（电力电子与电力传动专业论文）三相光伏并网系统中z源逆变器的应用研究.pdf

f i i ii i rl i l t i f lri i iiiii y 17 6 0 8 4 1 r e s e a r c ho fz s o u r s ei n v e r t e r o nt h r e e p h a s ep h o t o v o l t a i c g i u d c o n n e c t e ds y s t e m ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s i t y f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro f e n g i n e e r i n g b y l it i n gy u a n s u p e r v i s e db y p r o f e s s o rz h e n g j i a n y o n g s c h o o lo fe l e c t r i c a le n g i n e e r i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y m a r c h2 0 1 0 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名：查逛望日期：兰望里：竺：坦 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：盔色塾导师签名： 中文摘要 摘要 在能源枯竭及环境污染问题日益严重的今天，太阳能作为一种新兴绿色能源，以其 永不枯竭、无污染、不受地域资源限制等优点，正得到迅速的推广应用。要将绿色的太 阳能转换为电能，就必须借助于光伏并网发电系统，而逆变器是该系统中的一个重要组 成部分。在三相光伏并网逆变系统中，用z 源逆变器来取代传统电压源型逆变器，能够 克服传统逆变器的不足和局限性，使得光伏并网逆变系统具有更加优良的性能。本文对 基于z 源的三相光伏并网发电系统进行研究，全文分为六章。 第一章阐述了本课题的研究背景和现实意义，分析了传统逆变器自身存在的局限 性，详细叙述了z 源逆变器升压工作原理。 第二章在分析了传统s p w m 和s v p w m 调制策略的基础上，通过改进传统s p w m 和s v p w m 调制算法，得出适用于三相z 源逆变器的调制算法，并给出可以直接用于 d s p 实现的开关时序表。 第三章分析了应用常见的z 源逆变器调制算法时，逆变器开关应力的大小，推导了 各自电压应力和电流应力的数学公式，并进行比较分析。 第四章通过分别建立z 源阻抗网络模型和三相逆变器在同步旋转坐标系下的d - q 模 型建立了三相z 源光伏并网逆变系统的数学模型，并提出了包括电流环、电压环和功率 环的三环控制策略，用m a t l a b 搭建仿真，验证了控制策略的正确性。 第五章搭建了基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的三相z 源光伏并网逆变系统的实验平台，并对 包括d s p 控制、光耦隔离、a d 采集、电网同步锁相在内的硬件电路进行了设计，着 重论述了基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的系统软件控制程序的设计方法，最后通过实验进行验证。 第六章对本文开展的工作进行总结，并对需进一步开展的工作以及研究方向作了展 望。 【关键词】太阳能发电，z 源逆变器，三相并网，空间矢量脉宽调制，功率扰动 a b s 丁r a c t a bs t r a c t w i t ht h eg l o b a le n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na n dt h ei n c r e a s i n gs e r i o u se n e r g yc r i s i s ，s o l a re n e r g ya sa n e m e r g i n gg r e e ne n e r g yi sb e i n gs p r e a dr a p i d l y , b e c a u s ei th a ss om a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha si n e x h a u s t i b l e ， n op o l l u t i o na n dw i t h o u tg e o g r a p h i c a lr e s t r i c t i o n s i no r d e rt oa c h i e v et h ep u r p o s eo fc o n v e r s i o nt h eg r e e n s o l a re n e r g yi n t oe l e c t r i c a le n e r g y , w em u s tr e s o r tt og r i d - c o n n e c t e dp h o t o v o l t a i ci n v e r t e rs y s t e m i n v e r t e r i sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h es y s t e m i nt h et h r e e - p h a s eg r i d c o n n e c t e dp h o t o v o l t a i ci n v e r t e rs y s t e m , w ec o u l dt a k et h ep l a c eo ft h et r a d i t i o n a li n v e r t e rw i t hz - s o u r c ei n v e r t e r , b e c a u s ei ta b l et oo v e r c o m et h e d e f i c i e n c i e sa n dt h el i m i t a t i o n so ft r a d i t i o n a li n v e r t e r sa n di tm a k e st h e 舒d - c o n n e c t e ds o l a ri n v e r t e r s y s t e m sh a v em o r ee x c e l l e n tp e r f o r m a n c e i nt h i sp a p e r , t h et h r e e - p h a s eg r i d - c o n n e c t e dp h o t o v o l t a i c i n v e r t e rs y s t e mb a s e do nt h ez - s o u r c eo fc o n v e r t e rh a sb e e ns t u d i e d t h ep a p e rc o n t a i n ss i xc h a p t e r s c h a p t e r1i n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n d sa n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c eo f t h i ss t u d y , a n a l y s e st h el i m i t a t i o n s o ft h et r a d i t i o n a li n v e r t e ro ft h e i ro w n , d e t a i l st h ep r i n c i p l eo fv o l t a g ee n h a n c e m e n to ft h ez - s o u r c e i n v e r t e r c h a p t e ri ia n a l y s e st h ep r i n c i p l eo ft r a d i t i o n a ls p w ma n ds v p w ms t r a t e g y , r e c e i v e st h em o d u l a t i o n a l g o r i t h mo ft h et h r e e - p h a s ez - s o u r c ei n v e r t e r sb yi m p r o v i n gt h et r a d i t i o n a ls p w ma n ds v p w m m o d u l a t i o na l g o r i t h m ，g i v e st h es w i t c h i n gc h r o n o l o g yc a nb ed i r e c t l yu s e df o rd s pr e a l i z a t i o n c h a p t e ri i ia n a l y z e st h ev o l t a g eb - t r e s sa n dt h ec u r r e n ts t r e s so ft h ez - s o u r c ei n v e r t e r , w h e ni ta p p l i e s d i f f e r e n tm o d u l a t i o na l g o r i t h m ，a n dd e r i v e st h em a t h e m a t i c a lf o r m u l ao ft h ev o l t a g es t r e s sa n dc u r r e n t s t r e s s ，a n dc o n d u c t sac o m p a r a t i v ea n a l y s i s c h a p t e ri ve s t a b l i s h e st h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f t h et h r e e p h a s eg r i d - c o n n e c t e dp h o t o v o l t a i ci n v e r t e r s y s t e mb a s e do nt h ez - s o u r c eo fc o n v e r t e r , b ye s t a b l i s h i n gt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ez s o u r c e i m p e d a n c en e t w o r ka n dt h e ( d - q ) m a t h e m a t i c a lm o d e lo f t h r e e - p h a s ei n v e r t e ri nt h es y n c h r o n o u s l yr o t a t i n g c o o r d i n a t es y s t e m ，p r e s e n t st h et h r e ec l o s e d - l o o pc o n t r o ls t r a t e g yi n c l u d eo fp o w e rl o o p ，v o l t a g el o o pa n d p o w e rl o o p ，a n db u i l d st h es i m u l a t i o nm o d e 、 r i mt h em a t l a bs o f t w a r et ov e r i f yt h ec o r r e c t n e s so ft h e c o n t r o ls t r a t e g y c h a p t e rvs e t su pae x p e r i m e n t a lp l a t f o r mo ft h et h r e e - p h a s ez s o u r c eg r i d c o n n e c t e dp h o t o v o l t a i c i n v e r t e rs y s t e mb a s e do nt h et m s 3 2 0 f 2 81 2p r o c e s s o r , a n dd e s i g n st h eh a r d w a r ec i r c u i t i nt h i ss y s t e m , i n c l u d i n gt h ed s p c o n t r o lc i r c u i t , o p t oi s o l a t i o nc i r c u i t s ，a da c q u i s i t i o nc i r c u i t , g r i dp h a s et r a c k i n gc r c u i t , d e t a i l ss o f t w a r ep r o g r a mo ft h es y s t e mc o n t r o lb a s e do nt h et m s 3 2 0 f 2 8 1 2p r o c e s s o r , f i n a l l yv e r i f i e st h e c o r r e c t n e s so ft h i ss y s t e mt h r o u g he x p e r i m e n t s c h a p t e rv ih a ss u m m a r i z e dt h ew o r kc a r r i e do u ti nt h i sp a p e r , a n dp r o s p e c t e dt h ef u r t h e rw o r ka n d r e s e a r c hd i r e c t i o n k e yw o r d s s o l a rp o w e r , z - s o u r c ei n v e r t e r , t h r e e p h a s e 鲥d - c o n n e c t e d ，s p a c ev e c t o r p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，p o w e rd i s t u r b a n c e i l l 目录 目录 摘要i a b s t r a c t 。i i i 目录v 第一章绪论。1 1 1 课题的研究背景及意义1 1 1 1 国内外太阳能并网发电概述。l 1 1 2 光伏并网逆变技术。2 1 2 传统三相逆变器和新型z 源逆变器2 1 2 1 传统三相逆变器。3 1 2 2z 源逆变器及其升压原理4 1 2 3z 源逆变器的升压原理4 1 3 论文的主要研究内容6 第二章z 源逆变器的脉宽调制技术7 2 1p w m 脉宽调制技术7 2 2 传统s p w m 调制与z 源逆变器s p w m 调制8 2 2 1 传统s p w m 调制技术。8 2 2 2 改进的s p w m 在三相z 源逆变器中的应用一1 1 2 3 传统s v p w m 调制与z 源逆变器s v p w m 调制1 3 2 3 1 传统s v p w m 调制技术1 3 2 3 2 改进的s v p w m 在三相z 源逆变器中的应用1 5 2 3 3 基于z s i 的s v p w m 开关时序1 6 第三章各种调制策略下z 源逆变器的开关应力分析1 9 3 1z 源逆变器开关管的电压应力分析1 9 3 1 1 恒定直通零矢量控制下的电压应力2 0 3 1 2 最大化直通零矢量控制下的电压应力2 l 3 1 3 恒频恒直通控制下的电压应力2 3 3 1 4 电压应力总结2 4 3 2z 源逆变器开关管的电流应力分析2 4 3 2 1 单桥臂直通控制下的电流应力。2 5 3 2 2 三桥臂直通控制下的电流应力2 6 3 2 3 电流应力小结2 7 第四章三相z 源光伏并网逆变器分析2 9 4 1 系统模型的建立2 9 4 1 1z 源阻抗网络模型2 9 v 东南大学硕士毕业论文 4 1 2 三相逆变器在同步旋转坐标系下( d q ) 模型3 1 4 2 系统控制结构3 l 4 2 1 最大功率点跟踪控制31 4 2 2 电流单位功率因数并网控制3 2 4 2 3z 源电容电压的升压控制3 3 4 3 仿真结果。3 3 4 3 1 改进s v p w m 调制的仿真3 3 4 3 2 系统控制的仿真3 5 第五章基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 三相z 源光伏并网逆变系统实验平台3 9 5 1 三相z 源光伏并网逆变系统的功率电路选择3 9 5 1 1 系统总体结构3 9 5 1 2z 源阻抗网络电感和电容参数选择3 9 5 1 3 交流侧电感参数选择4 2 5 1 4 输入功率二极管及逆变器开关管的选择4 3 5 1 5 缓冲电路4 3 5 2 三相z 源光伏并网逆变系统硬件电路实现4 4 5 2 1d s p 控制电路4 4 5 2 2 光耦隔离电路4 5 5 2 3 驱动电路4 6 5 2 4 电压电流采集4 6 5 2 5 电网电压的同步锁相5 0 5 3 三相z 源光伏并网逆变系统软件编设计5 0 5 3 1 系统软件设计总体结构5 0 5 3 2 主程序设计。51 5 3 3 开关频率中断服务程序设计5 2 5 3 4p l l 锁相中断服务程序设计5 3 5 3 5 功率保护中断服务程序设计5 5 5 3 6 改进的s v p w m 模块程序设计5 5 5 3 7m p p t 模块程序设计5 9 5 4 实验波形。6 0 第六章工作总结与展望6 3 6 1 工作总结。6 3 6 2 进一步工作设想6 3 致谢6 5 参考文献6 6 攻读硕士期间公开发表的学术论文6 8 v i 第一章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 第一章绪论 1 1 1 国内外太阳能并网发电概述 太阳能光伏并网发电代表了太阳能利用的发展方向，是2 l 世纪最具吸引力的能源 利用技术之一。近年来伴随着全球范围太阳能光伏电池产量的迅速增长，太阳能光伏并 网发电的发展步伐也在逐年加快。据e p i a 的数据统计，2 0 世纪末期，太阳能光伏并网 发电容量开始出现逐年扩大的趋势。 进入2 1 世纪后，全球太阳能光伏并网发电年度并网容量增长迅速，从2 0 0 0 年的 2 8 7 m w 递增至2 0 0 8 年的1 2 9 5 g w ，增长“1 倍，年均增长率达6 0 9 9 ，同比2 0 0 7 年增长7 2 6 7 。全球太阳能光伏并网发电并网累积总量增长迅速，从2 0 0 0 年的1 4 3 5 g w 增长至2 0 0 8 年的1 6 4 g w ，增长1 0 5 倍，年均增长率为3 5 6 ，同比2 0 0 7 年增长6 0 7 8 ； 经权威机构预计2 0 1 0 年的全球累积并网将接近3 0 g w t l l 。 过去几年国外的并网光伏装机主要集中于日本、德国和美国3 个国家。这些国家对 于光伏发电支持性政策较多是形成这个现象的主要原因，而近几年其他国家，诸如西班 牙、韩国、葡萄牙也相继出台了一系列国家政策鼓励太阳能光伏并网发电的发展。随着 太阳能光伏并网发电技术的发展步伐逐步加快，发达国家的新增并网容量增长趋势愈发 明显。同时又随着光伏发电成本的降低和耗能发电成本的提高，光伏发电的成本已经越 来越接近传统火电水电的发电成本。当光伏发电成本和传统发电成本相差不远，具有一 定的竞争力的时候，光伏发电将会进入商业化应用阶段。目前，欧盟已成为全球太阳能 光伏并网发电的主导区域，引领未来全球太阳能光伏并网发电的发展。可以预测，欧盟 太阳能光伏并网发电将于2 0 1 0 - - 2 0 2 0 年逐步大规模进入主流能源市场，2 0 2 0 - - 2 0 3 0 年 间接近电力市场高峰电价，在2 0 2 0 - - 2 0 4 0 年间接近电力市场平均电价。 表1 3 中国光伏电池组件总产量 。 年生产能力m w p年产量m w p年产值万元累计装机容量m w p 1 9 9 84 52 11 6 8 0 01 3 1 9 9 94 52 52 0 0 0 01 6 2 0 0 05 32 4 0 0 02 l 2 0 0 16 542 4 0 0 02 8 2 0 0 2853 0 0 0 0 3 7 2 0 0 31 06 3 6 0 0 0 4 7 2 0 0 41 38 4 8 0 0 05 9 2 0 0 51 4 01 06 0 0 0 07 3 2 0 0 61 4 5 02 8 01 6 8 0 0 0 0 东南大学硕士毕业论文 目前亚洲是太阳能电池的主要生产和输出地区。在0 6 年、0 7 年两年时间里亚洲太 阳能电池产量约占世界电池产量的6 5 。亚洲的太阳电池生产主要集中在中国大陆、中 国台湾和日本。2 0 0 7 年中国太阳能电池产量达到1 0 8 8 m w ，约占全世界太阳能电池产 量的2 7 2 。从产量角度看，我国已经成为太阳能电池的第一生产国。有资料显示，0 7 年世界前1 6 家太阳能电池生产公司中，我国占了6 家。表1 3 列举了中国自1 9 9 8 - 2 0 0 6 年以来的光伏电池组件总产量【2 删。 1 1 2 光伏并网逆变技术 世界上光伏并网逆变技术经过十几年的研究，技术上已经取得了一些突破性的进 展，德国、美国和日本等发达国家已有成熟的光伏并网电力电子技术，从小功率几十瓦 到上百瓦、上千瓦的高频光伏并网模块，到高压大功率的光伏并网逆变电源，品种繁多， 不仅如此，其功能也很完善，多机并联、独立后备与并网发电两用、多机组合群控、最 大功率自动跟踪、孤岛效应防止、远程调度管理等。 与我国高速发展的太阳能电池产业相比，我国的太阳能发电产业起步较晚，我国太 阳能光伏发电2 0 0 7 年新增装机容量仅为2 0 m w p ，累计装机容量仅为9 5 m w p ，还不到 我国太阳能电池总产量的2 ，这和我国光伏发电逆变技术相对落后有着直接的关系。 在“十五”和“十一五”期间，国家技术部着力加大了电力电子研发投入，先后成立了 多个“国家科技攻关计划”，推动了我国光伏逆变技术的发展【4 儿副。经过近几年的努力， 我国在光伏逆变并网发电技术的基本理论和实用技术方面己经取得喜人的成绩，在并网 逆变的关键技术逆变器的控制方面也有重大突破。具体来说，我国的逆变器控制技 术的发展先后经历了四个阶段： 1 早期的逆变器采用阶梯波形式输出，通过改变功率电路拓扑的设计，进而改善 输出电压波形质量，比如对输出变压器进行特殊的设计，提高输出电压波形的正弦度。 2 当较先进的脉宽调制技术( p w m ) 出现后，逆变器控制技术出现了飞跃，它主要 通过开环的脉宽调制方法使输出电压波形大幅度改善。 3 随着控制技术的发展，采用模拟的闭环控制方法和p w m 技术相结合，使逆变 器输出电压质量得到进一步提高。 4 近年随着具有高速运算能力的d s p ( d i g i m ls i g n a lp r o c e s s o r ) 问世，使逆变器控制 的全数字化成为现实，由于许多先进的现代控制理论和方法在逆变器中得到应用，逆变 器的稳定性和可靠性大幅度提耐圳。 1 2 传统三相逆变器和新型z 源逆变器 太阳能光伏发电是太阳能利用的主要方式之一，要利用太阳能光伏发送电能就离不 开光伏发电系统装置，而光伏发电系统装置最核心的部分就是逆变器。它是实现太阳能 电池输出直流电转换成正弦5 0 h z 交流电的桥梁。 2 第一章绪论 1 2 1 传统三相逆变器 传统的三相逆变器的基本拓扑结构主要包括：电压源型逆变器( v s i ) 和电流源型 逆变器( c s i ) 两种。图1 1 为电压源型逆变器( v s i ) 基本拓扑结构，一般来说它要求 具有恒定的输入直流电压，交流输出侧为电压恒定不变、频率受控的交流电。直流侧电 源可以是蓄电池、燃料电池、光伏阵列或者是整流器输出的直流电，当直流电源电压不 够稳定时，常常通过并联一个大电容的方法来起到稳定直流侧电压的作用。电压源型逆 变器主要的应用场合有：交流不间断电源、电流电动机驱动、静止无功发生器、有源滤 波器和各种分布式交流电源等。 图1 - 1 电压源型逆变器( v s i ) 基本拓扑结构 图1 2 为电流源型逆变器( c s i ) 的基本拓扑结构，它和电压源型逆变器( v s i ) 基 本成对偶，一般来说它要求逆变器的输入侧是一个恒定不变的电流，输出侧为电流恒定 不变、频率受控的交流电。因为现实中理想的恒流源并不多见，电流源型逆变器的直流 输入都是串联一个大电感，通过这种方法，把常见直流源近似看成是一个恒流源。电流 源型逆变器主要的应用场合有：大功率感应电机和同步电机的速度控制、绕线磁极式同 步电动机的变频启动、静止无功补偿器和有源滤波器等。 图1 - 2 电流源型逆变器( c s i ) 的基本拓扑结构 无论是电压源型逆变器( v s i ) 或者电流源型逆变器( c s i ) ，由于它们自身拓扑的 特点，在许多实际的应用场合中都存在着局限性【7 】【引。 l 、电压源型逆变器( v s i ) 是降压型逆变器，电流源型逆变器( c s i ) 是升压型逆 变器，它们不能同时达到升降压功能，它们可得到的输出电压是有局限的，或低于直流 侧电压，或高于直流侧电压，缩小了它们的应用场合。为了达到需要，常常需要在直流 侧额外增加一个d c d c 变流器，这样不仅增加系统的成本，也降低电路的变换效率。 东南大学硕士毕业论文 2 、它们对开关信号时刻准确性要求高，电压源型逆变器任何时刻同一桥臂不能同 时开通，否则将发生短路，直接损坏功率器件。电流源型逆变器在任何时刻都要求逆变 器至少一个上桥臂和一个下桥臂导通，形成回路，防止直流侧的电感开路，损坏功率器 件。 3 、电压源型逆变器为了防止逆变器上、下桥臂短路，在上、下开关换流过程中必 须插入死区时间，以保证电路的正常工作。插入死区时间将会导致输出交流电压波形发 生畸变，影响输出波形质量。 4 、由于它们对开关信号的要求较高，因此它们的抗电磁干扰性能差，降低了逆变 器运行的可靠性。 1 2 2z 源逆变器及其升压原理 z 源逆变器是在传统电压源型逆变器和直流电源之间插入一个由2 个电容、2 个电 感对称连接的阻抗网络而形成的新型电力电子变换电路，由于我们称这个对称的阻抗网 络为z 源阻抗网络，所以我们称这种新型的电力电子变换电路为z 源逆变器。 由于这个对称阻抗网络的加入，它使得逆变器允许出现同一桥臂同时导通的工作状 态( 我们称之为直通状态) 。直通状态的出现，打破了原来传统三相逆变器的限制，带 来了一系列的优越性一j 。如下： l 、z 源逆变器的电源既可为电压源，也可为电流源。因此，与传统的电压源和电 流源逆变器不同，z 源逆变器的直流电源可以为任意的，如电池、二极管整流器、晶闸 管变流器、燃料电池堆、电感、电容器或它们的组合。 2 、z 源逆变器的主电路既可为传统的电压源的形式，也可为传统的电流源的形式。 z 源逆变器所采用的开关可以是开关器件和二极管的组合。 3 、z 源逆变器允许同一桥臂同时开通，引入直通状态，并利用直通状态来提升逆 变器直流侧电压，提高了系统的稳定性。 4 、z 源逆变器不用在开关换流过程中插入死区时间，从而减小了输出交流电压波 形的畸变率。 1 2 3z 源逆变器的升压原理 n，、，_ 、，n i i 1 i j ( 1 j一j 一 协 1 剐1 ： a 以 b c 。 j ( 均 鼬k7 一 图l - 3 z 源逆变器基本拓扑 4 第一章绪论 z 源逆变器基本拓扑如图l 一3 所示。虚框内为z 源阻抗网络。它由两个电容c l ，c 2 ， 两个电感l l ，l 2 呈x 型连接而成，其中c l = g ，厶= 厶。根据逆变桥臂上、下桥臂是否 同时导通，将z 源逆变器分解成两种基本工作状态。下面简单说明一下两种基本工作状 态【l o 】f 1 1 】： 图l - 4 直通状态等效电路 图1 5 非直通状态等效电路 状态1 直通状态 图l - 4 为直通状态下系统等效电路。此时逆变桥上、下桥臂短路，这种情况在传统 逆变器中是不允许的。但是由于逆变桥前端有z 源阻抗网络存在，z 源上电感上的电流 不能突变，有效的保护了逆变桥功率器件。假设一个开关周期的时间为丁，直通时间为 瓦= d t ( d 为直通调制比) ，由等效电路得 。= ：= 圪。= 圪2 = 圪 ( 1 1 ) 在直通状态下 圪= 圪 ( 1 2 ) 状态2 非直通状态 图1 5 为非直通状态下系统等效电路。该状态与传统逆变器工作状态一样，此时由 等效电路得： 圪= v o 一圪，k = 2 v c v o 逆变器工作在稳态条件下，在理想情况下， ( 1 3 ) 一个开关周期时间t 内z 源电感上不消 东南大学硕士毕业论文 耗任何能量，因此电感上的伏秒积为0 ，即【圪衍= 0 ，将( 1 2 ) ，( 1 3 ) 式代入，有 = 箍圪= 篇虼 4 ， 由于逆变桥直流侧工作在这两种状态下，逆变桥直流侧的电压取值只能为0 和谚， 直通状态下逆变桥直流侧电压为0 ，非直通状态下逆变桥直流侧峰值电压为谚。 谚= 圪一圪= 2 一v o2 而1= b v o b 2 r 南为z 源升压因子 1 5 ) 由( 1 5 ) 式可以看出，和传统电压源型逆变器相比，通过设置直通调制比d ( d 0 5 ) ，不需要额外的增加d c d c 变流器，就可以实现直流侧电压的任意比例升 压【l2 1 。 1 3 论文的主要研究内容 在三相光伏并网逆变系统中，用z 源逆变器来取代传统电压源型逆变器，能够克服 传统逆变器的部分局限性，给光伏并网逆变系统带来一些传统逆变器所没有的新特性。 在阅读了大量国内外文献的基础上，结合本课题的技术要求，论文的主要研究工作如下： 1 、阐述国内外光伏并网逆变技术研究现状，详细地分析了新型z 源逆变器的拓扑 结构和控制模式，对z 源逆变器的工作原理进行了详细的说明。 2 、分析了传统s p w m 和s v p w m 调制策略，在此基础上分别对传统s p w m 和 s v p w m 调制算法进行改进，得出了能够适用于三相z 源逆变器的改进的s p w m 调制 算法和改进的s v p w m 调制算法，并推导出可以直接用于d s p 实现的开关时序表。 3 、分析了目前z 源逆变器常用的调制算法( 包括恒定直通零矢量调制、最大化直 通零矢量调制、恒频恒直通零矢量调制) 对逆变器开关电压应力、电流应力的影响。得 出各自的电压应力和电流应力的计算公式，并对各自优缺点进行了比较分析。 4 、通过分别建立z 源阻抗网络模型和三相逆变器在同步旋转坐标系下的d q 模型 得出三相z 源光伏并网逆变系统的数学模型，并提出了包含电流环、电压环和功率环的 三环控制策略，用m a t l a b 搭建仿真，验证控制策略的正确性。 5 、搭建基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的三相z 源光伏并网逆变系统的实验平台，设计z 源 逆变器主电路中各个器件参数，设计相关的硬件电路控制电路，包括d s p 控制、光耦 隔离、a d 采集、电网同步锁相等几部分，并着重设计了基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片的d s p 控制软件，并在实验平台上对三相z 源光伏并网逆变系统进行实验分析。 6 第二章z 源逆变器的脉宽调制技术 第二章z 源逆变器的脉宽调制技术 2 1 嗍宽调制技术 我们通常所说p w m 调制技术，全称脉宽调制控制技术( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) ， 是基于面积等效原理的一种控制技术。其基本原理为，用一种参考波( 通常是正弦波， 有时也采用梯形波或注入零序谐波的正弦波) 为调制波( m o d u l a t i n gw a v e ) ，而以n 倍 于调制频率的三角波( 有时也用锯齿波) 为载波( c a r r i e rw a v e ) 进行波形比较，从而 得出一组开关量，用开关量来控制半导体开关器件的开通和关断，把直流电压变成等幅 的电压脉冲序列，达到将直流电变成交流电的目的。可以分别控制电压脉冲序列的宽度 和周期两个量。通过控制电压脉冲序列的宽度以达到变压的目的，通过控制电压脉冲序 列的宽度和脉冲序列的周期以达到变压变频的目的。p w m 控制的目的是减少输出电压 低次谐波，将谐波的主要分量推向开关频率的高次上，以实现功率调节。目前p w m 控 制技术已经广泛应用电力电子各个场合，例如开关电源，不间断电源( u p s ) ，有源滤 波器( a p f ) ，无功功率发生器( s v g ) ，交直流电动机传动和各类分布式发电系统等【1 3 】【1 4 】。 p w m 比早期的基本型方波的控制技术具备了众多的优点： 1 、谐波分量主要集中在开关频率的高次上，在设计输出滤波器时，减小了输出滤 波器的体积和重量一 2 、对于电机的传统应用，可以有效地抑制电网侧的电流谐波，提高功率因数。 3 、由于开关频率远远大于常用的公频频率，提高了控制的速度和系统响应的快速 性。 p w m 控制技术经过多年的应用研究，已经派生出了众多分支，常见的应用方式有 如下几种【l 纠： l 、正弦波脉宽调制技术( s p w m ) 2 、优化p w m 控制算法 3 、电压空间矢量p w m 控制技术( s v p w m ) 4 、消除指定次数谐波的p w m 控制技术( s h e p w m ) 5 、基于电流滞环跟踪的p w m 控制技术( c h b p w m ) 目前应用在逆变器的p w m 控制技术主要是s p w m 控制技术和s v p w m 控制技术。 本论文主要讲述的是一种基于z 源的三相光伏并网逆变器应用研究，因此论文接下来将 详细论述这两种控制技术的原理和应用，并通过改进这两种控制技术使其能够应用在三 相z 源逆变器中。 7 东南大学硕士毕业论文 2 2 传统s p 删调制与z 源逆变器s p 删调制 2 2 1 传统s p w m 调制技术 s p w m 调制原理 要说明脉宽调制，首先必须先说明一下在采样控制理论中的一个重要结论面积 等效原理，即冲量相等而形状不同的窄脉冲加载在具有惯性的环节上，其效果基本相同。 冲量即指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同。 如果把各输出波形用傅里叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。 下面分析如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波。 把图2 1 a 的正弦半波分成n 等份，就可以把正弦半波看成是由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7 ，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利用相同数量的 等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应的正弦波部分的中点重合，且 使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积相等，就得到图2 1 b 所示的脉冲序列。这就是 s p w m 波形【16 1 。 h 物| | 舭 h 7 图2 - 1 用p w m 波代替正弦半波 图2 - 2 三相s p w m 逆变器的电路拓扑结构 传统的三相s p w m 的调制方式是用三个相位相差1 2 0 0 的正弦信号作为调制信号， 用高频的三角波( 或者是锯齿波) 作为载波信号，调制信号和载波信号相比较，得出逆 变桥臂各开关管的p w m 控制信号。三个正弦信号分别对应三组p w m 控制信号，每组 p w m 信号由两个互补的信号组成，三组p w m 控制信号分别控制逆变桥三组桥臂的开 第二章z 源逆变器的脉宽调制技术 通与关断。在逆变器的交流侧得到相应的三相输出电压波形。三相输出电压波形虽然从 包络线上看是矩形脉冲波形，但是经过滤波，将载波频率的谐波分量消除后，就能得到 三相正弦电压波形。 三相p w m 控制的具体方式方法有很多，分类方式也各有不同，简单归纳如下图2 3 ： 删 = = 法 图2 - 3 三相p w m 控制方式方法分类 今年来数字电路应用的广泛普及，工程中应用较多是采用对称规则采样法。对称规 则采样法是指在每个开关周期中在载波的波峰或者是波谷采样一次，这一次的采样值看 作是这个开关周期时间里的均值，并与三角载波进行比较。图2 - 4 说明了应用对称规则 采样法的三相s p w m 具体控制。 图2 - 4 对称规则采样法的三相s p w m 具体控制 一般来说，载波信号的频率较高，一个载波周期的时间较短，在一个具体的载波周 期内，利用对称规则采样法，我们将随时间变化的调制信号看成是一个具体的不变的数 值。该数值和三角载波进行比较，就得到相应的s p w m 开关控制信号。假设载波为单 位载波，幅值为l ，s p w m 的调制波为 j 眈= m s i n ( c o t ) = m s i n ( t o t + 1 2 0 0 ) ( 2 1 ) i 以：聊s i n ( a ) t 一1 2 0 。) 9 l t j 现 现 实 实 路 路 电 电 子 子 电 电 拟 字 模 数 l 东南大学硕士毕业论文 通常定义m 为调制度，为了s p w m 在线性调制范围内，要求o m l ， 系统将会出现过调制，输出波形具有较大畸变率。此时交流侧输出电压的相电压的峰值 为睨= 警。 卜一 i _ _ - _ _ 一 i： li ；! i o o o l 1 1 0 ：1 1 1 ：1 1 0 1 0 0 ：o o o 图2 - 5 三相s p w m 典型的开关控制信号