论文总字数：20224字

摘 要

随着人类社会和经济的迅速发展，人类迫切需要发展可再生的新型清洁能源。并网逆变器作为分布式发电系统的核心组件，滤波器更是逆变器的核心部件，选取合适的滤波器和合适的控制方法可以提升整个并网逆变器的工作效果，本课题以LCL型并网逆变器为基础，围绕LCL型滤波器的控制技术进行研究。

通过建立LCL并网逆变器的数学模型，推导出其传递函数，得出LCL滤波器会使系统发生不稳定的结论，为后文选择合适的控制方式奠定了理论基础。LCL滤波器的参数和并网逆变器的控制方法都会影响系统的稳定。简述了滤波器各参数对系统的影响，并选用合适的参数设计方法，得到本文所需要的仿真模型的参数。

选用单闭环电流控制方法，对控制器参数的设计提出较高要求，引出下文对整数阶PID控制器和分数阶PID控制效果的研究，先从理论上分析各个调节参数对系统的影响，最后通过Simulink仿真验证分数阶PID控制对于电流控制效果较好。

关键词：LCL滤波器；并网逆变器；直接电流控制；整数阶PID控制；分数阶PID控制

ABSTRACT

With the human society and modern economy developing rapidly, human beings urgently stand in need of renewable new type of clean energy. Grid connected inverter is the core component of the distributed generation system, and the filter is the core component of the inverter. Choosing the suitable filter control method can perfect the working effect of the whole system. Based on the above theory, the control technology of the LCL filter is studied in this thesis.

By establishing the mathematical model of LCL grid connected inverter and leading out its transfer function, it is concluded that the LCL filter will make the system unstable, which settles a theoretical foundation for the selection of suitable control mode in the follow-up thesis.The parameters of LCL filter will have effect on the stability of the system,as well as the control method of grid connected inverter.The influence of the parameters of the filter on the system is stated, and the parameters of the model of the simulation needed in this thesis are gained by selecting the suitable parameter design method.

The selection of single closed-loop current control method advances higher demands for controller parameter design. The following research on the effect of integer order PID controller and Fractional Order PID control is presented. Firstly, the influence of each regulation parameter on the system is analyzed in theory. Finally, the simulation of the Fractional Order PID control is put in effect to prove the effect of current control.

Key Words: LCL filter;Grid connected inverter;Direct current control;Integer order PID control;Fractional Order PID control

目录

摘 要 Ⅰ

ABSTRACT Ⅱ

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 并网逆变器发展现状 2

1.2.1 并网逆变器的类型 2

1.2.2 基于LCL滤波器的并网逆变器的电流控制策略 5

1.3 本文主要研究内容 5

第2章 LCL型并网逆变器建模及其参数设计 7

2.1 LCL型并网逆变器数学模型 7

2.2 LCL滤波器的参数设计 9

2.2.1 LCL滤波器参数对电网谐波和谐振影响的分析 9

2.2.1 滤波电容设计 9

2.2.2 逆变器侧电感设计 9

2.2.3 网侧电感设计 10

2.3 本章小结 11

第3章 并网逆变器控制方法 12

3.1 分数阶PID控制器原理 12

3.1.1 整数阶PID控制器 12

3.1.2 分数阶PID控制器 13

3.2 分数阶PID控制器参数变化对系统性能影响的理论推导 14

3.2.1 积分系数变化对系统的影响 14

3.2.2 微分系数变化对系统的影响 15

3.2.3 分数阶积微分阶次λ，μ对控制系统的影响 15

3.3 本章小结 15

第4章 仿真与分析 17

4.1 仿真模型的搭建 17

4.2 整数阶PID与分数阶PID控制稳态性能对比 19

4.2.1 整数阶PID控制跟踪性能分析 21

4.2.2 分数阶PID跟踪性能分析 22

4.3 整数阶PID与分数阶PID控制动态性能对比 23

4.4 整数阶PID与分数阶PID抑制谐振对比 24

4.5 本章小结 24

第5章 总结与展望 25

参考文献 26

致 谢 27

绪论

研究背景及意义

随着社会的进步和发展，经济的繁荣和科技的快速发展都是建立在消耗大量能源的基础上，计算机、电视、互联网等电子设备已经紧密融入了我们的生活。虽然这些设备提高了我们生活的便利性，但是对电能的需求量也在不断增长，大量的传统能源消耗量激增。由于传统能源的不可再生性，储能危机越来越严重。同时，其燃烧造成的大气污染对人类生存环境产生重大影响。目前生产生活用电主要由煤、水等一次能源转化而来。近年来，煤炭资源短缺，燃烧对环境的影响很大。水资源严格依赖于地理位置开发，无法在各地得到广泛的推广。传统能源资源已不能满足日益增长的生产生活的电力需求，因此必须加强可再生能源发电新模式的研究和开发，采用高效环保的发电模式来维持生产活动^[1]。

随着大型电网的不断建设和发展，其弊端日益出现，难以满足用户对供电安全性、可靠性以及多样性的需求。光伏、风电等清洁可再生能源分布式发电技术凭借其资源利用率高、低碳环保等优势得到了快速发展。其中，光伏发电作为仅次于水力发电的可再生能源发电，在全球范围内呈现快速增长的势头。太阳能是一种理想的可再生清洁能源，取之不尽，用之不竭，它不但不会对大气环境带来污染并且分布地域十分辽阔。目前，太阳能发电已经成为传统发电的补充方式，其应用技术也越来越成熟，光伏发电技术得到了广泛应用。研究数据表明，我国三分之二以上地区的年日照时间在2000小时以上，年平均辐射量在6000GJ/m²以上，年平均辐射量在930-2330kW·h/m左右，太阳能资源极其丰富，为我国通过光伏发电来实现以太阳能为源动力的电网创设了先决条件。

世界各国都在制定政策以鼓励在电力系统中大规模部署新能源^[2]。2011年英国发布了《电力市场化改革白皮书》宣布对电力市场进行改革，从而吸引各行各业对分布式发电进行投资，电力市场的放宽管制推动了可再生能源的并网，重点增加了全球能源结构的可再生能源，推动了光伏发电融入到电力系统中。节能是美国能源安全战略的核心，太阳能发电是可再生能源发电的主要组成部分，从2008到2017年美国的太阳能发电量增加了39倍。美国把推动发展新能源和确保能源安全摆至战略地位。欧盟也制定一系列新能源战略，以提高能源安全和利用效率，2010年，欧盟发布了《2020年能源——竞争、可持续和安全能源战略》，提出到2020年，新能源发电能力应力争达到总量的20%。针对国内资源短缺的现状，日本政府积极开展对外能源外交，推进能源安全战略，提出通过实施“绿色新政”大力改善太阳能发电。

我国结合自身国情和可持续发展战略，大力发展可再生能源，并颁布了一系列法规。关于可再生能源的激励政策等，是指导我国新能源发展的重要依据。由于中国的可再生能源储存量丰富，再加上对其大力发展，分布式发电技术的前景是十分光明的。分布式发电技术拥有非常多优点，首先不需要建设大型的发电站，发电规模不大，所以其需要的成本较小，运行也更加灵活。第二，一般可以直接向用电用户供电，避免长距离的输电线损耗。第三，可以与电网配合运行，不仅能对大电网起到辅助作用，也提高了本身的可靠性。第四，对于可再生能源的充分利用，对环境十分友好。以上四个特点，基本满足了现代中国电力发展的需求，特别是对带动一些边远地区的用电具有重要意义。

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