基于Matlab-Simulink的三相光伏发电并网系统的仿真设计

题目：基于Matlab/ Simulink的三相光伏发电并网系统的仿真院系：：学号：导师：目录一、背景与目的 (3)二、实验原理 (3)1.并网逆变器的状态空间及数学模型 (3)1.1主电路拓扑 (4)1.2三相并网逆变器dq坐标系下数学模型 (4)1.3基于电流双环控制的原理分析 (5)2.LCL型滤波器的原理 (6)三、实验设计 (8)1.LCL型滤波器设计 (8)1.1LCL滤波器参数设计的约束条件 (8)1.2LCL滤波器参数计算 (8)1.3LCL滤波器参数设计实例 (9)2.双闭环控制系统的设计 (10)2.1网侧电感电流外环控制器的设计 (10)2.2电容电流环控制器的设计 (11)2.3控制器参数计算 (11)四、实验仿真及分析 (12)五、实验结论 (16)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。

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。

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1.1所示为三相并网发电系统的拓扑结构，图中，i ii1为直流输入电源,i1为输入直流母线滤波电容 ,i1~i6为三相逆变桥的6个IGBT开关管 ,i1为滤波电感i1的阻和由每相桥臂上、下管互锁死区所引起的电压损失，i2为滤波电感i2的阻，i1、i2、i2组成三阶LCL滤波器。

图1.1 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i1的电感电流i1、电容i1的电压i c。

以及并网电感i2上的电流i2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:式中i d 、i q 、i sd 、i sq 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i d 均和i q 影响外，还受耦合电压ωi 1i 1q 、−ωi 1i 1d 、ωi 2i 1q 、−ωi 2i 2d 和耦合电流ωi 2i cq 、−ωi 2i cd 以及电网电压i sd 、i sq 的影响。

如果不对d 轴和q 轴进行解耦控制 ，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i 1作为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1.3.1所示的电容电流i c 作为环反馈的双环控制，在选择合适的外环控制器参数情况下完全能够使系统稳定运行。

图1.3.1 电感电流外环电容电流环系统框图1232k*2k 2k 12231(s)(s)(s)(s)(s)i i i 1(s)(s)(s)(s)(s)(s)=-+++i c c G G G G G G G G G G G （3） 式中1111(s)=+G L S R ；221(s)=G C S ；c c (s)=G K ；3221(s)=+G L S R ；i i (s)=+p KG K S。

将图 1.3.1等效变换为图 1.3.2所示的电流双环控制系统等效图,其参考信号为**22(K /s)=+r c p i I K K I 。

图1.3.2中，反馈通道的反馈信号由电容电流c I 和并网电流2I 及积分量分别乘以c K 、c p K K 、i p K K 3个常系数的总和形成。

如果把电容电流c I 和并网电流2I 及其积分量看成系统的3个状态变量 ,则图1.3.2是以*2r I 为输入量 , 以c K 、c p K K 、i p K K 组成状态反馈增益矩阵的状态反馈控制系统。

可以看出，当改变环控制参数c K 时，也同时改变了电容电流c I 和并网电流2I 及其积分量的反馈通道系数c K 、c p K K 以及i p K K ，因此导致电流双环控制器无法通过改变i K 、p K 、c K 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1.3.2 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。

图2.2.1 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2.2.1所示，(),,ri V i a b c =是逆变器侧输出交流电压，(),,si V i a b c =是电网侧电压，1L 和2L分别为逆变器侧和电网侧的滤波电感，1R 和2R 分别为对应电感的等效电阻，f C 是滤波电容，d R 是电容支路的电阻。

相比于L 滤波器，LCL 滤波器多了2L 和f C ，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2L 抑制电流2i i 中的高频纹波。

逆变器侧和网侧电阻1R 、2R 相比于感抗1L 、2L 较小，可以忽略。

图2.2.1进行拉普拉斯变换得到滤波器的结构框图如2.2.2。

图中看出，LCL 滤波器中，逆变器侧电感支路1L 与网侧电感支路2L 和电容支路f C 并联电路串联，求出滤波器的传递函数。

图2.2.2 LCL 滤波器的结构框图系统的串联阻抗为X ：（2-1）逆变器侧电流1i i 为1i rii V X =，网侧滤波电感和电容分流关系： （2-2）由逆变器侧电流1i i 和公式（3-2）带入可以得到网侧电流2i i ：（2-3）由上式可以得出从逆变器侧电压ri V 到网侧电流2i i 的传递函数：（2-4）()()2321212121//C 221f f f f L f f f L L s R L R L C s L L sX sL X L C s R C s ++++=+=++22112211ff C f f i i i L C f f f X R C s i i i X X L C s R C s +==+++()()2232212121211f f ri f f ri rii f f f f f f f R C s V R C s V V i X L C s R C s L L C s R L R L C s L L s++=⨯=++++++()()()2321212121f f i ri f f f R C s i G s V L L C s L L R C s L L s+==++++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。

三、 实验设计 1. LCL 型滤波器设计 1.1LCL 滤波器参数设计的约束条件（1）LCL 滤波器的电容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，即，否则需要较高的直流电压来保证电流的控制性，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，谐振频率应远离开关频率，一般小于，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100.5res sw f f f ≤≤。

（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1L 的计算：1L =（3-1）U 为网侧相电压有效值，sip i 为谐波电流峰值，sw f 为开关频率。

(2)总电感值的约束条件：m L ≤（3-2）其中dc U 为直流母线电压，m E 为网侧相电压峰值，m I 为相电流峰值,且f C 0.1pu 0.1g L L pu +≤res f 0.5res f8dcsip swU L i f ≥（3-3） (3)计算电容C可先确定谐振频率r f ，sw r f f f 5.010≤≤，再根据公式：r f =（3-4） 计算得电容C 的值；也可以取电容消耗的无功功率为总功率的5%，利用约束条件：b C C %5≤，其中b b b z w C 1=，且p E z b 2=其中E 为网侧线电压有效值，b w 为基波频率。

(4)电容所串电阻d R1132d rR f π=（3-5） 有很多的限制条件，满足有功功率和无功的控制要求，总结如下： （1）滤波电容吸收的无功尽量少； （2）逆变器侧电流纹波尽量少；（3）谐振频率避免与开关频率及其倍数附近重合； （4）提高逆变器电压对电网侧电流控制。