逆变电源电网技术研究

摘要随着不可再生能源的不断减少，人们越来越来重视对于可再生能源、清洁能源的开发和利用。人类对于风能、太阳能等能源的开发和利用已经越来越成熟，但要将这些能源很好的用于日常生活仍然有着一些需要解决的问题。如何将这些直流电转变成220V50HZ的交流电正是我们需要解决的问题，同时将这些电能并入市电电网时还要考虑其对于市电电网的影响。本文研究的正是如何更好地实现逆变并网技术。本文首先就逆变电路的原理以及并网的基本要求进行了阐述，同时还讲解了逆变电路的分类及其几种基本电路以及换流方式。接着通过对逆变电路的拓扑结构进行比较，通过对逆变电路几种拓扑结构优缺点的分析最后确定主电路选用全桥逆变，在驱动电路部分则选用了性能更优越的全控型器件IGBT。然后对逆变电路的控制方式进行比较选择，确定了用SPWM控制技术来控制触发电路以得到更好的正弦波形。在文章的第四部分对并网时环流产生的原因及解决方法进行了分析，基本解决了并网时环流对市电造成污染的情况。最后对逆变并网系统进行了仿真，通过MATLAB仿真基本实现了输出220V50HZ波形的要求。关键词逆变电路；并网；SPWM；环流ABSTRACTWITHTHECONTINUOUSREDUCTIONOFNONRENEWABLEENERGYSOURCES,PEOPLEINCREASINGLYCOMETOATTENTIONFORRENEWABLEENERGY,CLEANENERGYDEVELOPMENTANDUTILIZATIONHUMANRACEASWIND,SOLARANDOTHERENERGYDEVELOPMENTANDUTILIZATIONHAVEBECOMEINCREASINGLYMATURE,BUTVERYGOODFORTHESEENERGYSOURCESTODAILYLIFESTILLHASANUMBEROFPROBLEMSTOBESOLVEDHOWTHESEDCINTOAC220V50HZISWHATWENEEDTOADDRESSTHEPROBLEM,WHILETHEELECTRICALENERGYANDELECTRICPOWERMARKETWHENTHEYCONSIDERTHEIMPACTOFTHEELECTRICITYGRIDTHISSTUDYISHOWTOBETTERACHIEVEINVERTERANDNETWORKTECHNOLOGYTHISPAPERFIRSTINVERTERCIRCUITANDNETWORKTHEORYANDTHEBASICREQUIREMENTSAREDESCRIBED,ANDALSOEXPLAINEDTHEINVERTERCIRCUITANDCLASSIFICATIONOFSEVERALBASICCOMMUTATIONMODETHENTHROUGHTHEINVERTERCIRCUITTOPOLOGYCOMPARISON,THROUGHTHEINVERTERCIRCUITTOPOLOGYOFTHEADVANTAGESANDDISADVANTAGESOFSEVERALFINALIZESELECTIONOFFULLBRIDGEINVERTERMAINCIRCUIT,DRIVECIRCUITPARTINTHESELECTIONOFTHESUPERIORPERFORMANCEOFFULLCONTROLLEDDEVICEIGBTINVERTERCIRCUITANDTHENCOMPARETHESELECTEDCONTROLMODEDETERMINEDBYSPWMCONTROLTECHNIQUETOCONTROLTHETRIGGERCIRCUITTOGETBETTERSINEWAVEINTHEFOURTHPARTOFTHEARTICLEWHENTHECIRCULATIONOFTHEGRIDCAUSESANDSOLUTIONSAREANALYZED,THEBASICSOLUTIONOFTHEGRIDWHENTHECIRCULATIONOFELECTRICITYCAUSEDBYPOLLUTIONFINALLY,THEINVERTERANDTHENETWORKSYSTEMISSIMULATEDBYMATLABSIMULATIONOFTHEBASICREALIZATIONOFTHEOUTPUT220V50HZWAVEFORMREQUIREMENTSKEYWORDSINVERTERCIRCUIT；GRID；SPWM；CIRCULATION目录摘要IABSTRACTII1绪论111逆变电源并网技术的研究背景及意义112逆变器的发展与现状213并网标准分析214全文主要研究内容42逆变电源硬件设计621逆变电路工作原理分析6211逆变电路基本工作原理6212换流方式研究622拓扑结构选型723主电路设计824驱动电路设计103逆变电源软件设计1231并网逆变器控制策略比较12311电流滞环比较方式12312定时比较方式13313三角波比较方式1432基于无差拍控制的PWM并网技术1533SPWM控制设计164并网控制与分析1841并网要求1842产生环流的原因1943有关环流的处理22431环流带来的影响分析22432环流功率2244幅值、相位差对功率的影响2345功率分配245逆变电源并网系统仿真2651并网逆变系统建模2652系统仿真与实现276总结与展望30参考文献31附录32致谢351绪论11逆变电源并网技术的研究背景及意义能源是人类赖以生存的物质基础，影响着人类社会发展的进程与未来。在19世纪以前的农业社会，主要依靠可再生能源太阳能、生物质能、水能、风能作为一次能源。自工业革命以来，煤的开发利用逐步取代了木柴，经历约半个世纪后成为全球的主要一次能源。到了20世纪，人类开始大规模开发利用石油和天然气，成为化石能源世纪。今天，煤、石油与天然气已占世界能源消耗总量的80以上1。化石能源不可再生，并终将耗竭。全世界的人们已经认识到，人类必须减少化石能源的份额，增大可再生与新型能源的比重，向建立可持续发展的体系过渡。另一方面，大量使用化石能源已经给人类的生存环境带来了严重的后果。目前由于大量使用矿物能源，全世界每天产生约一亿吨“温室效应”气体，造成了严重的大气污染。面临实现经济和社会可持续发展的重大挑战，人类文明的高度发展与生存环境的快速恶化已经形成了一对非常突出的矛盾。因此，在有限的资源和环保严格要求的双重制约下，人类要解决能源问题，实现可持续发展，只能依靠科技进步，走大规模开发和利用可再生洁净能源的道路。我国是世界上少数几个能源结构以煤炭为主的国家，也是世界上最大的煤炭消费国，对环境造成的污染不容乐观。在2000年，中国有57的城市环境污染颗粒物超过国家限制值，有48个城市的二氧化硫浓度超过国家标准82的城市出现过酸雨，面积己达国土面积的302。我国经济正处在一个快速发展的时期，对能源的需求量在未来几十年依然巨大。在今后15年左右以及更长的一段时间里，能源的发展状况对我国全面实现小康社会的宏伟目标将起到决定性的作用。目前我国的能源工业面临着经济发展和环境保护的双重压力，开发利用可再生能源，改变能源结构已成为我国面临的一重大课题。正是因为能源的紧缺以及可持续发展的要求导致各国开始加大了对于新能源的研究与开发，各国对于清洁能源风能、太阳能、地热、潮汐等各种新能源给予了足够的关注。而这些清洁能源要想转变成生活用电都必不可少的要进行逆变，但如果仅仅只是进行简单的逆变将会对原电路造成污染。这就要求我们对并网的参数进行计算并进行标准化，提高并网质量才能更好的利用这些新能源。目前PWM逆变技术被采用的比较多，在当今的PWM逆变器中，输出变压器和交流滤波器的体积重量占了主要部分。为了减小输出变压器和交流滤波器的体积重量、提高逆变器的功率密度，高频化仍然是主要发展方向之一，如提高SPWM逆变器的开关频率，采用交流传动用变频器的内高频环等3。但逆变器的高频化也存在一些问题，如使开关损耗增加，电磁干扰增大。此外，导体的集肤效应与邻近效应，电容的ESR及磁无件的寄生参数等问题都需要解决，其中最主要的就是开关损耗增加与电磁干扰问题。解决这些问题的最有效的办法有两个，一是提高开关器件的速度，二是用谐振或准谐振的方式使逆变器开关工作在软开关状态。PWM软开关逆变技术是当今电力电子学领域最活跃的研究内容之一，是实现电力电子技术高频化的最佳途径。他的研究对逆变器性能的提高与进一步推广应用，以及对电力电子技术的发展，都有十分重要的意义，是当前逆变器的发展方向之一。12逆变器的发展与现状逆变器技术的发展始终与功率器件及其控制技术的发展紧密结合，从开始发展至今经历了五个阶段第一阶段20世纪5060年代，晶闸管SCR的诞生为正弦波逆变器的发展创造了条件；第二阶段20世纪70年代，可关断晶闸管GTO及双极型晶体管BJT的问世，使得逆变技术得到发展和应用；第三阶段20世纪80年代，功率场效应管、绝缘栅型晶体管、MOS控制晶闸管等功率器件的诞生为逆变器向大容量方向发展奠定了基础。第四阶段20世纪90年代，微电子技术的发展使新近的控制技术如矢量控制技术、多电平变换技术、重复控制、模糊控制等技术在逆变领域得到了较好的应用，极大的促进了逆变器技术的发展；第五阶段21世纪初，逆变技术的发展随着电力电子技术、微电子技术和现代控制理论的进步不断改进，逆变技术正朝着高频化、高效率、高功率密度、高可靠性、智能化的方向发展。80年代以来，电力电子技术与微电子技术相结合，产生了多种高频化的全控器件，并得到了迅速发展，如功率场效应晶体管POWERMOSFET，绝缘门极晶体管IGBT,静电感应晶体管SIT,静电感应晶闸管SITH、场控晶闸管MCT,MOS晶体管MGT、IEGT以及IGCT等。这就使电力电子技术由传统发展时代进入到高频化时代。在这个时代，具有小型化和高性能特点的新逆变技术层出不穷，特别是脉宽调制波形改善技术得到了飞速的发展4。今后，随着工业和科学技术的发展，对电能质量的要求将越来越高，包括市电电网在内的原始电能的质量可能满足不了设备的要求，必须经过电力电子装置变换后才能使用，而DC/AC逆变技术在这种变换中将起到重要的作用。13并网标准分析随着清洁能源的发展并网发电系统也随之增加，它们在一定程度上改变和影响了电网及其调节能力。因此，国际上相关部门针对并网发电系统制定出一系列的技术尺度和并网要求。2003年6月，由标准制定委员会21次会议SCC21发布的IEEESTD15472003是第一个规范燃料电池、光伏系统，分布式发电装置、能量存储设备这类分布式电源系统的并网标准5。IEEESTD15472003考虑的容量为不超过10MVA，工作频率为60HZ的分布式发电系统。所以针对国内的工频50HZ市电，将该标准按照比例修改后作为参考。该标准所关注的是技术规范、测试规范以及并网连接本身，它包括通用的技术指标、异常状态响应情况、并网波形质量、孤岛、保护措施，并网维护、测试标准等。下面是标准中关于并网的几个重要技术指标和要求6并网工作时，电网电压正常范围为标准电压的88110，当电网相电压超出正常范围时如表11所示时，并网系统应该立刻检测出异常并在规定时间内脱离电网或做出响应。表11并网系统电压异常响应时间电压范围（标准电压百分比）响应时间（MS）V5016050V882000110V1201000V120160IEEE标准中以60HZ分布式发电系统为规范对象，将数据按照比例修改，得到表12的频率异常范围和响应时间。根据功率情况分为两类，容量大于30KW的装置其数据为可变范围。表12并网系统频率异常响应时间系统容量频率范围（HZ）响应时间（MS）60516030KW593160606160（598570）160300030KW570160并网系统不能对电网造成污染，因此对并网电流的谐波要求如表13所示。表13并网电流谐波指标奇次谐波HH1111H1717H2323H3535H总谐波（TDH）（）402015060350并网系统工作时，其相位、频率必须和电网电压同步，在系统和电网闭合之前还必须使电压幅值跟踪电网电压，当该指标符合表13所示的要求时才允许闭合连接装置，使系统和电网并联工作。表14系统并网同步参数指标容量（KVA）频率（F，HZ）电压差（V，）相位差（U，）050003102050015000251515001000001310系统独立逆变运行时的电压谐波要求如表15所示表15电压谐波技术指标奇次谐波HH1111H1717H2323H3535H总谐波（THD）（）402015060350关于功率因素的要求，在该标准中没有明确指出，可在其他相关的应用标准中查询。例如在IEEESTD9292000中规定光伏系统在输出功率大于10额定功率时，功率因数应该大于085。14全文主要研究内容本文首先要对逆变电路的基本工作原理以及并网的基本要求进行探讨，同时还要研究逆变电路的分类及其几种基本电路以及换流方式。在系统的硬件部分要对逆变电路的拓扑结构进行比较，通过对逆变电路几种拓扑结构优缺点的分析最后确定主电路到底选用何种逆变电路，驱动电路是系统中一个重要的环节因而必须找出合适的控制元件。然后还要对逆变电路的控制方式进行比较选择，确定选何种控制技术来控制触发电路以得到更好的正弦波形。接着还要对并网时环流产生的原因进行分析并找出解决的方法，必须解决并网时环流对市电造成污染的现象。最后还要对逆变并网系统进行仿真，通过MATLAB仿真基本实现输出220V50HZ波形的要求。2逆变电源硬件设计21逆变电路工作原理分析211逆变电路基本工作原理图21逆变电路及其波形以图21的单相桥式逆变电路为例说明其最基本的工作原理。图中S1S4是桥式电路的4个臂，它们由电力电子器件及其辅助电路组成。当开关S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压U0为正；当开关S1、S4断开，S2、S3闭合时，U0为负，其波形如上图所示。这样就把直流电变成了交流电，改变两组开关的切换频率，即可改变输出交流电的频率。这就是逆变电路最基本的工作原理。当负载为电阻时，负载电流I0和电压U0的波形形状相同，相位也相同。当负载为阻感时，I0的基波相位滞后于的U0基波，两者波形的形状也不同，上图中给出的就是阻感负载时的波形。在T1时刻断开S1、S4，同时合上S2、S3,则U0极性立刻变为负。但是，因为负载中有电感，其电流极性不能立刻改变而仍维持原方向。这时负载电流从直流电源负极流出，经S2、负载和S3流回正极，负载电感中存储的能量向直流电源反馈，负载电流逐渐减小，到T2时刻降为零，之后I0才反向并逐渐增大。S2、S3断开，S1、S4闭合时的情况类似。以上均为理想开关时的分析，实际电路的工作过程要复杂一些7。212换流方式研究换流的基本概念为电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称为换相；开通的基本概念为适当的门极驱动信号就可使器件开通；关断全控型器件可通过门极关断，半控型器件晶闸管，必须利用外部条件才能关断，一般在晶闸管电流过零后施加一定时间反压，才能关断。器件换流可以分为利用全控型器件的自关断能力进行换流；在采用IGBT、电力MOSFET、GTO、GTR等全控型器件的电路中的换流方式是器件换流。而电网换流的方式为电网提供换流电压的换流方式；将负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上即可使其关断。不需要器件具有门极可关断能力，但不适用于没有交流电网的无源逆变电路8。负载换流方式为由负载提供换流电压的换流方式；负载电流的相位超前于负载电压的场合，都可实现负载换流；强迫换流方式为设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反压或反电流的换流方式称为强迫换流；通常利用附加电容上所储存的能量来实现，因此也称为电容换流。换流方式可以总结为器件换流，它适用于全控型器件；其余三种方式是针对晶闸管的；器件换流和强迫换流属于自换流方式；电网换流和负载换流属于外部换流。当电流不是从一个支路向另一个支路转移，而是在支路内部终止流通而变为零，则称为熄灭。22拓扑结构选型常用逆变器主电路的基本形式有两种分类方法按照相数分类，可以分为单相和三相；按照直流侧波形和交流侧波形分类，可以分为电压型逆变器和电流型逆变器。而电压型逆变器可以分为单相和三相两种，电压型单相逆变器中又包含有推挽式、半桥式和全桥式，电压型三相逆变器中包含半桥式和全桥式。电流型逆变器也可分为单相和三相两种。电压型逆变电路特点直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动；输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同；阻感负载时需提供无功功率。图22电压型逆变器VSI该图中电容的作用滤波和吸收无功功率适合于感性负载。图23单相半桥逆变电路半桥逆变电路的优点是简单，使用器件少。其缺点是输出交流电压的幅值UM仅为UD/2，且直流侧需要两个电容器串联，工作时还要控制两个电容器电压的均衡。因此，半桥电路常用于几千瓦以下的小功率逆变电源。图24单相全桥逆变电路图25推挽式单相逆变电路总结半桥电路输出交流电压的幅值UM仅为UD/2，且直流侧需要两个电容器串联，工作时还要控制两个电容器电压的均衡。因此，半桥电路常用于几千瓦以下的小功率逆变电源，故本设计中选用电压型全桥逆变电路来实现逆变。23主电路设计系统先通过直流侧输入直流电压，然后通过全桥逆变电路对输入的直流电压进行逆变，全桥逆变中的IGBT驱动电路由DSP来控制。通过全桥逆变在R1两端可以得到比较好的正弦电压，在并入市电网之前先必须进行相位检测，检测结果与市电相位基本吻合后再通过LCL电路滤波，之后在并入市电网中。图26主体电路图下图为主电路图中的全桥逆变部分，开始时V1和V4通过触发电路导通使得R1两端通以正向电压，之后半个周期V2和V3导通使得R1两端通以反向电压。其中D1、D2、D3、D4是用来对通过晶闸管的电压进行缓冲的。图27单相全桥逆变电路下图为LCL滤波电路，该电路主要是进行滤波作用的,采用两个电感进行两次滤波使得滤波效果更好。图28LCL滤波电路24驱动电路设计IGBT是电压型控制元件，它的开启电压一般为5V到6V，关断电压为0V，还需要有一定的驱动电流，目前常见的驱动器电路类型有光耦隔离型，其特点是传输延时大，成本低，CTR随时用时间增加而降低；电平移位型，其特点是无隔离的热地连接，传输延时小，需要加光耦才能实现基本隔离；磁性变压器型，其特点是安全隔离，传输延时小，成本高11。当前市场上的成品驱动器，按驱动信号与被驱动的绝缘栅器件的电气关系来分，可分为直接驱动和隔离驱动两种，其中隔离驱动的隔离元件有光电耦合器和脉冲变压器两种。本文电路选用落木源公司的隔离型驱动模块以优化IGBT的可靠驱动。该公司共有五个系列的IGBT、MOSFET驱动器产品TXKA系列IGBT驱动器，采用高速光电耦合器隔离，保护措施比较完备，具有信号封锁功能，可以最大限度地保护IGBT。其中多个型号与国外产品兼容。KA101具有完善的三段式短路保护；TXKB系列IGBT驱动器，采用变压器隔离，工作频率比较高，具有较完善的保护功能，具有信号封锁功能；TXKC系列IGBT驱动器，保护功能比较完善，具有信号封锁功能，采用变压器隔离，次级采用分时自给电源，无需用户提供隔离电源；TXKD系列IGBT驱动器，采用变压器隔离，次级采用分时自给电源，占空比可达595，使用方便，价格较低廉，能驱动各种单管和半桥、双正激、同步整流电路中的双管，但一般不适用于很低频率的情况；TXKE系列MOSFET、IGBT驱动器，变压器隔离，采用调制技术，次级采用调制式自给电源，无需用户提供隔离电源PWM开关信息通过调制传递到次级。工作频率范围宽，占空比可在O100之间。经过比较可以发现，TXKE系列的驱动器符合本次设计的，自给式供电方便了驱动部分的硬件设计，减少了出现故障的可能性。触发过流保护动作时18脚对11脚的电压。闭值电压VN可以由14脚的外接电阻助调整。当IGBT的电流过大，集电极对发射极的电压达到阀值电压时，驱动器启动内部的保护机制。检测到IGBT集电极的电位高于保护动作闭值后到开始降栅压的时间。盲区时间TBLIND可由16脚的外接电容CBLIND调整。因为各种尖峰干扰的存在，为避免频繁的保护影响开关电源的正常工作，设立盲区是很有必要的。驱动脉冲电压降到O电平的时间。软关断时间TSOFT可由12脚的外接电容CSOFT调整。软关断开始的时刻，15脚输出低电平报警信号，由用户主控板处理。图29KE103内部结构原理图及外形良好的驱动线路设计和布局是IGBT稳定运行的基本保证，而良好的驱动电路要满足与IGBT门极的距离越短越好，驱动电路与IGBT模块必须用导线连接时，导线越粗越好（双绞线），IGBT的G和E之间必须跨接电阻（10K左右），RGE和门极箝位元件尽可能直接放置在IGBT模块上，优化驱动电路在PCB上的布局。3逆变电源软件设计31并网逆变器控制策略比较并网逆变器输出电流波形与电网电流同频、同幅、同相位后，方可并网。当给并网逆变器的控制部分提供了参考电流后，就需要一种合适的PWM控制方式使并网逆变器的电流能够快速跟踪该参考电流。目前有多种PWM控制方式，例如电流滞环比较方式、定时比较方式和三角波比较方式。不同的PWM控制策略对参考电流的跟踪能力是不一样的，下面对这几种方式作简单的比较。311电流滞环比较方式电流滞环比较方式如图31所示，它是一个双闭环结构，其外环是直流电压反馈控制环，内环是交流电流控制环。将电压调节器输出电流幅值指令乘以表示网压的单位正弦信号后，得到交流的电流指令，将它与实际检测到的电流信号进行比较，当电流误差大于指定的环宽时，滞环比较器产生相应的开关信号来控制逆变器增大或减小输出电流，使其重新回到滞环内。这样，使实际电流围绕着指令电流曲线上下变化，并且始终保持在一个滞环带中。在这种方式中，滞环的宽度对电流的跟踪性能有较大的影响，当滞环的宽度较大时，开关频率较低，则对开关器件的开关频率要求不高，但跟踪误差较大，输出电流中的高次谐波含量较大当滞环的宽度小时，跟踪误差小，器件开关频率高，所以对器件的开关频率要求高。所以电流滞环控制的缺点在于开关频率不固定，有时会出现很窄的脉冲和很大的电流尖峰，给驱动保护电路以及主电路的设计带来困难，对系统性能也有所影响。而且开关频率不固定，滤波困难，对外界的电磁干扰也比较大。使用电流滞环比较PWM控制方法时，并网逆变器输出三相电流如图32所示，图33为A相电参考电流的比较。本仿真中的滞环宽度为LA。图31电流滞环比较方式示意图图32滞环控制的三相输出电流图33滞环PWM控制A相电流与参考电流312定时比较方式定时比较方式，由时钟定时控制的比较器代替电流滞环瞬时比较方式中的滞环比较器如图34。该控制方式中，同样将参考电流I与实际并网电流I进行比较，将两者的偏差I作为比较器的输入，每个时钟周期对偏差值I判断一次，使得PWM信号至少一个时钟周期才会变化一次。与滞环方式相比，这种方式的电流控制误差没有一定的环宽，控制的精度要低一些。补偿电流的跟随误差是不固定的。但是此方式可以避免开关器件开关频率过高的情况发生。图34定时比较方式控制示意图313三角波比较方式这种方式也可以称为SPWM电流跟踪方式，三角波比较方式的电流跟踪方式工作原理图如图35所示，首先将参考电流I和并网电流I进行比较，两者的偏差I经放大器K放大后与三角波进行比较，以输出PWM信号。放大器多采用比例或比例积分放大器。此方法的电流跟踪特性与PI参数有关，对于PI电路响应快的系统，必须提高三角波载波频率，以改善输出波形。这种方式输出电流的谐波比滞环比较方式少，因此常用于对于谐波和噪声要求较高的地方14。这种控制方法与电流滞环控制的区别在于，从电流误差信号得到最终控制逆变器的PWM信号的方式不同。电流滞环控制时将电流误差输入滞环比较器，从而产生PWM波，而这种控制方法则是正弦脉宽调制的方式，把电流误差直接作为参考波，与固定频率的三角波信号比较，产生相应的PWM波来对逆变器进行控制。因而采用这种控制方式的逆变器的开关频率是固定的。在本质上，经电流控制器处理后的电流误差信号就是调制信号，而三角波信号就是载波信号。如果给定电流信号比实测的电流信号更大，误差信号为正，经过调制信号与三角波比较后，使实际电流增加，反之，则使实际电流减少。这种控制方法有一个固定开关频率，很少产生噪声同时开关消耗也较少，而且系统的动态性能也很好。但是这种控制方法的缺点在于，给定电流与实际电流在理论上就必须存在偏差，才能产生PWM波。图35三角波比较方式控制示意图这种电流控制方式的特点为软硬件实现相对复杂；输出电压中含有主要与三角载波相同频率的谐波；功率器件的开关频率固定地等于三角载波的频率；电流响应相对于瞬时值比较方式较慢。32基于无差拍控制的PWM并网技术无差拍控制是近年来新发展的一种跟踪精度高、动态相应快的数字控制策略，它最早于1959年由KALMAN等人提出，直到1985年KRGOKHALE在PESC年会上提出将无差拍控制应用于逆变器控制，逆变器的无差拍控制才引起了广泛的重视。在此后的十几年里，逆变器的无差拍控制取得了一系列的成果9。无差拍控制是根据系统的状态方程和当前状态信息推算出下一采样周期的开关控制量，最终达到使输出量跟踪输入量的目的。具体地说，每个采样间隔发出的控制量，即输出的脉宽控制量是根据当前时刻状态向量和下一个采样时刻的参考值计算发出来的。因此对运算的实时性要求很高。不失一般性，设连续系统方程XAXBU（31）其中，X为状态向量，U为输入向量，A、B为常规系数矩阵。时域解为（30ATTAOXEEBUD2）设采样周期为T，当T满足香农采样定理，且T远大于采样转换时间，且采样保持器是零阶时，系统离散化后为（31ATXKEKG3）其中，（310TTATGEDBI4）对于PWM变流器，假如输入变量可简单的表示为（3UKTE5）其中TK为第K次采样时刻发出的脉宽控制量，E为直流侧电压。用给定参考状态XREF代替XK1，则式34可写成（3ATREFXKGE6）由式36求出脉宽量TK，并在第K次采样间隔时间内作用于PWM变流器，即可在K1次采样时刻跟踪上参考状态，使XREFXK1。如果在第K次采样时刻可以预测到第K1次采样时刻的参考状态XREF，则采取以上算法后，在第K十1次采样时刻的状态恰好等于参考状态，即所谓无差拍。33SPWM控制设计SPWM控制是用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的SPWM波形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。图36SPWM调制示意图SPWM调制示意图如图23所示。调制波为正弦波，幅度为UR，频率为FR，载波为三角波，幅度为UC，频率为FC，输入直流电压为UD，则调制比为MUR/UC，载波比为NFC/FR，根据冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同的原理，这些正弦等效的矩形脉冲通过低通滤波器后会得到幅值为UDM，频率为FR的正弦波，通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值，这就是SPWM控制的基本原理。传统的双极性控制方式是当正弦波和三角波比较时，如果不计死区时间，当正弦波大于三角波时，Q1、Q4导通，当正弦波小于三角波时，Q3、Q2导通。采用这种控制方式的逆变器为单相二阶SPWM逆变器，逆变器输出波形（负载上波形）如图37所示。Q1、Q4和Q3、Q2同时导通和同时关断会产生很大的电压尖峰和电流尖峰，很容易使IGBT处于危险工作区域10。图37全桥双极性SPWM控制仿真波形4并网控制与分析41并网要求参考并网要求，逆变输出在50HZ5频率范围内，必须保持与市电相位一致，由于DSP芯片只能检测TTL电平，所以需要转换电路，在过零检查电路中，将市电电压和逆变电压通过降压，转换成和原来同频、同相位的方波波形，然后进行光电隔离，经过滤波电路，滤除高频信号，最后送入DSP的捕获单元。捕获单元只是检测方波信号的上升沿，所以2个检测点正好是一个周期，这样就相当于对输出的频率和相位都进行了检测。我们采用的是改变逆变电压来追踪市电电压波形。改变的是逆变波形，来达到和市电波形同步。要实现并网必须满足的条件频率同步；市电电压和逆变电压同频；相位同步；幅值同步；过零信号；频率同步。当捕获到上升沿产生中断时，进入中断服务程序，先保护现场，并记录捕获值，减去上一次的捕获值，得到电网电压周期，然后查看周期寄存器的值，得到当前输出电流频率，最后两周期进行比较，倘若两者差值大于允许值，则返回，反之，则对周期寄存器作相应的调整。设置的载波频率是16KHZ，由于周期频率是50HZ,即相当于在一个周期内进行320次的周期中断。当市电的频率在正常范围内时，我们就可以调整周期寄存器TIPR的值（相当于调整的是基波信号的频率），这样就消除了因为查询角度差值带来的误差累积，确保逆变电源输出的频率与市电频率的一致性。市电电压和逆变电压同频的检测由于市电频率的波动性，频率有可能不会一直稳定在50HZ。可能大于50HZ,小于50HZ。在做到同相的基础上，当每下一次过零点来的时候，若依然不能同相，则就是频率一直不能同步。如下图所示12图41市电波形频率图当逆变电压与电网电压频率相同，也就是2者同步，即TIPR取值大小合适；当逆变电压频率大于电网电压频率，说明TIPR取值偏小，需要增大；当逆变电压频率小于电网电压频率，说明TIPR取值偏大，需要增小。事先假设市电电压频率为50HZ，所以将逆变电压的频率也预设为50HZ，有公式（413502IPRT2HZN（）主频）（414主频4/I50HZ）其中（415基载F/N）N称为载波比。通过这个公式可以看出是预设逆变的频率为50HZ，通过调节TIPR的设定值来改变频率。相位同步要求为做到相位同步是在两个中断中完成的，一个是SPWM载波的下溢中断，另外一个是捕获中断。在产生SPWM波后，同时为了保证市电和逆变波形同相，采用不断调整参考正弦波指针所指的方向，这样就相当于调整了逆变输出的相位。首先，我们通过对市电，逆变输出进行同步降压，然后在通过过零比较电路转换成同相位的方波信号，再送给DSP的捕获端口CAP1和CAP2来捕捉市电和逆变电源方波信号的上跳沿17。捕捉到后，进行捕获中断，即在过零点产生过零信号，设置当每次过零信号到来时将计数器清零进行重新计数。当捕获中断产生时，捕获到市电的上升沿时，定时器四下溢中断，在中断中将正弦表的值赋给CMPR,不断的从正弦表数据中依次读取数据，计算下一周期参考正弦波值。当捕获单元CAP1捕捉到电网方波信号的上跳沿后（即一个周期的起始位置），立即产生捕获中断仅仅是在过零点产生中断，在其中断服务子程序ISR中逆变波形立即参考正弦波指针复位，指向正弦表的开始。然后按照顺序逐个取下一个正弦表的数据进行运算。在这里我们是直接将正弦表指针清零，我们在市电支路上接有继电器，当指针复位后，接通继电器，即在过零点使得和市电同步。而幅值同步是通过改变调至比M来实现的，这里我们定的是09，即逆变后电压的峰峰值和逆变输入直流母线电压的比值。过零点的软件检测是采用计数器，用计数器来判断是否是真实的过零点。周期定时器的频率是16KHZ,工频是50HZ，则在每个工频周期内的计数点是320个，所以当计数值为315到下一个周期的5之间是为过零点。可以确认为过零信号。这样做是为了防止由于毛刺产生的假过零信号。42产生环流的原因环流产生的原因为当把逆变输出和市电并网时，由于市电电压的不稳定，市电电压和逆变电压的输出电压瞬时值和相位有可能会不同，即在连接点上会有电势差，由于线径上会有压降，就是分布电阻非常小，所以就算电势差很小也会在各个单元上产生很大的电流，这就是“环流”。逆变电源与市电并网产生环流的影响因素有逆变电源与市电给用户供电时的等效电阻（支路上的线电阻）；逆变电源输出电压的幅值；逆变电源输出电压波形的相位16。并网时有以下几种情况逆变输出和市电都属于交流分量，所以在我们考虑输出电压时，还必须要考虑相位，频率，还有幅值，但如果频率都不一样，这样根本无法并网，所以频率相同是最基本的前提条件，而且采用等面积算法中，是以50HZ为基波信号，所以逆变出来的频率就是50HZ，故只用考虑相位、幅值和等效阻抗。当逆变电源与市电的输出阻抗相同，输出电压不同，即Z1Z2Z,U1U2。则可得（4UZ1ZUI220102109）在这里再分成三种情况讨论逆变电源与市电的幅值相同，但相位不同步，根据上节分析知道有功功率主要由相位差来决定，是相位超前的那一端流向相位滞后的那一端产生的功率，则由于两者电压相位差产生的环流和逆变电源输出的电压组成的就是有功功率。定义逆变电源与市电空载时的输出电压为U和U。则环流为（422120100XRUJUZZI10）0I12U图42相位不同步，幅值相同时的环流矢量图逆变电源与市电相位同步，但幅值不相同，则由于两者电压幅值差产生的环流和逆变电源输出的电压组成的就是无功功率。无功功率是电压高的那一端流向电压低的那一端产生的功率。环流分量有两种可能性容性和感性，容性是电压高的那一端，感性是电压低的那一端。定义逆变电源与市电空载时的输出电压为U10和U20。则环流为（421212102010XRJUZZI11）其中是等效的阻抗角0I1U2图43幅值不相同，相位同步时的环流矢量图当逆变电源与市电的电压不一样，即幅值不相同，相位也不同步时，那么环流功率中不仅包括有功功率也包括无功功率，则产生了有功环流和无功环流。不管并联等效系统中是有功的环流还是无功的环流，都是由逆变电源与市电的相位差或者幅值差产生的，而且环流的方向是相位超前的流向滞后的，幅值高的流向幅值低的。0I1U2图44幅值不同，相位不同步的环流矢量图可知相位超前的输出是正有功，输出是容性无功分量，滞后的系统输出的是负有功，输出的是感性无功分量；而幅值高的电压分量的输出是正有功，输出的是感性无功分量，幅值低的电压分量的输出是负有功，输出的是容性无功分量。所以要想消除环流，就要保证并联系统的同幅度和同相位。逆变电源与市电的输出电压相同，输出阻抗不同，即U1U2U，Z1Z2。则环流为412Z1UZUI202010210输出电压相同，包括输出电压的幅值相同，相位一致，所以环流大小与等效阻抗的倒数之差成正比，就算逆变电源的输出与市电的输出阻抗相同，由于线路阻抗非常小，所以依然会有环流。所以，当逆变电源的输出与市电的输出相同时，即输出电压的幅值和相位都相同时，则从硬件方面着手，使等效阻抗相等，从而消除环流。43有关环流的处理431环流带来的影响分析相位差对环流的影响假定逆变电源感抗为负载感抗的1，则01的相位差造成的有功环流为（40628IJWL12SINUJLSINJWUI000T16）可得当相位差为01时，有功环流大小为负载电流的628。幅值差对环流的影响假定逆变电源感抗为负载感抗的1，则01的幅值差造成的无功环流为（401IJWLUJI017）可得当幅值差为01时，无功环流大小为负载电流的10。通过上述分析对比，我们可以得知要将有功功率和无功功率严格区分开，必须要提高逆变电源与市电的幅值和相位的精度，做到同幅，同相。由上述式子可以看到相位差对环流的影响在相同条件下是幅值差对环流影响的6倍以上。所以在保证功率分配的条件下优先考虑相位的一致性。432环流功率环流功率环流功率是通过逆变电源与市电输出电压的相位和幅值不同时的视在功率和输出电压的相位和幅值完全同步时的差值得到的功率。如上述的分两种情况逆变电源与市电的幅值相同，但相位不同步，此时环流为（42210XRUI27）则环流功率为（42210RIUIP28）可以看出当逆变电源与市电输出的幅值相等，相位不一致时，环流功率的额外功率和有效功率等同，而且功率差与相位差成正比，具有线性关系，因此我们可以通过控制相位差来控制有功功率的变化。逆变电源与市电相位同步，但幅值不相同，环流为（421210XRUI29）其中是等效的阻抗角。则环流功率为（4302121XRUIUIP）可以看出当逆变电源与市电输出的相位一致，幅值不一样时，环流功率的额定功率和无功功率等同，而且功率差与幅值差成正比，具有线性关系，因此我们可以通过控制幅值差来控制无功功率的变换。44幅值、相位差对功率的影响逆变电源供给负载的复合功率为（41011IUJPWQ18）输出电流为（4101101JXSINCOJXUI19）故有（4XUCOSJSINXUJINIW120010101120）所以有功功率为（4101SINP21）无功功率为（412001XUCOSQ22）因为逆变电源输出的线路阻抗对比负载要小的多，所以逆变电源输出电压矢量和并联节点电压矢量的相差较小，将相位角用弧度表示有。则可以化简，有功功率为（4101XUP23）无功功率为（41201Q24）同理，市电对负载的有功功率为（4202XUP25）无功功率为（4202Q26）看式子我们可以看出，并网的有功功率主要取决于相角1和2无功功率主要取决于逆变电源和市电输出电压的幅值。这样，并网各单元输出的有功功率和无功功率与其相角和幅值有近似的线性关系。所以，可以通过改变相角来调节有功功率，改变幅值来调节无功功率。45功率分配分析上节的环流特性可知，当逆变电源与市电并网投入使用时，若负载为容性负载和感性负载时，存在着环流，逆变电源输出的功率一部分供给了负载，属于有功功率，一部分产生了环流功率，这部分功率为无功功率，白白消耗了。因此，在这节主要分析逆变电源的输出功率，分析环流功率的表达式，找出产生环流功率的原因，从而消除。其中由于逆变电源和市电输出线路的阻抗比较小，线路阻抗主要呈感性U1U2L1L2XUI1I2II0JX1JX2图45并联系统环流分析图这里，X1为逆变电源输出的感抗，X2为市电输出的感抗，令1为逆变电源输出电压矢量与并联节点的电压矢量的夹角，同时，令2为逆变电源输出电压矢量与并联节点的电压矢量的夹角，由于负载上的感抗对于阻抗来说相对较小，所以忽略。由上面的分析可以看出，并联系统的输出功率由有功功率和无功功率合成，其各个单元输出的电压和相位与对应的有功功率和无功功率有接近线性耦合的关系，而相位的控制可以通过调节频率开关来控制。（4DTWII27）其中W为逆变系统和市电电源的角频率。这样，逆变系统可以通过反相调节自身的频率（相位）和幅值来改变输出的有功功率和无功功率，从而来调节自身输出功率的大小。从而来达到与市电进行功率分配的目的。当逆变电源的输出有功功率大了，便通过改变相位使其向后移动，来减少其有功功率；逆变电源的输出有功功率小了，便通过改变相位使其向前（向市电方向）移动，来增加有功功率；当逆变电源的输出无功功率大了，便通过降低其输出幅值，来减小其无功功率；当逆变电源的输出无功功率小了，便通过降低其输出幅值，来增大其无功功率。将这种自我调节下去，在保证功率分配的基础条件下，使其环流尽量小。阻性负载的功率分配阻性负载的电流波形和电压波形同相，所以视在功率也就是有功功率。可以通过改变相位来调整有功功率。容性负载的功率分配容性负载是电流波形超前电压波形，以电压的相角为参照点，可知电流波形的相角为负，这样，无功功率为负值，因为功率是从幅值高的流向幅值低的一端，可以降低逆变输出的幅值来达到要求。感性负载的功率分配感性负载是电流波形滞后电压波形，同样以电压的相角为参照点，可知电流波形的相角为正，这样，无功功率为正值，因为功率是相位超前的一端流向相位之后的一端，我们可以调整正弦波指针使得逆变输出电压的相位超前市电电压。5逆变电源并网系统仿真51并网逆变系统建模电流闭环控制系统，要求快速的跟随参考电流的瞬态变化，产生与电网同频同相的正弦波交流电。图51电流闭环控制框当忽略功率器件和IGBT死区时间等因素时，其传递函数可以表示为（41PWMPKGST1）其中KPWM是逆变增益；TPWM是开关管开关周期。因为开关管周期很短，TPWM11其等效传递函数则为（4PWMPGSK2）PI调节器传递函数是（4PIIS3）由以上可知，该系统的开环传递函数为（43212PISPIWMLCWMKGSGSSR4）当HS1时，其闭环传递函数（4432124321PWMPPWMTSSRSRKKK5）电网电压相当于外部的扰动，而且电网的功率无穷大，且其幅值变化很大，其影响不可忽视。因此需增加一个前馈控制量去抑制它，这样可有效改善系统的动态性能。其结构如图52所示。图中是GNS）电网电压前馈环节，电网电压对并网电流的影响可以表示为4611LCPWMNCNSSIU图52电压扰动补偿控制若令471NPWMGSS为对电网扰动的误差全补偿条件，则有480CIS可以看出在系统中加入电压前馈补偿控制可以减小电网电压对并网电流的影响。52系统仿真与实现对本设计中逆变电源并网系统进行仿真。如下图所示逆变输入为310V到400V之间的直流电，调制比设为09，所以逆变电压输出的幅值为314V,经过全桥电路进行逆变后，输出SPWM波形，然后经过惯性环节LC滤波电路转换为光滑的正弦波，LC参数L23MH,C20UF，因为设计的逆变电源功率为3KW，所以负载选取的是阻性负载为16欧。这里用有效值为220V的电压源代替市电。图53逆变系统仿真电路图图54并网系统仿真电路图图55逆变系统输出电压仿真波形图图56逆变系统输出电流仿真波形图图57市电电压模拟波形图图51为并网系统的逆变电路图，图52为并网系统的并联电路图，图53为逆变系统输出电压仿真图，图54为逆变系统输出电流仿真图，图55为模拟市电的电压波形图，从图中可以看出，当接入阻性负载时，市电和逆变的输出电压在整个周期内同相。这样就最大限度的减少了环流，将逆变输出并入了电网。6总结与展望随着人们对于清洁能源的越来越重视，对于新能源的不断开发，同时随着电力电子技术、计算机控制技术以及DSP技术的发展，使得逆变控制器在硬件