（电力电子与电力传动专业论文）太阳能光伏并网系统的研究.pdf

_ 广 华北电力大学硕士学位论文 摘要 太阳能因其清洁等特点而受到了广泛关注，多电平换流器也有大量的应用。本文 详细分析了单级式太阳能光伏发电系统和二极管箝位式三电平逆变器，基于 m a t l a b 建立了太阳能电池模型和太阳能光伏并网发电系统模型，针对最大功率点 跟踪和中点电压平衡问题进行了算法仿真。设计搭建了2 k w 的物理模型，通过理论 分析得到了主回路各部分参数，控制芯片采用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，设计了驱动电路、模 数转换、出口通信等电路。编写了系统运行所需要的部分基础软件，如数据采集、锁 相环等，经过调试取得了较为理想的结果。 关键词：太阳能，多电平换流器，光伏并网发电系统，最大功率点跟踪，硬件设计 a b s t r a c t s o l a re n e r g yh a sb e e nw i d e s p r e a dc o n c e r nb e c a u s eo fi t sc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sc l e a n ， a n dm u l t i l e v e lc o n v e r t e r sa l s oh a v e b e e nw i d e l yu s e d t h i sp a p e ra n a l y z e ds i n g l e - s t a g e s o l a rp h o t o v o l t a i cp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e ma n dt h ed i o d e c l a m p e dt h r e e - l e v e li n v e r t e r , e s t a b l i s h e ds o l a rc e l lm o d e la n dg r i d c o n n e c t e dp vs y s t e mm o d e lb a s e do nm a t l a b ， m a d eas i m u l a t i o no nt h em a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n ga n dt h em i d p o i n tv o l t a g e b a l a n c ei s s u e d e s i g n e da2k wi n v e r t e r , a c c o r d i n gt ot h er e s u l to fa n a l y s i s ，t h e p a r a m e t e r so fc o m p o n e n t si nt h et o p o l o g yw e r ed e c i d e d ，t m s 3 2 0 f 2 8 12w a su s e da s c o n t r o lc h i p ，b e s i d e s ，d e s i g n e dd r i v e rc i r c u i t ，a n a l o g d i 西t a lc o n v e r s i o nc i r c u i ta n ds e r i a l c o m m u n i c a t i o nc i r c u i t w r i t t e ns o m eb a s es o f t w a r es u c ha sp l l ，a f t e rc o m m i s s i o n i n g ， a c h i e v e dt h ed e s i r e dr e s u l t s w a n gc h a n g j i a n g ( p o w e re l e c t r o n i c sa n de l e c t r i cd r i v e s ) d i r e c t e db yp r o f z h a n gy i g o n g k e yw o r d s ：s o l a re n e r g y , m u l t i l e v e lc o n v e r t e r s ，g r i d - c o n n e c t e dp vs y s t e m ， m p p t , h a r d w a r ed e s i g n 加 删7m 6 9舢7 ii耵i脚y 0 譬0 1a；嘎。 o篓，卜，00。，吖n 华北电力大学硕士学位论文 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 课题背景及意义l 1 2 太阳能光伏并网发电系统的发展及前景2 1 3 论文主要工作3 第二章太阳能光伏阵列特性及并网发电系统结构4 2 1 光伏电池的原理4 2 1 1 光伏电池理论模型4 2 1 2 光伏电池工程模型5 2 2 光伏电池的m a t l a b 数学建模。7 第三章二极管箝位式三电平逆变器及其控制方式9 3 1 多电平逆变器发展9 3 1 1 二极管箝位式换流器9 3 1 2 飞跨电容式多电平换流器1 l 3 1 3 基于独立直流电源箝位的级联型多电平换流器1 3 3 2 二极管箝位式三电平逆变器控制方式1 4 3 2 1 载波p w m 控制方法1 4 3 2 2 空间矢量p w m 控制方法1 7 第四章最大功率点跟踪及中点电压平衡控制2 3 4 1 最大功率点跟踪( m p p t ) 控制2 3 4 1 1 常用最大功率跟踪算法2 3 4 1 2 最大功率点跟踪算法仿真2 7 4 1 3 变步长的最大功率点跟踪算法2 9 4 1 4 变步长的最大功率点跟踪算法仿真2 9 4 2 中点电压平衡控制3 0 第五章用于光伏发电的逆变器主回路及控制电路研究3 3 5 1 主回路设计3 3 5 1 1 直流母线电容的选择3 3 5 1 2 开关器件选择和吸收回路的设计3 4 5 2 驱动电路设计3 5 5 3 控制硬件的设计3 8 5 3 1a d 电路的软硬件设计3 9 华北电力大学硕士学位论文 5 3 2 串口通信电路设计及通信协议的制定4 1 6 4p w m 实验结果4 2 5 5 系统并网控制4 3 5 5 1 锁相环技术4 3 5 5 2 锁相环原理4 3 5 5 3 过零检测电路4 4 5 5 4 软件锁相原理4 5 第六章结论及展望4 7 参考文献4 8 致谤f 5 1 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 2 弋 j 弋 0 华北电力大学硕二 学位论文 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 人类在发展的过程中，不断地从自然界索取能源。自工业革命开始，随着经济 的发展和人们生活水平的提高，世界各国对能源的需求迅速膨胀，而煤炭、石油和 天然气三大化石能源却日渐枯竭。据统计，石油可开采年限为将近5 0 年，天然气 的为6 0 年，煤炭的为2 0 0 年左右，全球正面临严峻的能源危机。此外由于传统能 源的消耗对环境所造成的危害也日益突出，能源、环境发展已成为当今世界亟待解 决的问题0 , 2 】。因此全球都在积极开发利用可再生能源，太阳能因其独有的优点正被 越来越多的人重视。 太阳能是一种清洁的能源，分布广泛，取之不尽。太阳能的转换方式主要有三 种：光热转换，光电转换和光化学能转换。利用光伏电池把光能直接转换成电能， 称为光电转换，即光伏发电。 1 8 3 9 年，法国科学家e d m o n db e c q u e r e l 第一次发现某些材料在阳光照射下能够 产生很小的电流，被称为“光伏效应 【3 1 。1 9 5 4 年贝尔实验室制成了第一片光伏电 池，光电转换率达到6 t 4 1 。2 0 世纪中期，研制出超薄单晶硅光伏电池。从研制出 超薄单晶硅光伏电池开始，光伏发电技术得到不断的发展，成本不断降低，形成了 不断发展的光伏发电技术产业，将成为2 1 世纪世界的主要能源之一【5 ，6 1 。 2 0 0 7 年全球光伏电池产量已达4 0g w ，2 0 0 8 年全球光伏市场增至5 5 g w ，全 球太阳能安装总量累计达1 5 g w 。日本政府2 0 0 8 年1 1 月发布了“太阳能发电普及 行动计划 ，确定太阳能发电量到2 0 3 0 年的发展目标是要达到2 0 0 5 年的4 0 倍，并 在3 到5 年后，将太阳能电池系统的价格降至目前的一半左右。2 0 0 9 年还专门安排 3 0 亿日元的补助金，专项鼓励太阳能蓄电池的技术开发。2 0 0 8 年9 月1 6 日，美国 参议院通过了一揽子减税计划，其中将光伏发电行业的减税政策( i t c ) 续延2 6 年。 我国太阳能资源非常丰富，全年日照时数大于2 0 0 0 小时，太阳能总辐射量高 于5 0 1 6 m j m 2 的地区约占全国总面积的三分之二以上【7 1 ，理论储量相当于每年1 7 0 0 0 亿吨标准煤，所以我国太阳能资源的开发利用潜力非常广阔。我国光伏发电产业于 在2 0 世纪7 0 年代起步，9 0 年代中期进入了稳步发展时期，太阳电池及其组件产量 逐年增加。经过3 0 多年的努力，已经进入了快速发展的新阶段。在我国“光明工 程 先导项目及“送电到乡工程等国家项目及世界光伏发电市场的有力拉动下， 中国光伏发电产业迅猛发展。截至2 0 0 7 年年底，全国光伏发电系统的累计装机容 华北电力大学硕士学位论文 量达到了1 0 0 m w ，从事太阳能电池生产的厂家达到5 0 余家，太阳能电池的年生产 能力达到2 9 0 0 m w ，太阳能电池年产量达到1 1 8 8 m w ，超过日本和欧洲。 1 2 太阳能光伏并网发电系统的发展及前景 光伏并网发电系统可以应用于电网各处【8 ，9 1 ，太阳能光伏发电系统如图l 一1 所示。 图1 1 光伏发电系统结构图 目前常用的并网光伏发电系统可以按照系统功能分为两类，一种为不含蓄电池 环节的不可调度式并网光伏发电系统；另一种为含有蓄电池组的可调度式并网光伏 发电系统。由能量变换环节分类还可分为单级式并网发电系统和双级式并网发电系 统【1 们。 单级式并网发电系统不含d c d c 直流控制环，光伏阵列发出的电能只经过一 个d c a c 逆变进行并网运行。双级式并网发电系统含有d c a c 和d c d c 两个环 节。双级式系统中，d c d c 换流器调节光伏电池阵列的工作电压，使系统工作在最 大功率点，d c a c 换流器控制输出电流与电网电压同相，进行最大功率点跟踪等各 种控制。d c d c 环节和d c a c 环节的控制目标不同，相互间的耦合并不是很紧密， 所以二者的设计可以分开进行，控制比较灵活。此外，d c d c 环节可以调节逆变直 流侧电压，相当于一个直流电压调节器，即使光伏阵列的电压较低，也可以通过电 压调节环节升压，然后逆变并网运行，所以双级式有比较宽的输入电压范围。但是 双级式因有两个独立的能量变换环节，整个系统的效率较低，而单级式系统只有一 个环节，所以效率相对较高，逆变器效率可以做到9 0 以上。另外，双级式的系统 体积大，造价高，而单级式系统在体积、重量、和造价方面都有很大的优势，所以 单级式光伏并网发电系统已经成为了光伏发电的发展方向。 在逆变器拓扑结构方面，目前多为两电平逆变器。但在一些高压大容量的应用 2 0 j ， 华北电力大学硕士学位论文 中，往往需要将多个低压小容量的变换器通过变压器耦合，这就需要变压器等设备， 而如果直接采用高压换流，就需要换流器中的开关器件承受很高的电压应力，尽管 可以采用开关器件串联的方式解决，但开关器件的串联需要静态和动态均压电路， 而均压电路一般较复杂，损耗大，故而系统的效率较低。1 9 8 0 年，日本的a n a b a e 提出了二极管中点箝位式( n e u t r a lp o i n tc l a m p e d ，n p c ) 换流器。此后又有学者将三 电平结构推广到了多电平。多电平换流器输出的电压电平数增加，波形更好，且每 个开关器件所承受的电压应力较小，无需均压电路，所以多电平换流器也得到了很 好的发展和广泛应用e l l - i s 】。 1 3 论文主要工作 本文对太阳能光伏发电硬件回路及控制系统进行研究，结合实际工程，完成了 小功率试验用的三电平逆变器，对控制平台及控制算法进行了设计和调试。论文主 要研究工作在以下几个方面展开： 1 对两电平和三电平逆变器进行了分析比较，设计了试验用小功率三电平逆变 器。 2 设计并调试了三电平光伏发电系统控制板，实现了a d 采样、串口通信、p w m 发生、软件锁相、故障闭锁等功能。 3 对太阳能光伏阵列及并网型光伏发电系统进行了研究，并基于m a t l a b 进 行了仿真分析。 4 对最大功率点跟踪控制进行了系统研究分析，并给出了基于m a t l a b 的仿 甓 真分析。 5 对三电平逆变器中出现中点电压不平衡问题和光伏并网中存在的孤岛检测 问题做了详细的分析，并给出了具体的算法和仿真分析。 3 华北电力大学硕士学位论文 第二章太阳能光伏阵列特性及并网发电系统结构 2 1 光伏电池的原理 光伏电池是以半导体p n 结接受太阳光的照射而产生光伏特效应为基础，将光 能直接转化为电能的能量转换器。电池单元是光伏发电转换的最小单元，一个光伏 电池单元产生的电压大约为0 4 5 v ，工作电流约为2 0 2 5 m a e m 2 ，由于产生的电压 和工作电流都很小，所以一般不单独作为电源使用。将太阳能光伏电池单元进行串 联、并联封装之后就形成了光伏电池组件，功率在几瓦到几百瓦之间。将光伏电池 组件再进行串、并联之后就形成了光伏阵列，电压和功率等级都比较高，可以用于 实际工程之中。光伏组件并联时，要求各组件的电压相同，总输出电流为各组件输 出电流之和；串联时，要求个光伏组件具有相同的工作电流，总输出电压为各组件 输出电压之和。 2 1 1 光伏电池理论模型 太阳能电池等效电路如图2 1 所示【2 】： b h 尼 、弋z 门鼢 j ) l oi j 一 图2 - 1 太阳能电池等效电路 川加h 掣卜卜等 阻t ， 式中，锄为光伏阵列电流，即光伏效应产生的原始电流；l o 为反向饱和电流； g 为电子电荷( 1 6 x 1 0 1 9c ) ；n 为二极管因子，当温度t = 3 0 0 k 时，n = 2 8 ；k 为玻耳 兹曼常数( 1 3 8 x 1 0 彩j k ) ；飓为阵列串联等效电阻；足 为阵列并联等效电阻。 光伏阵列是光伏发电的能源供给中心，比较关注的是它的伏安特性( ，一v 特性) 曲线。当日照强度和太阳能电池温度变化的时候，输出的伏安特性各不相同( 端电 4 l 一。 l h 一 ， 华北电力大学硕士学位论文 压一定时，日照越强，输出电流越大，温度越低，输出电流越大) 。即i = 7 f s ，d 。 而厂家通常仅为用户提供标准测试的短路电流厶。( 在给定的日照强度和温度下的最 大输出电流) 、开路电压c ( 在给定的日照强度和温度下的最大输出电压) 、最大功 率点电流厶( 在给定的日照强度和温度下的最大功率点时的输出电流) 、最大功率点 电压值。所以在光伏发电系统分析研究中，需要根据已有的标准测试数据来仿 真光伏阵列在不同日照强度、温度下的卜儿p y 特性曲线。 日照强度s 为l k w m 2 、0 7 5 k w m 2 、0 5 k w m z ，温度为2 5 时，二y 特性曲线 如图2 - 2 所示，由图中可以看出，光伏电池的卜y 特性为非线性的，曲线左侧近似 为电流源曲线，右侧近似为电压源曲线。 y 图2 - 2 太阳能电池卜儿p - v 特性曲线 2 1 2 光伏电池工程模型 光伏电池的数学理论模型已经广泛应用于太阳能电池的理论分析中，但式( 2 1 ) 中参数，厶，r s ，r s h 和n 难以确定，且不是厂家提供的技术参数，不便于工程的 分析应用。 文献 1 6 1 7 介绍了一些光伏发电相关的仿真模型，但这些模型都需要已知一些 特定参数，使得分析研究有一些困难；文献【1 8 】介绍了经优化的光伏电池模型，但 不能任意改变原始参数；文献 1 9 】给出了光伏电池的原理模型，但参数选用典型值， 会造成较大的误差。本文考虑工程应用因素，基于太阳能电池的物理模型，建立了 适用于任何条件下的工程用光伏电池仿真模型。 厂家提供标准条件( 日照强度s b = 1 0 0 0 w m 2 ，电池温度t b = 2 5 ) 下电池板的 测试参数、圪c 、厶、，为建立工程用模型，在式( 1 ) 的基础上做两个近似【】： ( 1 ) 由于r s h 非常大，所以可以忽略( v + r , d r ， 项； ( 2 ) 咫远小于二极管正向导通电阻，所以假设厶。= 锄。 基于以上假设，光伏电池厶y 方程简化为： 5 华北电力大学硕士学位论文 最大功率点时 可解c l 、q 得： i = i , c c ，z o k x p ( v c ：圪) 一1 】 ( 2 2 ) e x p ( v c 2 v ) 一l = e x p ( v m c 2 v , 。) ( 2 - 3 ) c ，= ( 1 一i m 乞) e x p ( 一匕c ：v o , ) c 2 = 帆v o 。一1 ) 1 n ( 1 一i m l ) 】。 当日照强度和电池温度变化时，重新计算五u 删、圪u 。”b 。w 、 求出c l 。，、c 2 j p w ，即可得新的卜矿特性曲线： s = 旦一1 s 口 a t = t 一乙 圪一= k ( 1 一c a t ) ( 1 + b a s ) v 研= v m ( 1 一c a t x l + b a s ) 式中系数a 、c 采用典型值【1 7 】： a = 0 0 0 2 5 c = 0 0 0 2 9 系数b 采用优化后的参数值【1 6 】： b = 一0 1 9 4 9 + 7 0 5 6 0 x1 0 4 xs 设珏为任意的环境温度，则光伏电池板温度丁为： t = t e + k s 式中k 由试验测得大量数据确定，取k = 0 。0 3 0 0 。 光伏阵列卜y 特性是非线性的，所以存在光伏阵列输出功率最大， 6 ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) 一。w ，然后 ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 一l o ) ( 2 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) 光伏发电系 d 俄 汀 托 以 旦& 砸 s 一叉 。 旦 = l w i i 州 。 一 华北电力大学硕士学位论文 统能量转换效率最高的一点，即最大功率点。最大功率点跟踪控制是研究重点，将 在后面讨论。 2 2 光伏电池的m a t l a b 数学建模 基于以上数学模型，在m a t l a b s i m u l i n k 下建立光伏电池的仿真模块【2 1 。2 3 1 ， 封装后如图2 3 所示。内部封装参数有a 、b ，c ，其输入参数有：s 、岛、a 、 k 、圪c 、厶、。输出端有n 、矿。 8 0 l a r c e l l 图2 3 光伏电池模型 电池板参数选厶。= 4 9 a ，= 4 3 2 v ，厶= 4 5 a ，= 3 4 4 v 。 控制其他条件不变，选择日照强度s = 1 0 0 0k w m 2 ，t = - 2 5 。c ，当控制电池板输 出电压圪在0 到2 s 内由0 增加到4 5 v 时，输出电流厶的波形如图2 4 所示，输出 功率随时间变化的曲线如图2 5 所示； 图2 - 4 卜矿变化曲线 由图2 4 可以看出，当日照强度和温度不变时，在o s 到2 s 内，随着电池板端 电压从0 v 到4 5 v 不断升高，电池板输出电流逐渐减小，在接近厶时端电压高于开 路电压，输出电流则变为零。由图2 5 可以看出，当端电压从0 v 到4 5 v 不断升高 时，输出功率先增加，后减小。在3 5 v 左右有一个最大功率输出点，与给定参数一 致。 7 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 5卜矿变化曲线 控制端电压恒定在3 4 4 v ，电池板温度恒定为2 5 c ，使日照强度s 在o 5 s 时由 8 0 0k w m 2 上升至1 0 0 0k w m 2 ，然后在1 4 s 时由1 0 0 0k w m 2 再下降至6 0 0k w m 2 ， 输出电流厶波形如图2 - 6 ( a ) 所示；控制端电压恒定在3 4 4 v ，日照强度恒定在1 0 0 0 k w m 2 ，使电池温度r 在0 5 s 时由2 5 上升至5 0 c ，在1 4 s 时再降至3 0 c ，输出 电流厶波形如图2 - 6 ( b ) 所示。 一一l 一一j 一一一l 一一j 一一一 i ： 1 一一l 一一j 一一一l 一j i ： 一一一l 一一j 一一一l 。j ：一一 j 一一。：l j 一一l j 一一一l 一一j 一一一l 一一jl 0n 2n 4n ent1 21 4 2 ( a ) 卜s 变化曲线( b ) 卜r 变化曲线 图2 6 输出电流变化曲线 由图2 - 6 ( a ) 可以看出，当输出电压和温度都一定时，输出电流随着日照强度的 增加而增加，随着日照强度的减小而减小。由图2 - 6 ( b ) 可以看出，当输出电压和日 照强度一定时，输出电流随着温度的上升而减小，随着温度的下降而升高。 经仿真验证，该模型能很好的反映出太阳能电池的特性，具有工程应用价值。 8 华北电力大学硕士学位论文 第三章二极管箝位式三电平逆变器及其控制方式 3 1 多电平逆变器发展 j 多电平换流器的概念自提出至今将近三十年里，已经得到了长足的发展。在多 电平换流器刚刚提出的几年，并没有受到广泛的关注，原因是由于多电平的拓扑结 构比两电平拓扑结构复杂，对功率开关器件以及硬件控制电路等都有较高的要求。 2 0 世纪8 0 年代末期，数字信号处理器迅速发展，i g b t 、g t o 等大功率开关器 件容量也不断的提高，多电平换流器得到了人们普遍的关注，在无功功率补偿、电 力有源滤波器、高电压大功率交流电机变频调速等方面都有了广泛的应用。 多电平换流器有许多优点：( 1 ) 与传统的两电平换流器相比，开关器件承受的 电压应力较小，d v d t 减小；( 2 ) 每个开关器件承受的最大电压为直流侧电压的 1 ( n 一1 ) ；( 3 ) 电平数的增加可有效的改善输出波形。 多电平换流器的基本拓扑有三大类：二极管箝位式换流器、飞跨电容式多电平 换流器、级联型多电平换流器，此外还有一系列改进型拓扑结构【1 1 , 1 2 】。 3 1 1 二极管箝位式换流器 1 9 8 0 年，日本的a n a b a e 提出了二极管中点箝位式( n e u t r a lp o i n tc l a m p e d ， n p c ) 换流器，二极管箝位式三相三电平逆变器拓扑如图3 一l 所示。 以 阮 以 图3 一l 二极管箝位式三相三电平逆变器 由图3 一l 可知，二极管箝位式三电平逆变器每一相都需要4 个开关器件、4 个 9 华北电力大学硕士学位论文 续流二极管、2 个箝位二极管。两个箝位二极管的中点与直流侧均压电容的中点相 连。当岛l 和& 2 同时开通，& 3 和鼢关断时，输出对d 点的电平为e 以；当s 0 2 和品3 同时开通，s o l 和4 关断时，输出现对d 点的电平为0 ；当& 3 和鼢同时开 通，& l 和2 关断时，输出配对d 点的电平为一邑汜。么、召、c 每一相都能输出三 个电平状态。 每一相的稳态工作情况为：当l 和& 2 同时开通，& 3 和& 4 关断时，若电流经 i 和2 流向负载，则以对d 点电压等于电容c l 两端电压，即剐2 ，若电流反向 流动，则经续流二极管d l 和d 2 流向电源，对d 点电压仍等于电容c l 两端电压 e 以；当& 2 和s a 3 同时开通，l 和鼢关断时，电流或经d 5 和2 由逆变器流行负 载，或经& 3 和d 6 由负载侧流向逆变器，但对d 点电压始终为0 ；当3 和4 同时开通，l 和s a 2 关断时，电流或是经j d 3 和伪由逆变器流向负载侧，或是经& 3 和& 4 由负载侧流向逆变器，但玩对d 点电压始终为一邑舵。开关器件状态和输出 电平关系如表3 一l 所示。 表3 - 1 开关器件状态和输出电平关系 泌 & l& 3s 0 4 e d | 2 o n o n o f f o f r o o f fo no no f j f e 以 o f fo f j fo no n 如果要得到更多地电平数，例如m 电平，则需要将直流分压电容增加为( 掰一1 ) 个进行串联，每一相桥臂的开关器件增加为2 ( m 一1 ) 个进行串联，每相桥臂的箝位二 极管数量改为( 朋一1 ) ( 朋一2 ) 个，然后再根据与三电平类似的控制方法进行控制即可。 如图3 2 所示为一相二极管箝位5 电平换流器拓扑结构。 二极管箝位式多电平换流器优点有： ( 1 ) 电平数多，输出电压波形更接近正弦，谐波含量少； ( 2 ) 同等电压条件下，与两电平换流器相比，每个开关器件所承受的电压和 耐受d v d t 减小； ( 3 ) 将两组相同的多电平三相换流器按背靠背方式连接，即可实现功率的双 向流动控制； ( 4 ) 可以控制无功功率电流。 二极管筘位式多电平换流器缺点有： ( 1 ) 随着电平数的增加，箝位二极管的数量会以电平数二次方的规律递增， 不但提高了成本，在系统布局方面也难以实现，所以实际应用中以三电平换流器较 1 0 华北电力大学硕士学位论文 多； ，讳 ：o i 、砷 吕 ! 一 2 一 = g 2l = 2i2l jl 一 2、 ) 一zi ( = c 3 2 2 、 l i 吲 2s 2 ji d 来 = c 4 口 h 卡：本 l 图3 2 单相二极管箝位式5 电平换流器拓扑结构 ( 2 ) 直流侧均压电容存在电压不平衡问题，因而增加了控制的难度，且随着 电平数的增加，控制也越来越复杂； ( 3 ) 各个开关器件导通时间不同，以三电平为例，每相桥臂中间的两个开关 器件导通时间最长，所以发热量也较多，因此系统的散热设计应按照这两个开关器 件的标准设计，造成了浪费。 3 1 2 飞跨电容式多电平换流器 飞跨电容型换流器的拓扑结构是由t a m e y n a r d 和h f o e h 在1 9 9 2 年提出的。 将二极管箝位多电平换流器中的箝位二极管改用悬浮电容来代替，图3 3 所示为一 个三电平飞跨电容式三相逆变器拓扑结构图。它的开关状态和输出电平关系与二极 管箝位式的相同。 华北电力大学硕士学位论文 图3 - 3 三电平飞跨电容式三相逆变器拓扑结构图 玩 坼 阢 当把三电平推广到多电平时，对于一个m 电平的三相逆变器，需要直流分压电 图3 - 4 单相五电平飞跨电容式逆变器 1 2 一 i ￥ 华北电力大学硕士学位论文 容( m 一1 ) 个、开关器件6 ( m 一1 ) 个、飞跨箝位的电容3 ( m 1 ) ( 所一2 ) 个，一个单相的五电 平飞跨电容式逆变器如图3 _ 4 所示。 与二极管箝位式的多电平逆变器相比，飞跨电容式逆变器的电平合成自由度和 灵活性更高，例如，对三电平而言，要输出e d 2 ，可以有两种开关组合状态，s 口l 和s 口3 开通或s 口2 和s 口4 开通，开关状态的多选择性为直流侧均压电容的电压平衡控 制创造了有利条件。 飞跨电容式多电平逆变器继承了二极管箝位式多电平逆变器的多项优点，但也 存在一些缺点： ( 1 ) 虽然飞跨电容式多电平逆变器省去了大量的箝位二极管，但是却引入了 大量的飞跨电容，而电容的可靠性较差，寿命也较短，且对于高电压大容量的系统， 电容的体积大，成本高，难以封装。 ( 2 ) 为了稳定均压电容的电压，使电容充放电保持平衡，就需要对相同的输 出电平采用不同的开关组合状态，增加了系统的控制难度，同时也提高了开关器件 的开关频率，增加了开关损耗，降低了开关器件的使用寿命。 3 1 3 基于独立直流电源箝位的级联型多电平换流器 图3 5 所示为三相级联五电平换流器。从图可看出，这种换流器由6 个单相全 桥的电路级联形成。每一相由两个单相全桥的逆变器构成，所以每一相都需要2 个 独立的直流电源。构成这种换流器不需箝位电容和箝位二极管，因此它需要的无源 器件相对前两种拓扑结构要少，但是这种换流器需要独立的直流电源，当扩展到m 电平的时候需要2 ( m 1 ) 个主功率管，2 m 1 个反并联二极管和( 研一1 ) 2 个独立电源。 这种换流器的优点是： ( 1 ) 直流侧采用相互独立的直流电源，不存在电容电压平衡问题； ( 2 ) 具有模块化的结构特点，设计、制造方便，作为部件所采用的低压、小 容量逆变器技术成熟，系统的可靠性高； ( 3 ) 对相同的电平数，级联结构所需的元器件数目少； ( 4 ) 由于没有电容和箝位二极管的限制，级联结构的电平数可较大，因而可 用于更高电压的场合，实现更低谐波。 缺点是： ( 1 ) 不容易实现四象限的运行； ( 2 ) 需要多个独立的直流电源，当采用不控整流方法获得直流电源时，为减 少对电网的谐波干扰，往往采用多绕组曲折变压器的多重化来实现，这种变压器设 计困难，成本高，体积大。 华北电力大学硕士学位论文 图3 - 5 三相级联五电平换流器( 星形连接) 3 2 二极管箝位式三电平逆变器控制方式 考虑二极管箝位式逆变器的各种优点，本文的光伏并网系统采用二极管箝位式 逆变器。以两电平逆变器为例，目前所提出并得到应用的p w m 控制方式不下十种， 三电平逆变器p w m 控制技术基本上都来源于已经都成熟的两电平p w m 技术。 二极管箝位式三电平逆变器p w m 控制方法主要有三种：载波调制p w m 控制 法、消除特定谐波p w m 控制法、空间电压矢量p w m 控制法。载波调制法又包括 载波移相p w m 法、载波层叠p w m 法、开关频率优化p w m 法、阶梯波e p w m 法、 分段载波层叠式p w m 法；空间电压矢量p w m 法包括6 0 0 坐标系法、参考电压分解 法等。在实际应用中，较为常用的是载波p w m 控制方法和空间电压矢量p w m 控 制法，下面简要讨论这两类控制方法。 3 2 1 载波p w m 控制方法 三电平载波应用较多的是载波层叠法和开关频率优化法。载波层叠法的载波是 两组频率和幅值相同的三角波，分上下两层对称分布在横轴上下，用同一个调制波 进行调制。根据两个三角载波的相位关系，载波层叠法又可分为载波反相层叠法和 载波同相层叠法。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 1 载波反相层叠p w m 控制法 l 全 浏w w 认，助曳 纱图 n 雨 疹樾v 恕辫 v v、，v i j 乙 ，i 、? ， 、 f i， | ， ， i ， 、， v ， ，、 ： 、 t 、， ， ，i ， ，- t ，忱 ； j。，i：； ，、 ， 、 旷； 冗 2 9 0 5 图3 - 6 载波反相层叠p w m 调制波形图 以图3 一l 所示二极管箝位式三电平逆变器的彳相为例，其载波反相层叠p w m 控制法的工作波形如图3 - 6 所示。其中l 和u c 2 为反相的三角载波，蚝口为正弦调制 波，在正弦波瞬时值大于三角波的部分输出高电平，小于的部分输出零电平。载波 l 和“以是反相的，对称于坐标横轴，所以通过调制所产生的p w m 波形是正半周 与负半周对称的。三相系统的载波与之类似，只是将调制波改成三相对称的正弦波 电压即可。 2 载波同相层叠p w m 控制法 当两个载波u c i 和”。2 相位相同时，载波层叠法即为载波同相层叠p w m 控制法。 其工作波形如图3 7 所示。其中u c l 和u c 2 为上下层的载波，u s 口为正弦调制波，在正 弦波瞬时值大于三角波的部分输出高电平，小于的部分输出零电平。由于l 和u c 2 是同相的，它们不对称于横坐标轴，所以产生p w m 波形正半周与负半周不一定对 称。三相系统的载波与之类似，只是将调制波改成三相对称的正弦波电压即可。 1 5 华北电力大学硕士学位论文 沈 u s o l 纱 叼 - 棚 汤莎v v v w 目- l芴n i7 ， ： ，易 、 j ， ， 参影t ， f l力 ，t 乡 守 1， ， ，、 ，i ri 1 ， ， f j ， 矿 ? j 、l f幻 l ? 、 “ ，1 ， ， t u , 2 x ， 卜 ， ， ；， h j 。 t 卜i 、， - - l 兀 2 1 t 国 图3 - 7 载波同相层叠p w m 调制波形图 载波反相层叠法与载波同相层叠法的调制波采用的都是正弦波，实现简单，但 直流电压的利用率比较低，同时也没有很好地考虑到中点电压平衡的控制问题。 3 开关频率优化p w m 法 搿 u c u s o o 图3 8 开关频率优化p w m 调制波形图 1 6 华北电力大学硕士学位论文 如图3 8 所示，开关频率优化法也是采用调制的方法产生p w m 波。其本质是 在正弦波中加入零序分量作为调制波，或将正弦波改为梯形波作为调制波，提高了 电压利用率。在正弦波中加入零序分量作为调制波的方法应用较为普遍，所以开关 优化p w m 控制法又常常被称为注入零序谐波的优化p w m 控制法。 这种方法只能用于三相三线制逆变器，而不能用于单相逆变器或三相四线制逆 变器，以避免零序谐波对输出电压的影响。利用加入的不同零序谐波分量可以实现 以下三个方面的优化控制： ( 1 ) 考虑中点电压的平衡优化。二极管箝位式三电平逆变器的直流侧电容分 压的零点电流不为零时，直流分压电容的电压将失去平衡。在正弦调制波中加入适 当的零序分量，可以对中点电压的平衡进行调节( 具体分析见第四章) 。 ( 2 ) 提高直流电源电压利用率。与两电平s p w m 控制法相似，在正弦调制波 中加入特定的零序分量，如 1 u z = 【m ，“c ) 懈+ “，“口， c ) 血n 】 ( 3 - 1 ) 二 可以使调制比线性控制范围增加，提高直流电压的利用率。 ( 3 ) 降低开关损耗。当p w m 控制的开关频率升高时，开关损耗成比例的增加。 当在正弦调制波中加入零序谐波以后，使调制波的峰项扁平，在调制度为1 时，可 以使开关在相电压的最大值附近不动作，这样就减少了开关在最大电流处的开关次 数，减少开关损耗。 3 2 2 空间矢量p w m 控制方法 在三电平控制系统中，每一桥臂的输出状态均有三种：高电平e ，零电平，低 电平e ( 设直流侧电压为舾) 。以彳相为例：当& l 、开通时，输出为高电平e ； 当2 、3 开通时，输出为零电平；当& 3 、鼢开通时，输出为低电平坷。丑、c 两 相的输出状态和么相的相同。我们设定输出高电平e 为p 状态，输出零电平为o 状 态，输出低电平占为刀状态。对三相对称系统来说，共可组合成3 3 种开关状态， 将三相输出电压经c l a r k e 变换投影到( 口，) 坐标系中后，每一种开关状态组 合对应一个电压空间矢量，如图3 - 9 所示。三电平逆变器共有2 7 个不同的电压空 间矢量，其中，大六边形的6 个顶点为6 长大矢量所在的位置，大六边形各边中点 为6 个中矢量所在位置，小六边形的每个顶点代表两个短矢量( p 型短矢量和栉型 短矢量) ，因此短矢量共有1 2 个，零电压矢量有3 种，且都位于六边形的中点【2 4 1 。 1 7 华北电力大学硕士学位论文 参 八 入o p o 一 一 忑 刀叩 r m o x x v 胛 n n p o n p p n p 图3 - 9 三电平逆变器电压空间矢量 图3 - 9 中，任一个矢量均代表a 、b 、c 三相的状态，如矢量p n n ，代表三电平 逆变器的么相桥臂中& ”& 2 开通，曰相桥臂中& 3 、鼢开通，c 相桥臂中& 3 、4 开通，其余矢量分析类似。各矢量的幅值如表3 2 所示。 表3 2 三电平逆变器的电压空间矢量及幅值 矢量类别矢量矢量幅值 长矢量 p r l n , p p n , n p n , n p p , n n p , p n p 4 e | 3 中矢量 p o n ，o p n ，n p o ，h o p ，o n p ，p n o2 e x 3 2 e 3 p 型短矢量即0 ，o p o ，o p p ，o o p ，p o p ，p o o 2 e 3 n 型短矢量 o o t l ，n o n ，t l o o ，t l t l o ，o t t o ，o t l t l 零矢量 p p p ，0 0 0 ，甩刀刀 o 在具体的应用中，空间矢量算法的计算分为以下两步： 1 扇区的划分 s v p w m 的首要任务就是判断参考电压矢量位于哪个扇区及该扇区中的哪个小 三角形，然后就可以依此确定出相应的输出电压矢量。 1 8 华北电力大学硕士学位论文 由图3 - 9 可知，三电平变频器能输出1 9 种不同的基本空间电压矢量。其中，6 个长矢量把把圆周3 6 0 0 等分为6 个扇区，每个扇区占6 0 0 的空间角度，从0 【轴开始， 按逆时针旋转方向给六个扇区依次编号为i 、v 、，而每个扇区又可划 分为6 个区域，在任何一个区域内有最接近的3 个电压矢量供选择，零矢量为6 个 扇区所共有。 首先，根据如下方法确定参考矢量所在的扇区( 图3 - 9 中的6 个扇区之一) 。 如图3 1 0 所示，当参考矢量位于扇区i 时的充要条件是： 黔且黔麓2 式中，= 嘭+ 瑶，代入式( 3 2 ) ，可将式( 3 2 ) 化简为： 0 且3 圪一 0 当参考矢量位于扇区i i 时的充要条件是： o 且 半 将= 嘭+ 代入式( 3 3 ) ，可得式( 3 4 ) 的等价表达式： 0 且4 3 v 。, 一 0 同理，参考矢量位于扇区i i i 的充要条件是： 参考矢量位于扇区的充要条件是： 0 参考矢量位于扇区v 的充要条件是： 0 参考矢量位于扇区的充要条件是： o 且；圪+ o ； 且压圪一 o ； 且压圪+ o ( 3 - 2 ) ( 3 - 3 ) ( 3 - 4 ) ( 3 - 5 ) 华北电力大学硕士学位论文 由以上各判断条件即可确定参考电压矢量所在的扇区。 2 空间矢量作用时间的计算 图3 1 1 扇区1 矢量图 在图3 - 1 1 中，若参考电压矢量位于区域2 或3 且直流侧电容电压平衡，则 与相邻的电压矢量可表示为： v o l = 詈e ，9 1 2 去眈f ，= 詈眈弓，= 您j 一 ( 3 6 ) 是由与其相邻的三个矢量所合成的，因此，在每一个采样周期内有： 乞+气+tc=正(3-7) v o l t a + v i 2 t b 十v 0 2 f c2y ，矿lj【j 一芍j 其中，乙，t b , ，坛分别是矢量l ，巧2 ，2 在采样周期t n 中的持续时间。 由公式( 3 6 ) 和( 3 8 ) 可得： 詈玩+ 万2 s 融+ 詈s 川删冯 ( 3 - 9 ) 万2 踯i i l 私+ 扣i n 川s i n ( 3 - 1 0 ) 联立( 3 7 ) ，( 3 - 9 ) ，( 3 - 1 0 ) 可得： 乙= t s ( 1 - 2 m s i n 0 ，气= 五 2 m s t n c 秒+ 詈，一 ， 乙= 乃 2 m s i n c 臼一；，+ c 3 一， 华北电力大学硕士学位论文 其中，m = 等，需反映实际参考电压矢量的大小，且y 表示三电平逆变器输 出相电压的最大值，e 为直流侧每个电容上的电压值。如果m = 1 0 ，则v = 2 e 4 3 ， 线电压幅值的最大值可表示为： 。： 影2 2 e = ( 删飞跨电容器三电平逆变器)( 3 1 2 ) u 脚一一一l 匆：2 e ：2 旧型三电平逆变器) u - 1 纠 同理，在区域0 或1 中，若参考电压矢量位于该区域且直流侧电容电压平 衡，则与相邻的电压矢量可表示为： l ：2 ，e ，：e e 正，：( 3 - 1 3 ) 0t 2