基于SIMULINK的并网逆变器的仿真研究精要.docx

计算机辅助工程设计 课程设计与报告 题 目：基于SIMULINK的并网逆变器的仿真研究 基于SIMULINK的并网逆变器的仿真研究 第一章 绪论 1.1 课题背景及研究意义 当今社会，资源、环境和能源问题仍困扰着世界的发展。对此，各国对开发利用新型能源、使用清洁能源的需求日益迫切，尤其是中国，地广人多，是能源消耗大国。目前，国内更多的依靠火电、水电和核聚变发电来供电。然而火电生产排放大量的硫化物、粉尘等严重污染空气，影响气候变迁，其来源化石能源也将消耗殆尽；水电建设成本高，资源有限，还会给江河系统造成不可逆的破坏；核电在安全方面有缺陷，一旦核泄漏，将给环境造成毁灭性的破坏，日本福岛核泄漏事故就是一个活生生的例子。 因此，人类不得不寻求更加清洁、安全的替代能源。进入21世纪后，各国政府都在大力鼓励研究清洁可再生能源，太阳能、风能、地热能、潮汐能等环境能量开发技术获得快速发展，其中尤以风能和太阳能应用最多。由于我国资源分布不均衡，有些地方如内蒙古、沿海，有的地方太阳能蕴藏量大，如西藏，但这些地方发出的电当地并不能完全消纳，而其他一些地区则因负荷过重而缺电，因此将电资源丰富的地方发出的电并入电网是明智之举。 然而，分布型电能并入电网需要做到与电网同频同相同幅值，目前并网技术成为了新能源发电的瓶颈技术。因此，本文通过从并网逆变器的设计着手研究新能源并网技术，具有一定实际意义。 1.2 并网标准 新能源发电并入电网的电能必须满足以下3个条件[5]： （1）电压幅值：纹波幅值≤10%。 （2）频率：频差≤0.3Hz[1]。 （3）相位相同，相序相同，且相位差≤20°。 表1-1 并网标准化指标 容量（KVA） 电压差（V，%） 相位差（Φ，°） 频率差（f，Hz） 0-500 10 20 0.3 500-1500 5 15 0.2 1500-10000 3 10 0.1 表1-2 电压谐波技术指标 N谐波 N＞11 11≤N＜17 17≤N＜23 23≤N＜35 35≤N 总谐波（THD） % 4.0 2.0 1.5 0.6 0.3 5.0 1.3 本文研究的内容 本文主要研究并网逆变器的设计方法及其控制策略的实现方法。为获得与电网同频同相等幅、单位功率因数、低畸变率的并网电压电流，本文通过SPWM双闭环控制。本文的主要研究工作归纳如下： （1）分别建立新能源发电并网系统的数学模型，并在Simulink上进行仿真验证。 （2）探讨控制策略，详细地研究双闭环控制的设计方法。 （3）计算、设置逆变器主电路及控制电路各器件的参数值，在Simulink上进行仿真调试，使得仿真结果符合设计的指标，分析仿真结果。  第二章 并网逆变器的建模与仿真 2.1 逆变器的拓扑结构简介与比较 新能源发电输出的既有交流电也有直流电，如风能，发电机输出的是交流电，通常要先进行整流，再通过逆变器并网；而太阳能，发电输出的是直流电，则可直接逆变并网。逆变器常见的拓扑结构有双PWM逆变型、不可控整流+SPWM逆变型、不可控整流+Z源逆变拓扑结构。本文以风力发电并网逆变器为例对并网逆变器的拓扑结构作简要介绍与比较。 2.1.1 双PWM型拓扑结构 双PWM型逆变器电路图如图2-1所示，风电机输出的交流电通过AC-DC-AC变换器并入电网，其中整流环节和逆变环节均使用PWM全控型三相电桥。此种电路有一定优点：通用性较强，机侧和网侧的控制电路、控制算法相似，能灵活控制风电并网，且并网电能质量较好，因此，目前该拓扑结构比较主流。 但该拓扑结构也有其固有缺点：首先，太多的电力电子器件导致系统谐波难以控制；其次，PWM整流器使用全控型三相电桥，增加了系统成本，虽然系统稳定性提高了，但是高昂的成本使得其性价比还不如不可控整流+SPWM逆变拓扑结构。 图2-1 双PWM型拓扑结构 2.2.2 不可控整流+SPWM逆变型拓扑结构 不可控整流+SPWM逆变型拓扑结构如图2-2所示，整流桥的开关器件是二极管，逆变桥的开关器件是全控型电力电子器件[2]。该拓扑结构的显著优点是成本低，控制简单。当然也有其缺点，即机侧功率因数可能不为1。 图2-2不可控整流+SPWM逆变型拓扑结构 2.2.3 不可控整流+Z源逆变拓扑结构 Z源逆变器电路图如图2-3所示，Z源逆变器的主电路有电流源型和电压源型，负载有感性负载和容性负载，上下桥臂允许直通，这不同于传统电桥[3]。由此可见Z源逆变器控制更加灵活，更能适应风电的随机性，增强系统的稳定性。但是该拓扑结构控制复杂，目前还处于研发阶段，应用较少。 图2-3 不可控整流+Z源逆变拓扑结构 综合上述三种拓扑结构的比较，考虑到性价比，本文采用不可控整流+SPWM逆变型拓扑结构。 2.3 逆变器的建模