论文总字数：24942字

摘 要

学号：16012607 姓名：陈优优

指导教师：洪芦诚

摘要：逆变电源系统作为分布式并网系统中的核心环节，因此，对于逆变器的控制技术研究的重要性不言而喻。基于此种背景下展开了本文的对于三相全桥逆变器功率转换系统的研究，通过翻阅大量文献，充分了解三相全桥逆变器功率转换系统PCS系统的结构，并理解其数学模型，总结其中并网逆变器控制方法；然后选择合适的控制策略，基于EMTDC-PSCAD平台对功率转换系统PCS进行简单建模，循序渐进的从单相建模到三相系统的建模仿真，控制策略也从简至繁从开环PWM控制一路至双环控制，控制量也随控制效果有一定的坐标转换；通过PSCAD的仿真分析验证控制策略的可行性及效果。结果发现仿真过程中较开环控制系统，闭环控制系统更加稳定，可以通过反馈根据结果误差来调整控制系统；单环和双环的控制的动态性能都不错，在跟踪电流量时，跟踪的情况都比较良好，但是通过坐标转换后直流量的跟踪的误差更小，跟踪更加准确。文中还总结了几种涉及低电压穿越时的控制策略，但是由于时间限制，并没有通过仿真验证其可行性和效果，有待将来的进一步研究。

关键词：逆变器；功率转换系统；PSCAD仿真；脉冲宽度调制PWM；双环控制

Abstract

Abstract: Inverter power system, as we all know, is the core part of the distributed grid system. So, the importance of these inverter control strategies is very obvious. Based on the background like that, The paper launches a research of the three-phase full-bridge inverter power conversion system. By reading a lot of references, get a full understanding of the structure of the three-phase full-bridge inverter power conversion system PCS system, and understand its mathematical model, summarize some grid inverter control methods. Then select the appropriate control strategy, based on EMTDC-PSCAD platform construct a simple model of PCS power conversion system, Step by step, modeling and simulation from single-phase system to three-phase system. From open-loop PWM control all the way to double-loop control, control strategies are becoming complicated from those simple ones. Sometimes ,due to the effect of the control coordinate transformation is needed. Through PSCAD simulation validates and analyses the feasibility and effectiveness of the control strategies. The results shows that in the simulation process, comparing with open loop control system, closed-loop control system is more stable, It behaves that closed-loop control system can base on the feedback and adjust the final errors. That loop makes system closely. Single-loop control attributes to a dynamic performance and it is the same with double-loop control. When implementing current loop tracking, the results are relatively good. But smaller error is got after converting the control variable to direct current through coordinate conversion, the tracking accuracy is also higher. The paper also summarizes several control strategies involving low voltage ride-through time, but its feasibility and effectiveness is to be verified by PSCAD simulation in the future .

Key words: Inverter；Power conversion system(PCS)；PSCAD simulation；PWM；Double-loop control

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2本文主要工作 2

1.3课题关键及难点 2

1.4研究现状 3

1.4.1并网逆变器的控制方法研究 3

1.4.2低电压穿越控制技术研究 4

1.5本章小结 5

第二章 系统控制方案及原理 6

2.1三相逆变器并网连接 6

2.2三相并网逆变器的系统模型 6

2.3逆变器控制方法 8

2.3.1脉冲宽度调制PWM的一般原理 8

2.3.2电流滞环控制PWM 10

2.3.3电压空间矢量控制SVPWM 11

2.3.4单环控制方法 11

2.3.5基于坐标系的PQ功率控制 12

2.3.6基于的PQ双闭环控制方法 13

2.4考虑低电压穿越时的控制策略 14

2.5本章小结 15

第三章 仿真模型的建立与测试 16

3.1仿真平台介绍 16

3.2仿真过程介绍及其结果分析 17

3.2.1单相全桥逆变系统设计 17

3.2.2三相全桥逆变系统设计 20

3.2.3考虑到低电压穿越问题时的PSCAD仿真 29

3.3本章小结 31

第四章 结论与展望 32

4.1总结 32

4.2研究不足与展望 32

致谢 33

参考文献 34

绪论

1.1引言

气候变暖冰川融化天气异常等标志着人类生存环境正在逐步恶化，在这种严峻的背景之下，能源利用的形势也日趋紧张和严重，节能降损已然成为攸关我国人民生产生活的一项重要指标。而站在电力系统的角度上，节能降损则意味着努力开发绿色环保清洁可靠的新能源，因此可再生能源如太阳能和风能的利用等开始进入绝大多数研究人员的视线，除此之外生物质能以及地热能等的前景也不可小觑。因此到处充斥着新能源并网供电的想法，分布式电源系统以年年逐高的比例接入电网，这对传统电力系统的发展无疑是个新的挑战，但同时也推动了并网逆变器的发展。因为无论是哪种形式的能源，要输出这样一种满足负荷需求和并网条件的工频交流电，都必须经过电力电子变流装置才能够实现。而通常所指的逆变电源或者说功率转换系统(Power Conversion System, PCS)也即直流与交流的逆变环节电力电子变流装置中的最为重要的环节，是新能源分布式发电并网过程中的核心装置。功率转换系统PCS是实现直流与交流之间能量交换的核心，担当着连接直流电源与电网之间桥梁的重要角色，在电网中应用极其普遍，对它控制的效果会直接影响到电网的安全与稳定运行。

由于分布式电源系统在电网的渗透率越来越高，它对电网的影响也越发不容忽视，电网在动态的安全稳定可靠运行性能问题日渐突出；与此类似的是相关电网企业及其用户对电能质量也日益重视，是否具备低电压穿越这项能力在大部分时候已然成为一项必不可少的指标，是大多电力设备在设计和建造以及被普及使用时的一项重要方向标。所谓低电压穿越LVRT能力，指的是当电网运行不正常或者发生故障时，功率转换系统接入电网的点即并网点发生电压跌落时，整个系统依然可以保持不与电网断联，甚至还可来支撑并网点电压恢复而向电网提供一定的无功功率，最终回复平稳运行，表现为“穿越”这个低电压时间或区域[^[1]]。然而，当电网故障发生电压跌落时，以电力电子开关作为主要组成部件的功率转换系统PCS若不能采取相应的措施来进行自我保护，则很有可能会烧坏变流器，同时使得逆变系统崩溃，此时的并网目的显然已不能实现，若电力电子器件损坏更甚还可能会在断联系统的基础上造成更为严重故障冲击，阻碍电网正常运行的恢复，给电网带来不可预估的损失。因此开展功率转换系统PCS低电压穿越（Low Voltage Ride-through ,LVRT）技术的研究来增强与完善并网逆变器承受冲击的能力，通过一些手段提升并网点电压支持电网故障恢复实现分布式电源与大电网的协调控制非常有必要。

1.2本文主要工作

本课题预期目标是通过阅读大量文献，充分了解功率转换系统PCS系统的结构，选择合适的并网逆变器控制方法；然后基于EMTDC-PSCAD平台对功率转换系统PCS进行简单建模，分析控制策略的效果；还可进一步引入计及低电压穿越LVRT时的控制策略，通过不断的测试与分析其控制方法，验证其可行性。文中做的主要的工作是：

1. 通过大量的文献阅读，叙述和阐明课题研究的背景目意义及选题目的，然后介绍和总结逆变器控制技术以及低电压穿越技术的控制策略研究的现状，分析课题的关键所在和难点问题；
2. 介绍逆变器的三种不同坐标系下的系统模型结构，并建立相关的状态方程，阐述三种控制逆变器模型内电力电子开关器件的调制方式，并在在调制方式之外介绍单电压环控制、基于坐标系的PQ功率控制方法和基于dq坐标系的PQ双环控制，除此之外，还进一步简要概括了几种考虑低电压穿越情况的控制策略；
3. 最后基于PSCAD4.5进行了仿真验证，以单相逆变系统为基础，在三相逆变系统中基本实现了基于PWM调制的开环至双环的控制，仿真试验途中还有为改善控制策略而涉及坐标系的转换，最后基本实现了三相逆变系统的将直流逆变至交流电的目的且并网成功；
4. 文中还有仿真验证考虑电网故障引发低电压穿越问题时的控制策略的可行性分析。

1.3课题关键及难点

本次课题的难点主要集中在以下两个方面。

1. 基于EMTDC-PSCAD平台对功率转换系统PCS的建模。

作为一种接口装置，逆变电源在分布式电源系统和大电网之间的重要地位毋庸置疑，它关乎着是否可以成功实现分布式电源系统与大电网的并网。在本次课题中即将采用的是三相全桥型逆变器，关键是找到一种可行又效果好的控制方法来成功控制电力电子功率器件的开断，实现直流电与交流电的逆变；并且由于逆变器的输出电压是一系列具有正弦规律宽度不同的窄脉冲,因此需要设计专门的滤波环节；除此之外最重要的就是要基于EMTDC-PSCAD平台对功率转换系统进行简单建模，由于基于该平台的系统建模实例较少，所以在模型搭建和参数设置方面可能会困难，在加入控制策略后模型的运行以及之后的输出波形数据的处理与分析也需要不断的检测校验，以期达到理想的效果。

1. 考虑到低电压穿越LVRT的控制策略效果及可行性分析。

当电网故障，系统发生不同程度的电压跌落时，因为功率转换系统PCS是由电力电子元件组建而成，因而极有可能会给该系统造成巨大的冲击，更甚者分布式电源的并网运行的稳定性可能也会受到影响。因此显出对低电压穿越能力的不容忽视，在分布式电源并网过程中计及低电压穿越时的控制策略也凸显出它的必要性与实用性。本课题的难点与关键是寻找一种稳定有效的控制策略来成功的实现低电压穿越，其中，控制的出发角度以及控制效果都是需要考虑的，同时和上一点类似，仿真模型及参数设置方面需要仔细思考分析，然后建立。

1.4研究现状

1.4.1并网逆变器的控制方法研究

在分布式发电并网系统中，系统的核心部件和技术关键就在于并网逆变器。本课题主要研究的是三相逆变器的控制方法。实现并网逆变器的控制目标，有多种控制方法，从控制的结构的角度看有单闭环双环控制以及多环控制方法；同时在调制的角度又有正弦脉宽调制SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation)和空间矢量脉冲宽度调制SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation)等 [^[2]]。

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