太陽(yáng)能電池三相逆變電源驅(qū)動(dòng)控制方法研究

摘 要：光伏發(fā)電無(wú)論應(yīng)用于獨(dú)立電源、分布式電源、光伏發(fā)電微網(wǎng)及并網(wǎng)，逆變電源是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，逆變器輸出的交流波形直接影響著電源的供電品質(zhì)，而電源的品質(zhì)完全取決于對(duì)逆變器的驅(qū)動(dòng)控制，文章提出，逆變電源驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化一般要遵循“三個(gè)原則”，“一個(gè)邏輯關(guān)系函數(shù)”和“一個(gè)期望輸出目標(biāo)波形”。文章以此作為設(shè)計(jì)的理論依據(jù)，特別探究了期望目標(biāo)波形為正弦波的SPWM逆變器驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)的幾種設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：光伏電池；逆變電源；脈寬調(diào)制技術(shù)；設(shè)計(jì)與優(yōu)化

引言

在國(guó)家大力倡導(dǎo)推廣綠色能源應(yīng)用的利好政策下，我國(guó)新能源工業(yè)經(jīng)歷了爆發(fā)性無(wú)序增長(zhǎng)期、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)下的優(yōu)勝劣汰發(fā)展期和由技術(shù)創(chuàng)新主導(dǎo)下的穩(wěn)步增長(zhǎng)期[1-2]。作為綠色能源之一的太陽(yáng)能電池，通過(guò)新材料的應(yīng)用和新加工工藝的運(yùn)用，使光電轉(zhuǎn)換率得到明顯提高，單位價(jià)格/W也下降顯著[3-4]，光伏電池作為一次能源已完全具備了市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。光伏發(fā)電無(wú)論應(yīng)用于獨(dú)立電源、分布式電源、光伏發(fā)電微網(wǎng)及并網(wǎng)，DC/AC逆變是不可或缺的環(huán)節(jié)，對(duì)逆變電源的功率變送驅(qū)動(dòng)控制方法則是該環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)。

1 光伏逆變電源類型及驅(qū)動(dòng)控制方法

光伏發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成有多種，比如獨(dú)立電源模式、分布式光伏發(fā)電離網(wǎng)模式、分布式光伏發(fā)電單PWM逆變并網(wǎng)模式和分布式光伏發(fā)電雙PWM逆變并網(wǎng)模式。因此，光伏逆變電源的應(yīng)用類型也不同，如圖1所示。

微型逆變器的PV系統(tǒng)中，每一塊電池板分別接入一臺(tái)微型逆變器。一般每塊電池板在500W～1kW。

組串逆變器是基于模塊化概念基礎(chǔ)上的，每個(gè)光伏組串（1-5kW）通過(guò)一個(gè)逆變器，在直流端具有最大功率峰值跟蹤，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用DC-DC-BOOST升壓和DC-AC全橋逆變兩級(jí)電力電子器件變換，防護(hù)等級(jí)一般為IP65。體積較小，可室外臂掛式安裝。

集中式逆變器是若干個(gè)并行的光伏組串被連到同一臺(tái)集中逆變器的直流輸入端，設(shè)備功率在50kW到630kW之間，功率器件采用大電流IGBT，系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用DC-AC一級(jí)電力電子器件全橋逆變，工頻隔離變壓器的方式。

圖1 光伏逆變電源應(yīng)用類型

逆變器的驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)伴隨著功率開(kāi)關(guān)器件由一代到四代的演變而發(fā)展。（1）最初的晶閘管逆變器采用的是6拍1800或6拍1200驅(qū)動(dòng)控制[5]，控制規(guī)律簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生方法容易，功率變送裝置開(kāi)關(guān)損耗小，但因需要附加強(qiáng)迫換流電路使得主電路復(fù)雜，同時(shí)逆變電源輸出波形差。（2）采用多電平疊加的錯(cuò)位驅(qū)動(dòng)控制（多重化）及變壓器耦合使逆變電源消除了特定高次諧波[6-7]，輸出波形得到明顯改善，但逆變電源主電路更為復(fù)雜。（3）隨著全控型開(kāi)關(guān)器件開(kāi)關(guān)頻率、耐壓等級(jí)、集成度等性能指標(biāo)的顯著提高，PWM逐漸成為三相逆變電源的功率變換主流驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)，PWM采用高頻載波信號(hào)與參考信號(hào)比較產(chǎn)生的調(diào)制脈沖信號(hào)，作為逆變器驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，使逆變器輸出期望波形。根據(jù)逆變電源期望輸出目標(biāo)波形的不同，PWM驅(qū)動(dòng)技術(shù)演變出SPWM，SVPWM、SHBPWM、SHEPWM等多種方法[8-10]。在諸多脈寬調(diào)制方法中，有的側(cè)重于提高輸出波形的質(zhì)量，消除或抑制高次諧波；有的側(cè)重于減少逆變器的開(kāi)關(guān)損耗或提高系統(tǒng)的綜合效率；有的則側(cè)重于在技術(shù)上的可實(shí)現(xiàn)性。

3 逆變電源驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化

逆變電源驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化一般要遵循三個(gè)原則、一個(gè)邏輯關(guān)系函數(shù)和一個(gè)期望輸出目標(biāo)波形。

三個(gè)原則：（1）開(kāi)關(guān)損耗??；（2）同相上下橋臂開(kāi)關(guān)狀態(tài)互補(bǔ)；（3）開(kāi)關(guān)器件熱平衡。

一個(gè)邏輯關(guān)系函數(shù)：

（1）

其中，uab、ubc、uca為逆變器輸出線電壓脈沖串，gVT1-gVT6為逆變橋驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，“.”為邏輯與運(yùn)算符， “+”為邏輯或運(yùn)算符。

一個(gè)期望輸出目標(biāo)波形：期望輸出目標(biāo)波形有多種選擇，可以是輸出電壓為正弦波、電流為正弦波、電壓空間矢量運(yùn)動(dòng)軌跡為圓等等。

3.1 6拍1800控制規(guī)律下的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)

每個(gè)控制周期T劃分為6個(gè)等時(shí)間段，即，ti=T/6=1/6f1，i=1，2，3，…，6按式（2），以時(shí)控方式產(chǎn)生逆變驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)。

（2）

該驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)產(chǎn)生原理及方法簡(jiǎn)單，能夠滿足上述三個(gè)設(shè)計(jì)原則和邏輯函數(shù)關(guān)系，但期望輸出目標(biāo)波形為交流方波，在實(shí)際應(yīng)用中已較少采用。

3.2 正弦波輸出的SPWM脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生方法

SPWM脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生，理論上是用參考正弦波信號(hào)與高頻載波信號(hào)通過(guò)比較器產(chǎn)生調(diào)制脈沖信號(hào)，如圖2所示。

函數(shù)發(fā)生器環(huán)節(jié)是應(yīng)用中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)工作量較大。所以，在技術(shù)實(shí)現(xiàn)方面衍生出很多改進(jìn)的SPWM方法，比如基于規(guī)則采樣及保持原理的PWM和單元PWM法[11]，兩種方法均規(guī)避了參考信號(hào)及載波信號(hào)函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)問(wèn)題。

3.2.1 基于規(guī)則采樣及保持原理的PWM法

基于規(guī)則采樣及保持原理的PWM法的基本思想是：在載波三角波每個(gè)正向峰值點(diǎn)對(duì)參考正弦波信號(hào)采樣，并將采樣值保持到下一采樣點(diǎn)，用對(duì)參考正弦波采樣保持信號(hào)與載波三角波信號(hào)比較產(chǎn)生調(diào)制脈沖。用幾何分析法建立產(chǎn)生調(diào)制脈沖控制解析式，如式（3）。

（3）

式中，Ts為采樣周期，N為載波比，M（？燮1）為調(diào)制系數(shù)，t0ffi為第i采樣點(diǎn)處控制調(diào)制脈沖正向翻轉(zhuǎn)延遲時(shí)間，tpwi為第i采樣點(diǎn)處控制正脈沖維持時(shí)間。按解析式（3）時(shí)控調(diào)制脈沖時(shí)序圖如圖3所示。

圖3 時(shí)控驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)

該方法逆變電源驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)產(chǎn)生容易，技術(shù)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但在載波比較大時(shí)逆變器開(kāi)關(guān)損耗大是其不足之處。

3.2.2 單元PWM調(diào)制法及其調(diào)制脈沖優(yōu)化

單元PWM法是一種逆向設(shè)計(jì)法。首先規(guī)劃出逆變電源期望輸出線電壓在劃分的6個(gè)單元電壓脈沖串，然后根據(jù)前面所述的邏輯函數(shù)關(guān)系即可確定相關(guān)驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，再對(duì)調(diào)制脈沖按前述的三原則進(jìn)行優(yōu)化。

具體設(shè)計(jì)步驟：

（1）輸出線電壓期望波形規(guī)劃（圖4）。

圖4 逆變器輸出線電壓?jiǎn)卧}沖規(guī)劃

（2）按邏輯函數(shù)確定驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)（圖5）。

圖5 逆變器驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)設(shè)計(jì)

（3）按前述三原則優(yōu)化驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)（圖6）。

圖6 逆變橋驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.2.3 SVPWM脈寬調(diào)制逆變驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生法

SVPWM脈寬調(diào)制法的基本思想是：以6拍1800控制下的正六邊形電壓空間矢量運(yùn)動(dòng)軌跡的內(nèi)切圓或外切圓為設(shè)計(jì)目標(biāo)， 把逆變器的一個(gè)工作周期用6個(gè)電壓空間矢量劃分成6個(gè)扇區(qū)（Sector），每個(gè)扇區(qū)對(duì)應(yīng)的時(shí)間均為600，為獲得電壓空間矢量旋轉(zhuǎn)圓運(yùn)動(dòng)軌跡，將每個(gè)扇區(qū)劃分成t1、t2、…ti時(shí)間段，同時(shí)每個(gè)扇區(qū)選擇兩個(gè)或多個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)，兩個(gè)或多個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)在多個(gè)時(shí)間段間有序切換，用線性組合的方法使電壓空間矢量運(yùn)動(dòng)軌跡在每個(gè)扇區(qū)逼近圓弧[12]。如下例SVPWM控制策略，如圖7所示。

圖7 電壓空間矢量運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃

設(shè)逆變器輸出頻率為f1，則每個(gè)扇區(qū)時(shí)間為t■=■，每個(gè)扇區(qū)換分成10個(gè)時(shí)間段，即t■=■t■，其中，t4=t7定義為雙脈沖時(shí)間，其它為單脈沖時(shí)間。t■=■，t■=■。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電SPWM逆變電源驅(qū)動(dòng)控制問(wèn)題，驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)是由期望輸出為正弦波的參考信號(hào)與高頻載波信號(hào)調(diào)制產(chǎn)生，逆變電源驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)的設(shè)計(jì)，函數(shù)發(fā)生器環(huán)節(jié)是應(yīng)用中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)工作量較大。文章結(jié)合脈沖信號(hào)設(shè)計(jì)及優(yōu)化的技術(shù)實(shí)現(xiàn)研究實(shí)例，提出了逆變電源驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)設(shè)計(jì)及優(yōu)化應(yīng)遵循的“三個(gè)原則”和“一個(gè)邏輯關(guān)系函數(shù)”和“一個(gè)期望輸出目標(biāo)波形”，以此作為設(shè)計(jì)的理論依據(jù)，討論了幾個(gè)設(shè)計(jì)案例。幾種方法均規(guī)避了參考信號(hào)及載波信號(hào)函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)問(wèn)題，使逆變電源驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單實(shí)用。

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作者簡(jiǎn)介：劉建業(yè)（1965-），男，河北深州人，碩士，教授，主要研究方向：新能源發(fā)電。