太阳能三相并网技术研究

摘要太阳能并网系统的控制目标是实现正弦电流并网，使其工作在单位功率因素并网模式。并网逆变器输出电流波形直接影响光伏发电系统的供电质量，正因为如此，并网逆变器输出电流控制策略是太阳能发电系统的研究的一大热点，在本论文的研究设计中，我们采用的是近年兴起的空间矢量控制技术（SVPWM），它具有谐波小，直流电压利用率高，易于数字化实现等优点，被广泛用于太阳能并网发电中。本文通过对三相并网逆变器进行连接负载和并网接入，分析了SVPWM控制技术的原理以及SVPWM控制技术在此次太阳能三相并网逆变器中控制作用。SVPWM控制技术根据α-β复平面空间中的状态开关矢量，直接合成参考电压空间矢量，进行相关矢量作用时间的求取，计算量适中，实时性好，逆变器输出电流谐波小，同时给出了相关的数学推导来证实相关原理和算法理论，然后根据这一理论利用MATLAB/SIMULINK动态仿真工具来实现对SVPWM控制算法的动态仿真。在本次设计中，我们建立了基于SVPWM控制技术的三相并网逆变器的仿真模型，利用模型进一步分析了SVPWM控制技术在并网逆变器中的应用与实现，最后给出了仿真波形，并对仿真结果进行了分析，仿真结果达到了设计指标，符合预期设想。在世界能源形势日益紧张的今天，SVPWM控制技术在逆变节能方面具有广阔的应用前景。关键词：空间矢量脉宽调制;逆变技术;动态仿真;矢量控制;SIMULINK

ABSTRACTSolarenergygridsystemcontrolgoalistorealizethesinecurrentgrid,makeitsworkintheunitpowerfactorgridpattern.Gridinverteroutputcurrentwaveformdirectlyinfluence(pv)powersystemofpowersupplyquality,becauseofthis,gridinverteroutputcurrentcontrolstrategyistosolarpowersystemoneofthehotspot,inthispapertheresearchdesign,weuseisthespaceoftheriseinrecentyearsofvectorcontrol(SVPWM),ithastheharmonicsmall,dcvoltageefficiencyishigh,easytodigitalrealizable,iswidelyusedinthesolarenergygridgeneration.Thisarticlethroughtothethree-phasegridinverterforconnectstheloadandgridaccess,analyzestheprincipleandtheSVPWMcontroltechnologyinthesolarenergySVPWMcontroltechnologyinthethree-phasegridinvertercontrolfunction.SVPWMcontroltechnologyaccordingtoalphaβcomplexplanarspacevectorofthestateswitch,thedirectsynthesisofreferencevoltagespacevector,relativevectoreffecttimederiving,moderateamountofcalculation,goodreal-time,inverteroutputcurrentharmonicsmall,andpresentstherelatedmathematicalreasoningtoconfirmrelatedprinciplesandalgorithmtheory,andthenbasedonthetheoryofusingMATLAB/SIMULINKtooltoachievethedynamicsimulationofSVPWMcontrolalgorithmofdynamicsimulation.Inthisdesign,weestablishedbasedonSVPWMcontroltechnologyofthethree-phasegridinvertersimulationmodel,usingthemodeltoanalyzetheSVPWMcontroltechnologyinthegridinverterapplicationandimplementation,andfinallypresentsthesimulationwaveform,andthesimulationresultsareanalyzed,andthesimulationresultstoreachthedesignindex,inlinewithexpectations.Intheworldenergysituationofincreasinglyscarcetoday,SVPWMcontroltechnologyinenergyconservationininverterhaswideapplicationprospects.Keywords:spacevectorpulsewidthmodulation;invertertechnology;dynamicsimulation;vectorcontrol;SIMULINK目录TOC\o"1-2"\h\u7480摘要 I1089ABSTRACT II12451目录 III104241绪论 191471.1课题研究背景和意义 1143631.2国内外研究现状 274691.3本论文主要完成的工作 5123052太阳能三相并网逆变器的结构设计 6304772.1太阳能三相并网发电总体结构介绍 644392.2太阳能三相并网逆变电路系统结构 7271812.3LC滤波电路的设计与分析 9184953基于SVPWM控制的太阳能三相并网逆变器原理 1154373.1SVPWM基本原理 11219693.2SVPWM法则推导 13178803.3SVPWM控制算法 16100303.4SVPWM的物理意义 22232594太阳能三相并网逆变器的仿真研究 25135534.1基于SVPWM控制的三相并网逆变器系统 2548134.2MATLAB/SIMULINK简介 2547574.3基于SVPWM控制技术的三相并网逆变器仿真 2628182结束语 355687参考文献 3619542附录一 3717190附录二 3825890附录三 3913847致谢 401绪论1.1课题研究背景和意义太阳能作为一种清洁的可再生能源，成为了国际社会公认的理想替代能源。根据国际权威机构的预测，到21世纪50年代，全球直接利用太阳能的比例将会发展到世界能源结构中的13％～15％之间，而整个可再生能源在能源结构中的比例将大于50％。可以看到，太阳能在未来的能源结构中所占的比重将会越来越大。光伏发电是太阳能开发利用的主要形式之一[1]。目前各种发电方式的碳排放率(g碳/()为：煤发电275，油发电204，天然气发电l81，太阳能热发电92，太阳能光伏发电55，核能发电8，水力发电6。这些数据是以各种发电方式所用原料的开采和运输、发电设备的制造、电源网架的建设、电源发电的运行维护和废气物的排放与处理等所有环节所消费的能源，按照各种发电方式在寿命期间的发电量计算得出的。由上述可见，以太阳能为代表的新能源和可再生能源是保护地球生态环境的清洁能源；它将逐渐减少和替代化石能源的使用，它的广泛应用是保护生态环境、走经济社会可持续发展的必经之路[2]。当今世界各国特别是发达国家对太阳能发电技术十分重视，针对其制定规划，增加投入，大力发展。20世纪80年代以来，即使是在世界经济处于衰退和低谷的时期，光伏发电技术产业也在保持着以10％～15％的递增速度在发展。90年代后期，发展更为迅速，成为全球增长速度最快的高新技术产业之一。2003年以来，全球经济进入了一个繁荣的黄金时期，能源价格暴涨，原油价格在5年内涨至2003年的5倍，这一现象在很大程度上促进了光伏产业的快速发展。据欧洲光伏工业协会数据显示，2007年全球光伏累计装机容量容量达到了9100，2008年达到了14721。2000～2008年间，累计装机容量增长了将近10倍，年复合增长率达到33.9％。根据SOLARBUZZ统计资料，2008年全球光伏产量为6.8．较2007年增长了将近100％。而据前面数据2008年全球光伏装机量为5.6，产量过剩超过1。但2009年随着金融危机的过去以及各国政策的大力支持，过剩应该能缓解[3]。在全球太阳能电池生产结构中，2008年光伏组件最大生产国为中国，占32.9％，然后是德国、日本、中国台湾、美国。特别是中国太阳能电池的生产在近几年迅猛发展，2004年中国光伏电池产量不足100，到2007却达到了1.2，2008年达到了2.0，为世界光伏电池产量第一位。中国于1958年开始研究光伏电池，1971年成功地首次应用于中国发射的东方红二号卫星上。于l973年开始将光伏电池用于地面。中国的光伏工业在80年代以前尚处于雏形，光伏电池的年产量一直徘徊在10以下，价格也很昂贵。由于受到价格和产量的限制，市场的发展很缓慢，除了作为卫星电源，光伏电池在地面上的使用仅限于小功率电源系统，如航标灯、铁路信号系统、高山气象站的仪器用电等，功率一般在几瓦到几十瓦之间[3]。在1981～1990年期间，中国十分弱小的光伏电池工业得到了巩固并在许多应用领域建立了示范工程，如微波中继站、部队通信系统、农村载波电话系统、小型户用系统和村庄供电系统等。同时，先后从国外引进了多条光伏电池生产线。光伏电池不再仅仅用于小功率电源系统，而开始广泛用于通信、交通、石油、农村电气化、民用产品等各个领域。光伏并网发电技术是当今世界光伏发电的趋势，是光伏技术步入大规模发电阶段，成为电力工业组成部分之一的重大技术步骤[4]。1.2国内外研究现状1.2.1光伏发电系统独立光伏发电系统主要解决偏远的无电地区和特殊领域的供电问题，且以户用及村庄用的中小系统居多。独立光伏发电系统主要由太阳能光伏电池阵列充电控制器蓄电池组正弦波逆变器等组成。它的工作原理是：光伏电池将照射到其上的太阳辐射能量转换成电能，该电能是直流电，经稳压后可直接供给直流负载或者通过正弦波逆变器变换为交流电后给交流负载供电。在光照充足时，多余的能量经充电控制器后化学能的形式储存在蓄电池中，而在夜晚或者光照不足时，则可将储存在蓄电池中的能量经变换后继续给负载供电，从而可以保证系统的持续运行[5]。光伏并网发电系统是将太阳电池发出的直流电转化为和电网电压同频同相的交流电，从而既向负载供电，又向电网发电的一个系统。并网系统的核心是并网逆变器，它同时也应该具有其它光伏发电系统的一些功能和特点。通常，市电电网可视为容量为无穷大的交流电，并网逆变器的输出可以控制为电压源或者电流源。若控制并网系统的输出为一个交流电压源，则太阳能并网系统和电网实际上就是两个交流电压源的并联。要保证系统的稳定运行，则必须同时严格控制并网系统输出电压的幅值和相位。由于输出电压幅值不易精确控制，并且锁相回路的响应速度较慢等原因，这种并网系统和电网之间可能会出现环流，系统不能稳定运行，甚至会发生故障。因此，光伏并网系统常常被设计成电压型的电流源系统，这样并网系统和电网实际上就是一个交流电流源和电压源的并联。逆变器的输出电压幅值自动被钳位为电网电压，通过采用锁相控制技术实现并网电流与电网电压的相位同步，保证系统输出的功率因素为1。实际系统中，还可以通过调整并网系统输出电流的大小及相位来控制系统的有功输出与无功输出。一般地，光伏并网发电系统按照系统的设计要求可以分为两类:一种是不含储能环节的“不可调度式光伏并网发电系统”；另一种是含有储能环节的“可调度式光伏并网发电系统”。不可调度式光伏并网发电系统中，正常工作时，并网逆变器将光伏阵列产生的直流电能直接转化为和电网电压同频、同相的交流电能馈入电网，当主电网断电或夜间无光照时，系统则自动停止向电网馈电。该系统的一个突出特点是并网的时间和并网的功率大小完全由日照和环境温度等因素来决定。可调度式光伏并网发电系统主要由充电控制器和并网逆变器组成，在有光照的情况下，系统首先对蓄电池进行充电，然后根据需要将系统用作并网或者经逆变后独立使用，系统工作时间和并网功率大小可以人为设定。当电网断电或者无光照时，逆变器自动切断和电网的电气连接，同时可以根据需要选择是否进行独立逆变，用以对本地负载继续供电。相对于不可调度式光伏并网发电系统，该系统在功能上有一定的优势，但是它的一个致命的缺点就是增加了蓄电池储能环节，从而带来了若干严重的问题：蓄电池组有寿命问题、价格昂贵、体积笨重。正是由于上述缺点的存在，使得可调度式光伏并网发电系统的推广应用受到了很大的局限，目前绝大部分光伏并网发电系统仍采用不可调度式并网结构。1.2.2光伏发电三相并网逆变器的研究现状在太阳能三相并网发电系统中，并网逆变器主要由电力电子开关器件连接电感构成，以脉宽形势向电网送电。其主要起着以下作用：实现电能转换，将太阳能光伏列阵产生的直流电能转换成220V、50Hz的三相正弦波交流电能；其电流和电压的畸变率均要求较小；实现系统的安全保护要求，如输出过载保护、输入接反保护、输出短路保护、交流过压和欠压保护、直流过压保护、“孤岛"保护等；实现光伏列阵最大功率点跟踪，调节其输出功率。按控制方式的不同来，逆变器可分为电流源电压控制和电流源电流控制、电压源电压控制和电压源电流控制四种。在光伏发电系统中，用于实现并网功能的逆变器一般采用电压源电流控制型逆变器。太阳能三相并网发电系统的控制目标是实现正弦电流并网，并网逆变器输出的电流波形直接影响太阳能三相并网发电系统的供电质量，所以，逆变器输出电流控制策略是光伏发电系统研究的一大热点。现有的控制方法有PI控制、滞环电流控制、空间矢量控制(SVPWM)等。这些控制方法都有着自身的优缺点，如PI控制具有算法简单、开关频率固定、易于设计等特点，但存在着动态响应相对较慢，跟踪存在偏差的缺陷；滞环控制能够实现实时控制，所以电流响应速度较快，但其开关频率不固定等。随着现代控制理论的发展，许多先进的算法也被应用到逆变系统的控制中，比如神经网络、自适应控制和模糊控制等。对于今后光伏并网逆变器技术的发展，总是伴随并跟踪电力电子技术、控制技术、计算机技术、新型功率器件及应用、模块电源技术等的发展趋势。从这几项技术的发展，可以推测太阳能三相逆变器可能的技术发展与创新：新型电路拓扑结构的设计、智能控制技术的应用，神经网络技术的结合、高频开关技术、软开关技术、智能检测与保护技术、模块化技术的应用与改进、“孤岛’’保护、电磁兼容性等。其目标就是逆变器系统的效率更高、可靠性更好、功率密度更高、成本更低。随着光伏发电技术的迅速发展，光伏并网发电成为大规模开发和利用太阳能的主要形式。一般来说，太阳能三相并网发电系统主要由光伏列阵、并网逆变器以及控制器组成[6]。1.2.3光伏并网系统控制方法的研究光伏并网系统的控制目标是实现正弦电流并网，使其工作在单位功率因数并网模式。并网逆变器输出电流波形直接影响光伏发电系统的供电质量，正因如此，并网逆变器输出电流控制策略是光伏发电系统研究的一大热点。现有的控制方法有PI控制、滞环电流控制、空间矢量控制（SVPWM）等PI控制具有算法简单、可靠性高、开关频率固定、易于设计等特点，是目前最常用的控制方法之一。一般光伏发电系统采用电压外环电流内环的双闭环PI控制来实现直流电压的稳定及调节并网电流的幅值。但是常规的Pl控制在开关频率不够高的情况下，存在电流动态响应相对较慢，跟踪存在偏差以及跟踪速度慢等缺点[7]。因此有人提出电流双闭环控制方式，外环为电流有效值闭环，内环为电流瞬时值闭环，通过实时的电流反馈，修正电流的输出波形，既保证了对输出电流幅值和波形的要求，又易于软件实现，还具有动态响应快的优点滞环电流控制技术是根据电流跟踪偏差来决定功率器件的开关状态的一种控制方法，这种控制技术没有传统的电流调节器。它具有实时控制、电流响应快、输出电压电流波形不含特定次谐波等优点，但功率器件的开关频率不固定，增加了系统参数设计的难度。针对滞环电流控制的开关频率不固定的缺陷，有人提出了一种准固定频率的滞环电流控制方法，该方法的关键是在滞环电流控制电路中引入频率反馈，这样就保证了开关频率能够基本固定，从而解决了固定频率电流控制方法中的次谐波振荡问题，并且具有稳定性好、响应速度快、控制精度高的优点。SVPWM控制策略是依据逆变器空间电压电流矢量切换来控制逆变器的一种新颖思路的控制策略，它能在功率器件开关频率不高的情况下输出较好质量的正弦波，并且能提高直流电压的使用效率。由于传统的SVPWM控制策略涉及复杂的反正切函数正弦函数和平方根计算使得控制算法异常复杂，因此有人提出了一种空间矢量简化算法，该方法根据两相笛卡儿坐标系上的电压空间矢量，直接确定电压控制矢量所在扇区，从而计算出当前的开关状态及控制占空比，避免了传统控制策略中关于反正切正弦查表等繁杂工作，简化了运算过程。1.2.4孤岛效应的检测与防止技术的研究现状孤岛效应是并网发电系统中普遍存在的一个问题。它是指当电网停电时，系统没有检测到电网停电状态，从而不能及时切断和电网的电气连接，而与本地负载一起构成了电力系统中的“孤岛”。这种孤岛现象会对维修人员和用电设备甚至电网产生严重的后果，因此系统要能及时地检测到电网断电并使系统停止运行。通常对孤岛效应的检测和防止都是通过同时使用几种主动和被动的方法来实行对电网的监控。目前常用的被动检测方法有:电压谐波监测法、相位跳动检测法、频率变化率检测法、输出功率变化率检测法；常用的主动检测方法有:频率偏移法、自动频率漂移法、滑差式频率位移法等方法。1.3本论文主要完成的工作设计一款太阳能三相并网逆变器，了解太阳能并网发电系统结构，并对系统后级的直流-三相交流逆变部分进行建模仿真设计。三相逆变器的输入源为前级太阳能直流-直流转换器的输出，电压为范围540-600V，逆变器的输出为三相四线式380V交流电，输出功率10kw，THD5%以下，HD3%以下。采用高频调制技术，确定电路架构，设计电路参数，建立电路模型并仿真；研究电网入网标准，为使逆变器输出能顺利并网，设计PID控制器，通过仿真确定PID参数。第2章是根据设计要求对太阳能三相并网逆变器的总体设计框架进行了介绍并以提出了本文重点研究部分并网逆变器的总体设计方案。并且对逆变器的各个重要组成部分的拓扑结构进行分析和比较。第3章将对SVPWM控制技术进行详细的介绍，以及在本次设计中的应用。第4章是在基于MATLAB的SIMULINK仿真，在设计出太阳能三相并网逆变器的仿真模型之后，对于其进行仿真并且通过观察波形来得出最后设计的并网逆变器是否符合题目设计指标。2太阳能三相并网逆变器的结构设计2.1太阳能三相并网发电总体结构介绍前文介绍了太阳能三相并网发电系统的主要组成部分以及各部分的国内外研究现状。在接下来的论文中，我们即将开展的是研究太阳能三相并网逆变电路的结构设计以及控制策略。系统设计指标：输入直流母线电压额定值：540VDC；额定电网电压：380VDC;并网逆变器额定功率：10KW；EQ\o\ac(○,4)并网逆变器输出电流总谐波畸变率（THD）:<5%。如图所示为本次设计的太阳能三相并网发电系统的总体方案。本文设计的太阳能三相并网发电系统的总体方案：EQ\o\ac(○,1)DC/DC电路设计及其控制：DC/DC电路是连接太能电池板和并网逆变器的能量变换环节，其主要作用是进行电压等级的变换；EQ\o\ac(○,2)逆变器的主电路及其控制方法：DC/AC逆变器维持直流母线中间电压稳定并将电能转换成220V/50HZ的正弦交流电。本文采用空间矢量控制方法，该方法坐标变换，将三相电流变换到预期波频率同步旋转的两相坐标系，稳态时三相正弦电流变成了直流量，而PI调节器对直流信号的放大倍数为无穷大，电流稳态跟踪误差接近于零，可以实现电流的无差跟踪控制，因此，空间矢量控制方法可以获得高功率因素低谐波的三相并网电流，可以较好的应用在太阳能三相并网逆变器的控制；EQ\o\ac(○,3)滤波器的设计：三相并网逆变器会产生大量的谐波注入电网。为了减少开关频率次或者倍数次的电流谐波，通常采用在电网加装L或者LC滤波器[8]。图1-1太阳能三相并网发电系统总体结构图2.2太阳能三相并网逆变电路系统结构2.2.1三相并网逆变电路拓扑结构三相逆变桥是光伏系统的核心，可将PV阵列输出的直流电转换成工频交流电源并入三相电网。三相逆变器逆变桥主要有两电平逆变桥、三电平逆变桥、H桥并联等几种典型拓扑。目前在光伏三相并网发电系统中，两电平逆变器拓扑结构应用最为广泛，主要因为该拓扑结构简单，易于控制，易于实现SPWM和SVPWM调制技术。三电平逆变器拓扑结构输出电流谐波含量低，电感体积较小，但算法较为复杂，目前处在研究试验阶段。所以在本次的设计中我们采用的是两电平逆变器拓扑结构[9]。图1-2太阳能三相逆变器拓扑结构图2.2.2三相并网逆变电路结构分析太阳能三相逆变器带负载的逆变电路如图1-3所示。图1-3太阳能三相逆变器带负载的逆变电路上图中包含六个功率原件开关，分别以S1、S3、S5代表各臂的上端元件，S4、S2、S6代表相对应元件的下端元件，且各上端元件不能与相对应的下端元件同时导通，否则会造成短路而导致元件烧毁。直流电源端部分有一中间抽头的虚拟接地，主要作用是为了分析电路。对于星型连接负载，由于有一隔离中性点，我们定义为“n”点，这样换流器中三对功率电晶体的切换状态可以有以下8种，如图1-4所示。图1-4电压空间矢量与功率开关切换状态对应图图中功率晶体管的切换状态中1表示某一臂的上开关导通，下开关截止，0则表示该臂的下开关导通，上开关截止。控制功率开关以产生三相电压提供负载时，可采用空间向量调制来实现控制，为此首先定义空间电压向量U为：U(t)是一个旋转的空间矢量，它的幅值不变，为相电压峰值，且以角频率按逆时针方向匀速旋转的空间矢量，而空间矢量U(t)在三相坐标轴（a，b，c）上的投影就是对称的三相正弦量。三相桥式电压型有源逆变器的数学模型就是根据三相有源逆变器的拓扑结构，利用电路基本定律（基尔霍夫电压、电流定律）对三相有源逆变器所建立的一般数学描述。建立三相有源逆变器的数学模型是深入分析和研究三相有源逆变器工作机理及动态和静态特性的重要手段，也是实现其控制的重要步骤。开关函数描述的一般数学模型是对三相桥式电压型逆变器开关过程的精确描述，较适合于逆变器的波形仿真。然而，采用开关函数描述的电压型逆变器一般数学模型由于包括了其开关过程的高频分量，因而很难用于指导控制器设计。当逆变器开关频率远高于电网基波频率时，为简化逆变器的一般数学描述，可忽略逆变器开关函数描述模型中的高频分量，即只考虑其中的低频分量，从而获得采用占空比描述的低频数学模型。这种采用占空比描述的逆变器低频数学模型非常适合于控制系统分析，并可直接用于控制器设计。2.3LC滤波电路的设计与分析高频SVPWM逆变器中，逆变器的输出LC滤波器主要是用来滤除开关频率及其邻近频带的谐波，如图1-5所示[10]。一个性能优良的滤波器首先要有良好谐波的抑制能力，具体可以从总谐波失真THD值来体现，另外所选滤波器还要减少对逆变器的附加电流应力。电流应力增大，不仅使器件损耗及线路损耗加大，还会额外要求加大功率元件的容量，增加了系统的成本。但是，减小THD与减小滤波器引起的附加电流应力通常是矛盾的。下面将从分析二阶LC滤波器特性着手探讨滤波器设计的方法。图1-5逆变电路输出滤波电路示意图忽略电感电阻及线路阻抗，滤波器输出电压相对于逆变桥输出电压的传递函数为：（1-1）式中—无阻尼自然振荡角频，，，—阻尼比。这是一个典型的二阶振荡系统，幅相频率特性为（1-2）（1-3）根据（1-3）式，可以求得对数幅频特性为从上面的分析中可以看出，转折角频率和阻尼比ζ是影响滤波效果的主要参数。选择SVPWM逆变器的输出LC滤波器的转折（其中）远远低于开关频率，它对开关频率以及其附近频带的谐波具有明显的抑制作用。在本课题中，开关频率，取LC滤波器的转折频率为开关频率的1/20左右，但不能太小，以免产生低频振荡。即。LC滤波器幅频特性中可以看出，高于转折频率时幅频特性以-40dB下降。所以当转折频率为开关频率的1/10时，开关频率处的谐波通过LC滤波器后，有接近-40dB的衰减；当LC滤波器的转折频率选为开关频率的1/20时，开关频率处的谐波衰减更大一些，滤波效果也更好一些[11]。滤波器与逆变器的附加电流应力有关，这是由滤波器的滤波电感上流过的电流谐波引起的。流过滤波器电感的电流也就是流过功率元件的最大电流。流过滤波电感的电流谐波越小，半导体开关所承受的附加电流应力就越小，线路上的损耗也会较小。而滤波电感上的谐波电流和电感L的值成反比，电感值越大，谐波电流越小。最后选取的滤波电感和电容值如下：EQ\o\ac(○,1)滤波电感：；EQ\o\ac(○,2)滤波电容：。3基于SVPWM控制的太阳能三相并网逆变器原理在本次设计中，我们设计的太阳能三相并网逆变器是采用空间矢量控制技术（SVPWM）来进行控制的。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。本节内容从三相桥式逆变器结构出发，建立三相静止坐标模型a-b-c，引入两相旋转坐标d-q和坐标转换，之后对SVPWM原理进行分析，在原理分析与调制法的数学模型基础上详细讨论控制算法。3.1SVPWM基本原理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[12]。逆变电路如图2-1示。图2-1逆变电路设直流母线侧电压为，逆变器输出的三相相电压为、、，其分别加在空间上互差的三相平面静止坐标系上，可以定义三个电压空间矢量、、，它们的方向始终在各相的轴线上，而大小则随时间按正弦规律做变化，时间相位互差。假设为相电压有效值，f为电源频率，则有：（2-1）其中三相电压空间矢量相加的合成空间矢量就可以表示为（2-2）可见是一个旋转的空间矢量，它的幅值为相电压峰值的1.5倍，为相电压峰值，且以角频率按逆时针方向匀速旋转的空间矢量，而空间矢量在三相坐标轴（a，b，c）上的投影就是对称的三相正弦量。由于逆变器三相桥臂共有6个开关管，为了研究各相上下桥臂不同开关组合时逆变器输出的空间电压矢量，特定义开关函数为:(2-3)(Sa、Sb、Sc)的全部可能组合共有八个，包括6个非零矢量(001)、(010)、(011)、(100)、(101)、(110)和两个零矢量(000)、(111)。下面以其中一种开关组合为例分析,假设,此时(2-4)求解上述方程可得：、、。同理可计算出其它各种组合下的空间电压矢量，列表如下[12]：表2-1开关状态与相电压和线电压的对应关系矢量符号线电压相电压00000000010000110001000110001001010111000000图2-2给出了八个基本电压空间矢量的大小和位置。图2-2电压空间矢量图其中非零矢量的幅值相同（模长为），相邻的矢量间隔，而两个零矢量幅值为零，位于中心。在每一个扇区，选择相邻的两个电压矢量以及零矢量，按照伏秒平衡的原则来合成每个扇区内的任意电压矢量，即：（2-5）其中，为期望电压矢量；T为采样周期；、、分别为对应两个非零电压矢量、和零电压矢量在一个采样周期的作用时间；其中包括了和两个零矢量。式(2-5)的意义是，矢量在T时间内所产生的积分效果值和、、分别在时间、、内产生的积分效果相加总和值相同。由于三相正弦波电压在电压空间向量中合成一个等效的旋转电压，其旋转速度是输入电源角频率，等效旋转电压的轨迹将是如图2-2所示的圆形。所以要产生三相正弦波电压，可以利用以上电压向量合成的技术，在电压空间向量上，将设定的电压向量由位置开始，每一次增加一个小增量，每一个小增量设定电压向量可以用该区中相邻的两个基本非零向量与零电压向量予以合成，如此所得到的设定电压向量就等效于一个在电压空间向量平面上平滑旋转的电压空间向量，从而达到电压空间向量脉宽调制的目的。3.2SVPWM法则推导三相电压给定所合成的电压向量旋转角速度为，旋转一周所需的时间为；若载波频率是，则频率比为。这样将电压旋转平面等切割成R个小增量，亦即设定电压向量每次增量的角度是:[13]。今假设欲合成的电压向量在第Ⅰ区中第一个增量的位置，如图2-3所示，欲用、、及合成，用平均值等效可得：。图2-3电压空间向量在第Ⅰ区的合成与分解在两相静止参考坐标系（α，β）中，令和间的夹角是θ，由正弦定理可得：(2-6)因为，所以可以得到各矢量的状态保持时间为：（2-7）式中m为SVPWM调制系数（调制比），。而零电压向量所分配的时间为：(2-8)或者(2-9)得到以、、及合成的的时间后，接下来就是如何产生实际的脉宽调制波形。在SVPWM调制方案中，零矢量的选择是最具灵活性的，适当选择零矢量，可最大限度地减少开关次数，尽可能避免在负载电流较大的时刻的开关动作，最大限度地减少开关损耗。一个开关周期中空间矢量按分时方式发生作用，在时间上构成一个空间矢量的序列，空间矢量的序列组织方式有多种，按照空间矢量的对称性分类，可分为两相开关换流与三相开关换流。以下描述的是本次的设计用到的7段式SVPWM。我们以减少开关次数为目标，将基本矢量作用顺序的分配原则选定为：在每次开关状态转换时，只改变其中一相的开关状态。并且对零矢量在时间上进行了平均分配，以使产生的PWM对称，从而有效地降低PWM的谐波分量。当(100)切换至(000)时，只需改变A相上下一对切换开关，若由(100)切换至(111)则需改变B、C相上下两对切换开关，增加了一倍的切换损失。因此要改变电压向量(100)、(010)、(001)的大小，需配合零电压向量(000)，而要改变(110)、(011)、(100)，需配合零电压向量(111)。这样通过在不同区间内安排不同的开关切换顺序，就可以获得对称的输出波其它各扇区的开关切换顺序如表2-2所示。表2-2所在的位置和开关切换顺序对照序所在的位置 开关切换顺序三相波形图Ⅰ区（0°≤θ≤60°）…0-4-6-7-7-6-4-0…Ⅱ区（60°≤θ≤120°）…0-2-6-7-7-6-2-0…Ⅲ区（120°≤θ≤180°）…0-2-3-7-7-3-2-0…Ⅳ区（180°≤θ≤240°）…0-1-3-7-7-3-1-0…Ⅴ区（240°≤θ≤300°）…0-1-5-7-7-5-1-0…Ⅵ区（300°≤θ≤360°）…0-4-5-7-7-5-4-0…以第Ⅰ扇区为例，其所产生的三相波调制波形在时间时段中如图所示，图中电压向量出现的先后顺序为、、、、、、，各电压向量的三相波形则与表2-2中的开关表示符号相对应。再下一个时段，的角度增加一个γ，可以重新计算新的T0、T4、T6及T7值，得到新的合成三相类似的三相波形；这样每一个载波周期就会合成一个新的矢量，随着θ的逐渐增大，将依序进入第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ区。在电压向量旋转一周期后，就会产生R个合成矢量[14]。3.3SVPWM控制算法通过以上SVPWM的法则推导分析可知要实现SVPWM信号的实时调制，首先需要知道参考电压矢量所在的区间位置，然后利用所在扇区的相邻两电压矢量和适当的零矢量来合成参考电压矢量。图2-3是在静止坐标系（α，β）中描述的电压空间矢量图，电压矢量调制的控制指令是矢量控制系统给出的矢量信号，它以某一角频率ω在空间逆时针旋转，当旋转到矢量图的某个60°扇区中时，系统计算该区间所需的基本电压空间矢量，并以此矢量所对应的状态去驱动功率开关元件动作。当控制矢量在空间旋转360°后，逆变器就能输出一个周期的正弦波电压。3.3.1合成矢量所在扇区N的判断空间矢量调制的第一步是判断由和所决定的空间电压矢量所处的扇区。假定合成的电压矢量落在第I扇区，可知其等价条件如下：(2-10)以上等价条件再结合矢量图几何关系分析，可以判断出合成电压矢量落在第X扇区的充分必要条件,得出下表：表2-3电压矢量落在第X扇区的充分必要条件扇区落在此扇区的充要条件IⅡⅢⅣⅤⅥ若进一步分析以上的条件，有可看出参考电压矢量所在的扇区完全由,,三式决定，因此令：(2-11)再定义，若>0，则A=1，否则A=0；若>0，则B=1，否则B=0；若>0，则C=1，否则C=0。可以看出A，B，C之间共有八种组合，但由判断扇区的公式可知A，B，C不会同时为1或同时为0，所以实际的组合是六种，A，B，C组合取不同的值对应着不同的扇区，并且是一一对应的，因此完全可以由A，B，C的组合判断所在的扇区。为区别六种状态，令N=4*C+2*B+A，则可以通过下表计算参考电压矢量所在的扇区。表2-4N值与扇区对应关系N315462扇区号Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ采用上述方法，只需经过简单的加减及逻辑运算即可确定所在的扇区，对于提高系统的响应速度和进行仿真都是很有意义的。3.3.2基本矢量作用时间计算与三相PWM波形的合成在传统SVPWM算法用到了空间角度及三角函数，使得直接计算基本电压矢量作用时间变得十分困难。实际上，只要充分利用和就可以使计算大为简化。以处在第Ⅰ扇区时进行分析，根据图2-3有[14]：经过整理得：（2-12）（2-13）同理可求得在其它扇区中各矢量的作用时间，结果如表2-5所示。由此可根据式2-9中的、、判断合成矢量所在扇区，然后查表得出两非零矢量的作用时间，最后得出三相PWM波占空比，表2-5可以使SVPWM算法编程简易实现。为了实现对算法对各种电压等级适应，一般会对电压进行标幺化处理，实际电压，为标幺值，在定点处理其中一般为Q12格式，即标幺值为1时，等于4096，假定电压基值为，为系统额定电压，一般为线电压，这里看出基值为相电压的峰值。以DSP的PWM模块为例，假设开关频率为，DSP的时钟为，根据PWM的设置要是想开关频率为时，PWM周期计数器的值为,则对时间转换为计数值进行如下推导： 其中和为实际值的标幺值，令发波系数，同理可以得到 表2-5各扇区基本空间矢量的作用时间扇区时间IⅡⅢⅣⅤⅥ当两个零电压矢量作用时间为0时，一个PWM周期内非零电压矢量的作用时间最长，此时的合成空间电压矢量幅值最大，由图2-4可知其幅值最大不会超过图中所示的正六边形边界。而当合成矢量落在该边界之外时，将发生过调制，逆变器输出电压波形将发生失真。在SVPWM调制模式下，逆变器能够输出的最大不失真圆形旋转电压矢量为图2-4所示虚线正六边形的内切圆，其幅值为。即逆变器输出的不失真最大正弦相电压幅值为，而若采用三相SPWM调制，逆变器能输出的不失真最大正弦相电压幅值为。显然SVPWM调制模式下对直流侧电压利用率更高，它们的直流利用率之比为，即SVPWM法比SPWM法的直流电压利用率提高了15.47%。图2-4SVPWM模式下电压矢量幅值边界如图当合成电压矢量端点落在正六边形与外接圆之间时，已发生过调制，输出电压将发生失真，必须采取过调制处理，这里采用一种比例缩小算法。定义每个扇区中先发生的矢量用为，后发生的矢量为。当时，矢量端点在正六边形之内，不发生过调制；当时，矢量端点超出正六边形，发生过调制。输出的波形会出现严重的失真，需采取以下措施：设将电压矢量端点轨迹端点拉回至正六边形内切圆内时两非零矢量作用时间分别为，，则有比例关系：（2-14）因此可以用下式求，，，。（2-15）按照上述过程，就能得到每个扇区相邻两电压空间矢量和零电压矢量的作用时间。当所在扇区和对应有效电压矢量的作用时间确定后，再根据PWM调制原理，计算出每一相对应比较器的值，其运算关系如下，在I扇区时如下图：图2-5每个扇区相邻两电压空间矢量和零电压矢量的作用时间（2-16）表2-5，和分别是相应的比较器的计数器值段数以倒三角计数，对应计数器的值以正三角计数，对应计数器的值7其他扇区以此类推，可以得到表2-6，式中、和分别是相应的比较器的计数器值，而不同扇区时间分配如表2-6所示，并将这三个值写入相应的比较寄存器就完成了整个SVPWM的算法。表2-6不同扇区比较器的计数值扇区1234563.4SVPWM的物理意义SVPWM实质是一种对在三相正弦波中注入了零序分量的调制波进行规则采样的一种变形SPWM。但SVPWM的调制过程是在空间中实现的，而SPWM是在ABC坐标系下分相实现的；SPWM的相电压调制波是正弦波，而SVPWM没有明确的相电压调制波，是隐含的。为了揭示SVPWM与SPWM的内在联系，需求出SVPWM在ABC坐标系上的等效调制波方程，也就是将SVPWM的隐含调制波显化[15]。为此，本文对其调制波函数进行了详细的推导。我们知道各扇区的矢量发送顺序： 奇数区依次为：，，，，，， 偶数区依次为：，，，，，，利用电压矢量近似原理，可总结出以下：（2-17）式中m仍为SVPWM调制系数，利用以上各式就可得到在第Ⅰ扇区的各相电压平均值：（2-18）同样可以推导出其它扇区的调制波函数，其相电压调制函数如下：（2-19）其线电压的调制波函数为：（2-20）从相电压调制波函数（2-19）来看，输出的是不规则的分段函数，为马鞍波形。从线电压调制波函数（2-20）来看其输出的则是正弦波形。4太阳能三相并网逆变器的仿真研究在科研实践中，系统仿真变得越来越不可缺少，精确的仿真可以大量减少设计和实验模拟的费用，他可以提供性能的数据资料，发现系统中存在的问题，确定最优参数。因而，在本次设计中，我们采用的是基于MATLAB的仿真研究，本文采用MATLAB环境提供的系统仿真工具SIMULINK对SVPWM控制的三相并网逆变器进行仿真分析。4.1基于SVPWM控制的三相并网逆变器系统常规的电流PI控制存在一个突出的缺点就是电流动态响应相对较慢，相对于正弦参考电流存在一定偏差，并且在输出功率变化或电网电压波动时难以快速跟踪参考电流，从而造成并网电能质量下降。因此，本文采用空间矢量控制方法，该方法坐标变换，将三相电流变换到与基波频率同步旋转的两相坐标系，稳态时三相正弦电流变成了直流量，而PI调节器对直流信号的放大倍数为无穷大，电流稳态跟踪误差接近于零，可以实现电流的无差跟踪控制，因此，空间矢量控制方案可以获得高功率因数低谐波的三相并网电流，非常适应于三相光伏并网逆变器的控制。图3-1为基于SVPWM技术的三相光伏并网逆变器控制系统框图。图3-1基于SVPWM技术的三相光伏并网逆变器控制系统框图4.2MATLAB/SIMULINK简介MATLAB（MatrixLaboratory）是MathWorks公司开发的，目前国际上最流行、应用最广泛的科学与工程计算软件，它广泛应用于自动控制、数学运算、信号分析、计算机技术、图像信号处理、财务分析、航天工业等各行各业，也是国内外高校和研究部门进行许多科学研究的重要工具。由于它具有强大的计算和绘图功能、大量稳定可靠的算法库和简洁高效的编程语言，已成为数学计算工具方面事实上的标准。MATLAB强大的功能体现在以下几个方面：（1）运算功能强大。在MATLAB环境中，有超过500种的数学、统计、科学及工程方面的函数可供使用，而且使用简单快捷。MATLAB以基本的复数矩阵为基本的编程单元作为程序设计语言，其强大的运算功能使其成为世界顶尖的数学应用软件之一;（2）功能丰富的工具箱。由于MATLAB的开放性，许多领域的专家都为MATLAB编写了各种程序工具箱。这些工具箱提供了用户在特别应用领域所需的许多函数，这使得用户不必花大量的时间编写程序，就可以直接调用这些函数，为用户节省了大量的时间和精力，达到事半功倍的效果;（3）强大的文字处理功能。MATLAB的图形功能使用户可以进行视觉数据处理和分析。研究人员在完成科学性或工程性文章时，可以用MATLAB制作高质量的图形，从而写出图文并茂的文章。通过使用MATLAB的Notebook用户可以创建MATLAB程序文档、技术报告、注释文档、手册或教科书。MATLAB的SIMULINK提供了动态仿真的功能，用户能够通过绘制框图来模拟一个线性、非线性、连续或离散的系统，通过SIMULINK仿真并分析该系统。SIMULINK即动态系统仿真工具箱，是MATLAB中一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，允许用户在屏幕上绘制框图来模拟一个系统，并能动态地控制该系统。目前的SIMULINK不仅可以进行线性系统仿真，也可以进行非线性系统仿真，既可以实现连续时间系统仿真，也可实现离散时间系统甚至混合连续-离散时间系统的仿真，它还支持多制采样率的系统仿真；此外，SIMULINK能够用MATLAB本身的语言、C语言或其它语言，根据S函数的标准格式写成用户自定义的功能模块[15]。4.3基于SVPWM控制技术的三相并网逆变器仿真4.3.1SVPWM控制算法的实现利用SIMULINK环境下的丰富模型，可方便的实现本次设计所要用到的SVPWM控制算法。实现SVPWM算法的各个子系统框图如下所示：EQ\o\ac(○,1)将，，转换成，。要实现SVPWM控制算法，首先要将三相静止坐标系（a,b,c）中的，，转换成两相垂直静止坐标系（α，β）中的，。在SIMULINK中，非常容易实现此转换。EQ\o\ac(○,2)计算参考电压矢量所处的扇区。根据，的关系判断参考电压矢量坐在的扇区N，只需经过简单的加减及逻辑运算即可确定其所在的扇区。在SIMULINK中实现此判断的框图如图3-2所示。图3-2参考电压矢量所处的扇区判断模型图扇区判断的仿真结果如图3-3所示。图3-3扇区判断仿真波形图EQ\o\ac(○,3)计算X，Y，Z。需将和及载波周期和逆变器直流电压作为输入，经过简单的算术运算即可得到X，Y，Z，在SIMULINK中实现此算法的框图如图3-4所示。图3-4X，Y，Z计算模型图EQ\o\ac(○,4)计算每个扇区中基本矢量作用时间，。根据参考电压矢量所处的扇区N确定相邻两基本电压矢量的作用时间，。经过简单的算术运算和逻辑运算实现参考电压矢量过调制的处理。在SIMULINK中实现该算法的框图如图3-5所示。图3-5基本矢量作用时间，计算模型框图通过示波器得到的仿真波形如图所示。图3-6基本矢量作用时间，仿真波形图EQ\o\ac(○,5)计算，，。将，，经过简单的算术运算可得到，，。EQ\o\ac(○,6)计算电压空间矢量切换点，，。根据参考电压矢量所处的扇区N确定A，B，C三相的调制波，，。在SIMULINK中实现该算法的框图如图所示3-7所示。图3-7，，计算模型图通过示波器可以看出生成的调制波，，为三相马鞍波。图3-8仿真波形图EQ\o\ac(○,7)产生驱动波形。将三角载波周期作为定时器周期，与切换点，，比较，从而调制出SVPWM波，其仿真模块如图所示3-9所示。图3-9驱动波形产生模型框图通过示波器得到的仿真波形图如图3-10所示。图3-10触发脉冲波形图4.3.2SVPWM控制的太阳能三相并网逆变器仿真为了对SVPWM控制在太阳能三相并网逆变器中输出电压有比较直观的认识，本文建立了PWM控制太阳能三相并网逆变器的仿真模型，如图3-11所示，可以看出模型主要包括逆变桥直流输入模块，IGBT驱动管模块，LC滤波模块，三相电网模块，CLARK变换模块，PARK变换模块以及dq坐标系中的解耦模块，锁相环模块，PI调节器模块，SVPWM模块等。直流输入模块模拟现实中的直流母线的输入电压。IGBT模块的参数按照所选开关管的参数设置。LC滤波器的参数按照计算出的参数逆变桥侧电感和电网侧电感均为，滤波电容为，阻尼电阻为。电网则设定频率为50Hz，220V的相电压。坐标变换模块是从SIMULINK自带库里面获取的，能够将其输入信号由abc三相静止坐标系转换为dq两相静止坐标系中。锁相模块则检测坐标变换之后的电网个参数并保证进网电流与之同步。在经过解耦模块解耦之后，PI模块能够分别控制注入电网的有功和无功电流从而控制有功功率和无功功率。最后由SVPWM模块生成开关管的开关信号以驱动开关管，得出并网的波形。仿真系统结构分析如下：EQ\o\ac(○,1)假设逆变器输入的直流电压等效为，接到使用IGBT的三相桥式逆变电路上，利用脉冲信号生成模块发出的六路PWM信号对逆变电路六个功率开关管进行PWM控制；从逆变电路输出的三相电压经过两对LC构成的低通滤波器及电抗器，再与模拟三相交流电网（单相电压幅值220V，频率为50HZ）进行并网;EQ\o\ac(○,2)从低通滤波器及电抗器的输出端测出三相电压与电流，将其引入到控制器的静态解耦模块，为避免电压外环饱和，设为600V，要实现单位功率因数并网，无功功率的给定设定为0，通过PI调节器的输出控制六路脉冲信号生成模块，以调整逆变电路六个功率开关管的导通、关断时间来控制实际流入电网电流、电压的瞬间变化量，达到控制电流和电压的目的，从而使得逆变器交流侧电流与电网电压同频反相，实现逆变。图3-11太阳能三相并网逆变器仿真模型图仿真模型中主要测量了太阳能三相逆变器输出的三相线电压输出波形，三相电流输出波形以及PWM发生器输出波形。图3-12三相逆变器输出三相线电压仿真波形图图3-13三相逆变器输出三相电流仿真波形图图3-14三相逆变器SVPWM控制模块波形通过输出波形可以看出，三相电压经过刚开始一段时间的波动之后逐步趋于稳定，通过PI调节器的调节之后，最后可以得到较为稳定的三相电压，最后可以确定三个PI调节器的的参数，电压调节PI调节器的参数为，，电流调节的两个PI调节器的参数为，。三相线电压电压幅值为380V，通过对三相波形的谐波分析可以得到并网逆变器输出电流总谐波畸变率（THD）<5%。从而达到此次三相并网逆变器设计的目的。4.3.3仿真分析小结在本次基于SVPWM控制技术的三相并网逆变器仿真实践中，采用世界上广泛使用的功能强大的MATLAB仿真软件来实现。首先根据实验需要在SIMULINK环境下搭建模型，对各模型模块进行介绍。然后对SVPWM算法实现的脉冲产生模块Pulse进行详细的分析，结合控制算法的三个基本步骤对各个子模块进行分析。最后通过输出三相电压电流波形验证了算法的正确性。仿真的过程中通过改变参数可以看出，在SVPWM脉宽调制的线性调制范围内，随着参考电压矢量的变小，调制度m、调制波的幅值、输出线电压的幅值都随着变小，但是调制信号的波形始终是马鞍形。而随着取值的进一步减小，也会是输出线电压幅值减小以至失真，故受开关器件限制载波频率也不是越小越好，只有在适当值时候才能输出正确合适的波形。仿真结果与理论分析基本一致，证明了本课题使用的SVPWM控制算法正确。基于MATLAB/SIMULINK环境对SVPWM算法仿真的实现，随着今后进一步研究的深入，还可将该控制算法通过高级语言来实现，进一步可通过小型单片机编程体现SVPWM控制算法，通过理论与实践的统一来证实控制算法的正确型、可操作性以期应用于工业生产实践。结束语随着经济社会发展，能源需求增加与供给短缺的矛盾日益突出，特别是在太阳能发电技术应用中，电力电子技术领域中的逆变技术发挥着比较重要的作用，对经济的发展具有深远的影响。传统的SPWM控制技术不能充分地利用逆变器直流侧的直流电压，输出波形谐波含量较多等不利因素，本次设计中采用的具有谐波小、直流电压利用率高、算法简单等特点的电压空间矢量脉宽调制技术（SVPWM）作为一种新兴逆变技术，对生产生活中提高用电效率，降低能源消耗等方面都有重要意义。本文讨论基于SVPWM控制的太阳三相并网逆变器的设计与实现，重点在分析SVPWM控制技术的原理和控制算法。首先对当代能源状况分析引入课题研究意义，讨论了逆变技术的相关理论，引入PWM脉冲宽度调制技术，在分析了各种PWM技术的优缺点后进一步引入SVPWM空间矢量脉宽调制，并以此确立为本文研究的