《电气工程综合训练III》报告设计题目：三相并网逆变器分析、设计与仿真专业班级：学生姓名：学生学号：指导老师：许完成日期：2016年1月13日江苏大学·电气信息工程学院1.训练题目：三相并网逆变器分析、设计与仿真2.训练目标：通过本课程的综合训练，掌握电力电子变换器及其控制系统的数学建模、性能分析、参数设计和基于PSIM软件的仿真验证，为后续毕业设计及未来工作与科研奠定一定的电气工程综合实践基础。
3.训练内容：三相并网逆变器的并网原理与数学模型，基于PI控制器的矢量控制策略及参数设计，三相SVPWM调制技术，三相软件PLL技术及参数设计，三相并网逆变器系统的PSIM仿真分析。
N4.训练要求：独立完成训练内容，正确分析工作原理，合理设计相关参数，正确搭建仿真模型，有效获得仿真结论，作业封面全班统一，文字图表布局整齐，采用A4纸张打印并装订。
一、新能源发电与并网技术新能源是指传统能源之外的各种形式能源，包括太阳能、风能、水能、地热能、生物质能和海洋能。
新能源发电是指某些中小型发电装置靠近用户侧安装，它既可以独立于公共电网直接为少量用户提供电能，也能直接接入配网，与公共电网一起为用户提供电能。
新能源发电主要包括：光伏发电系统、风力发电系统、燃料电池、水能发电系统、海洋能发电系统、地热能发电系统、生物质发电装置以及储能装置等。
根据用户及使用目的的不同，新能源发电可用于备用电站、电力调峰、冷热电联供以及边远地区的独立供电等多种用途。
中小容量燃气轮机发电、风力发电机组以及以直流电形式存在的太阳能光伏电池、燃料电池等分布式电源发出的电能无法直接供给交流负荷，须经一定的接口并网。
分布式发电并网接口方式分电力电子逆变器接口和常规旋转电机接口类，前者在体积、重量、变换效率、可靠性、电性能等方面均优于后者，目前主要装置是并网逆变器。
逆变器的拓扑结构是关键，关系到逆变器的效率和成本。
一方面新能源大规模并网要求电网不断提高适应性和安全稳定控制能力，主要体现在：电网调度需要统筹全网各类发电资源，使全网的功率供给与需求达到实时动态平衡，并满足安全运行标准；电网规划需要进行网架优化工作，通过确定合理的大规模新能源基地的网架结构和送端电源结构，实现新能源与常规能源的合理布局和优化配置；输电环节需要采用高压交／直流送出技术，提升电网的输送能力，降低输送功率损耗。
另一方面为了降低风能、太阳能并网带来的安全稳定风险，需要新能源发电具备基本的接入与控制要求。
智能电网对风电场和光伏电站在按入电网之后的有功功率控制、功率预测、无功功率、电压调节、低电压穿越、运行频率、电能质量、模型和参数、通信与信号和接入电网测试等方面均作出了具体的规定，用以解决风能、太阳能等新能源发电标准化接入、间歇式电源发电功率精确预测以及运行控制技术等问题，以实现大规模新能源的科学合理利用。
二、三相电网电压锁相环原理分析与参数设计2.1 PLL的工作原理：锁相环（PLL）是目前使用最普遍的相位同步方法，它用于获得准确实时的相位信息，提供计算基准，其性能对于整个控制系统至关重要。
在控制过程中要求锁相电路必须在存在电压畸变如谐波、频率突变、相位突变以及三相不平衡条件下，能够快速、准确地锁定电压相位，并需满足收敛速度要快、相位估计精度高、抗干扰能力强等几方面要求。
图1：PLL的工作原理模块分析：The phase detector (PD)：该模块产生的输出信号正比于输入信号u和锁相环的VCO输出信号u`之间的相位角偏差，ɛpd中可能包含有高频谐波。
The loop filter (LF)：该模块具有低通滤波特性，可以衰减PD输出中的高频谐波，LF模块可以是一个一阶低通滤波器，也可以是一个PI控制器。
The voltage-controlled oscillator (VCO)：该模块的输出将产生一个交流信号，该信号的频率相对中心频率wc波动，VCO输出信号u的相位最终希望与输入信号u的相位相同。
2.2 PLL的数学模型图2：PLL的数学建模图由于高频(二倍频)分量被LF滤除，因此可以只考虑低频分量。
假设VCO已经调谐至输入电压频率即ω≈ω`，则当PLL进入锁相稳态时相角误差很小(Φ≈Φ`)，因此有sin(Φ-Φ`)≈sin(θ-θ`)≈θ-θ`，那么乘法鉴相器PD的输出仍然能够在稳态工作点附近进行线性化，以便进行PLL性能分析与参数设计。
⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧==+==-==s U s VCO s K s K E U s LF U s E s PD s lf s I P s pd s lf s s m pd 1)()()(2)()()(')()()(')()(θθθ 不同于通信系统，在并网系统中，电网频率非常接近PLL 的截止频率。
当采用传统乘法PD 时，PLL 锁相后进入稳态时相角误差信号中高频振荡信号频率仅仅是电网频率的两倍，因此只是通过LF 来完全消除该高频振荡信号是不可能的构造不产生两倍电网频率的PD ？可以采用正交信号发生器-QSG 。
由上可知，基于QSG-PD 不会产生任何稳态振荡信号，因此可以完全遵循常规PLL 的通用设计准则，而且允许进一步提升PLL 的带宽。
图3：正交信号发生器假设一个三相系统的输入端为：)sin(ϕω+=t U u m ga)32sin(ϕπω+-=t U u m gb )32sin(ϕπω++=t U u m gc ⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-+=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⋅⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡---=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⋅=⎥⎦⎤⎢⎣⎡)cos()sin(3223230212113232ϕωϕωt t U u u u u u u C u u m gc gb ga gc gb ga gb ga ；⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+--+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⋅⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡)cos()sin(32cos sin sin cos ''t t t t U u u t t t t u u m g g gq gd ωϕωωϕωωωωωβα在第二个式中输出角频率dt d ''θω=，由于完全捕获后的'ω保持不变，故有t ''ωθ=，令输入A 相电压的相位为ϕωθ+=t ，则第二式转化为⎥⎦⎤⎢⎣⎡---=⎥⎦⎤⎢⎣⎡)cos()sin(32''θθθθm q d U u u ，将PI 调节器接到q u 端，这样就获得了相位差'θθ-的表达式)sin('θθ-,利用这个偏差就能实现反馈控制，在相位差很小时，对三相电压的锁相是一个非线性过程，可通过负反馈将q u 调节到足够小，也就使偏差角达到最小；当相位差很小时，'')sin(θθθθ-≈-，锁相的过程可近似的认为是一个线性过程。
q u 的大小表示输入相位和输出相位的差值，q u 经PI 调节器后可视为误差信号ω∇，它与一扰动角频率相加后为'ω，该角频率经过一积分环节得到最终输出相位'θ。
由于该系统是二阶的，所以能实现无静差的斜坡信号t ωθ=，即使得输出 相位无静差的复现输入相位θ，实现相位的完全锁定。
2.3 PLL 的参数设计2.3.1 开环传递函数设计开环传递函数2)()()()(s K U s K U s VCO s LF s PD s G Im p m OL +==闭环传递函数222)(')()(22nn n n s s s CL s s s G ωςωωςωθθ+++== 得到：I m n K U =ω，Im P m K U K U 2=ζ图4：三相锁相环原理图稳态误差为±1%设计。
阻尼比ζ为0.707，调整时间为30ms ，即s t s 03.0=其中，cmU 取1，开关频率s t fsw 1=，推导得到公式：⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧==m I m s P U t K U t K 2216.212.9ζ PPL 的开环传递函数为：2410704.47.306ss Gol ⨯+=图5：PLL 的相角开环传递函数相频和幅频特性图分析：从伯特图可知，在dB L 0)(>ω的频带范围内，随着ω的增大，相频特性曲线始终都在180相位线的上方，说明闭环系统是稳定的。
通过开环传递函数2410704.47.306s s Gol ⨯+=可以看出，系统在s 右半平面的极点数为0，系统是稳定的。
从上图可知截止频率Hz f c 8.53=，相位裕度为︒︒=︒-=66114180γ>0，满足了工程设计中对相位裕度 30>γ的要求。
2.3.2 闭环传递函数设计PPL 的相角闭环传递函数为：42410704.47.30610704.47.306⨯++⨯+=s s s Gcl 把闭环相角的横坐标单位由rad/s 改为HZ 后，即：图6：PPL 的闭环传递函数的相频和幅频特性图执行操作step(gcl) ，PPL 的相角阶跃响应，误差按照%1=err θ计算，时间991.0=ts 。
图7：PPL 的闭环传递函数的相角阶跃响应分析：由上图我们可以看出这是一个欠阻尼二阶系统。
从平稳性来分析：我们设计的PI 控制器是按照最佳阻尼比707.0=ξ来考虑的，所以基本上没有什么振荡过程，平稳性很好；超调量%20%100112.1=⨯-≈σ；因此要使系统的阶跃响应平稳性好，则要求阻尼比大，自然频率小。
从快速性分析：阶跃响应刚进入稳态的时间是0.0252s, 调节时间05.0=s t s ，快速性最好，并且进入稳态后的图线在两条虚线之间，满足了稳态误差在%1±。
对于阻尼比一定的情况下，它所对应的s n t ω是固定的。
n ω越大，调节时间也就越短，快速性越好。
图8：PPL 的PSIM 仿真图图9：d ，q 轴电流波形图图10：βα,轴电压波形图图11： 波形图三、三相并网逆变器的矢量控制策略分析与参数设计3.1 并网控制原理图并网逆变器按控制方式分类,可分为电压源电压控制、电压源电流控制、电流源电压控制和电流源电流控制四种。
并网时逆变器的输入常采用电压源方式,因为以电流源为输入的逆变器,直流侧需要串联一大电感以提供较稳定的直流输入电流,但由于此大电感往往会导致系统动态响应差,因此大部分并网逆变器均采用以电压源输入为主的方式对逆变器的控制通常分为电压控制和电流控制。
采用电压控制时,如果逆变器输出电压相位与电网电压不一致,将会有环流出现,而且并网后,交流侧只能检测电网电压而不能有效地控制输出电压的变化。
如果逆变器的输出采用电流控制,则只需控制逆变器的输出电流以跟踪电网电压,即可达到并联运行的目的由于其控制方法相对简单,因此使用比较广泛。
