南京师范大学研究生Matlab大作业.docx
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南京师范大学研究生Matlab大作业
南京师范大学
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
学院:
电气与自动化工程学院
专业:
电气工程
学号:
姓名:
指导教师:
填写日期:
南京师范大学
研究生课程学习考试成绩单
(试卷封面)
院系
电气与自动化工程学院
专业
电气工程
研究生姓名
陈丽
学号
151835004
课程名称
计算机辅助工程设计
授课时间
2015-2016第一学期
周学时
2
学分
2
简
要
评
语
文中为实现同相并网并使并网电压电流同相,采用锁相环控制技术,将空间矢量控制技术运用到风电并网逆变控制中。
本文主要计算直流侧电容与交流侧电感的取值范围,设置逆变器个器件的仿真参数,将逆变器模块在Simulink上进行仿真,仿真结果表明本文设计的逆变器达到了预设的目标,并网频率在0.3HZ以内,并网电压和电流的纹波都不超过10%,并网电流与电压同相,实现了单位功率因素并网,且输出电压波形畸变率低,电流波形十分接近正弦波。
考核论题
总评成绩(含平时成绩)
备注
任课教师签名:
批改日期:
注:
1、以撰写论文为考核形式的,填写此表,综合考试可不填;
2、本成绩单由任课教师填写,填好后与作业(试卷)一并送院(系)研究生秘书处;
3、学位课总评成绩须以百分制记分。
中文摘要
我国风电产业发展迅速,装机容量巨大,然而,在风电“量”发展的同时,“质”却有待加强,风电并网这一瓶颈问题仍未彻底解决,故如何实现高质量风电并网成为本文思考的问题。
本文针对直驱式风电系统进行了全面的研究,着重探讨了风电并网逆变器的并网实现,取得了良的并网效果。
本文主要计算了直流侧电容与交流侧电感的取值范围,并根据需要设置了逆变器个器件的仿真参数,将逆变器模块在Simulink上进行仿真,通过反复调试确定了适宜的参数值,仿真结果表明本文设计的逆变器达到了预设的目标,并网频率在0.3HZ以内,并网电压和电流的纹波都不超过10%,并网电流与电压同相,实现了单位功率因素并网,且输出电压波形畸变率低,电流波形十分接近正弦波。
关键词:
直驱风电并网系统、并网逆变器、双闭环控制、SPWM
Abstract
China'swindpowerindustryhasdevelopedrapidly,hugecapacity,however,atthesametime,windpower"quantity"ofdevelopment,"quality"butneedstobestrengthened,windpowerbottleneckissueisnotcompletelyresolved,itishowtoachievehigh-qualitywindpowerbecomethisarticlethought.Inthispaper,direct-drivewindpowersystemtoconductacomprehensivestudy,focusedonthewindpowerinverterandnetrealizedandachievedgoodeffectofthegrid.
ThispapercalculatestheDCsideandACsideinductancecapacitanceranges,accordingtothesimulationparametersneedtosetupadeviceoftheinverter,theinvertermodulesimulationinSimulink,throughrepeatedtestingtodeterminetheoptimumparametervaluesThesimulationresultsshowthatthedesignoftheinverterreachesapresettarget,gridfrequencywithinthe0.3HZ,andgridvoltageandcurrentrippledoesnotexceed10%,andnetcurrentandvoltageareinphase,toachieveaunitypowerandnetworkelements,andtheoutputvoltagewaveformdistortionislow,thecurrentwaveformisclosetosinusoidal.
Keywords:
directdrivewindpowersystems,agrid-connectedinverter,SPWM
第一章绪论
1.1课题背景及小组成员介绍和成员的任务
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。
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。
本小组成员有杨雄、陈丽、陈瑾、姚鑫。
杨雄负责答辩讲解,陈丽负责课题论文,陈瑾负责做课题PPT,姚鑫负责做仿真。
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:
(1)电压幅值:
纹波幅值≤10%。
(2)频率:
频差≤0.3Hz。
(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。
第二章风电并网逆变器的参数设计与仿真
2.1并网逆变器技术指标
设电网额定频率为50Hz,电网线电压额定值为690v。
本文取
,再参考逆变器单相并网的标准化指标,本文设计的直驱式风力发电并网逆变器的技术指标如表2-1所示:
表2-1逆变器技术指标
额定输入电压(
,V)
1100
电压差(
,%)
5
最大允许输出电流(A)
160
相位差(
,°)
15
并网线电压有效值(
,V)
690
频率差(
,Hz)
0.2
2.2交流侧电感的设计
交流侧的电感与电阻又叫RL滤波环节,可知电感的主要作用是滤除交流侧电流中的谐波,使波形更接近于正弦波,同时还起到一个隔离作用,将逆变器交流侧与电网相隔离,此外,交流侧电感会产生无功功率输给电网,影响系统的时间常数与功率因数,还可以影响逆变器控制系统的阻尼特性,利于系统稳定性指标的实现。
交流侧电感的设计必须满足瞬态电流跟踪和电流谐波抑制两个指标,综合两个条件选取电感值。
1.考虑瞬态电流跟踪指标
以a相为例,根据逆变器的拓扑电路以及建立的数学模型并忽略交流侧电阻R则可得:
(1)
本文采用功率因数为1的电流控制,稳态时,电流上升过零处的电流变化率最大且为
,此时,
,当开关状态为(011)时,电流最大上升率为
,可求得电感的最大值。
由此可得不等式:
(2)
即
(3)
根据本文设计的逆变器指标,
V,
rad/s,
A,代入(3)式则有
mH。
2.考虑谐波抑制指标
依旧以a相为例,根据稳态条件下,
时的电流变化量等于
的电流变化量,可得到如下关系:
(4)
式中,
V,
为最大谐波电流变化量,本文取25A,
是开关周期,本文取0.0005s,故可求得:
mH。
综合考虑两个指标,求得电感的值域为:
,再考虑到电感值会对系统相位造成影响,本文取电感值为10mH。
2.3直流侧电容的设计
直流侧电容的主要作用是稳定中间直流电压同时滤除不可控整流输出电压中的纹波。
此外,直流侧会消耗无功功率,影响系统的时间常数与功率因数,还可以影响逆变器控制系统的阻尼特性,利于系统稳定性指标的实现。
交流侧电感的设计必须满足直流电压快速跟随性和电压谐波抑制两个指标,综合两个条件选取电容值。
1.考虑直流电压跟随性指标
快速跟随性即直流电压从稳态的最低值上升到额定直流电压的上升时间指标。
不可控整流电路的输出电压
与电网三相电压线电压的有效值
以及相电压幅值
有如下关系:
(5)
由欧姆定律,根据直流侧额定电压
和系统容量
可求得直流侧额定负载
:
(6)
本文中取
V,
KVA,所以,
。
又本文电压外环采用PI调节器,外环给定的直流电压为1100V,不计电流内环的惯性作用,电容以最大电流
充电,且电容的初始电压为
,故有如下关系:
(7)
式中,
(8)
——电容电压从初始值上升到额定直流电压的上升时间;
——最大直流电流。
一般
应小于系统规定的上升时间
,由此可得:
(9)
本文取
为20ms,可得
V,由(8)式可得
A,代入(9)式可得:
F。
2.考虑滤波作用
电容电压的纹波与电容值、直流电流之间的关系为:
(10)
由设计指标可知,直流电压纹波幅值为:
V,又一般直流电压变化量
要小于给定直流电压变化量
,故有:
(11)
由于要求:
F。
综合考虑直流电压跟随性和纹波抑制指标,本文取电容的值为
F。
2.4PI调节器参数的计算
2.4.1电流内环PI调节器
取
,RL滤波器中的电阻为
,回路等效电阻为
,等效电感为60mH,则可求得时间常数为:
(12)
则可求得电流内环PI调节器的参数:
(13)
2.4.2电压外环PI调节器
分析可知,电压外环的PI调节器的参数由直流侧电容值与PWM开关周期决定,因此确定了电容值为2300
F,可求得电压外环PI调节器的参数:
(14)
由分析中已知,计算得到的PI调节器的参数值只能作为调试的一个参考,适合系统的具体值要经过反复调试才可确定。
本文在逆变器的仿真调试中,确定的PI调节器参数值如表2-2所示:
表2-2PI调节器参数值
电流内环比例系数(
)
3
电压外环比例系数(
)
0.66
电流内环积分系数(
)
100
电压外环积分系数(
)
0.01
2.5风力发电并网逆变器并网仿真及结果分析
风电并网逆变器在Simulink上搭建的仿真电路模型如图2-1所示,由于本文设计的重点是逆变器,仿真逆变器时忽略整流得到直流电压之前的环节。
为了仿真逆变器的并网性能,逆变器的直流侧接一个1100V的直流电压源,设
以获得单位功率因数。
图2-1风电并网逆变器的仿真电路图
根据图2-1仿真得到的仿真结果如图2-2——2-4所示,分别为逆变器直流侧电容电压、逆变器交流侧相电压、网侧电压电流。
图2-2逆变器直流侧电容电压
由图2-2可知,逆变器直流侧电容电压纹波为0,这是因为使用了直流电压源作为中间直流电压,而电压外环控制实现了稳定直流侧电压的功能,且直流侧电容有滤波作用。
图2-3逆变器交流侧相电压
由图2-3可知,逆变器交流侧的输出电压接近正弦波,周期为0.02s,a相电压幅值约为400v,线电压幅值则约为690v,在5%(要求相电压纹波小于20v,线电压纹波小于35v)的波动范围内,且波形稳定规律,比较平滑,说明双闭环控制参数设置合理,逆变器逆变效果良,实现了电压的同频同幅。
图2-4逆变器交流侧相电流
由图2-4可知,逆变器交流侧输出的相电流周期为0.02s,幅值小于最大相电流160A,波形十分接近正弦波,说明逆变器输出的电流能实现安全并网。
图2-5逆变器并网电压与电流
由图2-5可知,并网电压与电流之间的相位小于15°,满足相位指标,说明逆变器输出的并网电压与并网电流实现了同步并网。
综上可知,本文设计的逆变器达到了预设的目标。
结论
本设计——“基于SIMULINK的并网逆变器的仿真研究”就如何实现高质量并网这一问题给出了研究思路,先建立数学模型后进行试验仿真,先设计主电路后设计控制电路,着重研究逆变器的并网控制。
该仿真结果验证了所设计的并网逆变器的数学模型的可行性,说明搭建的仿真模型的正确性,逆变器的设计思路、设计方法和设计效果均符合工程要求。
给出的SPWM双闭环控制方法能有效的控制逆变器高质量并网,其并网电压与电网电压同频同相同幅度,并网电流中的谐波含量小,并网电压与并网电流同相,实现了单位功率因数并网,为风电并网逆变器的控制设计提供思路。
纵观整个设计,经典部分是已学过的知识,通过此次设计深入理解了工程设计方法,扩展了知识面,各门课程综合应用,受益颇多,使我对整个并网逆变器的控制与仿真有了更深的认识。
由于风电并网是一个充满挑战的课题,虽然本文取得了一些成果,但探讨面有点窄,并未考虑到低电压穿越等问题,研究的层面也还可以继续深入,颇多不足之处有待改进,敬请老师批评指正,谢谢。
致谢
首先要感谢我的老师——赵瑾老师。
在她的悉心教导下,我们组才得以顺利完成此次课题设计。
她从最初就为我们制定了周密科学的工作任务安排,每次都很认真的查看我们的工作进度情况,对于我们的提问也给与耐心的解答。
这对于我们的学习,既是鼓励,又是鞭策。
我们还要感谢同组的同学,跟他们一起讨论并完成该课题,是我们的思路得以开阔,并能发现自己在某些方面学习上的欠缺。
另外,我们也深深的感受到了同学间的互相帮助和友谊。
这也是我们顺利完成此次设计的一大动力。
还有许多在设计完成工程中给与我们帮助的人,在此不一一列举了,一并表示最衷心个感谢。
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