，Rd 是电容支路的
s
ii 2
XCf X L2 X C f
ii1
L2C
f
Rf s2
C
f s 1 Rf Cf
s
1
ii1
（2-1） （2-2）
由逆变器侧电流 ii1 和公式（3-2）带入可以得到网侧电流 ii2 ：
ii2
Vri X
Rf Cf s 1 L2C f s2 Rf C f s
1
L1L2C f s3
Vri Rf C f s Vri Rf L1 Rf L2 C f s2
图 电感电流外环电容电流内环系统框图
i2k
Gi (s)Gc (s)G1(s)G2 (s)G3 (s)
（3）
i*2k i2k 1 G1(s)G2 (s) G2 (s)G3 (s) Gc (s)G1(s)
式中 G1(s)
1 L1S
R1
；G2 (s)
1 C2S
；Gc (s)
Kc ；G3 (s)
三、 实验设计
1. LCL 型滤波器设计 1.1 LCL 滤波器参数设计的约束条件
（1）LCL 滤波器的电容 C f 将引起无功功率增加，从而降低功率因数。为了保证
系统的高功率因数，一般限制电容吸收的无功功率低于额定功率的 5%。 （2）总电感值要小于 0.1pu ，即 L Lg 0.1pu ，否则需要较高的直流电压来保
1. 并网逆变器的状态空间及数学模型...........................错误!未定义书签。 主电路拓扑 ...............................................................错误!未定义书签。 三相并网逆变器 dq 坐标系下数学模型 .................错误!未定义书签。 基于电流双环控制的原理分析 ...............................错误!未定义书签。
目前太阳能利用主要有光热利用，光伏利用和光化学利用等三种主要形式，而光伏发电 具有以下明显的优点：
1. 无污染：绝对零排放－没有任何物质及声、光、电、磁、机械噪音等“排放”； 2. 可再生：资源无限，可直接输出高质量电能，具有理想的可持续发展属性； 3. 资源的普遍性：基本上不受地域限制，只是地区之间是否丰富之分； 4. 通用性、可存储性：电能可以方便地通过输电线路传输、使用和存储； 5. 分布式电力系统：将提高整个能源系统的安全性和可靠性，特别是从抗御自然灾害 和战备的角度看，它更具有明显的意义； 6. 资源、发电、用电同一地域：可望大幅度节省远程输变电设备的投资费用； 7. 灵活、简单化：发电系统可按需要以模块化集成，容量可大可小，扩容方便，保持 系统运转仅需要很少的维护，系统为组件，安装快速化，没有磨损、损坏的活动部件； 8. 光伏建筑集成（BIPV-Building Integrated Photovoltaic）：节省发电基地使用的土地 面积和费用，是目前国际上研究及发展的前沿，也是相关领域科技界最热门的话题之一。 我国是世界上主要的能源生产和消费大国之一，也是少数几个以煤炭为主要能源的国家 之一，提高能源利用效率，调整能源结构，开发新能源和可再生能源是实现我国经济和社会 可持续发展在能源方面的重要选择。随着我国能源需求的不断增长，以及化石能源消耗带来 的环境污染的压力不断加剧，新能源和可再生能源的开发利用越来越受到国家的重视和社会 的关注。
题目：基于 Matlab/ Simulink 的三相光伏发电并网系 统的仿真
院系： 姓名： 学号： 导师：
目录
一、 背景与目的 ......................................................................错误!未定义书签。 二、 实验原理 ..........................................................................错误!未定义书签。
电阻。相比于 L 滤波器，LCL 滤波器多了 L2 和 C f ，电容支路对高频纹波电流呈
现低阻抗通路从而旁路高频电流，电感 L2 抑制电流 ii2 中的高频纹波。逆变器侧
和网侧电阻 R1 、 R2 相比于感抗 L1 、 L2 较小，可以忽略。图进行拉普拉斯变换得
到滤波器的结构框图如。图中看出，LCL 滤波器中，逆变器侧电感支路 L1 与网侧
采用电流闭环控制时 d 轴和 q 轴的电流指令跟踪效果不是很理想。
1.3 基于电流双环控制的原理分析
基于并网电流单环 PI 控制无法使系统稳定运行 ,采用电感电流 作为内环电流反馈的电 流双环控制对系统稳定性没有明显的改善，但采用如图所示的电容电流 作为内环反馈的双 环控制，在选择合适的内外环控制器参数情况下完全能够使系统稳定运行。
电感支路 L2 和电容支路 C f 并联电路串联，求出滤波器的传递函数。
Vri
1
sL1
ii1
Vc
1 sC f
Rd
ic1
Vsi
1
ii 2
sL2
图 LCL 滤波器的结构框图
系统的串联阻抗为 X ：
X sL1 X L2 //C f
逆变器侧电流 ii1 为 ii1 Vri X
L1L2s3 Rf L1 Rf L2 C f s2 L1 L2 ，网侧滤波电L2感C f和s2 电 R容f C分f 流s 关1 系：
通过改变 Ki 、 K p 、 Kc 的数值将系统的闭环极点配置到所希望的位置上 以满足性能指标
要求 , 也是下一步采用高阶极点配置的方法设计电流双环控制器参数时需要解决的问题 。
图 并网逆变器双环控制系统等效框图
2. LCL 型滤波器的原理
LCL 与 L 不同，它是三阶模型，如果设计不好会影响系统的稳定性，需要分 析 LCL 滤波器的整体模型。参数设计过程中，除了要满足网侧电流谐波含量标准 外，还要使逆变器侧电流谐波和电容吸收无功功率小。
证电流的控制性，这将会增大功率开关的损耗。 （3）为了避免开关频率附近的谐波激发 LCL 谐振，谐振频率 fres 应远离开关频
率，一般小于 0.5 fres ，但不能过小，否则低次谐波电流将通过 LCL 滤波器得以放
大。一般谐振频率在十倍的基波频率到开关频率的一半之间10 f fres 0.5 fsw 。
1 L2S
R2
；Gi (s)
Kp
Ki S
。
将图等效变换为图所示的电流双环控制系统等效图,其参考信号为 I2*r Kc (Kp Ki / s)I2* 。
图中，反馈通道的反馈信号由电容电流 Ic 和并网电流 I 2 及积分量分别乘以 Kc 、 Kc K p 、
Ki K p 3 个常系数的总和形成。如果把电容电流 I c 和并网电流 I 2 及其积分量看成系统的 3
LCL 滤波器参数设计的约束条件 ................................错误!未定义书签。 LCL 滤波器参数计算 ....................................................错误!未定义书签。 LCL 滤波器参数设计实例 ............................................错误!未定义书签。 2. 双闭环控制系统的设计......................................................错误!未定义书签。
二、 实验原理
1. 并网逆变器的状态空间及数学模型
1.1 主电路拓扑
图所示为三相并网发电系统的拓扑结构，图中， 为直流输入电源, 为输入直流母线
滤波电容 ,
为三相逆变桥的 6 个 IGBT 开关管 , 为滤波电感 的内阻和由每相桥臂
上、下管互锁死区所引起的电压损失， 为滤波电感 的内阻， 、 、 组成三阶 LCL 滤 波器 。
一、 背景与目的
伴随着传统化石能源的紧缺，石油价格的飞涨以及生态环境的不断恶化，这些问题促使 了可再生能源的开发利用。而太阳能光伏发电的诸多优点，使其研究开发、产业化制造技术 以及市场开拓已经成为令世界各国，特别是发达国家激烈竞争的主要热点。近年来世界太阳 能发电一直保持着快速发展，九十年代后期世界光伏电池市场更是出现供不应求的局面，进 一步促进了发展速度。
（4）需增设阻尼电阻防止谐振，但阻值不能太大，以免带来过多的损耗，从而 降低了效率。
1.2 LCL 滤波器参数计算
(1)电感 L1 的计ห้องสมุดไป่ตู้：
L1 2
U 6 f isw sip
（3-1）
U为网侧相电压有效值， isip 为谐波电流峰值， f sw 为开关频率。 (2)总电感值的约束条件：
2. LCL 型滤波器的原理 ....................................................错误!未定义书签。 三、 实验设计 ..........................................................................错误!未定义书签。 1. LCL 型滤波器设计 ...............................................................错误!未定义书签。
图 三相并网发电系统拓扑结构图
1.2 三相并网逆变器 dq 坐标系下数学模型
滤波器状态空间模型的具体形式与所选状态变量有关，为了建立采用 LCL 滤波器的三相 并网逆变器的状态空间数学模型，这里选择 的电感电流 、电容 的电压 。以及并网电 感 上的电流 为状态变量 ,在三相平衡的情况下根据 PARK 变换可得两相同步旋转 dq 坐标 系下的状态方程为:
个状态变量
,则图是以
I
* 2r
为输入量
,
以 Kc 、 Kc K p 、 Ki K p 组成状态反馈增益矩阵的状态
反馈控制系统。可以看出，当改变内环控制参数 Kc 时 ，也同时改变了电容电流 I c 和并网
电流 I 2 及其积分量的反馈通道系数 Kc 、 Kc K p 以及 Ki K p ，因此导致电流双环控制器无法
式中 、 、 、 为三相桥臂电压与电网电压的 dq 分量。根据式（1）所示的 LCL 滤波器在 dq 坐标系下的数学模型，旋转 3/2 变换在系统的 d 轴和 q 轴之间引入了强耦合，d、
q 轴电流除受控制量 均和 影响外，还受耦合电压
、
、
、
和耦
合电流
、
以及电网电压 、 的影响。如果不对 d 轴和 q 轴进行解耦控制 ，
网侧电感电流外环控制器的设计 ...........................错误!未定义书签。 电容电流内环控制器的设计 ...................................错误!未定义书签。 控制器参数计算 .......................................................错误!未定义书签。 四、 实验仿真及分析 ..............................................................错误!未定义书签。 五、 实验结论 ..........................................................................错误!未定义书签。