（电工理论与新技术专业论文）光伏并网逆变器的pwm调制策略的研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得金起工些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位做储将：；艮碗 签字日期：扫f f 年l 阳2 彦日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆工些盔堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权金g 垦王些厶堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： 纰吼 签字日期：劲f 1 年牛月粥日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名 签字日期： 电话： 邮编： ill，o i 光伏并网逆变器的一种p w m 调制策略的研究 摘要 以太阳能、风能为代表的新能源因为其清洁无污染，可再生、分布广泛等 优势，在当今世界已经得到了广泛的应用。光伏并网发电系统能够缓解电网供 电的用电高峰期压力，吸引了越来越多的科研人员以及商业厂家的眼光。光伏 并网逆变器是光伏发电系统实现光伏阵列与电网连接的重要设备，本文针对光 伏并网逆变器的s v p w m 控制策略进行分析和研究。 首先，对当今世界的并网逆变器发展情况简单介绍，中国的光伏并网逆变 器市场发展潜力巨大，但目前的产品技术水平与国外相比还有一定的差距。 接着，介绍逆变器的p w m 控制策略，对实验中的逆变器系统采用的空间矢 量调制( s v p w m ) 做出详细分析，文中提出了零矢量的分配问题，通过对谐 波评价函数的计算比较不同的零矢量分配方案，最终提出了一种优化的矢量顺 序，并通过m a t l a b 仿真验证新算法的可行性。 最后，详细介绍系统采用的双闭环控制中的几个重要的技术，如m p p t 、电 流闭环等，详细介绍采用新算法的s v p w m 策略的数字实现方法，给出实现的 方法和控制框图，介绍逆变器硬件电路的设计。 制作实验样机，运行系统，给出重要波形并分析，系统的输出电流能够很 好的跟踪网侧电网电流，且动态响应迅速。 关键词：光伏并网逆变器；控制策略；s v p w m ；零矢量 i i t e g yo f h a v eb e e nw i d e l yu s e d b e c a u s eo fi t s a d v a n t a g e sa sn o n - p o l l u t i n g ，r e n e w a b l ea n d w i d e l yd i s t r i b u t e p h o t o v o l t a i cg r i d c o n n e c t e dg e n e r a t i o ns y s t e mc a na l l e v i a t et h ep r e s s u r eo fp e a k e l e c t r i cs u p p l y , a n da t t r a c t i n gag r o w i n gn u m b e ro fr e s e a r c h e r sa n dc o m m e r c i a l m a n u f a c t u r e r s v i s i o n g r i d - c o n n e c t e di n v e r t e ri sa ni m p o r t a n te q u i p m e n to fp v g e n e r a t i o ns y s t e mw h i c hi su s e dt oa c h i e v et h ec o n n e c t i o nb e t w e e np h o t o v o l t a i c a r r a ya n dt h eg r i d ，r e s e a r c ha n da n a l y s i so nt h es v p w mc o n t r o ls t r a t e g yu s e df o r g r i d - c o n n e c t e di n v e r t e rw i l lb ei np r o g r e s si nt h i sp a p e r f i r s to fa l l ，m a k eab r i e fi n t r o d u c t i o no ft h ed e v e l o p m e n to fg r i d c o n n e c t e d i n v e r t e ri nt o d a y sw o r l d ，c h i n ah a sg r e a tp o t e n t i a lo nd o m e s t i ci n v e r t e rm a r k e t ， b u tt h e r e sa g a po nt e c h n o l o g yl e v e lc o m p a r e dw i t hf o r e i g np r o d u c t s t h e n ，i n t r o d u c et h ec o n t r o ls t r a t e g yo fi n v e r t e r ，a n dm a k ead e t a i la n a l y s i so n t h es v p w mu s e di ne x p e r i m e n t ，t h ed i s t r i b u t i o no fz e r o v e c t o r sh a db e e np r o p o s e d b ym a k i n gc o m p a r i s o n so ft h ec a l c u l a t i o no nh a r m o n i ce v a l u a t i o nf u n c t i o na m o n g d i f f e r e n tz e r o v e c t o rd i s t r i b u t i o np r o g r a m s ，p r o p o s e da ni m p r o v e dv e c t o rs e q u e n c e ， a n dm a d et h es i m u l a t i o nu s i n gm a t l a bt ov e r i f yt h en e w a l g o r i t h m f i n a l l y ，m a k ead e t a i li n t r o d u c t i o no fs e v e r a li m p o r t a n tt e c h n o l o g i e si nt h e d o u b l ec l o s e d l o o pc o n t r o ls y s t e m ，s u c ha sm p p t , c u r r e n tl o o pe t c ，p u tf o r w a r dt h e r e a l i z a b l em e t h o da n dc o n t r o ld i a g r a m ，i n t r o d u e et h eh a r d w a r ec i r c u i ti n v e r t e r d e s i g n m a k et h ep r o t o t y p e ，o p e r a t et h es y s t e m ，a n dg i v et h ei m p o r t a n tw a v e f o r m sa n d a n a l y s i s ，t h eo u t p u tc u r r e n tc a nt r a c kt h eg r i dc u r r e n te f f i c i e n t l y ，a n dh a v eag o o d d y n a m i cr e s p o n s e k e y w o r d s ：g r i d - c o n n e c t e di n v e r t e r ；c o n t r o ls t r a t e g y ；s v p w m ；z e r o v e c t o r i i i 目录 1 2 光伏并网逆变器的脉宽调制策略4 1 3 光伏并网发电系统介绍5 1 3 1 光伏并网发电系统的基本组成5 1 3 2 并网逆变器的并网条件6 1 4 本文研究的内容7 第二章逆变器的p w m 脉宽调制技术8 2 1 正弦脉宽调制8 2 2 空间矢量p w m 算法1 0 2 2 1 空间矢量调制原理1 0 2 2 2 判断当前电压矢量所处扇区1 l 2 2 3 判断静止矢量的作用时间1 2 2 3s v p w m 中的零矢量分配研究1 4 2 3 1s v p w m 中的两种矢量顺序1 4 2 3 2 零矢量的分配17 2 4 采用新算法的仿真1 8 2 5 本章小结2 0 第三章光伏并网逆变器的实现2 1 3 1 系统电路拓扑的选取一2 1 3 2 硬件电路设计2 2 3 2 1 控制芯片2 2 3 2 2 功率开关管的选择及驱动电路2 4 3 2 3 信号调理电路2 6 3 2 4 保护电路一2 7 3 2 5 滤波电感设计2 8 3 2 6 硬件电磁兼容设计2 9 3 3 系统软件设计3 0 3 3 1 系统控制过程3 0 3 3 2 系统软件流程3 1 3 3 3s v p w m 的数字实现3 2 3 3 4 坐标变换3 5 3 3 5 p i 调节3 7 3 3 6 最大功率点跟踪3 8 3 4 本章小结4 0 第四章光伏并网逆变器样机研制及实验结果4 1 4 1 实验波形分析4 1 i v 1 1 1 2 一 展展 5 2 展望4 4 参考文献4 6 v 图清单 ：! ! ； 8 9 图2 3 空间矢量向量与向量空间1 1 图2 4 扇区i 空间电压矢量关系图1 2 图2 5 七段式电压空间矢量的p w m 波形( 传统矢量顺序) 1 5 图2 6 七段式电压空间矢量的p w m 波形( 第二种矢量顺序) 1 6 图2 7 谐波评价函数三维图17 图2 8 零矢量的不同分配比较图1 8 图2 9 算法仿真模型19 图2 1 0 逆变输出线电压仿真波形1 9 图2 1 1 频谱分析2 0 图3 1 电流源式拓扑2 1 图3 2 电压源式拓扑2 2 图3 3d s p 最小系统2 4 图3 4 硬件电路框图2 4 图3 5v i n c o t e c hi g b t 内部结构简图2 5 图3 - 6h c p l 31 2 0 的内部结构简图2 6 图3 7i g b t 驱动电路2 6 图3 8 信号调理电路2 7 图3 9 过流保护电路2 8 图3 1 0 多路保护并指示2 8 图3 1 1l c 滤波电路结构2 9 图3 1 3 系统控制框图3 l 图3 1 4 软件流程图。3 2 图3 15 两种对齐方式下的p w m 输出3 3 图3 1 6 中心对齐模式下的p w m 脉宽3 4 图3 17s v p w m 流程3 5 图3 1 8 三种坐标系关系示意图3 6 图3 1 9p i 的数字实现3 8 图3 2 0 光伏阵列p v 曲线3 8 图3 2 1 最大功率点导数判断3 9 图3 2 2m p p t 算法流程图4 0 v 1 v i i v i i i 风能、水能、地热能、生物能这些可再生的新能源，可以保证价格合理、长期 使用。 根据欧盟能源机构的报告，到2 0 5 0 年全球能源供给分配应当为【1 】： 4 0 太阳能 3 0 生物能 15 风能 10 水能 5 原油 可见太阳能在新能源中所占比例很大，有着广阔的应用前景。太阳光辐射 到电力的直接转换一一光伏转换，使人类以一种清洁、持久、适应性强的方式 来利用太阳光辐射。目前的商业化光伏转换可以实现入射光1 5 的转换，使用 寿命3 0 年。 1 1 光伏并网发电的现状 与其他形式的能源相比，太阳能是一种理想的可再生能源，用太阳能发电 是常规发电以及其他发电方式不能比拟的，它无噪声、无污染，能量随处可得 且取之不尽，不受地域限制，规模设计自由度大，建设周期短，因此开发利用 太阳能成为世界上许多国家实施可持续发展战略的重要决策。 在太阳能光伏发电系统中太阳光辐射能经光伏器件转换为电能，经过能量 存储，以及各种电力变换、控制与保护环节，最终成为交流电。当电能满足与 电网电压同频同相位时，系统就可以向电网输送能量，从而供用户使用。太阳 能发电独有的优势，吸引了许多国家的兴趣，他们相继展开了一系列的光伏屋 顶发电系统的计划，最早开展的国家有：德国、荷兰、瑞士、奥地利等。虽然 我国在太阳能光伏发电方面的研发起步较晚，目前尚处于研究试验阶段，但是 这项技术的意义重大，它标志着光伏发电由补充能源向替代能源转变，人类正 明智的改变目前世界的能源方式。 1 1 1 国外的研究现状及发展 总的来说，光伏并网逆变器在国外市场已经是一个较为成熟的产品，从上 世纪9 0 年代开始，许多国家同时掀起了光伏发电的热潮，政府对光伏发电的发 展也给予了很多政策上的支持。以德国为例，为了促进可再生能源市场的发展， 德国政府自2 0 0 0 年4 月起，对注入公用电网的光伏电进行补偿。然而在此之前， 补偿措施在风力发电领域已经取得了成功应用，促使过去十年中风力发电装机 容量以每年3 0 的速度递增( 截至2 0 0 4 年，德国风力发电总装机容量达到 1 6 6 2 9 m w ，为世界之最) 瞄j 。随着德国政府提出的“1 0 0 0 个光伏发电屋顶项目 的实施，德国已经建成6 5 7 0 0 个系统、装机容量达到3 4 5 5 m w 。这项计划促使 德国每年的新发电容量迅速增加，并很可能超越日本，成为世界上最大的光伏 发电国家。美国、印度、欧盟等其他国家也相继大规模推动光伏技术和光伏产 业的发展。较为知名的公司有：s m a 、s a t c o n 、s i e m e n s 等，其中的s m a 公司拥有欧洲市场中近5 0 的份额，其中s b ( s u n n yb o y ) 系列逆变器是该公 司最成功的产品之一。 以s b 为例，目前国外的逆变器产品具有效率高、功率因数高、谐波含量低 等特点，基于控制器的自动功率点调节。图1 1 为s b 7 0 0 并网逆变器。它的最 大输入电流7 a ，输入直流电压范围为1 5 0 v - 2 5 0 v ，额定输出功率7 0 0 w ，输出 t h d 4 ，效率为9 3 ，系统还集合了电流保护、反孤岛效应等功能；除了s m a 公司外，美国s a t c o n 公司的产品，覆盖了中、大功率范围，并且集成了最大功 率跟踪环节，支持多台中功率的逆变器并联使用，市场应用也较为广泛f 3 1 。 图1 1s u n n yb o y 7 0 0 1 1 2 国内的研究现状及发展 我国太阳能资源丰富，特别是西部地区，地处高原，日照充分，不但有利 于建造太阳能光伏电站，而且适合发展进入家庭的小型独立光伏系统，结合我 国国情，光伏发电存在巨大的潜在市场。 我国十分重视对光伏发电系统的研究，早在“九五期间就开始了技术攻 关，并且取得了阶段性的成果。此后，在中国西部地区先后研制并建成了5 k w 、 10 k w 光伏屋顶示范电站。“十五期间，由于光伏并网发电技术被列为重点研 究方向，使该项技术前进的步伐不断加速，在此基础上又建成了多座示范电站。 2 2 0 0 5 年，我国正式颁布了中华人民共和国可再生能源法，该政策有力的促 进了太阳能光伏发电产业的发展，使我国的光伏发电总量逐年上升。截至2 0 0 6 年，我国光伏发电累计装机为8 万千瓦，我国的新能源计划和送电下乡工程， 已经利用太阳能发电为西部的1 6 万无电用户解决了用电问题。 从长远的发展来看，我国的光伏发电产业将会迎来更加广阔的发展前景。 表1 1 列举了我国光伏电池组件的总产量及未来发展趋势的估计。我国自从 1 9 5 8 年开始研制光伏电池组件，目前年生产能力已经达到2 0 0 m w 以上。 表1 1我国光伏电池组件年产量及装机容量 年份年生产年产量年产值( 万元) 装机容量( m w p ) ( m w p )( m w p ) 1 9 9 84 52 11 6 8 0 01 3 1 9 9 9 4 52 52 0 0 0 01 6 2 0 0 0 532 4 0 0 02 l 2 0 0 l6 5 4 2 6 0 0 02 8 2 0 0 2853 0 0 0 03 7 2 0 0 31 063 6 0 0 04 7 2 0 0 41 384 8 0 0 05 9 2 0 0 5l51 06 0 0 0 07 3 2 0 0 6l81 36 2 0 0 09 2 2 0 0 72 2 1 6 6 4 0 0 0 l1 5 2 0 0 82 62 08 0 0 0 01 4 2 2 0 0 93 22 49 6 0 0 01 7 3 2 0 1 04 03 01 2 0 0 0 02 1 0 2 0 1 510 08 02 4 0 0 0 0 4 0 0 在光伏发电的设备上，也同样取得了突破性进展。我国独立开发出 1 0 l o o k w 的正弦波逆变器【5 j ；一系列光伏控制器和太阳能模拟器等检测仪器； 多系列的家用光伏电源、小型光伏发电系统、独立光伏发电站等。 目前国内对于光伏发电系统的核心研究内容光伏并网逆变器的重点研究单 位有：合肥工业大学、中国科学院电工研究所、上海交通大学等。已有一些专 业研究机构得到了国家及地方科技基金的对该方向的资助，并取得了一系列可 喜的成果。但是国内对光伏并网逆变器的研究普遍采用最大功率点跟踪技术和 逆变部分相分离的两级能量变换结构，产品种类相对单一，但电网发生故障关 闭后很难实现继续向重要负载不问断供电，在市场上还没有真正的投入商业化 应用。而光伏并网发电的核心：光伏并网逆变器，仍需要通过进口或者合作研 究的方式获得，因此掌握逆变器的控制技术对于推动光伏并网发电系统的发展 有着至关重要的作用。 由于我国并网型太阳能发电设备还没有形成规模性生产，正确选定逆变器 低生产成 与国外的 比如太阳 平均售价 件， 究， 逆变 最初 采用的是方波逆变器，其优点是电路简单，但是输出电压波形的谐波含量大， 即通常所说的电流谐波畸变率( t h d ) 过大；另一种移相多重叠加逆变器，输出 的电压波形谐波含量少，但电路复杂，不宜采用。目前逆变器主电路采用的主 要结构形式是p w m 型逆变器，基于p w m 调制模式的优越性能，不但使逆变 输出的电特性良好，而且利于实现，便于于掌握。脉宽调制模式( p u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ，p w m ) 其主要优点有【1 3 j ： ( 1 ) 电路中只需要一个功率控制级就可调节输出波形的电压和频率，省去了 控制电压的器件： ( 2 ) 独立控制功率因数，使系统的功率因数与逆变器输出的电压值无关； ( 3 ) 可同时进行调频、调压、锁相，系统动态响应快； ( 4 ) 输出电压波形的t h d 大大减小，改善波形； 鉴于以上的特点，p w m 技术得到了广泛的应用，性能优越的p w m 模式使 逆变器的输出电特性得到优化，同时减少系统的谐波，降低损耗，提高效率。 所谓p w m 脉宽调制技术是指用一种参考波( 通常是正弦波，特殊的控制策略 中也有采用马鞍波或梯形波) ，作为调制波( m o d u l a t i o nw a v e ) ，与频率n 倍于调 制波频率的三角波载波，进行比较，在调制波大于载波的部分产生一组矩形脉 冲序列，该脉冲序列的宽度正比于调制波的矩形脉冲序列，通过对逆变器开关 管的开通与关断，把直流电变为交流电。因为载波三角波的宽度从上而下是线 性变化的，故这种调制方法是线性的。p w m 调制技术自从提出至今一直在不 断的发展： 1 9 6 3 年，f g t u r n b u l l 提出了“消除特定谐波法 ，为后来优化p w m 法奠 定了基础，以实现特定的优化目标，如谐波最小、效率最优、转矩脉动最小等。 1 9 6 4 年，德国学者首次将通信系统采用的调制技术应用到了逆变器中，并 4 家的重 ，基于 则采样 该调 因而 、优化 处理器 从模拟 控制策 主，低 高速开 关器件和高的开关频率，而是开始致力于研究高效环保的逆变控制策略，如当 今全球兴起了研究软开关逆变技术的热潮。 1 3 光伏并网发电系统介绍 1 3 1 光伏并网发电系统的基本组成 光伏并网发电系统是将太阳能通过光伏器件转换为电能，再利用逆变器将 电能并入电网的电力转换系统。并网光伏逆变系统主要由光伏阵列、逆变器和 控制器及根据产品需求设计的保护单元组成。如图1 2 所示为光伏并网系统的 组成，逆变系统实现了d c a c 转换，以d s p 为核心的控制器可以跟踪网侧电 压的频率与相位，经过软件控制逆变输出的电压与其同频同相，还可采用最大 功率点跟踪技术，跟踪光伏阵列工作时的最大功率点，使得系统不受天气、光 照的影响，能够运行在最大功率状态。 三相逆变桥 图1 2 光伏并网系统的组成 各部分的功能如下： ( 1 ) 光伏阵列 光伏阵列是光伏发电系统的核心部分，其作用在于将太阳能转换为电能，产 生直流电。它也是整个系统中价值最高，对成本影响最大的部分，目前工程上 应用的是由晶体硅电池组件进行串、并联组成； ( 2 ) d c d c 将光伏阵列产生的直流电压转换为逆变部分需要的直流电压； ( 3 ) 逆变单元 并网逆变器的主体部分，将光伏阵列发出的电能逆变为与电网电压同频同相 的交流电。其中的电力电子器件以脉宽调制的形式受控于控制电路发出的p w m 开关信号，实现开通和管断，从而将d c d c 产生的直流电逆变成三相交流电； ( 4 ) 滤波器电路 由电感和电容构成的低通滤波器，主要用于滤除逆变电流的纹波，吸收电流 谐波，减少对电网的污染； ( 5 ) 隔离变压器 主要用于升压和实现与公共电网的电气隔离，经过逆变后的电压必须要通过 变压器的提升，才能达到高于电网电压的要求，而且实现了逆变器与电网之间 很好的电气隔离： ( 6 ) 辅助电源 用于为控制电路上电子器件提供所需的工作电压； ( 7 ) d s p 控制电路 逆变器的控制核心，提供p w m 开关信号，同时兼具各种保护功能，如过流 过压保护，温度补偿功能等，确保系统工作的安全性。本系统选用的d s p 控制 芯片为f r e e s c a l e 的5 6 f 8 0 3 6 ，能够提供控制光伏阵列的最大功率点跟踪( m p p t ) 以及双闭环调节输出电流等功能，保证系统的快速响应性能。 1 3 2 并网逆变器的并网条件 逆变器实际并网时，必须调整输出频率和相位：如果丧失主网，逆变器必 须立即关闭。一般来讲，并网型逆变器应当满足如下条件【i 】： 输出电流能够同步跟随系统电压( 电流源) ； 输出电流波形良好，波形畸变以及频率波动低于门槛值； 注入电流与系统电压同相位，实现功率因数为1 ；抑制无功功率交换， 降低损耗，减少潜在的过电压发生； 故障情况下( 丧失主网电压、短路或者绝缘破坏) ，逆变器必须能够实现 自动从主网解列； 6 器主网和光伏并网发电系统的正常运行不应受到来自主网的参考电 号的影响， 终端电阻应能够自适应与光伏发电系统的实际运行特性( 如最大功 跟踪运行方式) ； 证光伏发电系统正常运行，电压波动应足够低( 3 ) ： 压情况下( 如低温开环运行下) ，光伏发电系统仍可正常运行； 过负荷情况下，为了限定输入功率在给定范围内，逆变器需自动向光伏 发电特性曲线中的开路电压方向调制运行点；这种情况主要出现在逆变 器额定功率低于光伏发电系统额度功率的情况下，强日照下，过负荷很 少出现； 应由光伏发电系统向逆变器供电，不损耗公网电力。即使在低日照强度 下，逆变器也应能保持稳定运行；现代光伏发电系统在5 0 w m 2 的强度 下，即可实现向公共电网供电；而且即使逆变器在额定功率10 的输入 情况下，也能保证9 0 的转换效率； 输入、输出接口必须通过安装比类设备来抑制暂态过电压( 如雷电涌流) ： 电磁兼容须达到e n 5 5 0 1 4 标准： 设备噪声低、适宜在居民楼里运行。 1 4 本文研究的内容 光伏并网发电有着广阔的发展前景，光伏并网逆变器的应用也不再仅仅局 限于大型发电系统，而渐渐向经济适用的中小功率以及家用式发电系统发展， 许多公司都将目光投入到对光伏并网逆变器的研制上。本课题是来源于合肥工 业大学电气与自动化工程学院与安徽某公司的合作研发项目，6 k w 工频光伏并 网逆变器的研制。本文在学习光伏并网发电系统逆变器工作原理及前人研究的 基础上，所进行的工作有： ( 1 ) 了解光伏发电的意义与背景，介绍国内外光伏逆变器的发展和应用现 状，着重了解逆变器的p w m 调制技术的发展及应用情况，以及p w m 技术在今后的发展方向。 ( 2 ) 介绍了p w m 原理，具体分析s p w m 和s v p w m 两种控制策略，通过 二者的比较，将研究的重点放在对s v p w m 中的零矢量分配问题上， 对此做了深入研究，提出了一种通过改变矢量顺序来减小谐波含量，从 而优化s v p w m 的算法。 ( 3 ) 建立仿真模型，运用m a t l a b 对新提出的调制算法及控制策略进行仿 真，给出仿真结果，验证提出的新算法。 ( 4 ) 搭建硬件实验平台，制作一台实验样机，介绍硬件电路设计，以及系统 采用的双闭环控制的控制过程，介绍软件设计思路，给出软件流程图。 ( 5 ) 在实验平台进行并网实验，给出实验波形及结果分析。 7 第二章逆变器的p w m 脉宽调制技术 目前应用于逆变系统中的p w m 调制方案不下1 0 种，尤其是以d s p 为代表 的微处理器使逆变控制实现数字化以后，对调制策略的优化更新速度更快，控 制目标从最初追求电压波形的正弦，到电流波形的正弦，再到磁通的正弦：控 制优势从效率最优，再到消除噪声等，经过二十多年的发展，p w m 控制技术 在逆变器中的应用已经日益完善。 2 1 正弦脉宽调制 正弦脉宽调制( s i n u s o i d a lm o d u l a t i o n ，s p w m ) 就是用脉冲宽度按正弦规律变 化而和正弦波等效的p w m 波形( 即s p w m 波形) 来控制逆变电路中开关器件的 通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积 相等，通过改变调制波的频率和幅值来调节逆变电路输出电压的频率和幅值。正 弦脉宽调制技术的特点是调制波为正弦波，输出的矩形脉冲的宽度按正弦规律 线性变化。 vv比较器 r 门nn 目制波地 uuu u u ， ，1 1 ，以1 x 2 裁油址 图2 1s p w m 波形产生原理 图2 1 所示的是s p w m 波形的产生原理，利用比较器对调制波r s 和载波纨比 较，根据幅值的大小输出脉冲，作为控制信号。该方法的特点在于开关周期是 固定的，且调压方便，只需要通过调节正弦调制波的大小就可以调压。 这种调制方式有两种工作模式： ( 1 ) 线性模式 调制信号的峰值小于或者等于载波信号的峰值，输出电压与调制度之间存 在线性关系； ( 2 ) 非线性模式 调制信号的峰值大于或者等于载波信号的峰值，进入过调制区域并过渡到 方波模式的开始，标志非线性模式的终结。 下面讨论s p w m 的谐波特性，系统为三相逆变器，为表述方便，现其拓扑 如图2 。2 所示。 8 心点，逆变输出端相对中心点的电位分别为e d 2 或一e d 2 。 对于输出相电压u a o 、u a o 、u c t r ， e d ，c o o t 2 万( 后+ 1 ) 一2 ( 1 + m s i n c o , t ) 0 ，且t a n 秒 0 ，且 l 虬| - u 卢4 3 o 。 同理可推出其他扇区的条件： u + 位于扇区i i i ：u p 0 ； u + 位于扇区：u p 0 ，且u 。一u 厅1 4 3 0 ； u 位于扇区v ：u p 0 ； u 位于扇区v i ：u p 0 ，且一 u 。l u 疗3 u 1 一u 2 专u 7 建立谐波评价函数： 1 6 肌即t o 叫衍+ 萨t ou - u 2 陋鹱t ot l + 罢u - u 1 胁 厶+ 里u 一u 。1 2 出 ( 2 - 5 ) 用同样的方法得到谐波评价函数的三维图，如图2 7 ( b ) 所示。为了更直观 的观察二者的差别，做二者的差值，如图2 - 7 ( c ) 所示。 籁 闭 $ 卷 鲻 磐 ( a ) 传统矢量顺序( b ) 第二种矢量顺序 调制度m旋转角度( r a d ) ( c ) 二者的差值 图2 7 谐波评价函数三维图 根据图( c ) 可以看出，用第二种矢量顺序的谐波函数减去传统矢量顺序的 谐波函数，在第一扇区的前段，差值大于0 ，所以采用第二种矢量顺序会带来 较小的谐波；在第一扇区的后段时，差值小于0 ，所以用传统矢量顺序会带来 较小的谐波。这给优化s v p w m 算法提供了依据。 2 3 2 零矢量的分配 对于零矢量的放置，主要考虑矾或坼应使开关状态变化尽可能少，以降低 开关损耗 4 3 , 4 9 1 。以上研究的两种情况都是取零矢量均匀的分布在开关周期的起 1 7 ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) f 2 ，余 时间越 多。 令插入u o ( o o o ) 的时间为螺，则插入u 7 ( 11 1 ) 的时间为( 1 一k ) r o 。对于k ，可以在 0 ，l 】的范围内取值，随着k 的不同，可以有各种各样的调制波 为了找出其中的规律，在这里分别取k 为o ，0 2 5 ，0 7 5 ，0 9 ，在同一调制 度的条件下，带入式2 3 中利用m a t l a b 进行计算。 取调制度下m = 0 8 5 ，令旋转角度矽从o r t 3 取值，通过计算出这4 种情况 下的谐波评价函数，并统一与传统的s v p w m 调制方法，即当k = 0 5 的情况下 做差值比较，得到的比较结果如图2 8 所示。 粲 阔 $ 盎 鲻 如 ，- 3 x 1 0 - 3 2 x 1 0 - j l 1 0 - j l - 2 x - 3 x 4 0 0 3 0 3 0 3 o - 3 9 与k = - 0 5 的差量 k = - 0 7 5 与k = - 0 5 的差量 k = - 0 2 5 与k = 0 5 的差量 k = - 0 与k = - 0 5 的差量 o 兀1 8n 9n 62 n 95 n 183 角度r o d 图2 8 零矢量的不同分配比较图 根据图2 8 可以看出，k 在o 5 左右变化时，越远离o 5 时，得到的谐波与 在0 5 时的差值越大，可以判断出o 5 是个最优值，即说明将每个周期的前半 周期和后半周期分开考虑时采用不同的矢量顺序。 2 4 采用新算法的仿真 至此，我们提出了种优化的s v p w m 控制策略，即当在每个扇区的前半 图2 1 0 逆变输出线电压仿真波形 中 的 算 对逆变输出的线电压波形，如图2 1 0 所示，做频谱分析，载波频率为6k h z ， 频谱如图2 一l l ( b ) 所示，；作为比照，图2 1 l ( a ) 所示为采用传统发波顺序的调制 策略得到的逆变输出波形频谱。 1 9 频率h z ( a ) 传统算法的线电压频谱 羞6 0 鑫5 0 翌4 0 鲻3 0 攀2 0 翟1 0 蓥0 频率h z ( b ) 采用新算法的线电压频谱 图2 11 频谱分析 从以上的图中可以看出采用新的矢量顺序在载波周期的n 倍频周围几乎没 有谐波分量，即降低线电压的边带谐波分量，该方案有一定的优势存在。 2 5 本章小结 本章介绍了p w m 脉宽调制的概念，详细分析了空间矢量调制的原理以及它 与正弦脉宽调制之间的本质联系：空间矢量调制实际上是在s p w m 的调制信号 上叠加了零序分量的结果，在理论推倒的基础上，从这些零序分量着手，深入 研究了s v p w m 的两种矢量顺序，通过对谐波评价函数的建立与计算，得到了 两种矢量顺序引起的不同结果，从而提出了新的矢量组合顺序，通过m a t l a b 中的s i m u l i n k 软件，建立仿真模型，对提出的新的矢量组合顺序进行模拟， 验证了该方案的可行性。 现 换为直流电能，经过 送入电网实现并网。 要实现并网，对逆变 ( 2 ) 逆变输出的电压频率与市电频率差不大于0 4 h z ； ( 3 ) 逆变输出电流与系统电压同相位，功率因数为1 ； ( 4 ) 为减小对电网的污染，逆变器要工作在有源逆变状态。 3 1 系统电路拓扑的选取 光伏并网逆变器根据直流侧输入电源的性质，可分为电流源式和电压源式， 前者常用于独立发电，后者常用于并网发电乜1 。 ( 1 ) 电流源式 理想逆变器，其直流变交流的功率是一定的，没有脉动，但是实际电路中， 功率是有脉动的，当功率的脉动波形由直流电压体现时，就称为电流源型逆变 器。传统的电流源型逆变器是在逆变电路输出侧串联滤波大电感，( 每相一个) ， 以实现以电流源型并网。串联的大电感用于平滑整流输出电流并且吸收无功功 率。电感值足够大，使得电流回路的方向和大小可视为不变。其拓扑如图3 1 所示。 大电感 三相逆变桥 p 一息 ， 牛气 图3 1 电流源式拓扑 ( 2 ) 电压源式 当逆变器的功率脉动波形由直流电流体现时，称为电压源型逆变器。电 压源式逆变器是在回路中并联大电容，电容的储能作用可以吸收无功功率， 并且平滑整流后的电压，使得逆变器的直流侧输入可以视为电压源。电路拓 扑如图3 2 所示。 三相逆变桥 f 一 息 十刮罗r 图3 2 电压源式拓扑 结合考虑到电流源型需要在逆变器的直流侧串入大电感以提供较为稳定的 电流，但大电感势必会影响系统的动态响应【5 ，且当今世界的主流光伏并网逆 变器都是采用电压源输入的方式，故在本系统中也采取电压源输入的拓扑结构。 光伏并网逆变器的输出控制可分为电压控制和电流控制乜引。由于公共电网 可看作容量无穷大的交流电压源，若采用输出为电压控制，那么并网时实际上 就是两个电压源相并联运行的系统，这种情况下必须采用锁相控制技术才能保 证系统稳定运行，确保逆变输出电压与网侧电压频率和相位的完全一致，但锁 相回路的响应较慢、环流、逆变器输出电压值不易精确控制等问题，要想达到 与同功率等级的电压源并联运行，这种方案并不可取。若逆变器的输出采用电 流控制，则只需控制逆变器的输出电流，使其跟踪电网电压，满足逆变器输出 电流与网侧电压同频同相，满足系统的功率因数为1 ，即实现电流源与电压源 并联运行，这种方法控制过程相对简单，较易实现。 综合上述分析，本系统采用的即为电压源输入型、电流控制的逆变器控制 方案，这种方案在实际应用中较为成熟，可有效的进行光伏发电、提高输出电 能质量、减小功率损耗，而且可节约设备成本。 3 2 硬件电路设计 本节将对并网逆变器的硬件电路加以介绍，对电路主控芯片的选择、功率 开关管的选择以及每部分的功能和设计进行详细说明。 3 2 1 控制芯片 光伏并网逆变器对于控制的速度和精度要求很高，数字电路能够弥补模拟 控制的不足，提高系统响应速度和可靠度。本课题选取的是飞思卡尔公司的 5 6 f 8 0 3 6 芯片，具有低功耗、高性能以及强大的处理能力，目前多数应用于电 机控制领域，它的性能完全适合于本课题的要求。该芯片是属于d s p 5 6 8 0 0 e 系 列的内核及外围功能模块所组成，该系列的内核主要特点如下 2 5 】： 供电电压范围为2 7 3 6 v ，一般设计为3 3 v ； 主频可达到7 0 m h z ，处理能力可达到3 5 m 条指令s ( m i p s ) ：在8 0 m h z 时钟频率下可达到4 0 m 条指令s ( m i p s ) ； 每个片上执行单元、存储装置和外设都是独立、并行运行。因为并行 的高级性，以下操作可以单指令执行：寻找下一指令、完成1 6 位x1 6 位的并行乘一加运算、对结果可进行否定，取整和饱和操作； 低能耗一一c m o s 工作，d s p 5 6 8 0 0 e 固定消耗很低的电压。另外，内 核结构支持两种低能耗模式，等待和停止，更加节省能耗。电源管理 能够关断无用的逻辑部分； 高代码密度一一d s p 5 6 8 0 0 e 做指令的字只有1 6 位。多字节指令用于更 为复杂的操作，形成了最佳代码密度。指令系统强调有效的控制设计， 作为最大程度的应用； 精确度一一d s p 5 6 8 0 0 e 内核有精确的d s c 计算精确度。1 6 位数据路 径提供9 6 d b 动态范围的足够精确度。3 6 位加法器的中间值可能会超 过2 16 d b 。 丰富的指令系统一一除了支持指令d s c 运算法则，d s p 5 6 8 0 0 e 还提供 控制，位操作，及整数处理指令。另外还有强大的地址模式和一系列 的数字量。构成了有效、紧凑的指令； 实时调试一一飞思卡尔增强型片内仿真测试技术( e n h a n c e do n c e ) 允 许使用简单，无打扰，独立速度的d s p 5 6 8 0 0 e 内核内部状态。用户可 以直接对处理器操作，简单、快速地进行系统调试而不需要暂停内核 的工作。 该d s p 将寄存器及外设分类模块化，大大简化了编程工作中对系统的初始 化工作，也减小了对相应外设的设计工作。其内部包括s i m 模块( s y s t e m i n t e g r a t i o nm o d u l e ，系统综合模块) 、适用于各类电动机控制的多路脉冲宽度 p w m 模块、模数转换a d c 模块、定时器t m r 模块、通