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1、可控硅逆变器的稳定性可控硅逆变器的稳定性 分析报告分析报告可控硅逆变器的稳定性分析I小组成员：分工：工作内容负责人参与者文献与资料收集逆变系统工作原理研究模型建立及分析报告撰写PPT 制作可控硅逆变器的稳定性分析II摘 要本文分析建立了单相全桥并网逆变器的连续时间模型，通过分析计算得到该模型的状态空间表达式及传递函数，并计算得到逆变器的离散时间模型。分析了系统的能控能观性，并用李亚普洛夫第二法分析了逆变器的稳定性。最后，利用 MATLAB-simulink 搭建了仿真模型，通过分析结果，验证了所设计的可控硅逆变器的稳定性。关键词：关键词：逆变器；离散时间模型；稳定性可控硅逆变器的稳定性分析II
2、I目 录摘 要.II1.引言.11.1. 研究背景.11.2. 研究内容.22.逆变器稳定性综述.32.1. 输出滤波器对逆变器稳定性的影响.32.2. 锁相环对逆变器稳定性的影响.42.3. 数字延时对逆变器稳定性的影响.43.逆变器模型建立.63.1. 连续时间模型.63.1.1. 滤波器的连续时间模型.63.1.2. 逆变器的连续时间模型.73.2. 离散时间模型.84.逆变系统建模.104.1. 仿真模型建立.104.2. 状态方程和输出方程建立.104.2.1. 连续时间域状态方程和输出方程.104.2.2. 离散时间域状态方程和输出方程.115.系统稳定性分析.135.1. 系统能
3、控能观性.135.2. 系统的稳定性.135.3. 仿真验证稳定性.15参考文献：.17可控硅逆变器的稳定性分析11.引言1.1. 研究背景近年来，由于煤、石油、天然气等化石类能源存储量随着人类的大量开采而越来越少，同时这些传统能源引起的空气污染以及温室效应等环境问题日趋严重。因此越来越多的国家关注并开始积极推动着对可再生能源的开发和应用。在水能、风能、太阳能、生物质能，地热和潮汐能等可再生能源中，目前发展最快的是风能和太阳能。太阳能光伏发电具有安全可靠、无噪声、无污染、制约少、故障率低、维护简便等优点，风能具有无污染、成本低廉，便于利用，建设周期短，投资规模灵活等优点。考虑到输电和环境改善等
4、经济效益，越来越多的经济学家和科学家认为，风能和太阳能在未来几年会比传统能源更有经济优势。在以太阳能、风能等清洁可再生能源为主的分布式并网发电系统中，通过新型能源转化成的电能，绝大多数都要通过并网逆变器转换成与电网电压同频、同相的交流电才能并入电网。并网逆变器作为分布式发电系统与电网接口设备，成为分布式发电系统中极其重要的组成部分，对其稳定性的研究也越来越受到关注。逆变的直接功能是将直流变换成交流电。逆变系统的核心就是逆变开关电路，或者叫逆变电路，通过电力电子开关的导通与关断，完成逆变的功能。电力电子开关器件的通断，需要一定的驱动脉冲，这些脉冲可以通过改变一个电压信号来调节，产生调节脉冲的电路
5、通常称为控制电路。除了逆变电路和控制电路之外，还要有保护电路、辅助电路、输入电路、输出电路等等。根据直流侧电源的性质的不同可把逆变电路分为：电压型逆变电路（VSI）和电流型逆变电路（CSI） 。目前在工程中，逆变电路的应用非常广泛。在已有的各种电源中，蓄电池、干电池、太阳能电池等都是直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时，就需要逆变电路。另外，交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置使用非常广泛，其电路的核心部分都是逆变电路。它的基本作用是在控制电路的控制下将中间直流电路输出的直流电源转换为频率和电压都任可控硅逆变器的稳定性分析2意可调的交流电源。随着电力电子技术的飞速发
6、展，有关并网逆变器的关键技术纷纷被提出，这些技术涉及到最大功率点跟踪控制、有功和无功功率控制、并网电流质量控制、锁相环和防孤岛效应等。并网逆变器性能好坏主要从稳定性、动态响应速度、输出电流质量等因素进行评判。其中，并网逆变器稳定性在所有环节中占有重要的地位，它要求并网逆变器在满足各种性能要求的基础上，在不同电网条件下能够可靠地运行或进行保护动作。1.2. 研究内容本文以单相全桥并网逆变器为研究对象，对基于并联电网电压反馈的单环数字控制系统进行了设计和建模，通过分析获得该逆变器模型的在连续域的状态方程、输出方程和传递函数，同时计算出了逆变器在离散域的状态方程。采用多种方法分析了其稳定性。最后，利
7、用 MATLAB-simulink 搭建了并网逆变器的仿真模型，通过分析结果，验证设计模型的稳定性。可控硅逆变器的稳定性分析32.逆变器稳定性综述逆变器由开关器件构成的主电路、滤波器、锁相环和控制器等部分组成。在不同电网条件下，逆变器各部分均受到一定程度的影响，这会直接或间接地引起系统稳定性问题。根据上面描述，影响并网逆变器稳定性因素可分为：（1）内部因素：主要来源于逆变器本身，包括输出滤波器、锁相环和控制器等环节对逆变器稳定性的影响。当采用数字控制时，系统采样延时也会间接影响系统稳定性；（2）外部因素：主要来源于电网。在弱电网条件下，电网等效为串联内阻的电压源，电网阻抗与逆变器输出阻抗相互作
8、用可采用 Middlebrook 阻抗稳定判据来分析。此外，锁相环输入信号为电网电压，当电网电压谐波含量、幅值和频率发生变化时，锁相环性能可能会受到影响。本文设计的逆变器只考虑内部因素的影响。根据前面对内部因素的分类，分别从输出滤波器、锁相环和系统延时等 3 方面进行概述。2.1. 输出滤波器对逆变器稳定性的影响输出滤波器主要是用于滤除开关频率及其附近整数倍谐波。目前，并网逆变器广泛采用的滤波器类型有：L 和 LCL 滤波器。L 滤波器主要用在小功率并网场合，而 LCL 滤波器主要用在大功率场合，其主要原因是大功率并网逆变器开关频率一般不会太高，L 滤波器由于仅有-20dB 衰减，所以要滤除开
9、关频率及其附近整数倍谐波需要较大的电感，从而增加系统体积和成本，同时降低系统动态性能；而 LCL 滤波器在转折频率后有-60dB 衰减，所以实现同样的滤波效果可以使用较小的电感，使得系统动态性能好，但 LCL 滤波器存在谐振问题。基于 LCL 滤波器的并网逆变器在采用网侧电感电流控制时，文献1推导了系统的特征方程，并利用 Routh Hurwitz 判据分析了 LCL 滤波器对系统稳定性影响。对于这类系统，电流环不管采用的是 PI 还是 PID 控制，系统均不稳定，文中给出相应的解决方案，通过对 LCL 滤波器串联电阻形成无源阻尼(Passive damping， PD)，从而抑制其谐振，提高
10、系统稳定性。根据上述描述和分析知，滤波器对系统稳定性会产生一定的影响。可控硅逆变器的稳定性分析42.2. 锁相环对逆变器稳定性的影响锁相环(Phase-locked Loop， PLL)技术已经成为并网逆变系统中用来预测电网相位的行业标准。目前，实现锁相的方法有很多，如过零点比较法、基于低通滤波器锁相法和 d-q 变换同步锁相环法等。其中，d-q 变换同步锁相环法具有简单、能够抑制电网谐波干扰等优点，在分布式发电系统中得到广泛的应用。文献2对用于三相场合的 d-q 变换同步锁相环进行分析。令电网电压理论相位为，锁相环输出为，三相电压由 abc 坐标系转换到 dq 坐标系下得：cos11 cos
11、sin12222cos03333sincos 222cos3md m qmV VVVV （2.1）对上式进一步化简得：3cos23sin2dmqmVVVV （2.2）由式（2.2）知，当等于 0 时，可以使跟踪。在不同的电网条件下，qV和之间可能会存在误差使得、，从而影响输出功率因数的控制1dV 0qV 和基准电流的产生。特别是在恶劣的电网条件下，锁相环性能可能会受到谐波、电网电压不平衡和电网频率波动等因素的影响，从而间接地引起系统稳定性问题。当锁相角误差较大时，并网电流的谐波含量也会增加，严重时会发生畸变。所以，在不同电网条件下，分析锁相环性能及其对系统稳定性影响很有必要。2.3. 数字延时
12、对逆变器稳定性的影响模拟控制存在系统复杂、器件参数易受环境影响等缺点，所以很多电源开始采用数字控制技术，但数字控制带来一个新的问题：AD 采样和控制延时。可控硅逆变器的稳定性分析5系统延时导致当前周期得到的 PWM 控制信号只能在下个周期起作用，式（2.3）给出了延时环节的传递函数。 s dGse（2.3）为延时时间，即一个开关周期。取开关频率为 18kHz，代入式（2.3）得： 55.56 10s dGse（2.4）图 2.1 给出式（2.4）对应的 Bode 图如下所示：（a） 幅频特性 （b） 相频特性 dGs dGs图 2.1 的 Bode 图 dGs从图 2.1（a）中可以看出，低频增益为 0dB ，所以当系统增加延时 dGs环节后，低频增益基本不发生变化。但根据图 1.2（b）知，相位逐渐减 dGs小，从而使得系统相位裕度减小。假设原先系统穿越频率为，则增加延时环节后系统相位裕度减少量为：3602（2.5）综上所述，当采用数字控制时，延时环节会减小系统的相位裕度，从而降低系统的稳定性。可控硅逆变器的稳定性分析63.逆变器模型建立3.1. 连续时间模型单相逆变器的拓扑控制结构如图 3.1 所示，SCR1 SCR4 为功率开关管，电感 L 与电容 C 构成逆变的器滤波器。R 为考虑滤波电感 L 的等效串联电阻、死区效应、
