单向逆变器并网控制方法设计与仿真

本科毕业设计（论文）单向逆变器并网控制方法设计与仿真*** 燕 山 大 学2012 年 6 月本科毕业设计 （论文）单相逆变器并网控制方法设计与仿真学院（系） ：里仁学院专 业： 08 级应用电子学生 姓名： *** 学 号： *** 指导 教师： *** 答辩 日期： 2012 年 6 月 17 日燕山大学毕业设计（论文）任务书学院：电气工程学院 系级教学单位：电气工程及其自动化学号 *** 学生姓名 ***专 业班 级 应电 08-2 题目题目名称 单相逆变器并网控制方法设计与仿真题目性质1.理工类： 工程设计 （ ） ； 工程技术实验研究型 （ ） ；理论研究型 （ √ ） ； 计算机软件型 （ ） ； 综合型 （ ） 。2.管理类（ ） ； 3.外语类（ ） ； 4.艺术类（ ） 。题目类型 1.毕业设计（ √ ） 2.论文（ ）题目来源 科研课题（ ） 生产实际（ ）自选题目（ √ ）主要内容1、单相逆变器并网工作的研究2、滤波器在电路中的作用3、并网控制方法的研究4、采用 LCL 滤波器的并网过程仿真研究基本要求1. 掌握并网工作的基本原理；2. 给出电路设计的具体方案；3. 学习 matlab 仿真软件；4. 绘制 A0 图纸一张，论文一本。翻译英文文献一篇。参考资料1、 电力电子技术 电工技术学报等期刊杂志2、三相电压型整流器的 LCL 滤波器分析与设计 电力电子3、新能源并网发电的控制研究 电力系统保护与控制4、 DC-DC 逆变技术及其应用 陈道炼 机械工业出版社周 次 1～ 3 周 4～ 8 周 9～ 10 周 11～ 14 周 15～ 17 周应完成的内容查阅相关的中文资料，熟悉控制方法的工作原理，翻译一篇英文资料主 电 路 的 确定，参数设计控 制 方 案 的确定， 控制电路的设计系 统 仿 真研究 撰写论文，答辩指导教师： *** 职称：讲师 2011 年 12 月 30 日系级教学单位审批：年 月 日摘要I 摘要全球范围内的能源问题日益突出， 经济的可持续发展要求必须加快开发利用新能源。 可靠、 高质量地将可再生能源产生的电能输送到电网中是研究可再生能源回馈电网技术关键。 因此， 起着电能变换作用的并网逆变器成为了研究的重点。本文以全桥逆变器为对象， 详细论述了基于双电流环控制的逆变器并网系统的工作原理。 内环通过控制 LCL 滤波中的电容电流， 外环控制滤波后的网侧电流。大功率并网逆变器的开关频率相对较低，相对于传统的 L 型或LC 型滤波器，并网逆变器采用 LCL 型输出滤波器具有输出电流谐波小，滤波器体积小的优点，在此基础上本系统设计了 LCL 滤波器。本文通过 MATLAB 仿真软件分析比较了单相逆变器并网采用单闭环和双闭环两种控制策略下的并网电流， 并对突加扰动情况下系统动态变化进行了分析。关键词 并网逆变器； LCL滤波器；双电流环控制； MATLAB 仿真。燕山大学本科生毕业设计（论文）II Abstract The rapid development of the world economy, global energy issues have become increasingly prominent, the economic sustainable development must be to speed up the development and utilization of new energy sources. Reliable, high quality will be renewable energy generating electricity into the grid is the study of renewable energy feedback power system key technology. Therefore, plays a role of grid-connected inverter power conversion becomes the emphasis of research. Based on full bridge inverter as an object, discussed in detail based on double current loop controlled inverter parallel system working principle. The inner ring through the control of LCL filtering capacitance current, outer loop control after filtering net side current. Large power inverter switching frequency is relatively low, compared to the traditional L type or LC type filter, inverter using LCL output filter with output current harmonics small, filter has advantages of small volume, based on the system design of LCL filter. In this paper, through MATLAB simulation software analysis and comparison of the single-phase inverter grid using a single close loop and double close loop two control strategy of grid-connected current under sudden perturbations, and the system under the condition of dynamic changes were analyzed. Keywords inverter;LCL filter dual ;current control; MATLAB simulation.III 目 录摘要 . IAbstract II第 1 章 绪论 11.1 课题背景 . 11.1.1 太阳能资源 . 11.1.2 光伏发电的现状和前景 . 21.2 光伏发电并网系统 41.2.1 并网逆变器的研究现状及趋势 . 51.3 本文结构及主要内容 . 7第 2 章单相并网逆变器总体设计 82.1 并网逆变器组成原理及主体电路硬件设计 82.1.1系统主电路参数设计 . 92.2 逆变器的 SPWM 调制方式分析 . 102.3LCL 滤波器的设计 . 132.3.1LCL 滤波器的选定 152.3.2LCL 滤波器数学模型及波特图分析 152.3.3LCL 滤波器参数设计 172.4 本章小结 18第 3 章 并网控制策略的提出 193.1 电流型并网模型分析 193.2 几种控制方法分析 203.3 使用双电流闭环控制策略 . 233.3 本章小结 25第 4 章 系统仿真及结果分析 264.1 单相逆变器开环仿真 264.2 逆变器并网闭环仿真 . 284.3 本章小结 . 33结论 34参考文献 35致谢 37IV 附录 1 38附录 2 43附录 3 47附录 4 54附录 5 66第 1 章 绪论1 第 1 章 绪论1.1 课题背景近年来，由于化石类能源日益殆尽和其利用过程中引起的环境污染问题， 已经成为限制世界经济可持续发展的主要问题， 开发利用清洁的可再生能源受到世界各国高度重视。 太阳能作为一种巨量的可再生能源， 每天到达地球表面的辐射能量相当于数亿万桶石油燃烧的能量。 开发和利用丰富、 广阔的太阳能，可以对环境不产生或产生很少污染 ,太阳能既是近期急需的能源补充， 又是未来能源结构的基础。 不论是从经济社会走可持续发展之路和保护人类赖以生存的地球生态环境的高度来审视， 还是从特殊用途解决现实能源供应问题出发，开发利用太阳能都具有重大战略意义。针对上述问题，开发利用可再生无污染能源已经成为迫在眉睫的事情。 从能源供应的诸多因素考虑， 太阳能无疑成为可持续发展的理想绿色能源。 全球能源专家一致认为，太阳能将成为 21 世纪最重要的能源之一 。当今世界能源形势异常严峻，现代工业的高速发展使环镜污染日趋严重， 可开发利用资源日益减少， 世界性的能源危机威胁着世界各国经济的发展， 石油价格上涨直接影响和改变人类的生存状况。 随着经济的发展、 人口的增加和社会生活水平的提高， 未来世界能源消费总量将持续增长， 可以被人类使用的能源总有一天会枯竭。 随着化石能源的逐步消耗， 摆在人类面前的资源问题已不容忽视。 进入 70 年代后， 由于 2 次石油危机的影响， 光伏发电在世界范围内受到高度重视 ,发展很快。从远期看，光伏发电将以分散式电源进入电力市场， 并部分取代常规能源； 从近期看， 光伏发电可以作为常规能源的补充，解决特殊应用领域，如通信、信号电源，和边远无电地区生活用电需求，从环境保护及能源战略上都具有重大的意义 。1.1.1 太阳能资源全球气候变化是当前社会普遍关注的重大全球环境问题。 自从工业时代以来， 人类物质文明得到了高度的发展， 与此同时， 地球生态环境也遭到了严重破换和恶化。过去的 100年，化石能源的大量开发和利用，是造成大气燕山大学本科生毕业设计（论文）2 和其他类型环境污染与生态恶化的主要原因之一。 太阳能既是一次能源， 又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。 人类对太阳能的利用有着悠久的历史。 我国早在 2000多年前的战国时期就知道利用钢制凹面镜聚焦太阳光来点火， 利用太阳能来干燥农副产品。 发展到现代， 太阳能的利用已日益广泛， 它包括太阳能的光热利用、 太阳能的光电利用和太阳能的光化学利用等。 太阳能作为一种新能源， 它与常规能源相比有三大优点 。(1)太阳能是人类可以利用的最丰富的能源。据估计，在过去漫长的 11亿年中，太阳能仅消耗了它本身能量 2% ，可以说是取之不尽，用之不竭。(2)地球上，无论何处都有太阳能，可以就地开发利用，不存在运输问题，尤其对交通不发达的农村，海岛和边远地区具有利用的价值。(3)太阳能是一种洁净的能源，在开发和利用时，不会产生废渣、废水、废气，也没有噪声，更不会影响生态平衡。1.1.2 光伏发电的现状和前景在太阳能的有效利用中， 太阳能发电系统是近些年来发展最快， 也是最具活力的研究领域， 是其中最受瞩目的项目之一。 太阳能是一种辐射能， 利用太阳能发电是将太阳光转换成电能。 目前， 太阳能发电有两种方式： 一种是光 -热 -电转换方式， 另一种是光 -电直接转换方式。 为此， 人们研制和开发了太阳能电池，设计和建设独立、并网的光 -电直接转换太阳能发电系统，有专家认为太阳能发电量最终将在电力供应中占 20% 。20世纪 70年代后， 随着现代工业的发展， 全球能源危机和大气污染问题日益突出， 全世界都把目光投向了可再生能源， 希望可再生能源能够改变人类的能源结构， 维持长远的可持续发展。 20世纪 80年代后， 太阳能电池的种类不断增加， 应用范围日益广阔， 市场规模也逐步扩大。 20世纪 90年代后，光伏发电技术快速发展。 2006年， 世界上已经建成 10多座 MW 级光伏发电站。美国是最早制订光伏发电发展规划的国家， 1997年又提出 “百万屋顶” 计划。日本于 1992年就启动了新阳光计划。 20世纪 90年代后期， 光伏发电发展更加迅速， 1990~2005年世界光伏组件年平均增长率约为 15%， 1999年光伏组件第 1 章 绪论3 生产达到 200MW 。商品化太阳能电池效率从 10%~13%提高到 13%~15%，生产规模从 1~5MW/a发展到 5~25MW/a，并正在向 50MW/a甚至 100MW/a扩大。发达国家近几年来主要开拓的市场是屋顶式并网太阳能光伏发电系统，其原因是发 达国家的电网分布已很密集，电网峰值用电的电费高，而并网太阳能光伏发电不用蓄电池， 太阳光好的地区采用光伏发电的电价已接近商品电价。人们预测 10年后屋顶并网太阳能光伏发电系统将大规模推广应用。自 20世纪 90年代以来， 国外发达国家重新掀起了发展并网太阳能光伏发电系统的高潮， 这次不是建造大型并网太阳能光伏电站， 而是发展屋顶并网太阳能光伏发电系统 。20世纪 80年代， 美国就已经开始了并网太阳能光伏发电的努力， 制订了PV-USA 计划， 即太阳能光伏发电规模应用计划， 主要是建立 100kW 以上的大型并网太阳能光伏发电系统， 最大的系统计划达 10MW ， 但是由于成本高，电力不可调度，不受电力公司欢 迎。 1996年，在美国能源部的支持下，又开始了一项“光伏建筑物计划（ PV-BONUS ）”，计划投资 20亿美元。美国目前电力的 2/3用于包括为民用住宅建筑在内的各类建筑物供电，光伏建筑物计划的目标是采用太阳能光伏发电缓解建筑物的峰值负荷， 并探求未来清洁的建筑物供电途径。 除了屋顶并网太阳能光伏发电系统外， 一些发达国家还在其他光伏发电技术应用方面做了大量工作，主要有以下几个方面 : a.风光柴互补发电系统。为进一步降低发电成本，国外在风光柴混合发电系统上做了大量的示范工作和经济对比。 还开发了混合发电系统的优化软件，实现最合理、最经济的供电方案。b.未来与汽车配套的太阳能光伏发电系统。 太阳能光伏发电系统在汽车行业有很大的潜在市场， 国外已经开发出较成功的可以为电动汽车蓄电池充电的太阳能快速充电系统。c.太阳能制氢加燃料电池的再生发电系统。芬兰的 NAPs 已经完成这一发电系统的示范工程。 该系统属于最清洁的再生能源发电系统， 对于冬夏太阳能辐射差异很大、 采用蓄电池极不经济的高纬度地区， 通过这种办法利用太阳能将会十分有效。燕山大学本科生毕业设计（论文）4 d.再生能源海岛供电系统。 海岛是一个特殊的环境， 由于其淡水的缺乏，燃料的昂贵， 使得可再生能源有了用武之地。 国外已经对海岛上应用风光柴混合发电系统做了大量示范工程，为海岛供应电力和淡水。1.2 光伏发电并网系统一般能源其原始状态到输入电网的过程大体可分为： 能源转化、 能量转移或二次转化、 能量存储及功率控制等步骤。 各种能源由于其转化为电能的方式不同， 将其送入电网时必须使用交流技术按用户的要求对其进行调整和控制； 另外， 大部分可再生能源直接产生的能量通常是不稳定的， 它们在并网时如果不加控制和调节， 就会对电网造成冲击， 同时为了保证将尽可能多的有功能量送入电网， 在可再生能源发电系统中还要加上储能环节， 这些过程都需要利用变流技术对其进行控制， 因此可再生能源在从其原始状态转化到可供人们实际应用的电能过程中与变流技术是密不可分的。 一般的可再生能源并网发电系统由直流侧处理电路、储能装置，直流负载，逆变器、滤波电路等组成，其系统组成结构图见图 1-1：可再生能源DC/DC 电路AC/DC 电路控制器逆变器（ DC/AC 电路）滤波电路公共电网交流负载直流负载储能装置（蓄电池组）直流侧处理电路图 1-1 太阳能并网发电系统组成结构图直流侧处理电路主要是 DC／ DC电路或 AC／ DC电路，由于可再生能源有多种形态， 且转化为电能的方式不同， 决定了可再生能源在转化为直流电能时有不同的直流侧处理电路，如光伏发电需使用 DC／ DC电路，而风力发电则需使用 AC ／ DC电路 (整流器 )。控制器及储能装置的主要作用是当可再生能源受外界因素的影响很大时， 经转化后的电能很不稳定， 此时需要采用储能装置将电能储存起来， 这第 1 章 绪论5 样不仅有利于能量回馈的控制，而且可以使系统更加稳定的运行。逆变器是可再生能源并网发电系统的核心组成部分。 并网用逆变器除了能将可再生能源产生的电能输送给公用电网外，还应该具有很高的可靠性、完善的保护功能以及较高的效率。 目前， 可再生能源并网发电系统的主要研究热点也集中在逆变器这部分。滤波电路包括滤波器和隔离变压器。 隔离变压器的主要作用是保证逆变电压和电网电压匹配， 同时使电网和可再生能源发电系统相互电气隔离； 滤波器的主要作用是用来滤除并网电流的谐波。1.2.1 并网逆变器的研究现状及趋势人们对可再生能源并网发电的技术进行了大量的研究， 并使得该技术得到了迅速的发展和应用。 目前广泛应用于太阳能电网系统中的方案是； 首先将太阳能源转化成电能的形式，然后将电能调节成满足正弦波脉宽调制SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation)全桥逆变器需要的直流电压， 最后经 SPWM全桥逆变器将可再生能源回馈给交流电网。 在整个系统中最主要的环节就是逆变器，它采用的是 SPWM逆变技术。在理论和实践上，这种方案能够满足太阳能源回馈电网的要求， 但由于该方案使用了同步、 锁相 (PLL)、SPWM脉冲发生器、 低通滤波等诸多模拟环节，而且控制方法比较落后，因此使得并网逆变装置的控制繁琐，电路复杂，可靠性低，硬件成本高，并网效果不是十分理想，产品价格昂贵，应用得到限制。但是， 随着世界各国对可再生能源开发重视程度的不断提高， 针对并网逆变器的技术研究也越来越多， 人们针对以往控制技术的不足， 纷纷提出了很多的研究方向，其大体可以分为以下几个方向：①并网逆变器的拓扑分类及控制方法的研究目前研究人员提出针对不同的系统要求， 逆变器应该有着各种不同的拓扑结构，对于功率较小的并网逆变器可以采用高效、低成本的单极变换器；而多级逆变器变换结构可以使用在大功率、宽电压范围的输入的应用场合。除此以外，逆变器的拓扑结构中还包括单相、三相：隔离、非隔离；功率单向流动、双向等各种形式。如：并网逆变器采用双向功率流动的拓扑，在并燕山大学本科生毕业设计（论文）6 网工作时， 既可以向电网提供电能， 同时也可以当电网电能富足时， 从公用电网吸收电能， 并将其存储起来。 因此各种拓扑可以分别使用在不同的场合，并且这些拓扑结构可以相互组合成各种不同的形式，以满足各种要求。在控制方法上，随着各种高速的数字信号处理器 DSP(Digital Singnal Processor)的出现，将先进的数字控制应用到并网逆变器的控制中的研究将越来越多。 并且针对各种控制方法的缺点， 将模拟控制和数字控制相结合以到达理想的控制效果，这也是目前研究高性能并网逆变器的一个热点。②逆变器并网控制技术的研究研究人员认为作为一个功能完整的并网逆变器系统， 其工作模式应比通常的独立逆变器更为复杂，它不仅可在无市电接入时独立作为电压源逆变，也能在并网时作为电流源工作。 针对这些要求， 在逆变器并网控制技术上提出了以下几个方面的研究方向：(1)逆变器两种工作模式的无缝切换技术；(2)逆变器工作过程中的同步锁相和电压跟踪技术；(3)并网工作下的防孤岛技术；(4)达到并网电压、电流谐波标准的闭环控制技术。③多台并网逆变器并联技术的研究多台逆变器并联可实现大容量供电和冗余供电， 因而被公认为当今逆变技术发展的重要方向之一。 多台逆变器并联实现扩容可大大提高系统的灵活性，使系统的体积重量大为降低，同时其主开关器件的电流应力也可减少，从根本上降低成本和提高功率密度及系统可靠性。 研究者认为目前主从式结构是可再生能源并网发电系统比较理想的电路结构， 而主从式结构就是采用多组逆变器模块并联运行的模式， 即在并联的若干个逆变模块中， 任意选取一个作为主逆变模块， 而其余作为从模块跟随主模块工作， 因而该结构能极大的提高可再生能源并网发电系统的可靠性， 实现功率合成， 增强故障冗余能力。 国外一些发达国家都采用了主从式的逆变并网结构， 在国内目前此技术还不够成熟。④ 逆变器并网滤波器设计的研究并网逆变器在工作时有电压控制和电流控制两种工作模式。 在电压控制第 1 章 绪论7 模式下，逆变输出滤波器通常由电感 L和电容 C构成，它们影响到输出的动态响应。在电流控制模式下，会选用 L或 LCL 的结构，主要由电感元件决定输出的动态响应。 研究人员认为逆变器作为电压源独立运行时， 滤波器应通常采用 LC结构 i逆变器作为电流源并网时，则可以直接通过 L、 LC或者 LCL和电网相联。现在更多的研究和产品选择 LCL 结构，采用 LCL 的结构比 LC结构有更好的衰减特性， 对高频分量呈高阻态， 抑止电流谐波， 并且同电网串联的电感 L还可以起到抑止冲击电流的作用。1.3 本文结构及主要内容第 1 章为本论文的绪论， 阐述了光伏并网发电系统的研究背景、 意义及分类， 并介绍了光伏发电产业在国内外的发展方面现状和前景。 阐述了本课题的选题意义及主要内容。第 2 章，单相逆变器总体设计。 主要描述了并网逆变器的工作原理和设计了主电路的拓扑结构图， 给出了主电路拓扑图， 并计算了参数。 介绍了 SPWM控制方式。详细了解了 LCL 滤波器并计算出了滤波器电感、电容的参数第 3 章， 设计了单相逆变器的并网模型， 介绍了各种控制方式， 确定了双电流环的控制方式。第 4 章， 用 matlab 仿真软件对系统进行了仿真， 开环、 单电流闭环和双电流闭环仿真， 并在闭环基础上添加了突加扰动仿真。 验证了双电流闭环系统的可行性和系统的稳定系。燕山大学本科生毕业设计（论文）8 第 2 章 单相并网逆变器总体设计2.1 并网逆变器组成原理及主体电路硬件设计本文单相并网逆变器的逆变电路采用的是单相全桥式逆变电路， 其拓扑结构见图 2-1 AC驱动电路及功率放大电路数字信号处理芯片并网电流采样电容电流采样直流输入侧Ud隔离变压器L1 L2CQ1 Q3Q2 Q4C图 2-1 单相逆变器并网主电路结构图全桥式逆变器工作原理： 图 2-1 中所示的为逆变器通常使用的单相输出全桥式逆变电路， 图中， 功率开关元件采用四只 IGBT 管 Q1、 Q2、 Q3、 Q4，由 DSP 输出的 SPWM 脉宽调制信号控制驱动 IGBT 管的导通或截止 [9] 。当逆变器电路接上直流电源后，先由 Q1、 Q4 导通， Q2、 Q3 截止，则电流由直流电源正极输出，经 Ql、滤波器、变压器初级线圈、 Q4 后，再回到电源负极。当 Q1、 Q4 截止后， Q2、 Q3 导通，电流从电源正极经 Q3、滤波器、变压器初级线圈、 Q2 后，再回到电源负极。此时，逆变器输出端已形成正负交变的方波。利用高频 SPWM 控制，使得两对 IGBT 管交替重复开关动作， 输出等效交流电压， 再经过滤波器的作用， 使输出端形成正弦波交流信第 2 章 单相并网逆变器总体设计9 号。 同时， 为了给交流侧向直流侧反馈无功能量提供通道， 逆交桥各臂都并联了反馈二极管，在两对 IGBT 管交替重复的过程中，这些二极管还起到了续流的作用。2.1.1 系统主电路参数设计1．直流侧输入电压 Ud的选择由系统逆变主体电路拓扑结构图可知： 并网装置实际上可以看作是一个能量能双向流动的变换器， 如果从直流侧流向交流侧看时， 它是一个 Buck(降压 )变换器；当从交流侧流向直流侧看时；它是一个 Boost(升压 )变换器。由此可以得出这样一个结论： 并网系统直流侧的电压必须大于交流侧的峰值电压， 否则系统不能正常工作。 考虑到工频隔离变压器 1： 2的变比因数和开关管 IGBT 的耐压值，选取直流侧输入电压 Ud的范围为 200～ 450Vdc。本系统选取 400dU V2．直流侧电容的选择直流侧电容主要作用是缓冲交流侧电感在开关过程中的瞬时能量交换和平稳直流侧输入电压， 通常是选用大容量的电解电容器。 设直流侧输入开路电压为 Ud,直流侧滤波电容的耐压通常应留有 1.15倍裕量，即：1.15c dU U为简化计算， 这里仅立足于工程方法对电容值进行估算， 其条件是： 在直流母线充放电周期内， 电容以最大负载电流放电时， 其压降还能保持在要求的范围内， 即电容值的选择应以直流母线电压的波动限幅为依据。 考虑极端情况，在开关管 IOBT 导通的时间段内并网电流值完全由电容放电提供，且该时刻并网电流的大小为其峰值，电容 C上的电压和电流的关系满足：2 ci tUcC其中 ci 为并网电流有效值。 t 为开关管导通时间。 当要求直流输入电压脉动的幅值小于 3％时，电路中平波的选择应按如下方程：003 dUc U将式 (2-3)代入式 (2-2)，可得：(2-1) (2-2) (2-3) 燕山大学本科生毕业设计（论文）10 0023 0.0212c cd di t iCU U f并网功率调节系统输出的额定电流为 12.86ci A， 直流侧输入工作电压400dU V ，开关管 IGBT导通频率 (也即 SPWM载波频率 )为 f=10kHz ，可得 C在理论上取值应大于 785uf，在本设计中结合实验效果，直流侧电容选取500V、 1000uf的电解电容。3．开关管 IGBT的选择当并网逆变器电路正常工作时，流经功率开关管 IGBT的电流峰值与滤波电感电流峰值一致， 同时考虑到余量， 则要求开关管的电流额定值必须略大于电感电流峰值的最大值。 本课题设计的并网逆变器输出功率为 2kW， 输出电流峰值约为 12.86A。 同时考虑到系统余量和隔离变压器 1： 2的变比因数，选择功率开关管的耐流值应该在 50A以上。在全桥并网逆变电路中， 主功率开关管承受的最大电压应超过直流输入侧的最大电压 (450V)， 同时从余量和线路寄生参数影响等方面考虑， 放选取的 IGBT 耐 压 值 应 大 于 500V 。 本 设 计 选 择 日 本 富 士 公 司 的 型 号2MBIl50NC ． 060 的 IGBT 作为主功率开关管，它的耐流值和耐压值分别为150A 和 600V。2.2 逆变器的 SPWM 调制方式分析SPWM( 正弦脉宽调制 )是调制波为正弦波，载波为三角波的一种脉宽调制法，这项技术的特点是原理简单，通用性强，控制和调节性能好，具有消除谐波、 调节和稳定输出电压的多种作用， 是一种比较好的波形改善法。 它的出现为中小型逆变器的发展起了重要的推动作用。 SPWM可分为双极性SPWM调制， 单极性 SPWM调制和单极性 SPWM倍频调制三种， 半桥逆变电路只能使用双极性 SPWM调制而全桥逆变电路则三种调制方式均用 [10]。双极性 SPWM调制方式的原理如图 2-2所示， 图中调制波 sins smu U t ，幅值为 smU ，频率 2f 。载波 cu 为全波三角波，频率为 cf ,幅值为 cmU 。同时定义调制比 sm cmm U U 为正弦调制波的辅助与三角载波的幅值之比，频率比 cK f f 为三角载波与正弦调制波的频率之比。(2-4) 第 2 章 单相并网逆变器总体设计11 图 2-2 双极性 SPWM 调制原理由上图可见，当 s cu u 时，开关管 T1、 T4 导通而 T2、 T3截至，桥臂中点间电压 ab inu U ；当 s cu u 时，开关管 T1、 T4截止而 T2、 T3导通，桥臂中点间电压 ab inu U 。通过上述过程，就将输入的直流电压转变为脉宽按正弦规律变化的正弦脉冲序列。下面是单极性 SPWM调制方式的原理：图 2-3为单极性 SPWM调制原理图，这种调制方式使用半波三角波作为载波，当 su 大于零时，载波为正的半波；当 su 小于零时，载波为负的半波。在双极性调制中， 四个开关管都工作在高频状态， 而在单极性调制中， 一对开关管工作在高频状态，而另一对开关管工作在低频状态 [11]。当 0su 时，T3一直截止而 T4一直导通，此时当 s cu u 时，开关管 T1导通而 T2截至，桥臂中点间电压 ab inu U ；当 s cu u 时，开关管 T1截止而 T2导通，桥臂中点间电压 0abu 。当 0su 时， T3一直导通而 T4 一直截止，此时当 s cu u 时，开关管 T1导通而 T2截至，桥臂中点间电压 0abu ；当 s cu u 时，开关管 T1截止而 T2导通，桥臂中点间电压 ab inu U 。从上述过程中看出，在输出波形 abu 中包含有 inU ， 0和 - inU 三个状态，因此这种调制方式也被称为三态调燕山大学本科生毕业设计（论文）12 制（对应得，双极性调制也被称为两态调制）图 2-3 单极性 SPWM 调制原理在前面介绍的两种 SPWM 调制方式中，桥臂中点间输出电压的频率与器件的开关频率相同，而倍频式 SPWM 调制则可以在不改变器件开关频率的条件下使得桥臂中点间输出电压的频率提高一倍， 从而可以在不增加开关损耗的情况下将谐波频率提高一倍，大大减小了输出滤波器的体积。倍频调制方式的调制原理如上图 2-4所示， 它包含有两个基准波 1su 、 2su并且有1 2s su u1su 与载波 cu 交截产生 1gu 、 2gu 信号而 2su 与载波 cu 交截产生 3gu 、 4gu 信号。输出电压 abu 的正半周实际上是由信号 1gu 、 4gu 的与逻辑决定的。当 1gu 、 4gu 为高电平时， 有 T1、 T4 导通而使得 ab inu U ， 当 1gu 或 4gu 有一个为低电平时，则有 T2、 T4 或者 T1、 T3导通而使得 0abu 。由于在正半周内 , 1gu 的高电平区恒宽于 4gu 的低电平区，所以 T2、 T3没有同时导通的时刻而使得输出电压 abu 中只包含 inU 和 0两个电平，而在负半周则输出图电压(2-5) 第 2 章 单相并网逆变器总体设计13 abu 中只包含 0和 inU 两个电平，所以这也是一种三态调制。由于 abu 在一个载波周期内有两次状态转变，所以输出电压频率为器件开关频率的一倍。在小功率逆变电路中， 从降低电路成本考虑， 一般采用半桥逆变主电路和双极性 SPWM 调制的方式。而在大功率逆变器中，从减小输出滤波器体积和提高输出波形质量方面考虑， 一般采用全桥逆变主电路和单极性倍频的SPWM 调制。通过综合选择，确定单极性倍频 SPWM 调制为本文所采取的调制方式。图 2-4 单极性倍频 SPWM 调制原理2.3 LCL 滤波器的设计1. L 滤波器优点：结构简单、控制特性好缺点： 1.谐波衰减率只有 -20dB/十倍频； 2.若达到好的滤波效果，则增大电感量，使体积加大，在滤波器上产生较大的压降，消耗无功增加； 3.产生的电压纹波污染电网。2. LC 滤波器燕山大学本科生毕业设计（论文）14 采用 LC 滤波器时，一般考虑逆变器要在并网与独立的双模式下运行。优点：当逆变器并网运行时，可以忽略滤波电容的影响，相当于单 L滤波并网，控制器易于设计。在逆变器独立运行时，电容 C 的存在可以达到稳定电压的目的。缺点：在逆变器并网运行时，由于滤波电容 C 的存在不可避免的影响入网电流质量。3. LCL 滤波器LCL 滤波器的基本思想是利用加入的电容支路为高频开关纹波电流提供低阻通路，起到对高频分量的旁路作用，减少注入电网的纹波电流。网侧电感 L2 有时可以用电网侧电感 Ls 代替，但是 Ls 不能太小。带有输出升压变压器时，可以利用变压器的漏感，减小、甚至取消 L2，以降低成本、损耗和输出阻抗。优点：抑制开关纹波电流：网侧电感 L2 和电容 C 分别对开关纹波呈现高阻和低阻， 两者相互配合实现对高频纹波的并联分流， 保证了良好的滤波器效果。抑制开关纹波电压对电网污染： 滤波电容 C 和逆变桥侧电感 L1 对高频纹波电压进行串联分压， 由于电容和电感分别对高频分量呈现低阻抗和高阻抗，纹波电压主要由 L1 承担，电网承担的纹波电压就大为减小。缺点：① 设计需要确定三个自由参数：两个电感、一个电容，并要综合考虑纹波衰减率、滤波电感电压降、电容无功电流、逆变桥纹波电流等因素，具有一定难度。② LCL 滤波器还增加了闭环稳定控制的难度。 LCL 滤波器在转折频率点存在高幅值的谐振峰，且其相位滞后从 -90°急剧变化为 -270°，远远超过了自动控制理论中系统稳定的 -180°相位滞后条件，因此难以稳定控制。③ 使用 LCL 滤波器时， 谐振峰的抑制是另一个问题。 在功率不高的情况下通常采用在电容支路串联电阻的方法。 但是阻尼电阻的引入不但产生了较大的损耗，同时增大了电容支路的高频阻抗，影响了滤波效果。根据以上分析， 由于双模式逆变器较长的时间工作于并网模式， 所以必第 2 章 单相并网逆变器总体设计15 须保持较高的并网电流质量，因此采用 LCL 滤波器。在采用适当的控制算法，使用 LCL 滤波器同样可以使负载电压稳定在要求的范围内。这样就可以使逆变器稳定、高效地工作于独立和并网双模式下2.3.1 LCL 滤波器的选定逆变电源并网运行时本质上为电流源， 高开关频率会造成对电网产生污染的高次谐波， 其输出电流会对电网产生严重的谐波污染。 传统的网侧滤波器为 L滤波器由电感 L将高频电流谐波限制在一定范围之内，减小对电网的谐波污染。但随着功率等级的提高， 特别是在中高功率的应用场合， 开关频率相对较低，要使网侧电流满足相应的谐波标准所需的电感值太大 [12]。这不仅使网侧电流变化率下降， 系统动态响应性能降低， 还会带来体积过大成本过高等一系列问题。一般的 LC 滤波器，虽然其结构和参数选取简单，但无法平抑输出电流的高频纹波， 容易因电网阻抗的不确定性而影响滤波效果。 采用LCL 的结构比 LC 结构有更好的衰减特性， 对高频分量呈高阻态， 抑制电流谐波，并且同电网串联的电感 L 还可以起到抑制冲击电流的作用。要达到相同的滤波效果， LCL 滤波器的总电感量比 L 和 LC 滤波器小得多， 有利于提高电流动态性能， 同时能降低成本， 减小装置的体积重量。 在中大功率应用场合， LCL 滤波器的优势更为明显。本章设计一种利用隔离变压器漏感的 LCL 滤波器， 本文对传统的 LCL 滤波器加以改进， 利用隔离变压器漏感，减少了一个电感， 在降低成本的同时显著减少并网电流的直流分量， 有效抑制谐波污染，提高并网电流质量。2.3.2 LCL 滤波器数学模型及波特图分析本文设计 LCL 滤波器的并网逆变器等效原理图如图 2-5所示。根据等效原理图可得：11 1 1( )( ) ( ) ( )i cdi tU t R i t L U tdt1 2( ) ( ) ( )ci t i t i t(2-6) (2-7) 燕山大学本科生毕业设计（论文）16 2 2 22( )( ) ( ) ( )ic gd tU t R i t L U tdt其中， iU ， cU ， gU 分别为输入电压，电容电压和输出电压； 1i ， 2i ， ci分别为电感 1L 电流，电感 2L 电流和电容电流。L1 L2C20uf1R 2R图 2-5 LCL 滤波器由于 LCL型滤波器在低频 (约低于在滤波器谐振频率下的一半 )时的表现性能和纯电感 L型滤波器相近， 其中电感 L=L1 ＋ L2， 容易得到 LCL 型滤波器输出电流 2i 和输入电压 iU 之间的传递函数为 (电阻 1R 和 2R 比较小可近似为 0) 231 2 1 2( ) 1( )( ) ( )ii sG sU s s L L s L L针对 LCL型滤波器是三阶环节， 有可能产生震荡， 为了提高系统的可靠性， 避免高频谐振， 在滤波电容上串联一个电阻 R ， 经推导可得该情况下逆变器输入电压 iU 与输出电流 2i 在静止坐标系下的函数关系式23 21 2 1 2 1 2( ) 1( )( ) ( ) ( )c ii s RCsG sU s L L Cs R L L Cs L L sLCL 滤波环节的波特图如图 2-6所示LCL 型滤波器在低频以 20dB/十倍频程进行衰减，在高频则是以 60dB