PWM控制技术与三相光伏并网逆变器的控制策略介绍

　　PWM（Pulse Width Modulation）控制技术就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值）。

　　1.3.1 PWM控制的基本原理

　　脉宽调制（PWM）控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次斜波谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。

　　在采样控制理论中有一个重要的结论，即冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上，其效果基本相同。冲量既指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同。是指该环节的输出响应波形基本相同。如把各输出波形用傅里叶变换分析，则它们的低频段特性非常接近，仅在高频段略有差异。

　　根据上面理论我们就可以用不同宽度的矩形波来代替正弦波，通过对矩形波的控制来模拟输出不同频率的正弦波。

　　例如，把正弦半波波形分成N等份，就可把正弦半波看成由N个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于 ∏／n ，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦部分面积（即冲量）相等，就得到一组脉冲序列，这就是PWM波形。可以看出，各脉冲宽度是按正弦规律变化的。根据冲量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。

　　在PWM波形中，各脉冲的幅值是相等的，要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按同一比例系数改变各脉冲的宽度即可。根据上述原理，在给出了正弦波频率，幅值和半个周期内的脉冲数后，PWM波形各脉冲的宽度和间隔就可以准确计算出来。按照计算结果控制电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的PWM波形。

　　1.3.2 SVPWM控制简介

　　SVPWM是近年发展的一种比较新颖的控制方法，是由三相功率逆变器的六个功率开关元件组成的特定开关模式产生的脉宽调制波，能够使输出电流波形尽 可能接近于理想的正弦波形。空间电压矢量PWM与传统的正弦PWM不同，它是从三相输出电压的整体效果出发，着眼于如何使电机获得理想圆形磁链轨迹。 SVPWM技术与SPWM相比较，绕组电流波形的谐波成分小，使得电机转矩脉动降低，旋转磁场更逼近圆形，而且使直流母线电压的利用率有了很大提高，且更易于实现数字化。

　　SVPWM 的理论基础是平均值等效原理，即在一个开关周期内通过对基本电压矢量加以组合，使其平均值与给定电压矢量相等。在某个时刻，电压矢量旋转到某个区域中，可由组成这个区域的两个相邻的非零矢量和零矢量在时间上的不同组合来得到。两个矢量的作用时间在一个采样周期内分多次施加，从而控制各个电压矢量的作用时间，使电压空间矢量接近按圆轨迹旋转，通过逆变器的不同开关状态所产生的实际磁通去逼近理想磁通圆，并由两者的比较结果来决定逆变器的开关状态，从而形成PWM 波形。

　　1.4 本课题的主要研究内容与意义

　　1.4.1 课题的主要研究内容

　　本课题研究的三相光伏并网逆变器，是光伏并网发电系统的重要组成部分，主要由主电路和控制电路两部分组成。主电路部分采用三相电压型PWM逆变电路，控制电路主要包含双闭环控制模块（电流内环，电压外环）、DQ坐标变换模块和SVPWM控制模块。本课题主要利用MATLAB的SIMILINK系统仿真软件，建立了三相并网逆变器的仿真模型， 构成双闭环，对这些模块的基本原理进行详细分析和参数整定（如PI调节器参数整定）。直流变换侧加入电流环为光伏电池最大功率点跟踪（MPPT）算法提供电流数据，实时跟踪功率的最大输出值，尽可能提高光伏发电系统的效率，并保证并网运行具有稳定可靠的锁相功能。

　　1.4.2 课题的意义

　　本课题设计的三相光伏并网逆变器，应使输出电流为良好的正弦电流波形，并于电网电压基本同相位，具有实时控制、电流响应快、输出电压电流波形不含特定次谐波等优点。

　　2 三相光伏并网逆变器的数学模型及坐标变换原理

　　2.1 三相光伏并网逆变器在静止坐标系下的数学模型

　　2.1.1电路拓扑结构及建模假定条件

　　常用的三相电压型PWM 逆变器主电路拓扑结构如图2.1所示， 其中ea、eb、ec 为电源三相电动势， ia、ib、ic表示逆变器三相输出电流; ua、ub、uc 为逆变器输出相电压; L 为交流侧滤波电感， C 为直流侧滤波电容，Vdc为直流侧电源电压，开关器件由可控器件IGBT组成。为简化分析且又不脱离电路的实际工作情况， 在推导以便其的数学模型之前， 特做如下假设：

　　（ 1）电网为三相对称的理想电压源;

　　（ 2）三相回路等效电阻和电感相等;

　　（ 3）网侧滤波电感L是线性的， 且不考虑饱和;

　　（ 4）忽略分布参数影响;

　　（ 5）忽略开关器件的导通压降和开关损耗。

　　2.1.2 三相静止坐标系下的数学模型

　　不考虑逆变器变换损耗， 忽略高频分量的影响，根据基尔霍夫定律，

　　2.2 同步旋转坐标变换（ dq变换）原理与方法

　　在 ABC 坐标系中， 需要控制的网侧电流均为时变交流量， 因而不利于控制系统设计。因此通过坐标变换将三相ABC 静止坐标系转换成同步旋转dq 坐标系。经坐标旋转变换后， 三相对称静止坐标系中的基波正弦变量将转化成同步旋转坐标系中直流变量。另外，两相坐标系的d 轴q轴互相垂直， 因而没有磁的耦合; 仅此两点就会使数学模型简单许多， 利于控制系统的设计应用。

　　2.2.1 dq 坐标与三相静止坐标的关系图

　　坐标系的定义基准不同， 电气量的表达式及坐标变换的结果也就不一样。在此以IEEE 的定义标准为基准， 即以逆时针旋转方向为基准， abc 三相静止坐标逆时针排列、彼此相差， dq 坐标逆时针同步旋转（以角频率ωθ同步旋转）、d 轴与a 轴的夹角为θ、q 轴位于在旋转方向上比d 轴超前的位置上。dq 坐标与abc三相静止坐标的关系。

　　2.2.2 dq坐标变换的方法

　　坐标变换通常有等量变换和等功率变换两种方式， 所谓等量变换是指坐标变换前后电气量的通用矢量相等， 而等功率变换则是变换前后功率保持不变。本文采用等量dq 变换法来建立三相VSR的数学模型。

　　将d 轴定向于A 轴旋转θ角度后的矢量方向上， q轴与之垂直， 如图2.2 所示。定义d 轴与电网电动势矢量e同相， 则d轴方向的电流分量id为有功电流， d 轴落后于q 轴， 因此q轴方向的电流分量iq为无功电流。初始条件下， 令d轴与a 轴重合。

　　2.3 三相光伏并网逆变器在两相旋转坐标系下的数学模型

　　式中为电感电流矢量;为逆变器桥臂输出电压矢量; 为电网电压矢量; L 为每相滤波电感。

　　整理后可以得到三相并网逆变器在两相同步旋转坐标系下的数学模型。

　　经过坐标变换后， 所控制的变量id， iq均为直流分量， 简化了控制系统的分析和设计。并网有功分量由id控制， 无功分量由iq控制， 控制id 和iq， 就可以实现系统有功分量和无功分量的控制。

　　3 三相光伏并网逆变器的控制策略

　　3.1 三相并网逆变器的开环控制

　　三相并网逆变电路是以无源逆变电路为基础而衍生的，本节内容先研究分析无源逆变的模型及仿真，再进而研究有源逆变的模型及仿真结果。

　　3.1.1 无源逆变的模型及仿真

　　利用matlab软件搭建的三相无源逆变电路的模型如下：

　　给定直流电源电压Vdc=600V，交流侧R=2Ω，L=2mH，给定的三想调制波信号为：

　　与计算所得出的结果基本一致，说明了理论分析的正确性。

　　3.1.2 有源逆变的模型及仿真

　　在无源逆变电路的基础上，建立有源逆变电路模型，

　　以电网电压电动势矢量为参考。分以下四种情况进行讨论分析

　　（1）电流矢量滞后电动势矢量，此时电压矢量端点位于圆轨迹A点，交流侧呈电感特性。

　　（2）电流矢量与电动势矢量，此时电压矢量端点位于圆轨迹B点，

　　交流侧呈电阻特性，如图所示：

　　（3）电流矢量超前电动势矢量，此时电压矢量端点位于圆轨迹C点，交流侧呈电容特性

　　当电压矢量端点在圆轨迹AB和BC上运动时，逆变器工作在整流状态，从电网吸收有功，而在AB上时还要吸收感性无功功率，BC上时吸收容性无功功率。在B点时，实现单位功率因数逆变器控制。

　　当电压矢量端点在圆轨迹CD和DA上运动时，逆变器工作在有源逆变状态，此时逆变器向电网传输有功，而在CD上时还要向电网传输容性无功功率，DA上时向电网传输无功功率。在D点时，实现单位功率因数逆变器控制。

　　在交流侧等效电阻很大的情况下，可以快速地得到稳定、准确的三相输出电流波形。但是在实际应用中，若交流侧等效电阻很大，则在交流侧有功功率的损耗也会很大，使逆变效率大大下降，这也是开环控制的弊端所在，所以必须进一步采用闭环控制。

　　3.1.3 SVPWM的基本原理与算法实现