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）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、SPWMAbstractChina's wind power industry has developed rapidly, huge capacity, however, at the same time, wind power "quantity" of development, "quality" but needs to be strengthened, wind power bottleneck issue is not completely resolved, it is how to achieve high-quality wind power become this article thought. In this paper,direct-drive wind power system to conduct a comprehensive study, focused on the wind power inverter and net realized and achieved good effect of the grid.This paper calculates the DC side and AC side inductance capacitance ranges, according to the simulation parameters need to set up a device of the inverter, the inverter module simulation in Simulink, through repeated testing to determine the optimum parameter values The simulation results show that the design of the inverter reaches a preset target, grid frequency within the 0.3HZ, and grid voltage and current ripple does not exceed 10%, and net current and voltage are in phase, to achieve a unity power and network elements, and the output voltage waveform distortion is low, the current waveform is close to sinusoidal.Keywords: direct drive wind power systems，agrid-connected inverter, 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 并网标准化指标表1-2 电压谐波技术指标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1100dc U =，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：,,3a dc a n dc a n ab cdi ULE S U S dt ==+-∑(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m I ω，此时，0a E =，当开关状态为（011）时，电流最大上升率为2dc U L ，可求得电感的最大值。
由此可得不等式：23dcm U I Lω> (2)即23dcmU L I ω<(3)根据本文设计的逆变器指标，1100dc U =V ，2314f ωπ=≈rad/s，100m I ==A ，代入（3）式则有229.8L <mH 。
2.考虑谐波抑制指标依旧以a 相为例，根据稳态条件下，0a S =时的电流变化量等于1a S =的电流变化量，可得到如下关系：max232dc m sdc U E T L U i -≥∆(4)式中，563m E =≈V ，max i ∆为最大谐波电流变化量，本文取25A ，sT 是开关周期，本文取0.0005s ，故可求得： 2.5L ≥mH 。
综合考虑两个指标，求得电感的值域为：2.5229.8L ≤<，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0dc U 与电网三相电压线电压的有效值l E 以及相电压幅值m E 有如下关系：0 1.35 1.35dc l m U E ==(5)由欧姆定律，根据直流侧额定电压dc U 和系统容量S 可求得直流侧额定负载s R ：2dcs U R S=(6)本文中取1100dc U =V ，605S =KV A ，所以，2s R =Ω。
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dm I 充电，且电容的初始电压为0dc U ，故有如下关系：00(I )(1e)r s t R Cdc dc dm dc U U U --=-- (7)式中，1.2I dcdm sU R =(8)r t ——电容电压从初始值上升到额定直流电压的上升时间；dm I ——最大直流电流。
一般r t 应小于系统规定的上升时间*r t ，由此可得：*ln()r dm s dc s dm s dct C I R U R I R U <-- (9)本文取*r t 为20ms ，可得0943dc U =V ，由（8）式可得I 660dm =A ，代入（9）式可得：18500C μ<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：dcdc dc U Ci I t∆=-∆ (10)由设计指标可知，直流电压纹波幅值为：*11005%55dc U ∆=⨯=V ，又一般直流电压变化量dc U ∆要小于给定直流电压变化量*dc U ∆，故有：(I I )T 2dc m dc sm dcI C I U ->∆(11)由于要求：96C μ>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2300C μ=F 。
2.4 PI 调节器参数的计算2.4.1 电流内环PI 调节器取15pwm k =，RL 滤波器中的电阻为5Ω，回路等效电阻为2Ω，等效电感为60mH ，则可求得时间常数为：0.03LRτ== (12)则可求得电流内环PI 调节器的参数：2.667388.893iP pwm s iIpwm s R k k T R k k T τ⎧==⎪⎪⎨⎪==⎪⎩(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2300μF ，可求得电压外环PI 调节器的参数：30.6920200.01uIsuPs C k T k T ⎧==⎪⎨⎪==⎩ （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。