并网逆变器建模与控制



耿华研究领域

耿华的研究领域主要包括以下几个方面：

新能源发电技术：他专长于这一领域，尤其在风力发电系统方面有着深入的研究，涵盖了双馈和直驱式风电机组的功率控制、并网和故障穿越技术等关键方面。

太阳能发电系统控制技术：耿华也关注太阳能发电，特别是太阳能并网逆变器的孤岛检测和并网及孤岛运行控制，这体现了他对高效能电力转换技术的重视。

微网系统控制技术：他在微网的孤岛检测与并网孤岛运行技术方面有着专业的研究，这对于保证电力系统的稳定性和灵活性具有重要意义。

电力电子技术及应用：耿华在这一领域也有显著贡献，他设计和控制驱动、发电用变频器，以及有源电力滤波器，展现了他在电力转换和净化技术上的深厚功底。

数字控制技术：他利用DSPFPGA技术进行数字控制系统的软硬件设计，并精通数字控制系统的建模与控制技术，这对于提高电力系统的智能化和精确控制至关重要。

基于准比例谐振QPR_并网模式微电网逆变器VSG控制_SIMULINK_仿真模型搭建

基于准比例谐振(QPR)并网模式微电网逆变器VSG控制的SIMULINK仿真模型搭建

一、控制目标

在基于准比例谐振(QPR)并网模式的微电网逆变器VSG控制中，主要实现以下两个控制目标：

并网输出电流的总谐波失真(THD)小于3%：确保并网电流的质量，减少谐波对电网的影响。输出功率能够无静差跟踪功率参考值：实现逆变器输出功率的精确控制，以满足电网对功率的需求。

二、控制策略

为了实现上述控制目标，采用VSG功率外环+虚拟阻抗+QPR内环的控制策略。具体控制流程如下：

VSG功率外环：根据设定的功率参考值，通过VSG算法计算出三相参考电压信号。虚拟阻抗控制：将VSG功率外环产生的三相参考电压信号通过电磁方程转换为电感电流参考值。虚拟阻抗的引入可以模拟实际电网中的阻抗特性，提高系统的稳定性和响应速度。QPR准比例谐振控制器：准确跟踪虚拟阻抗控制产生的电感电流参考值，输出三相调制波信号，控制逆变器开关管的通断，从而实现对逆变器输出功率和并网电流的控制。

三、仿真模型搭建

在SIMULINK中搭建基于QPR并网模式微电网逆变器VSG控制的仿真模型，主要包括整体控制模型和虚拟阻抗+QPR准比例谐振控制模型两部分。

1. 整体控制模型

整体控制模型包括VSG功率外环、虚拟阻抗控制和QPR内环控制器等模块。通过设定功率参考值，VSG功率外环计算出三相参考电压信号，然后经过虚拟阻抗控制转换为电感电流参考值，最后由QPR内环控制器跟踪电感电流参考值并输出三相调制波信号。

2. 虚拟阻抗+QPR准比例谐振控制模型

虚拟阻抗+QPR准比例谐振控制模型是整体控制模型中的核心部分。该模型通过虚拟阻抗控制将三相参考电压信号转换为电感电流参考值，然后利用QPR准比例谐振控制器跟踪电感电流参考值，并输出三相调制波信号。

四、仿真结果

通过仿真验证，可以得到以下结果：

电流内环合理性验证：利用bode图验证QPR控制器的性能。根据bode图，QPR控制器在50Hz频率点实现了无静差跟踪，表明控制器设计是合理的。并网输出功率：仿真结果显示，逆变器输出功率能够无静差跟踪功率参考值，满足控制目标。输出电压电流及电流THD波形：仿真结果显示，输出电压电流波形稳定，电流的THD为0.52%，满足并网谐波指标。

五、总结

基于准比例谐振控制器(QPR)的VSG模型能够实现良好的并网效果。通过VSG功率外环+虚拟阻抗+QPR内环的控制策略，可以实现对逆变器输出功率和并网电流的精确控制，满足并网谐波指标和功率跟踪要求。该控制策略具有较高的稳定性和响应速度，适用于微电网逆变器的并网控制。

如有需要更详细的仿真模型搭建过程或相关技术支持，请联系QQ：1176459849。同时，也可以参考相关论文如《基于VSG的储能系统并网逆变器建模与参数整定方法》等，以获取更深入的理论知识和实践经验。

胡文斌研究领域

胡文斌的研究领域主要包括以下几个方面：

轨道交通的大功率交流电气牵引系统：他专注于提升系统的效率和性能，并拥有相关的省部级重点实验室和工程中心。电力电子设备：重点研究大功率变频器和软开关电源，以及高频逆变器的设计与开发，旨在提高电力转换效率和稳定性。电动汽车技术：深入研究了牵引变流器与专用电机，并参与了电动汽车快速充电站的智能充电电源及其控制器的研制。可再生能源领域：关注新型能源的并网逆变器及其控制系统，特别是太阳能发电和风力发电技术的整合。轨道交通的能耗分析与优化控制：通过计算机仿真建模和软件开发，寻求更有效的能源管理和节能减排方案。嵌入式系统设计和集成控制系统开发：在现代轨道交通系统中提升系统的智能化和控制精度。

PLECS 应用示例（77）：三相T型逆变器（Three-Phase T-Type Inverter）

本文展示了一款用于并网应用的三相T型逆变器，采用Wolfspeed SiC MOSFET。图1显示了电路图，演示了如何选择器件、控制器参数和调制方法以影响逆变器的热性能。模型研究了逆变器在不同运行条件下的性能，确保系统安全高效运行。

T型逆变器类似于三电平中点箝位（NPC）逆变器，提供改进的谐波性能，同时减少零件数量和外部开关器件的导通损耗。本示例展示了一个22 kVA额定功率的T型逆变器，将800 V直流母线转换为三相60 Hz、480 V（线路，rms）配电。

模型配置了三种不同开关类型的SiC MOSFET，分别具有不同的额定电压、额定电流和RdsOn值，用于评估其热性能。每个器件都被建模为具有定制掩模配置的子系统，包括MOSFET和体二极管，以及热模型。组件掩模参数包括导通电阻和体二极管正向电压，以确定电流流过路径，影响开关损耗。

控制器采用解耦的同步参考系电流控制器，用于生成dq电压参考，通过独立的PI调节器将逆变器输出电流调节至设定点。PI控制器包括去耦前馈项，使用简单的同步参考帧锁相环（PLL）测量电压参考相位角，然后转换为三相电压参考，馈送到调制器，用户可选择不同的调制方案。

调制器组件实现不同的调制方法，如SPWM、SVPWM、THIPWM、THZSPWM和DPWM，以比较其对半导体损耗的影响。例如，DPWM在单位功率因数下的损耗最低，但当功率因数角接近0.5时，SPWM和SVPWM方法显示出较高的损耗。

通过操纵控制器设置、调制方案、开关频率、死区时间、控制器增益以及分析设备类型、并联设备数量和外部冷却或散热器的影响，可以试验控制器设置并分析系统级电气规格。参数扫描是确定设计决策如何在一系列操作条件下影响转换器性能的有效方法。

该模型突出显示了PLECS的热建模能力，并可以作为研究控制器设计对其他拓扑结构效率影响的例子。

PLECS应用范例（77）：三相T型逆变器（Three-Phase T-Type Inverter）

本演示介绍了一种三相T型逆变器，用于部署Wolfspeed SiC MOSFET的并网应用。T型逆变器类似于三电平中性点箝位（NPC）逆变器，因为它在0V时增加了额外的输出电压电平，从而比标准的两电平逆变器提供了更好的谐波性能。T型逆变器的优点是减少了部分计数和减少了外部开关器件的传导损耗，但缺点是阻断电压降低。演示模型显示了一个额定值为22 kVA的T型逆变器示例，该逆变器将800 V直流母线转换为三相60 Hz、480 V（均方根）配电，用于工业应用。

T型逆变器的热性能受到设备选择、控制器参数和调制方法的影响。在演示模型中，所有12个器件均配置为演示不同Wolfspeed SiC MOSFET的热损耗性能。每个半导体器件被建模为具有定制掩模配置的子系统，每个都有自己的热模型。设备断言（Device Assertions）会检查设备在安全操作区域内的运行情况，并生成警告。

控制器实现的高级示意图如图4所示。图5所示的去耦合同步参考框架电流控制器用于为调制器生成dq电压参考，调制器则将变频器的输出电流调节到所需的设定点。控制器包括直接电流和正交电流的PI调节器，电压参考的相位角由一个简单的同步参考框架锁相环（PLL）测量得到。使用PLL的角度输出，电压参考值被转换为三相电压参考值，并送入一个调制器。调制器的实现可以采用不同的调制方法，包括经典的正弦脉宽调制（SPWM）、空间矢量PWM（SVPWM）、三次谐波注入PWM（THIPWM）、三次谐波零序PWM（THZSPWM）和不连续PWM（DPWM）。

使用提供的模型运行仿真，可以观察到每个相支路的PWM信号、输出交流电流、设备S11和S12的信号以及系统的计算损耗。参数扫描是确定设计决策如何在一系列操作条件下影响变换器性能的有效方法。通过操纵调制方案、开关频率、停滞时间、控制器设定点和控制器增益，可以试验控制器设置。此外，还可以分析设备类型、并联设备的数量以及外部冷却或更大散热器的影响。所有这些设置都会影响损耗行为和系统效率。如果设备在安全操作区域外运行，模拟窗口的右下角将出现一个警告图标，以确定违反了哪些操作标准。

模型重点介绍了用于工业配电网应用的三相T型逆变器。通过简单的设备和控制器设计，突出了PLECS的热建模能力。此模型可用作研究控制器设计对其他拓扑效率影响的示例。

PLECS RT Box 应用示例 11 (99)：单相逆变器（Single-Phase Inverter）

PLECS RT Box 应用示例 11 (99)：单相逆变器（Single-Phase Inverter）

概述

此演示模型展示了单相并网逆变器在50千瓦和单位功率因数下的运行。模型利用PLECS的电气和控制域，实现了功率级和控制级的实现。电厂（Plant）和控制器（Controller）模型被分为两个不同的子系统，并分别部署在两个RT Box上。两个RT Box通过两条37针Sub-D电缆以虚拟原型配置连接，用于交换数字PWM信号和模拟电流测量值。这种配置为硬件在环（HIL）或快速控制原型（RCP）应用程序的开发提供了潜在的第一步。

模型要求

要运行此演示模型，需要以下项目：

两个PLECS RT盒和一个PLECS及PLECS编码器许可证。RT Box目标支持库。按照《RT Box用户手册》中的快速入门指南配置PLECS和RT盒。两条37针Sub-D电缆，用于将接线盒从前连接到前。

如果用户只有一个可用的RT Box，仍然可以使用两根37针Sub-D电缆将模拟输出接口与模拟输入接口连接，将数字输出接口与数字输入接口连接，但请注意，这种情况下可能需要调整模型配置。

对于RT Box 2和3，此演示中启用了多任务功能，将“控制器”部分用一个任务框架块圈出，并在一个核心中运行，而原理图上的其余电路属于“基本任务”，并在另一个核心中运行。对于RT Box 1，由于只有一个CPU核心可用于计算模型，包括电厂和控制器，因此多任务处理被禁用。

模型结构

顶层示意图包含两个独立的子系统，分别代表电厂（“Plant”）和控制器（“Controller”）模型。两个子系统都可以通过编辑执行设置菜单生成代码，这是生成RT Box模型代码的必要步骤。反馈路径中的附加延迟也被建模。

电源电路

电源电路由Vdc=750V的直流电压源供电，H桥由两个IGBT半桥电源模块组件组成。开关信号Q1、Q2、Q3和Q4由来自PLECS RT Box目标支持库的PWM捕获块捕获。H桥的输出通过滤波电感和断路器连接到电网。低压电网由Vrms=220V和f=50Hz的理想交流电压源建模。直流电压、电网电压和电网电流的测量通过PLECS RT Box目标支持库中的模拟输出组件输出子系统，比例因子和偏移被配置为将模拟输出电压限制在[-4V，+4V]范围内。

控制部分

闭环控制器将线路电流调节为与电网电压同相。包括基于正交信号发生器的锁相环（PLL）以检测电网的电角度和频率。PLL的相位角输出通过一个三角函数块和比例增益Ip转换为电网电流的参考信号。Ip表示所需电网电流的幅度。子系统“Controller”的内部结构可以在比例积分（PI）或比例谐振（PR）调节器之间切换。两种类型的调节器的参数Kp和Ki都是使用最佳幅值规则设置的。谐振频率ω0被选择为等于电网频率。此外，两个调节器都配备有反饱和逻辑，并且增益Kbc由Kbc=Ki/Kp确定。

在调节器的输出端，增加了电网电压的前馈，以改善瞬态响应。之后，将信号除以DC电压，并将其作为调制指数馈送到PWM Out块。如果该模型被编程到实时目标中，则PWM输出块已被配置为与控制器的执行步长同步。

实时操作

该模型既可以在计算机上以离线模式运行，也可以在PLECS RT Box上以实时模式运行。为了进行实时操作，需要设置两个RT盒（称为“Plant”和“Controller”），并将“Plant”RT Box的模拟输出接口连接到“Controller”RT Box模拟输入接口，将“Plant”RT Box的数字输入接口连接到“Controller”RT Box数字输出接口（例如，使用两根DB37电缆）。然后，从编码器选项窗口的系统选项卡中，选择“Plant”并将其构建到“Plant”RT Box中，选择“Controller”并将其构建到“Controller”RT Box上。上传模型后，从编码器选项窗口的外部模式选项卡连接至RT Box并激活自动触发。将“Controller”子系统中的“断路器Breaker”常数值更改为1，以接合连接逆变器和电网的断路器。

在外部模式下的实时操作过程中，可以使用PLECS示波器观察控制器箱上的测量值和中间信号。通过改变“控制器Controller”子系统中的增益块“Ip”，可以改变电网电流的参考振幅。通过将控制器子系统内部的“断路器Breaker”常数设置回0，可以断开逆变器与电网的连接。

结论

该模型展示了一个单相并网逆变器模型，该模型可以在离线模拟和实时操作中运行，用于硬件在环测试和快速控制原型设计。

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