三相光伏发电SPWM逆变技术研究

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(梯级水电站运行与控制湖北省重点实验室(三峡大学)，湖北 宜昌 443002)

1 引言

随着煤、石油等化石能源的日渐枯竭与人类生存环境的不断恶化，太阳能、风能等可再生自然资源的开发利用近年来得到了国内外的普遍重视，许多国家已做出大规模推广太阳能等可再生能源开发利用的决策和规划。光伏发电是太阳能开发利用的主要形式之一，光伏发电系统按照是否与电网连接可以分为并网型和离网型两大类。其中，离网型光伏发电系统可以独立运行，为负载提供稳定的直、交流电压。在距离电网较远的偏僻山区、无电区、海岛、通讯基站和路灯等场所，离网型光伏发电系统具有重要的理论意义和工程应用价值。电力电子功率变换单元作为光伏电池阵列与用户负载的接口单元，是实现光伏发电系统的核心。其中，逆变环节连接系统的直流母线和交流母线，实现直流-交流变换，并且逆变器作为直接面对用户负载的输出单元，其工作性能直接会影响到系统的供电质量，是发电系统功率变换的关键。

本文以离网型光伏发电系统的输出逆变单元为研究对象，首先分析其拓扑与数学模型，然后研究光伏逆变器的控制策略，最后通过仿真和实验验证研究内容的正确性与有效性。

2 原理分析

2.1 系统结构

离网型光伏发电系统的基本结构如图1所示，由光伏阵列、升压斩波器、充放电变换器、储能单元和逆变器等部分组成。光伏阵列由太阳能电池组件构成；升压斩波器一般由Boost电路构成，完成最大功率跟踪和升压功能；充放电变换器为双向变换器，和储能单元合起来完成能量缓冲。

图1 离网型光伏发电系统结构框图

2.2 三相逆变器原理图

逆变器连接系统的直流母线和交流母线，实现DC/AC变换，并且作为直接面对用户负载的输出单元，其工作性能直接影响到系统的供电质量，是系统功率变换的关键。逆变环节一般采用半桥电路拓扑，交流输出侧通过滤波器与三相负载相连，如图2所示。三相半桥拓扑的功率器件由IGBT(V1-V6)和与之反并联的电力二极管(VD1-VD6)组成。

图2 三相逆变器原理图

图中U、V、W分别为逆变器三相，N′为直流电源假想中点、N为负载中点，则相电压为uUN,uVN,uWN,线电压为uVW,uUV,uUW。

3 数学建模与控制方法

3.1 开关顺序

记三相逆变器每一桥臂上桥臂导通时为1，下桥臂导通时为0，用这一开关函数表示如下：

三个桥臂在每一时刻都有且仅有一个开关管导通，其排列组合如表1所示。

3.2 静止坐标系电压模型推导

利用基尔霍夫电压定律电流定律,对电路的回路结点列写电压方程和电流方程。

表1 开关通断表

(1)

三相负载对称时有：

uab+ubc+uca=0

(2)

三相无中线系统，三相电感电流和输出电流之和为0：

(3)

联立方程(1)～(3)可以得到：

(4)

(5)

将上述的电压电流方程写成矩阵形式可以得到线电压和线电流的表达式：

(6)

(7)

4 仿真验证

4.1 仿真原理

采用PSIM软件对本文所述方法进行仿真。SPWM控制原理图如图3所示，图中的虚线部分为主电路部分，实线部分为SPWM控制电路。

图3 SPWM控制信号波形图

(1)载波频率的选择

载波频率的选取与电动机功率、二次出线长度有关，由于本文不涉及到负载电机与出线长度，基于载波频率高时输出正弦好且平滑，谐波小，干扰小的原则，选取：fr=10kHz。

(2)滤波电感的的选择

滤波电感起续流作用，使负载上的电流连续，其计算公式如下：

L=R(1-U0/U1)/(1.4F)

(8)

其中，U1是输出的直流电压，U0是输出电压，F是SPWM的开关频率。

带入相关参数，取L=730Uh。

(3)滤波电容的的选择

滤波电容起滤波作用，滤除低次谐波。LC组成的滤波电路中，一般采用大电感小电容的原则取：C=1uf

(4)调制波频率，输入电压和负载的选择

如课题要求，调制波频率为50Hz，负载为20Ω，输入电压为450V。

4.2 仿真波形

(1)SPWM控制信号和载波信号波形图

图4 SPWM逆变器仿真输出波形图

图4中虚线部分为三角波载波信号，实线部分为频率50Hz的正弦调制波信号。

(2)SPWM输出波形图

从图5中可以看出，SPWM波的脉冲宽度呈现正弦规律变化，但其仍然符合三相间相差120°，同一桥臂不同时打开，每一时刻只有三个导通的原则。

最终可以得到如图6逆变仿真波形，其将450V的直流电压作为输入，输出为220V，50Hz交流电，输出电流最大值在11A左右，最大输出功率在2kW左右，电流谐波总畸变率经仿真显示为THD=0.65%，电流波形质量良好。

图5 L=2mH，C=3uf逆变器仿真输出波形图

5 结论

本文对三相光伏发电SPWM技术进行了研究,分析了其拓扑与数学模型，然后研究光伏逆变器的控制策略，最后通过仿真输出了理想的逆变波形，证明了所选方案的有效性与正确性。