基于MATLAB的单相逆变器并网控制技术仿真研究

中北大学2013届本科毕业论文第1页共64页毕业论文基于MATLAB的单相逆变器并网控制技术仿真研究学生姓名：学号：学院：系名：专业：指导教师：2013年6月雒瑞阳09050444X47信息商务学院信息与通信工程李静电气工程及其自动化中北大学2013届本科毕业论文第2页共64页中北大学毕业论文任务书学院、系：信息商务学院、信息与通信工程系专业：电气工程及其自动化学生姓名：雒瑞阳学号：09050444X47论文题目：基于MATLAB的单相逆变器并网控制技术仿真研究起迄日期:2013年月日~2013年月日指导教师:李静系主任:王明泉发任务书日期:2013年月日中北大学2013届本科毕业论文第3页共64页任务书填写要求1．毕业论文任务书由指导教师根据各课题的具体情况填写，经学生所在系的负责人审查、签字后生效。此任务书应在毕业论文开始前一周内填好并发给学生；2．任务书内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，不得随便涂改或潦草书写，禁止打印在其它纸上后剪贴；3．任务书内填写的内容，必须和学生毕业论文完成的情况相一致，若有变更，应当经过所在专业及系主管领导审批后方可重新填写；4．任务书内有关“学院、系”、“专业”等名称的填写，应写中文全称，不能写数字代码。学生的“学号”要写全号（如02011401X02），不能只写最后2位或1位数字；5．有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T7408—94《数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法》规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2004年3月15日”或“2004-03-15”。中北大学2013届本科毕业论文第4页共64页毕业论文任务书1．毕业论文的任务和要求：1、学习单相逆变器并网控制技术工作原理；2、设计一种基于DSP控制的单相并网逆变器。采用电压型逆变器电流控制的方式,引入固定载波频率的SPWM强迫电流跟踪和软件锁相等技术,控制逆变器输出与电网电压频同相的并网电流,实现可再生能源以高功率因数回馈电网。2．毕业论文的具体工作内容：学习的知识：需要具备DSP；电力电子技术；Matlab仿真等方面的知识。掌握的技术：电力电子技术；DSP控制；单相并网逆变器并网控制技术。技术要求：设计一种基于DSP控制的单相并网逆变器，包括软件和硬件设计，通过对并网控制和孤岛效应等问题的分析,给出具体的解决方案.并用Matlab/simulink建立单相并网逆变器功率输出级在闭环状态下的仿真模型,观察并网工作时重要观测点的电压和电流。工作(纪律)要求：遵守学校相关规定。在毕业设计过程中要工作踏实，态度端正，对待问题要实事求是，本着严谨处理问题的态度和学风认真完成设计的要求。中北大学2013届本科毕业论文第5页共64页毕业论文任务书3．对毕业论文成果的要求：毕业设计说明书相关英文资料翻译4．毕业论文工作进度计划：起迄日期工作内容年月日~月日月日~月日月日~月日月日~月日月日~月日查阅资料，了解课题背景，掌握基本技术，制定设计思路，完成开题报告；完成系统方案设计，完成系统仿真设计，并对结果进行分析撰写毕业论文说明书并修改完善翻译资料及论文修改等论文答辩中北大学2013届本科毕业论文第6页共64页学生所在系审查意见：系主任：年月日中北大学2013届本科毕业论文第7页共64页中北大学信息商务学院2013届本科毕业论文基于MATLAB的单相逆变器并网控制技术仿真研究摘要：能源危机加速了人类对可再生能源的研究和开发，风力发电已发展成为可再生能源中技术最成熟、最具发展潜力的发电方式之一。本文针对中小型风力发电系统中单相并网逆变器的控制技术及其相关问题展开研究。并网系统采用交-直-交结构，本文主要研究后级DC-AC变换，对单相并网逆变器做了总体设计，各个功能模块单元也做了详细介绍。逆变电路采用单相全桥结构，对其工作状态做了分析，采用单极性SPWM调制技术控制开关管的开通和关断，对主电路的器件选型给出了设计方法。单相并网逆变器采用电压源输入控制输出电流的方式，分析了间接电流控制和直接电流控制各自的特点，并介绍了两种常用的直接电流控制方法：滞环控制和三角波比较控制。本文采用三角波比较控制，建立了电流闭环控制系统的数学模型。并针对PI控制器搭建了Simulink仿真模型。文中给出了单相并网逆变器各个功能模块具体硬件电路的设计方法。同时介绍了软件设计的整体思路。为实现并网电流与电网电压同频同相，锁相环的设计很重要。本文设计的锁相环利用DSP捕捉电网电压上升沿来实现。关键词：风力发电，单相并网逆变器，正弦脉冲宽度调制，锁相环中北大学2013届本科毕业论文第8页共64页目录1绪论……………………………………………………………………………………11.1课题研究背景及意义………………………………………………………………11.2国内外发展情况…………………………………………………………………21.3本课题要解决的问题……………………………………………………………32单相并网逆变器的总体设计………………………………………………………32.1单相并网逆变器拓扑结构…………………………………………………………32.2单相并网逆变器的总体设计及功能划分…………………………………………52.2.1系统主电路拓扑…………………………………………………………………52.2.2系统总体设计及各组成部分介绍………………………………………………62.3单相并网逆变器的基本原理……………………………………………………82.4系统主电路参数设计……………………………………………………………83并网逆变控制系统硬件设计………………………………………………………103.1TMS320F2808DSP及开发环境CCS介绍…………………………………………103.2并网逆变控制系统的硬件设计…………………………………………………113.2.1辅助电源设计…………………………………………………………………113.2.2电压检测电路的设计…………………………………………………………123.2.3电流检测电路的设计…………………………………………………………133.2.4过零检测电路设计……………………………………………………………133.2.5IGBT驱动电路设计……………………………………………………………144并网逆变控制系统的软件设计……………………………………………………144.1软件总体设计……………………………………………………………………144.2主程序设计………………………………………………………………………154.3定时器下溢中断程序设计………………………………………………………154.4捕捉中断程序设计………………………………………………………………174.5故障保护中断程序设计…………………………………………………………185并网逆变器控制策略的研究与实现………………………………………………205.1SPWM技术简介……………………………………………………………………20中北大学2013届本科毕业论文第9页共64页5.2逆变器并网运行时的控制策略分析……………………………………………235.2.1并网逆变器的输出控制………………………………………………………235.2.2并网电流控制策略研究………………………………………………………245.2.3并网电流闭环控制系统数学模型……………………………………………265.2.4PI控制器参数设计……………………………………………………………276基于SPWM的并网系统MATLAB/Simulink仿真……………………………………296.1MATLAB简介………………………………………………………………………296.2仿真模型的建立…………………………………………………………………296.3模型各部分参数设置……………………………………………………………306.4仿真结果…………………………………………………………………………326.5仿真结果分析……………………………………………………………………347结论…………………………………………………………………………………34参考文献………………………………………………………………………………36致谢……………………………………………………………………………………39中北大学2013届本科毕业论文第10页共64页1绪论1.1课题研究背景及意义在全球生态环境恶化和化石能源逐渐枯竭的双重压力下，对新能源的研究和利用已成为全球各国关注的焦点。除水力发电技术外，风力发电是新能源发电技术中最成熟、最具大规模开发和最有商业化发展前景的发电方式[1]。我国的并网风电在“十五”期间也得到迅速发展。到2005年底，全国风电装机总容量为126万千瓦，居世界第十位。到“十一五”末期，全国总装机容量将达到500万千瓦。中国将成为继欧洲、美国和印度之后发展风力发电的主要市场之一[2]。随着风电场的容量越来越大，对系统的影响也越来越明显，研究风电并网对系统的影响已成为重要课题[3]。据了解，大部分的新能源直接产生的能量通常是不稳定的，他们在并网时如果不加控制和调节，就会对电网造成冲击，同时为了保证将尽可能多的有功能量送入电网，在新能源发电系统中还要加上储能环节，这些过程都需要利用变流技术对其进行控制，因此新能源在从其原始状态转化到可供人们实际应用的电能过程中与变流技术是密不可分的。比如说，在风力发电系统中，风力发电机因风量不稳定，故其输出的是13～25V变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电池充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源，把电池里的化学能转变成交流电并入电网，才能保证稳定使用。在这次仿真研究中，我主要就单相逆变器并网控制技术的工作原理学习了解，并设计一种基于DSP控制的单相逆变器。作为新能源发电系统和电网的接口设备，并网逆变器是研究热点之一。目前并网逆变器从组成结构和单机容量来看，主要分为单级变换和双级变换两种。其中单级式并网逆变器，将直流电直接经过一级直-交变换并网。双级式并网逆变器，由DC/DC升压和DC/AC逆变两级变换构成，一般用于直流侧电压较低、单机容量较小的场合[4]。随着系统的容量增大，单个逆变器的容量已经不能满足要求。为了提高系统的功率、可靠性和效率，逆变器可以并联运行，这又不可避免的产生了环流，导致输出电流畸变，同时使负载不平衡，从而损害整个系统的性能[5]。由于本次研究主体是对于风力发电系统中的单相逆变器并网运行，所以必须得兼顾一些风电行业必须面对的问题与挑战。由于我国的风电并网采用“大规模—高集中—高电压—远距离输送”与欧洲的“分散上网、就地消纳”并网方式不同，所以对于电能并网的中北大学2013届本科毕业论文第11页共64页稳定性和应急能力有极高的要求[6]。而逆变器则在其中担任了及其重要的位置。1.2国内外发展情况伴随着世界范围内开发利用新能源的热潮，很多国家都纷纷研发了光伏发电、风力发电等可再生能源并网发电系统。人们对可再生能源并网发电的技术进行了大量的研究，并使得该技术得到了迅速的发展和应用[7]。目前广泛应用于可再生能源回馈电网系统中的方案是：首先将可再生能源转化成电能的形式，然后将电能调节成满足正弦波脉宽调制SPWM（SinusoidalPulseWidthModulation）全桥逆变器需要的直流电压，最后经SPWM全桥逆变器将可再生能源回馈给交流电网。在整个系统中最主要的就是逆变器，它采用的是SPWM逆变技术[8]。在理论和实践上，这种方案能够满足新能源回馈电网的要求，但由于该方案使用了同步、锁相（PLL）、SPWM脉冲发生器、低通滤波等诸多模拟环节，而且控制方法比较落后，因此使得并网逆变装置的控制繁琐，电路复杂，可靠性低，硬件成本高，并网效果不是十分理想，产品价格昂贵，应用得到限制[9]。但是，随着世界各国对可再生能源开发重视程度的不断提高，针对并网逆