中北大学2013届本科毕业论文
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中北大学2013届本科毕届业本论科文毕 业论文 2013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
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目 录
1 绪论????????????????????????????????1 1.1 课题研究背景及意义????????????????????????1 1.2 国内外发展情况 ????????????????????????? 2 1.3 本课题要解决的问题 ??????????????????????? 3 2 单相并网逆变器的总体设计 ????????????????????? 3 2.1 单相并网逆变器拓扑结构??????????????????????3 2.2 单相并网逆变器的总体设计及功能划分????????????????5 2.2.1 系统主电路拓扑?????????????????????????5 2.2.2 系统总体设计及各组成部分介绍??????????????????6 2.3 单相并网逆变器的基本原理 ???????????????????? 8 2.4 系统主电路参数设计 ??????????????????????? 8 3 并网逆变控制系统硬件设计 ?????????????????????10 3.1 TMS320F2808DSP及开发环境CCS介绍 ????????????????10 3.2 并网逆变控制系统的硬件设计 ???????????????????11 3.2.1 辅助电源设计 ?????????????????????????11 3.2.2 电压检测电路的设计?????????????????????? 12 3.2.3 电流检测电路的设计?????????????????????? 13 3.2.4 过零检测电路设计 ???????????????????????13 3.2.5 IGBT驱动电路设计 ???????????????????????14 4 并网逆变控制系统的软件设计 ????????????????????14 4.1 软件总体设计 ??????????????????????????14 4.2 主程序设计 ???????????????????????????15 4.3 定时器下溢中断程序设计 ?????????????????????15 4.4 捕捉中断程序设计???????????????????????? 17 4.5 故障保护中断程序设计?????????????????????? 18 5 并网逆变器控制策略的研究与实现?????????????????? 20 5.1 SPWM技术简介?????????????????????????? 20
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5.2 逆变器并网运行时的控制策略分析????????????????? 23 5.2.1 并网逆变器的输出控制????????????????????? 23 5.2.2 并网电流控制策略研究????????????????????? 24 5.2.3 并网电流闭环控制系统数学模型????????????????? 26 5.2.4 PI控制器参数设计??????????????????????? 27 6 基于SPWM的并网系统MATLAB/Simulink仿真?????????????? 29 6.1 MATLAB简介??????????????????????????? 29 6.2 仿真模型的建立????????????????????????? 29 6.3 模型各部分参数设置??????????????????????? 30 6.4 仿真结果???????????????????????????? 32 6.5 仿真结果分析?????????????????????????? 34 7 结论??????????????????????????????? 34 参考文献?????????????????????????????? 36 致谢???????????????????????????????? 39
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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
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