光伏单相逆变器并网控制技术

本科毕业设计（论文）单相逆变器并网技术研究**** 大 学年 月II 本科毕业设计 （论文）单相逆变器并网技术研究学院（系） ：专 业：学生 姓名：学 号：指导 教师：答辩 日期：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 级题目题目名称 单相逆变器并网技术研究题目性质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、逆变电源并网工作的研究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。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～ 18 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：系级教学单位审批：年 月 日摘要I 摘要随着 “ 绿色环保 ” 概念的提出， 以解决电力紧张， 环境污染等问题为目的的新能源利用方案得到了迅速的推广， 这使得研究可再生能源回馈电网技术具有了十分重要的现实意义。 如何可靠地、 高质量地向电网输送功率是一个重要的问题， 因此在可再生能源并网发电系统中起电能变换作用的逆变器成为了研究的一个热点。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，推导了控制方程。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。在完成并网控制系统理论分析的基础上，本文设计并制作了基于TMS320LF2407DSP的数字化控制硬件实验系统， 包括 DSP 外围电路、 模拟量采样及调理电路、隔离驱动电路、保护电路和辅助电源等 ,最后通过MATLAB 仿真软件进行验证理论的可行性 ,实现功率因数为 1的并网要求。关键词 并网逆变器； LCL 滤波器；双电流环控制； DSP 燕山大学本科生毕业设计（论文）II Abstract With the concept of ” Green and Environmental Protection ” was proposed． All kinds of new energy exploitation program are in the rapid promotion， which is in order to solve the power shortage ， pollution and other issues． It makes exploring renewable energy feedback the grid technology has a very important practical significance． How to deliver power into the grid reliably and quality is an important problem， the inverter mat Can transform the electrical energy in the system of the renewable resource to be fed into the grid is becoming one of the hot points in intemational research．Based on the bridge inverter the analysis of the working principle and the deduction of the control equation have been presented. The strategy integrates an outer loop grid current regulator with capacitor current regulation to stabilize the system. The current regulation is used for the outer grid current control loop. The frequency of switching is slower in the high power grid-connected inverter. Compared with tradition type L or type LC, output filter and output current?s THD of type LCL are all smaller.So on this basis, the system uses the LCL filter.This paper compares the net current of the single-phase inverter and net single loop and double loop under two control strategies, and the case of sudden disturbance of the dynamic change of the system. In complete control system on the basis of theoretical analysis, design and production of this article is based on TMS320LF2407DSP?s digital control hardware test system, including the DSP external circuit, analog sampling and conditioning circuit, isolation, driver circuit, protection circuit and auxiliary power, etc., via MATLAB software to validate the feasibility of the theory.Achieve power factor is 1 and network requirements. Keywords Grid-connected inverter;LCL filter; Double current loop control; DSP III 目录摘要 . IAbstract II第 1 章 绪论 11.1 国内外可再生能源开发的现状及前景 11.1.1 可再生能源开发的现状及前景 11.1.2 可再生能源并网发电系统 31.2 并网逆变器的研究现状及趋势 41.3 本文的结构及主要内容 6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 系统逆变主体电路拓扑结构及原理 82.1.2 系统主体电路参数设计 92.2 逆变器的 SPWM调制方式分析 102.3 LCL滤波器的设计 . . 142.3.1 利用隔离变压器漏感确定 LCL滤波 . 142.3.2 LCL 滤波器数学模型及波特图分析 . 152.3.3 LCL 滤波器的参数设计 . 162.4 并网控制策略的提出 . 182.4.1 电流型并网模型分析 . 182.4.2 几种控制方法分析 . 202.4.3 使用双电流闭环控制策略 . 232.5 本章小结 . 25第 3 章 系统仿真及结果分析 . 263.1 单相逆变器开环仿真 . 263.2 单相逆变器并网单闭环仿真分析 . 273.3 基于双电流环的单相逆变器并网仿真分析 . 283.4 突加扰动时系统动态分析 . 293.5 本章小结 . 31IV 第 4 章 数字化并网控制系统硬件设计 . 324.1 基于 DSP的并网控制系统整体设计 324.2 系统电路设计 334.2.1 DSP 外围电路设计 334.2.2 模拟信号采样电路 344.2.3 隔离、驱动电路 364.2.4 多功能控制电源设计 374.2.5 保护电路设计 384.3 本章小结 38结论 39参考文献 40致谢 42附录 1 43附录 2 52附录 3 59第 1 章绪论1 第 1 章 绪论1.1 国内外可再生能源开发的现状及前景1.1.1 可再生能源开发的现状及前景自 20世纪 50年代以来，随着经济活动的增加，世界能源消耗急剧上升，世界能源消耗增长了 20倍。 然而， 通过增加能源消耗促进经济发展的粗放增长方式已造成全球大气、 土壤、 水源等诸多方面环境质量的严重下降， 暴露出以煤炭等常规能源为主的能源结构的弊端。 上个世纪 70年代西方发生石油危机以来， 人们逐渐认识到， 矿物能源终会有耗尽之时， 人类要维持自身的生产生活，就必须开发新的能源，特别是可再生能源。由此，世界上掀起了一股开发利用可再生能源的热潮， 特别是 1992年联合国世界环境与发展大会后， 世界各国都将积极推动可再生能源的发展当作 21世纪能源发展的基本选择，并在全世界范围内达成了广泛的共识 【 1】 。可再生能源是指在自然界中可以不断再生、 永续利用、 取之不尽、 用之不竭的资源， 它对环境无害或危害极小， 而且资源分布广泛， 适宜就地开发利用。可再生能源主要包括太阳能、风能、水能、生物质能、地热能和海洋能等。 世界各国发展可再生能源的动因和方向有较大差别。 发达国家发展可再生能源的主要目的是：应对气候变化，减排温室气体；保护环境，减少大气污染；能源来源多样化，保障能源安全；保持技术优势，扩大出口等。而发展中国家发展可再生能源的目的主要是在于： 解决农村能源问题， 扩大能源供应和缓解能源短缺。 因此， 世界各国发展可再生能源所采取的战略也有一定的差别。在可再生能源技术方面，美国、欧洲、日本等发达国家都是世界上的领先者， 许多成功的经验和技术值得学习和借鉴。 这些国家以科技为先导， 采取多种激励措施， 将先进技术转化为产业， 并拥有了最大份额的市场。美国政府一直都将促进可再生能源的开发利用作为其能源政策的核心内容之一， 并以法律的形式规定了一系列减税和生产补贴政策， 促进和支持可再生能源的开发和利用。 2005年 8月的 (2005年国家能源政策法 )明确要求燕山大学本科生毕业设计（论文）2 为太阳能、 地热能、 生物能等可再生能源的开发提供资助， 还对核电以及天然气给予了相关政策支持。欧盟自 20世纪 90年代初开始就高度重视能源战略。 1997年，欧盟在 ,可再生能源发展白皮书》中提出，可再生能源在一次能源中的比例要由 1997年的 6％提高到 2010年的 12％， 2020年提高到 20％， 2050年提高到 50％。 1999年欧盟发布的 《欧洲共同体战略起飞白皮书》 提出了实现可再生能源份额提高的行动计划， 行动计划包括； 进一步鼓励可再生能源利用的政策、 加强成员国之间的合作、 鼓励各国在可再生能源领域内的投资， 并加强可再生能源的信息传播与服务。 德国政府自 20世纪 70年代起， 就开始花大力气促进可再生能源技术的开发，迄今已投入研究经费 17.4亿欧元，并在诸多方面取得显著成效。 如德国的风能发电量占全球的三分之一， 并占德国电力生产总量的4％，远高于世界 0.4％的平均水平。日本是一个常规能源极度短缺的国家， 这一状况促使日本形成了积极开发和利用可再生能源的观念。 自 1973年石油危机后， 日本开始大力提高能源效率， 实施能源多样化方针， 并积极引进天然气和核能， 摆脱对石油的依赖。同时，太阳能发电和风能发电在日本也得到了迅速发展和普及。到 2001年，天然气在日本能源消费构成中所占的比例已经从第一次石油危机时的 1.5％提高到 13． 8％，核电占日本能源消费的比例则达到 14.1％。日本政府制定的《新日光计划 (1994～ 2030)》提出：到 2010年可再生能源供应量和常规能源的节能量要占能源供应总量的 10％， 2030年达到 34％ 【 2】 。中国作为一个迅速崛起的发展中国家， 面临着经济增长与环境保护的双重压力。 2004年 6月，我国在《能源中长期发展规划纲要》中提出要大力开发水电、积极推进核电、鼓励发展风电、生物质能等可再生能源，到 2020年中国可再生能源发电装机容量将占总装机容量的 30％以上。 2005年 2月 28日，我国颁布了《中华人民共和国可再生能源法》，将可再生能源列为能源发展的优先领域， 明确规范了政府和社会在可再生能源开发利用方面的责任与义务， 并制定了一系列制度和措旌， 为可再生能源的发展提供了法律保障。2006年 3月公布的 “ 十一五 ” 规划也明确提出；要构筑稳定、经济、清洁的能源供应体系， 大力发展可再生能源。 规划提出， 到 2020年把可再生能源占一第 1 章绪论3 次能源供应的比重，从目前的 7％提高到 15％。为实现这一目标，中国未来15年将大约需要投资 1.5万亿元。经过多年的发展，我国可再生能源的开发利用己取得了很大进展， 其中小水电、 太阳能利用和沼气能开发的规模和技术发展水平均处于国际领先地位， 风电装机容量也位居世界第 10位， 至 2003年底，全国己建成 36个风电厂，并网风力发电装机容量为 56.9万 KW ，单机容量 750KW以下大型风力发电设备已形成了自主生产能力，兆瓦级的大型风力发电设备正在研发。第二届国际可再生能源大会于 2005年 11月 7日至 8日在北京人民大会堂召开， 共有 78个国家和地区的政府代表参加， 联合国秘书长安南和国家主席胡锦涛向大会发来书面致辞。大会通过了《北京宣言》，呼吁各国加快可再生能源的发展，以应对能源压力。胡锦涛主席在给大会的致辞中强调： “ 加强可再生能源开发利用， 是应对日益严重的能源和环境问题的必由之路， 也是人类社会实现可持续发展的必由之路。 国际社会应该在研究开发、 技术转让、 资金援助等方面加强合作， 使可再生能源在人类经济社会发展中发挥更大作用，造福各国人民。 ” 他还指出 “ 加强全球合作，妥善应对能源和环境挑战，实现可持续发展，是世界各国的共同愿望，也是世界各国的共同责任。大力发展可再生能源已成为国际社会的共识。 ” 【 3】1.1.2 可再生能源并网发电系统一般能源从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 [4]。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：燕山大学本科生毕业设计（论文）4 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 可再生能源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 并网逆变器的研究现状及趋势伴随着世界范围内开发利用可再生能源的热潮， 很多国家都纷纷研发了光伏发电、 风力发电等可再生能源并网发电系统。 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 [5]。目前广泛应用于可再生能源回馈电网系统中的方案是； 首先将可再生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全桥逆第 1 章绪论5 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，这种方案能够满足可再生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 [6]：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；燕山大学本科生毕业设计（论文）6 (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 [7]。 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 [8]。1.3 本文的结构及主要内容本文的结构和主要内容大致安排如下：第 l章，绪论。主要论述了当前可再生能源开发的现状和前景，总结了当前并网逆变技术的研究现状和发展趋势， 介绍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第 1 章绪论7 计了主电路的拓扑结构图， 并且对主电路中主要参数进行计算选择。 对逆变器的调制方式进行分析， 设计了 LCL 滤波器并进行了参数计算。 同时也对控制方式进行分析，最终选取双电流闭环的控制策略。第 3章， 系统仿真及结果分析。 本章节对并网逆变器的工作进行了仿真，根据研究过程的进展做了以下工作。 先对逆变器进行开环仿真， 对主电路的工作过程有所了解并验证了上章中设计的 LCL 滤波器的效果， 然后对逆变器并网采取了单环控制， 通过波形得出系统不太稳定， 不能满足并网要求。 最后对使用双闭环控制策略的模型进行仿真，得到较为理想的并网电流波形，并对波形进行了傅里叶分析， 符合并网要求。 对系统突加扰动情况下， 进行了波形分析。第 4章，数字化并网控制系统硬件设计。利用 DSP 实现数字化并网，对逆变器并网控制系统的总体硬件结构进行设计。 介绍了控制系统和主电路接口电路的实现方案； 分析了模拟信号采样及调理电路的原理及实现方法； 设计了隔离驱动电路、保护电路和辅助电源。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2.1.1 系统逆变主体电路拓扑结构及原理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。 其拓扑结构图见图 2-1 所示。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网电压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 系统逆变主体电路拓扑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第 2 章单相逆变器总体设计9 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。2.1.2 系统主体电路参数设计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 [7]，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：0 03 dUc U(2-1) (2-2) (2-3) 燕山大学本科生毕业设计（论文）10 将式 (2-3)代入式 (2-2)，可得：0 023 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，(2-4) 第 2 章单相逆变器总体设计11 频率比 cK f f 为三角载波与正弦调制波的频率之比。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，在输出波燕山大学本科生毕业设计（论文）12 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。第 2 章单相逆变器总体设计13 图 2-4 单极性倍频 SPWM 调制原理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(2-5) 燕山大学本科生毕业设计（论文）14 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。2.3 LCL 滤波器的设计2.3.1 利用隔离变压器漏感确定 LCL 滤波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滤波器如图 2-5所示，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。GridFBinverterLliiV gV图 2-5 电感 L为滤波器的单相并网逆变器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，其结构如图 2-6。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。第 2 章单相逆变器总体设计15 GridFBinverteriVgVTRL LiC0i0V图 2-6 单相并网逆变器的 LCL 滤波器本文设计的利用隔离变压器漏感的 LCL 滤波器的并网逆变器如图 2-6所示。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 2-7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 t2 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 2-7 LCL 滤波器的等效原理图由于 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(2-6) (2-7) (2-8) (2-9) 燕山大学本科生毕业设计（论文）16 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 2-8所示图 2-8 ( )cG s 的波特图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/十倍频程进行衰减， 可知该滤波器在滤出高次谐波方面效