微网储能逆变器(PCS)的研究

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三峡大学学位论文原创性声明
本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果，除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文 中以明确方式标明，本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
分类号 U D C
密级
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微网储能逆变器（PCS）的研究
学 位 申 请 人： 学 科 指 导 专 教 业： 师：
卢云 电力系统及其自动化 王归新副教授
二○一五年五月
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A Dissertation Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Science in Engineering
学位论文作者签名： 日 期：
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内容摘要
随着新能源户用微电网技术的兴起，光伏储能调节系统被广泛采用。储能调节系 统既可以独立运行又可以接受电力部门的合理调度。电网出现故障或者断电时，储能 系统运行在孤岛模式，为本地负荷提供可靠稳定的的电能。逆变器的控制技术是功率 调节系统中的关键技术之一，本文主要研究微网储能逆变器（PCS）的控制技术。 首先，本文建立了储能逆变器的状态空间平均模型，为以后的分析设计奠定了基 础。 同时在 MATLAB 的 Simulink 搭建了系统的仿真模型， 为硬件电路调试提供指导。 微网储能逆变器可以工作在三种工作模式，分别离网运行模式、并网运行模式和 带本地负载并网模式。微网储能逆变器工作在离网模式时，微网储能逆变系统独立为 本地负载供电，储能逆变器采用电压闭环控制。稳定储能逆变器的输出电压，使得本 地负载不间断正常工作。微网储能逆变器工作在并网模式时，微网储能逆变器与电网 直接相连，电网可视为容量无穷大的交流电压源，微网储能逆变器采用电流控制的方 式。 论文重点分析了双环控制，并进行控制系统建模分析。通过 Matlab 对并网和离 网模式以及两种模式之间的相互切换进行仿真， 仿真结果证明了本文所采用的控制方 法的合理性和有效性。 锁相同步技术是并网变换器的一个共性问题， 也是并网变换器控制系统的一个最 基本的问题。 锁相同步电路的性能优劣将直接关系到并网变换器的技术性能和运行稳 定性。本文研究了基于矢量变换的鉴相算法,实现了电网电压相位的实时调整,提高了 锁相同步的快速性。 最后，按照设计要求完成逆变器硬件电路制作、焊接调试及软件编写，对该逆变 系统进行试验。在完成驱动及检测回路测试，逆变器正常工作前提下，分别测试逆变 器在独立运行模式和并网模式下的运行情况。 给出了实验相关测试框图及最终的试验 波形，实验效果良好，满足最终的设计要求。 关键词： 储能系统 功率调节系统 并网运行 独立运行 单相锁相环
Research On Micro-grid Energy Storage Inverter
Graduate Student: Major: Supervisor:
Lu Yun Electrical Engineering Prof. Wang Guixing
China Three Gorges University Yichang, 443002, P.R.China May, 2015
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Abstract
With the rapid development of the energy storage technology, energy storage system, with power conditioning system as the interface device, can accept rational management of the power sector to play the role of “load shifting” in the power system; When the grid i s out of electric power, the energy storage system can provide stable and reliable power supply for local loads. Inverters is the most critical power electronic conversion devices in power conditioning system. In this paper, research on control strategies for inverters operating in various modes is clearly performed. Assuming the current of load as disturbance input, continuous state-space model and discrete state-space model of inverter are established. A precise simulation model is also established with MATLAB software. These models are the bases of farther analysis. Micro-grid inverter has two modes of Grid-connected operation and Grid-disconnected operation. On the Grid-connected operation, photovoltaic Micro-grid inverter is connected with electricity, and electricity can be considered infinite capacity of the AC voltage sources, Micro-grid inverter with current control strategies more appropriate. Focus on hysterics current control, and control system modeling analysis. On the Grid-disconnected, grid-connected inverter micro important mainly for the local load power supply, with voltage closed loop control is more appropriate. By controlling the output capacitor voltage, the voltage stability critical loads, and critical load to ensure uninterrupted power supply. By simulation, Grid-connected mode and Grid-disconnected model have been mutual switched, the simulation results show that the proposed control method is reasonable and effective. The Phase-locked synchronization technology is a common question in the grid-connected converters， and also is a most basic question in the converter control system. The quality of the Phase-locked loop affects directly the Performance of the control loops in the connected converter. This paper studies the DQ vector transformation phase detector based on phase algorithm, has realized the real-time adjustment of power grid voltage phase, improve the fast phase-locked synchronization. At the end of the paper，according to the design requirements of complete production welding and debugging, hardware and software compilation, the test on the inverter system. At the completion of the driving and detection circuit testing, the inverter works under normal condition, the test case respectively for inverter operation in independent operation mode and grid connected mode. The test waveforms and the final experimental correlation
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内容摘要 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·II 目录 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·V 引言 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 1 1 绪论 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 2 1.1 微网储能逆变器的概述 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 2 1.2 逆变器的控制技术 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 3 1.3 数字化控制技术的研究现状 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 6 1.4 本文研究的主要内容 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 7 2 微网储能逆变器的建模与模式控制策略· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 9 2.1 微网储能逆变器的数学模型 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 9 2.2 微网逆变器的工作模式 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·17 2.3 双环控制技术 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·20 2.4 运行在逆变状态 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·21 2.5 运行在整流状态 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·24 2.6 锁相环设计 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·27 3 系统硬件电路设计 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·34 3.1 主控板电路设计 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·34 3.2 电压电流采集电路设计 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·35 3.3 死区产生电路设计 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·36 3.4 保护电路设计 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·37 3.5 主电路及驱动电路 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·38 3.6 输出滤波器设计 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·38 4 系统仿真与实验结果 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·39 5 总结与展望 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·43 5.1 全文工作总结 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·43 5.2 进一步工作和展望 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·43 致谢 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·44 参考文献 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·45 附录：攻读硕士学位期间发表的部分学术论著· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·49
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test block diagram is given, the experiment effect is good, meet the requirements of the final design. Key words: Energy storage system Power conditioning system Grid connected operation mode Independent operation mode Single phase locked loop