單相并網(wǎng)逆變器的低諧波調(diào)制方法改進設(shè)計和實現(xiàn) 電氣工程管理專業(yè)

3.3單相并網(wǎng)逆變器的低諧波調(diào)制方法改進設(shè)計逆變器的主要使用目的是實現(xiàn)從直流電到交流電的轉(zhuǎn)變過程，它的工作過程是利用不同的PWM調(diào)制算法來控制相關(guān)的半導(dǎo)體器件的導(dǎo)通或者是截止，在這些算法當(dāng)中，SPWM這一調(diào)制方法能夠最終實現(xiàn)輸出正弦交流電的目的。在逆變電路的調(diào)制方法中，較為常見的是單極性單相SPWM和雙極性的單相SPWM，前者存在零振蕩的問題，而后者則會在加入死區(qū)時間后出現(xiàn)波形畸變十分嚴重的問題。所以，為了避免上述兩種方法存在的問題，本文的研究中采取了單相空間矢量PWM(SⅤPWM)這種方法來實現(xiàn)逆變電路的調(diào)制過程。這種方法能夠在很大程度上實現(xiàn)輸出波形諧波含量的降低。還有一點，在電壓源型逆變器中，需要加入死區(qū)時間，主要原因在于需要避免在同一個橋臂出現(xiàn)上下兩個開關(guān)直通的現(xiàn)象?？紤]到傳統(tǒng)的對死區(qū)時間的增加會使輸出電壓電流諧波含量有所增加，產(chǎn)生波形畸變的情況，采用新的方法加入死區(qū)時間，即將可變的死區(qū)時間加入到一個單相的SⅤPWM調(diào)制矢量中，通過這一方法來減少波形畸變。3.3.1單相SVPWM原理下圖3.3即為單相電壓源逆變電路的示意圖，圖中的指的是中路的輸出電壓，其中的四個開關(guān)S1、S2、S3和S4共同構(gòu)成H型逆變橋的主要結(jié)構(gòu)，a、b兩點的含義是交流側(cè)輸出，電感和電容C組成輸出LC濾波電路，然后輸出正弦交流電。3.3.2傳統(tǒng)死區(qū)加入SVPWM方法3.3是傳統(tǒng)的單相逆變電路的結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可知，同一橋臂上有兩個開關(guān)，這兩個開關(guān)在同時導(dǎo)通的時候，就和直流電路中的短路情況類似，這種情況下，會產(chǎn)生很大的短路電流，最終的結(jié)果就是導(dǎo)致開關(guān)的燒毀。圖3.4中則顯示了在理想狀態(tài)下SVPWM會出現(xiàn)的波形，可以從圖上看出，同一橋臂上的開關(guān)，基本也是同時發(fā)生變化的，但是在現(xiàn)實狀況下，由于開關(guān)，信號上的差異，很有可能出現(xiàn)延遲等現(xiàn)象，所以，死區(qū)時間的加入是很有必要的。3.4中展示了傳統(tǒng)增加死區(qū)時間的方法，其中的死區(qū)時間用來進行表示，這是一種通過延遲同一橋臂上開關(guān)管Sl和s3的導(dǎo)通，來實現(xiàn)提前S1和S3截止的方法，加入死區(qū)時間后，就能夠避免同時導(dǎo)通造成的開關(guān)燒壞的現(xiàn)象，此時有效矢量的作用時間T。和零矢量的作用時間To分別為（3.8）從式(3.8)中，我們可以發(fā)現(xiàn)，如果說每個開關(guān)周期的有效矢量的作用時間T,減小了一個固定值，那么，輸出的波形就會出現(xiàn)振幅減少的情況。而我們從調(diào)制波的周期上來看，則會發(fā)現(xiàn)Ti的變化規(guī)律出現(xiàn)了嚴重的非線性改變，屬于嚴重畸變，同時，這種畸變發(fā)生最為嚴重的區(qū)域便是零點附近，我們把死區(qū)時間設(shè)為1微秒，然后進行Matlab仿真，結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)如果按照這種方式加入死區(qū)時間，那么最終的正弦波諧波含量也會很高，THD=4.89%，如圖3.3.3低諧波死區(qū)時間加入SVPWM傳統(tǒng)方法加入死區(qū)時間存在很大的缺陷，比如會出現(xiàn)畸變，而通過把死區(qū)加入到零矢量這樣的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)方法出現(xiàn)的弊端，當(dāng)交流處輸出為正時，開關(guān)S1和S4是導(dǎo)通的狀態(tài)，所以在這個時候S1和S4的脈沖寬度是不變的，同時，S2和S3可以發(fā)生改變，比如這個時候S2可以提前關(guān)段并延遲導(dǎo)通，S3的狀態(tài)和S2剛好相反。同理當(dāng)交流處輸出為負時，兩橋臂上的開關(guān)狀態(tài)發(fā)生互換。圖2.19中顯示了將死區(qū)時間添加到零矢量之后出現(xiàn)的波形。有效矢量作用時間和零矢量作用時間為從這個計算時鐘，我們可以發(fā)現(xiàn)，如果不去改變每個周期的，即有效矢量作用時間，那么對于嘴周輸出的波形的幅度就不會有太大影響；與此同時，如果這樣控制那么有效矢量的變化也不會影響到波形，2.14中也表明，在這些狀態(tài)下，雖然輸出電壓為0，但是和正常的零矢量相比起來直流輸入源和輸出的LC濾波電流之間還是存在一定差異的，這些變化的出現(xiàn)，事實上是一種系統(tǒng)的非線性因素，而且，如果把固定的死區(qū)時間改變?yōu)榭梢园l(fā)生大小變化的死區(qū)時間，那么就可以很有效的減少甚至消除這些系統(tǒng)的非線性因素，最終能夠達到減少諧波含量的目的。我們將死區(qū)時間規(guī)定為:在上式中，n代表的是加入的死區(qū)時間和有效矢量時間之間做比例的值，加入了死區(qū)時間后，我們可以發(fā)現(xiàn)，波形圖和2.19Ca)是一致的，然后我們可以通過計算得出有效矢量的作用時間T;和零矢量的作用時間To一般意義上來講，設(shè)定死區(qū)時間為2微秒，在這里規(guī)定n為30，開關(guān)的頻率是10kHz，所以，我們可以設(shè)這里的最大死區(qū)時間△d為3.3微秒。在這個時候，我們使用Matlab進行仿真，最終得出正弦波信號的諧波含量THD=0.33%，這個結(jié)果如圖2.19（b），這和沒加入死區(qū)時間的仿真的輸出結(jié)果十分接近，也最終證明了這種死區(qū)加入方法能夠?qū)χC波含量的減小產(chǎn)生很好的效果。3.3.4SVPWM的FPGA實現(xiàn)微電網(wǎng)的運行模式有兩種，一種是并網(wǎng)運行模式，另一種則是孤島運行模式，這樣一來，調(diào)制信號如果不能夠很好地進行調(diào)整，對于正弦波的頻率，相位等方面，就不能夠?qū)崿F(xiàn)很好的調(diào)節(jié)。所以，要照顧對于不同模式的需要，就應(yīng)當(dāng)實現(xiàn)調(diào)制信號可調(diào)節(jié)性的提升。在本文中，采用FPGA來進行編程，恰好能夠解決這一問題?？刂瓶驁D如下：在上圖中，頻率和相位分為兩種不同的功能，這是由于系統(tǒng)的運行模式不同所決定的，當(dāng)系統(tǒng)處在并網(wǎng)運行的情況下時，就將鎖定的頻率和相位設(shè)置為電網(wǎng)電壓的頻率和相位，而在系統(tǒng)處于獨立運行的階段時，F(xiàn)PGA在內(nèi)部生成參考頻率以及參考的相位，輸出的和內(nèi)部的高速時鐘頻率和開關(guān)頻率值比，直接會影響到開關(guān)周期，而則指的是相位的相關(guān)信息，輸出正弦波的頻率最終會受到開關(guān)頻率的影響，可以發(fā)現(xiàn)，如果輸出頻率在40.9~50.5Hz范圍內(nèi)變化時，開關(guān)頻率變化為9.9-10.1kHz，不會很大程度的影響到濾波設(shè)計。有效矢量計算模塊則根據(jù)、讀表得到的正弦和調(diào)制因子m急速那有效矢量的時間。針對單相電壓源型逆變電路，空間矢量PWM控制器有四路輸出，分貝為，這顯示了PWM調(diào)制信號在每個開關(guān)周期中所處的位置信息。而中心對稱SVPWM調(diào)制信號則采用另外一種方式，即計算器的方式來實現(xiàn)，每一個開關(guān)周期內(nèi)，都有計數(shù)器進行計數(shù)操作，連續(xù)遞增，然后直到達到某個規(guī)定值到了這個值之后，清零，重新計數(shù)，如此循環(huán)往復(fù)，形成一個鋸齒波載波。如果技術(shù)其能夠和寄存器想適應(yīng)，就能夠形成一個鋸齒波載波。示意圖如圖2.21所示。如果不考慮死區(qū)時間的加入，那么可以得到兩種不同的控制信號，這樣的計算較為簡單，同種匹配點有兩個，一個是脈寬的起始點，另一個則是它的結(jié)束點。使用本文所提出的加入死區(qū)時間的方法，在的區(qū)間內(nèi)，能夠計算出對應(yīng)輸出電壓正半軸的4路脈寬起始點：在區(qū)間內(nèi)將對死區(qū)時間的操作對應(yīng)到上，能夠算出對應(yīng)輸出電壓負半軸的4路脈寬起始點。根據(jù)式2.27計算，輸出時對S2和S4取反，可以方便的利用可變單相SVPWM調(diào)制波形。3.4電壓電流雙閉環(huán)并網(wǎng)控制策略逆變器并網(wǎng)控制的方法是既使用電壓又使用電流進行控制，形成雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，通過使用直流電壓穩(wěn)定輸出的電壓振幅，通過使用并網(wǎng)電流環(huán)，控制逆變器輸出的正弦電流滿足要求。3.4.1直流側(cè)電壓控制我們針對新能源的發(fā)電，使用的新的電網(wǎng)并網(wǎng)逆變器，前段一般是使用DC/DC變換器進行最大功率跟蹤的算法，由于對于電壓缺乏控制，會導(dǎo)致逆變器直流輸入并不能夠穩(wěn)定地進行。所以，基于這種情況，設(shè)計了一個DC側(cè)的電壓控制回路，這一回路能夠?qū)崿F(xiàn)能量上的平衡，穩(wěn)定逆變器電壓輸出，為并網(wǎng)電流環(huán)提供電壓的幅值參考，除此之外，還使用了PI實現(xiàn)控制，控制圖如圖3.7。具體的PI控制是這樣進行的，先比較直流側(cè)電壓，和參考直流側(cè)電壓，然后將作差比較的差值輸入到PI控制器，最終得到需要的輸出電流的參考幅度，這個值將會被輸入到電流環(huán)中，最終實現(xiàn)對于系統(tǒng)的作用。3.4.2并網(wǎng)電流控制并網(wǎng)電流環(huán)對于逆變器來講是非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，他的工作好壞，決定著逆變器并網(wǎng)電流的質(zhì)量好壞，并網(wǎng)電流控制能夠通過電壓的信號來計算電網(wǎng)頻率等參數(shù)，并且通過這些參數(shù)來得到瞬時電流參考信號。在本文中，使用SVPWM調(diào)制信號來實現(xiàn)并網(wǎng)電流的調(diào)整，最終的控制框圖如圖3.8所示。為了降低電壓擾動的影響，可以利用電流環(huán)的快速調(diào)整，一般采用單獨的電流環(huán)進行控制，也能夠使用電網(wǎng)電壓前饋的方法，或者是電流環(huán)控制貼著的方法來實現(xiàn)其功能。下圖中顯示的是逆變器并網(wǎng)控制的原理圖，圖中是為流環(huán)輸出的電流，是微電網(wǎng)的電壓，通過鎖相環(huán)基三當(dāng)前的行為信息，并參考幅值得到，與實際比較，差值傳入比例控制器P。3.4.3雙環(huán)并網(wǎng)控制系統(tǒng)如圖所示，這個控制結(jié)構(gòu)稱作是是雙環(huán)并網(wǎng)控制系統(tǒng)，其中對于未知的控制采用的是直流電壓控制環(huán)，交流電流控制環(huán)這兩種。3.5抗干擾數(shù)字鎖相環(huán)設(shè)計要想實現(xiàn)逆變器的并網(wǎng)控制，其中非常重要的一個步驟就是并網(wǎng)電流環(huán)，并網(wǎng)電流環(huán)的進度受到多方面因素的影響，比如說典雅的頻率，相位計算的準確度等等，而電壓作為一個易變因素，很容易受到一些因素的影響而發(fā)生改變，數(shù)字鎖相環(huán)的精度如果受到影響，則會造成很嚴重的后果，因此，本文針對這種情況提出了一種能有效夠抗干擾的鎖相環(huán)設(shè)計方法，對于逆變器控制研究具