太陽能三相并網(wǎng)技術(shù)研究

摘要太陽能并網(wǎng)系統(tǒng)的控制目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)正弦電流并網(wǎng)，使其工作在單位功率因素并網(wǎng)模式。并網(wǎng)逆變器輸出電流波形直接影響光伏發(fā)電系統(tǒng)的供電質(zhì)量，正因?yàn)槿绱耍⒕W(wǎng)逆變器輸出電流控制策略是太陽能發(fā)電系統(tǒng)的研究的一大熱點(diǎn)，在本論文的研究設(shè)計(jì)中，我們采用的是近年興起的空間矢量控制技術(shù)（SVPWM），它具有諧波小，直流電壓利用率高，易于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于太陽能并網(wǎng)發(fā)電中。本文通過對三相并網(wǎng)逆變器進(jìn)行連接負(fù)載和并網(wǎng)接入，分析了SVPWM控制技術(shù)的原理以及SVPWM控制技術(shù)在此次太陽能三相并網(wǎng)逆變器中控制作用。SVPWM控制技術(shù)根據(jù)α-β復(fù)平面空間中的狀態(tài)開關(guān)矢量，直接合成參考電壓空間矢量，進(jìn)行相關(guān)矢量作用時(shí)間的求取，計(jì)算量適中，實(shí)時(shí)性好，逆變器輸出電流諧波小，同時(shí)給出了相關(guān)的數(shù)學(xué)推導(dǎo)來證實(shí)相關(guān)原理和算法理論，然后根據(jù)這一理論利用MATLAB/SIMULINK動(dòng)態(tài)仿真工具來實(shí)現(xiàn)對SVPWM控制算法的動(dòng)態(tài)仿真。在本次設(shè)計(jì)中，我們建立了基于SVPWM控制技術(shù)的三相并網(wǎng)逆變器的仿真模型，利用模型進(jìn)一步分析了SVPWM控制技術(shù)在并網(wǎng)逆變器中的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)，最后給出了仿真波形，并對仿真結(jié)果進(jìn)行了分析，仿真結(jié)果達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)，符合預(yù)期設(shè)想。在世界能源形勢日益緊張的今天，SVPWM控制技術(shù)在逆變節(jié)能方面具有廣闊的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：空間矢量脈寬調(diào)制;逆變技術(shù);動(dòng)態(tài)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目錄TOC\o"1-2"\h\u7480摘要 I1089ABSTRACT II12451目錄 III104241緒論 191471.1課題研究背景和意義 1143631.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 274691.3本論文主要完成的工作 5123052太陽能三相并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 6304772.1太陽能三相并網(wǎng)發(fā)電總體結(jié)構(gòu)介紹 644392.2太陽能三相并網(wǎng)逆變電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 7271812.3LC濾波電路的設(shè)計(jì)與分析 9184953基于SVPWM控制的太陽能三相并網(wǎng)逆變器原理 1154373.1SVPWM基本原理 11219693.2SVPWM法則推導(dǎo) 13178803.3SVPWM控制算法 16100303.4SVPWM的物理意義 22232594太陽能三相并網(wǎng)逆變器的仿真研究 25135534.1基于SVPWM控制的三相并網(wǎng)逆變器系統(tǒng) 2548134.2MATLAB/SIMULINK簡介 2547574.3基于SVPWM控制技術(shù)的三相并網(wǎng)逆變器仿真 2628182結(jié)束語 355687參考文獻(xiàn) 3619542附錄一 3717190附錄二 3825890附錄三 3913847致謝 401緒論1.1課題研究背景和意義太陽能作為一種清潔的可再生能源，成為了國際社會公認(rèn)的理想替代能源。根據(jù)國際權(quán)威機(jī)構(gòu)的預(yù)測，到21世紀(jì)50年代，全球直接利用太陽能的比例將會發(fā)展到世界能源結(jié)構(gòu)中的13％～15％之間，而整個(gè)可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中的比例將大于50％。可以看到，太陽能在未來的能源結(jié)構(gòu)中所占的比重將會越來越大。光伏發(fā)電是太陽能開發(fā)利用的主要形式之一[1]。目前各種發(fā)電方式的碳排放率(g碳/()為：煤發(fā)電275，油發(fā)電204，天然氣發(fā)電l81，太陽能熱發(fā)電92，太陽能光伏發(fā)電55，核能發(fā)電8，水力發(fā)電6。這些數(shù)據(jù)是以各種發(fā)電方式所用原料的開采和運(yùn)輸、發(fā)電設(shè)備的制造、電源網(wǎng)架的建設(shè)、電源發(fā)電的運(yùn)行維護(hù)和廢氣物的排放與處理等所有環(huán)節(jié)所消費(fèi)的能源，按照各種發(fā)電方式在壽命期間的發(fā)電量計(jì)算得出的。由上述可見，以太陽能為代表的新能源和可再生能源是保護(hù)地球生態(tài)環(huán)境的清潔能源；它將逐漸減少和替代化石能源的使用，它的廣泛應(yīng)用是保護(hù)生態(tài)環(huán)境、走經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路[2]。當(dāng)今世界各國特別是發(fā)達(dá)國家對太陽能發(fā)電技術(shù)十分重視，針對其制定規(guī)劃，增加投入，大力發(fā)展。20世紀(jì)80年代以來，即使是在世界經(jīng)濟(jì)處于衰退和低谷的時(shí)期，光伏發(fā)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)也在保持著以10％～15％的遞增速度在發(fā)展。90年代后期，發(fā)展更為迅速，成為全球增長速度最快的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。2003年以來，全球經(jīng)濟(jì)進(jìn)入了一個(gè)繁榮的黃金時(shí)期，能源價(jià)格暴漲，原油價(jià)格在5年內(nèi)漲至2003年的5倍，這一現(xiàn)象在很大程度上促進(jìn)了光伏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。據(jù)歐洲光伏工業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)顯示，2007年全球光伏累計(jì)裝機(jī)容量容量達(dá)到了9100，2008年達(dá)到了14721。2000～2008年間，累計(jì)裝機(jī)容量增長了將近10倍，年復(fù)合增長率達(dá)到33.9％。根據(jù)SOLARBUZZ統(tǒng)計(jì)資料，2008年全球光伏產(chǎn)量為6.8．較2007年增長了將近100％。而據(jù)前面數(shù)據(jù)2008年全球光伏裝機(jī)量為5.6，產(chǎn)量過剩超過1。但2009年隨著金融危機(jī)的過去以及各國政策的大力支持，過剩應(yīng)該能緩解[3]。在全球太陽能電池生產(chǎn)結(jié)構(gòu)中，2008年光伏組件最大生產(chǎn)國為中國，占32.9％，然后是德國、日本、中國臺灣、美國。特別是中國太陽能電池的生產(chǎn)在近幾年迅猛發(fā)展，2004年中國光伏電池產(chǎn)量不足100，到2007卻達(dá)到了1.2，2008年達(dá)到了2.0，為世界光伏電池產(chǎn)量第一位。中國于1958年開始研究光伏電池，1971年成功地首次應(yīng)用于中國發(fā)射的東方紅二號衛(wèi)星上。于l973年開始將光伏電池用于地面。中國的光伏工業(yè)在80年代以前尚處于雛形，光伏電池的年產(chǎn)量一直徘徊在10以下，價(jià)格也很昂貴。由于受到價(jià)格和產(chǎn)量的限制，市場的發(fā)展很緩慢，除了作為衛(wèi)星電源，光伏電池在地面上的使用僅限于小功率電源系統(tǒng)，如航標(biāo)燈、鐵路信號系統(tǒng)、高山氣象站的儀器用電等，功率一般在幾瓦到幾十瓦之間[3]。在1981～1990年期間，中國十分弱小的光伏電池工業(yè)得到了鞏固并在許多應(yīng)用領(lǐng)域建立了示范工程，如微波中繼站、部隊(duì)通信系統(tǒng)、農(nóng)村載波電話系統(tǒng)、小型戶用系統(tǒng)和村莊供電系統(tǒng)等。同時(shí)，先后從國外引進(jìn)了多條光伏電池生產(chǎn)線。光伏電池不再僅僅用于小功率電源系統(tǒng)，而開始廣泛用于通信、交通、石油、農(nóng)村電氣化、民用產(chǎn)品等各個(gè)領(lǐng)域。光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)是當(dāng)今世界光伏發(fā)電的趨勢，是光伏技術(shù)步入大規(guī)模發(fā)電階段，成為電力工業(yè)組成部分之一的重大技術(shù)步驟[4]。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1光伏發(fā)電系統(tǒng)獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)主要解決偏遠(yuǎn)的無電地區(qū)和特殊領(lǐng)域的供電問題，且以戶用及村莊用的中小系統(tǒng)居多。獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能光伏電池陣列充電控制器蓄電池組正弦波逆變器等組成。它的工作原理是：光伏電池將照射到其上的太陽輻射能量轉(zhuǎn)換成電能，該電能是直流電，經(jīng)穩(wěn)壓后可直接供給直流負(fù)載或者通過正弦波逆變器變換為交流電后給交流負(fù)載供電。在光照充足時(shí)，多余的能量經(jīng)充電控制器后化學(xué)能的形式儲存在蓄電池中，而在夜晚或者光照不足時(shí)，則可將儲存在蓄電池中的能量經(jīng)變換后繼續(xù)給負(fù)載供電，從而可以保證系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)行[5]。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是將太陽電池發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)化為和電網(wǎng)電壓同頻同相的交流電，從而既向負(fù)載供電，又向電網(wǎng)發(fā)電的一個(gè)系統(tǒng)。并網(wǎng)系統(tǒng)的核心是并網(wǎng)逆變器，它同時(shí)也應(yīng)該具有其它光伏發(fā)電系統(tǒng)的一些功能和特點(diǎn)。通常，市電電網(wǎng)可視為容量為無窮大的交流電，并網(wǎng)逆變器的輸出可以控制為電壓源或者電流源。若控制并網(wǎng)系統(tǒng)的輸出為一個(gè)交流電壓源，則太陽能并網(wǎng)系統(tǒng)和電網(wǎng)實(shí)際上就是兩個(gè)交流電壓源的并聯(lián)。要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，則必須同時(shí)嚴(yán)格控制并網(wǎng)系統(tǒng)輸出電壓的幅值和相位。由于輸出電壓幅值不易精確控制，并且鎖相回路的響應(yīng)速度較慢等原因，這種并網(wǎng)系統(tǒng)和電網(wǎng)之間可能會出現(xiàn)環(huán)流，系統(tǒng)不能穩(wěn)定運(yùn)行，甚至?xí)l(fā)生故障。因此，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)常常被設(shè)計(jì)成電壓型的電流源系統(tǒng)，這樣并網(wǎng)系統(tǒng)和電網(wǎng)實(shí)際上就是一個(gè)交流電流源和電壓源的并聯(lián)。逆變器的輸出電壓幅值自動(dòng)被鉗位為電網(wǎng)電壓，通過采用鎖相控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓的相位同步，保證系統(tǒng)輸出的功率因素為1。實(shí)際系統(tǒng)中，還可以通過調(diào)整并網(wǎng)系統(tǒng)輸出電流的大小及相位來控制系統(tǒng)的有功輸出與無功輸出。一般地，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)按照系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求可以分為兩類:一種是不含儲能環(huán)節(jié)的“不可調(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)”；另一種是含有儲能環(huán)節(jié)的“可調(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)”。不可調(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，正常工作時(shí)，并網(wǎng)逆變器將光伏陣列產(chǎn)生的直流電能直接轉(zhuǎn)化為和電網(wǎng)電壓同頻、同相的交流電能饋入電網(wǎng)，當(dāng)主電網(wǎng)斷電或夜間無光照時(shí)，系統(tǒng)則自動(dòng)停止向電網(wǎng)饋電。該系統(tǒng)的一個(gè)突出特點(diǎn)是并網(wǎng)的時(shí)間和并網(wǎng)的功率大小完全由日照和環(huán)境溫度等因素來決定?？烧{(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要由充電控制器和并網(wǎng)逆變器組成，在有光照的情況下，系統(tǒng)首先對蓄電池進(jìn)行充電，然后根據(jù)需要將系統(tǒng)用作并網(wǎng)或者經(jīng)逆變后獨(dú)立使用，系統(tǒng)工作時(shí)間和并網(wǎng)功率大小可以人為設(shè)定。當(dāng)電網(wǎng)斷電或者無光照時(shí)，逆變器自動(dòng)切斷和電網(wǎng)的電氣連接，同時(shí)可以根據(jù)需要選擇是否進(jìn)行獨(dú)立逆變，用以對本地負(fù)載繼續(xù)供電。相對于不可調(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)在功能上有一定的優(yōu)勢，但是它的一個(gè)致命的缺點(diǎn)就是增加了蓄電池儲能環(huán)節(jié)，從而帶來了若干嚴(yán)重的問題：蓄電池組有壽命問題、價(jià)格昂貴、體積笨重。正是由于上述缺點(diǎn)的存在，使得可調(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的推廣應(yīng)用受到了很大的局限，目前絕大部分光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)仍采用不可調(diào)度式并網(wǎng)結(jié)構(gòu)。1.2.2光伏發(fā)電三相并網(wǎng)逆變器的研究現(xiàn)狀在太陽能三相并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，并網(wǎng)逆變器主要由電力電子開關(guān)器件連接電感構(gòu)成，以脈寬形勢向電網(wǎng)送電。其主要起著以下作用：實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換，將太陽能光伏列陣產(chǎn)生的直流電能轉(zhuǎn)換成220V、50Hz的三相正弦波交流電能；其電流和電壓的畸變率均要求較?。粚?shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全保護(hù)要求，如輸出過載保護(hù)、輸入接反保護(hù)、輸出短路保護(hù)、交流過壓和欠壓保護(hù)、直流過壓保護(hù)、“孤島"保護(hù)等；實(shí)現(xiàn)光伏列陣最大功率點(diǎn)跟蹤，調(diào)節(jié)其輸出功率。按控制方式的不同來，逆變器可分為電流源電壓控制和電流源電流控制、電壓源電壓控制和電壓源電流控制四種。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，用于實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)功能的逆變器一般采用電壓源電流控制型逆變器。太陽能三相并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的控制目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)正弦電流并網(wǎng)，并網(wǎng)逆變器輸出的電流波形直接影響太陽能三相并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的供電質(zhì)量，所以，逆變器輸出電流控制策略是光伏發(fā)電系統(tǒng)研究的一大熱點(diǎn)?，F(xiàn)有的控制方法有PI控制、滯環(huán)電流控制、空間矢量控制(SVPWM)等。這些控制方法都有著自身的優(yōu)缺點(diǎn)，如PI控制具有算法簡單、開關(guān)頻率固定、易于設(shè)計(jì)等特點(diǎn)，但存在著動(dòng)態(tài)響應(yīng)相對較慢，跟蹤存在偏差的缺陷；滯環(huán)控制能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)控制，所以電流響應(yīng)速度較快，但其開關(guān)頻率不固定等。隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，許多先進(jìn)的算法也被應(yīng)用到逆變系統(tǒng)的控制中，比如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自適應(yīng)控制和模糊控制等。對于今后光伏并網(wǎng)逆變器技術(shù)的發(fā)展，總是伴隨并跟蹤電力電子技術(shù)、控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、新型功率器件及應(yīng)用、模塊電源技術(shù)等的發(fā)展趨勢。從這幾項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，可以推測太陽能三相逆變器可能的技術(shù)發(fā)展與創(chuàng)新：新型電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、智能控制技術(shù)的應(yīng)用，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合、高頻開關(guān)技術(shù)、軟開關(guān)技術(shù)、智能檢測與保護(hù)技術(shù)、模塊化技術(shù)的應(yīng)用與改進(jìn)、“孤島’’保護(hù)、電磁兼容性等。其目標(biāo)就是逆變器系統(tǒng)的效率更高、可靠性更好、功率密度更高、成本更低。隨著光伏發(fā)電技術(shù)的迅速發(fā)展，光伏并網(wǎng)發(fā)電成為大規(guī)模開發(fā)和利用太陽能的主要形式。一般來說，太陽能三相并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏列陣、并網(wǎng)逆變器以及控制器組成[6]。1.2.3光伏并網(wǎng)系統(tǒng)控制方法的研究光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的控制目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)正弦電流并網(wǎng)，使其工作在單位功率因數(shù)并網(wǎng)模式。并網(wǎng)逆變器輸出電流波形直接影響光伏發(fā)電系統(tǒng)的供電質(zhì)量，正因如此，并網(wǎng)逆變器輸出電流控制策略是光伏發(fā)電系統(tǒng)研究的一大熱點(diǎn)?，F(xiàn)有的控制方法有PI控制、滯環(huán)電流控制、空間矢量控制（SVPWM）等PI控制具有算法簡單、可靠性高、開關(guān)頻率固定、易于設(shè)計(jì)等特點(diǎn)，是目前最常用的控制方法之一。一般光伏發(fā)電系統(tǒng)采用電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)PI控制來實(shí)現(xiàn)直流電壓的穩(wěn)定及調(diào)節(jié)并網(wǎng)電流的幅值。但是常規(guī)的Pl控制在開關(guān)頻率不夠高的情況下，存在電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)相對較慢，跟蹤存在偏差以及跟蹤速度慢等缺點(diǎn)[7]。因此有人提出電流雙閉環(huán)控制方式，外環(huán)為電流有效值閉環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流瞬時(shí)值閉環(huán)，通過實(shí)時(shí)的電流反饋，修正電流的輸出波形，既保證了對輸出電流幅值和波形的要求，又易于軟件實(shí)現(xiàn)，還具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)滯環(huán)電流控制技術(shù)是根據(jù)電流跟蹤偏差來決定功率器件的開關(guān)狀態(tài)的一種控制方法，這種控制技術(shù)沒有傳統(tǒng)的電流調(diào)節(jié)器。它具有實(shí)時(shí)控制、電流響應(yīng)快、輸出電壓電流波形不含特定次諧波等優(yōu)點(diǎn)，但功率器件的開關(guān)頻率不固定，增加了系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)的難度。針對滯環(huán)電流控制的開關(guān)頻率不固定的缺陷，有人提出了一種準(zhǔn)固定頻率的滯環(huán)電流控制方法，該方法的關(guān)鍵是在滯環(huán)電流控制電路中引入頻率反饋，這樣就保證了開關(guān)頻率能夠基本固定，從而解決了固定頻率電流控制方法中的次諧波振蕩問題，并且具有穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快、控制精度高的優(yōu)點(diǎn)。SVPWM控制策略是依據(jù)逆變器空間電壓電流矢量切換來控制逆變器的一種新穎思路的控制策略，它能在功率器件開關(guān)頻率不高的情況下輸出較好質(zhì)量的正弦波，并且能提高直流電壓的使用效率。由于傳統(tǒng)的SVPWM控制策略涉及復(fù)雜的反正切函數(shù)正弦函數(shù)和平方根計(jì)算使得控制算法異常復(fù)雜，因此有人提出了一種空間矢量簡化算法，該方法根據(jù)兩相笛卡兒坐標(biāo)系上的電壓空間矢量，直接確定電壓控制矢量所在扇區(qū)，從而計(jì)算出當(dāng)前的開關(guān)狀態(tài)及控制占空比，避免了傳統(tǒng)控制策略中關(guān)于反正切正弦查表等繁雜工作，簡化了運(yùn)算過程。1.2.4孤島效應(yīng)的檢測與防止技術(shù)的研究現(xiàn)狀孤島效應(yīng)是并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中普遍存在的一個(gè)問題。它是指當(dāng)電網(wǎng)停電時(shí)，系統(tǒng)沒有檢測到電網(wǎng)停電狀態(tài)，從而不能及時(shí)切斷和電網(wǎng)的電氣連接，而與本地負(fù)載一起構(gòu)成了電力系統(tǒng)中的“孤島”。這種孤島現(xiàn)象會對維修人員和用電設(shè)備甚至電網(wǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果，因此系統(tǒng)要能及時(shí)地檢測到電網(wǎng)斷電并使系統(tǒng)停止運(yùn)行。通常對孤島效應(yīng)的檢測和防止都是通過同時(shí)使用幾種主動(dòng)和被動(dòng)的方法來實(shí)行對電網(wǎng)的監(jiān)控。目前常用的被動(dòng)檢測方法有:電壓諧波監(jiān)測法、相位跳動(dòng)檢測法、頻率變化率檢測法、輸出功率變化率檢測法；常用的主動(dòng)檢測方法有:頻率偏移法、自動(dòng)頻率漂移法、滑差式頻率位移法等方法。1.3本論文主要完成的工作設(shè)計(jì)一款太陽能三相并網(wǎng)逆變器，了解太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并對系統(tǒng)后級的直流-三相交流逆變部分進(jìn)行建模仿真設(shè)計(jì)。三相逆變器的輸入源為前級太陽能直流-直流轉(zhuǎn)換器的輸出，電壓為范圍540-600V，逆變器的輸出為三相四線式380V交流電，輸出功率10kw，THD5%以下，HD3%以下。采用高頻調(diào)制技術(shù)，確定電路架構(gòu)，設(shè)計(jì)電路參數(shù)，建立電路模型并仿真；研究電網(wǎng)入網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，為使逆變器輸出能順利并網(wǎng)，設(shè)計(jì)PID控制器，通過仿真確定PID參數(shù)。第2章是根據(jù)設(shè)計(jì)要求對太陽能三相并網(wǎng)逆變器的總體設(shè)計(jì)框架進(jìn)行了介紹并以提出了本文重點(diǎn)研究部分并網(wǎng)逆變器的總體設(shè)計(jì)方案。并且對逆變器的各個(gè)重要組成部分的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和比較。第3章將對SVPWM控制技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的介紹，以及在本次設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。第4章是在基于MATLAB的SIMULINK仿真，在設(shè)計(jì)出太陽能三相并網(wǎng)逆變器的仿真模型之后，對于其進(jìn)行仿真并且通過觀察波形來得出最后設(shè)計(jì)的并網(wǎng)逆變器是否符合題目設(shè)計(jì)指標(biāo)。2太陽能三相并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1太陽能三相并網(wǎng)發(fā)電總體結(jié)構(gòu)介紹前文介紹了太陽能三相并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的主要組成部分以及各部分的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。在接下來的論文中，我們即將開展的是研究太陽能三相并網(wǎng)逆變電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及控制策略。系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)：輸入直流母線電壓額定值：540VDC；額定電網(wǎng)電壓：380VDC;并網(wǎng)逆變器額定功率：10KW；EQ\o\ac(○,4)并網(wǎng)逆變器輸出電流總諧波畸變率（THD）:<5%。如圖所示為本次設(shè)計(jì)的太陽能三相并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的總體方案。本文設(shè)計(jì)的太陽能三相并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的總體方案：EQ\o\ac(○,1)DC/DC電路設(shè)計(jì)及其控制：DC/DC電路是連接太能電池板和并網(wǎng)逆變器的能量變換環(huán)節(jié)，其主要作用是進(jìn)行電壓等級的變換；EQ\o\ac(○,2)逆變器的主電路及其控制方法：DC/AC逆變器維持直流母線中間電壓穩(wěn)定并將電能轉(zhuǎn)換成220V/50HZ的正弦交流電。本文采用空間矢量控制方法，該方法坐標(biāo)變換，將三相電流變換到預(yù)期波頻率同步旋轉(zhuǎn)的兩相坐標(biāo)系，穩(wěn)態(tài)時(shí)三相正弦電流變成了直流量，而PI調(diào)節(jié)器對直流信號的放大倍數(shù)為無窮大，電流穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差接近于零，可以實(shí)現(xiàn)電流的無差跟蹤控制，因此，空間矢量控制方法可以獲得高功率因素低諧波的三相并網(wǎng)電流，可以較好的應(yīng)用在太陽能三相并網(wǎng)逆變器的控制；EQ\o\ac(○,3)濾波器的設(shè)計(jì)：三相并網(wǎng)逆變器會產(chǎn)生大量的諧波注入電網(wǎng)。為了減少開關(guān)頻率次或者倍數(shù)次的電流諧波，通常采用在電網(wǎng)加裝L或者LC濾波器[8]。圖1-1太陽能三相并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖2.2太陽能三相并網(wǎng)逆變電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.2.1三相并網(wǎng)逆變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)三相逆變橋是光伏系統(tǒng)的核心，可將PV陣列輸出的直流電轉(zhuǎn)換成工頻交流電源并入三相電網(wǎng)。三相逆變器逆變橋主要有兩電平逆變橋、三電平逆變橋、H橋并聯(lián)等幾種典型拓?fù)?。目前在光伏三相并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，兩電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)用最為廣泛，主要因?yàn)樵撏負(fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單，易于控制，易于實(shí)現(xiàn)SPWM和SVPWM調(diào)制技術(shù)。三電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)輸出電流諧波含量低，電感體積較小，但算法較為復(fù)雜，目前處在研究試驗(yàn)階段。所以在本次的設(shè)計(jì)中我們采用的是兩電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[9]。圖1-2太陽能三相逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖2.2.2三相并網(wǎng)逆變電路結(jié)構(gòu)分析太陽能三相逆變器帶負(fù)載的逆變電路如圖1-3所示。圖1-3太陽能三相逆變器帶負(fù)載的逆變電路上圖中包含六個(gè)功率原件開關(guān)，分別以S1、S3、S5代表各臂的上端元件，S4、S2、S6代表相對應(yīng)元件的下端元件，且各上端元件不能與相對應(yīng)的下端元件同時(shí)導(dǎo)通，否則會造成短路而導(dǎo)致元件燒毀。直流電源端部分有一中間抽頭的虛擬接地，主要作用是為了分析電路。對于星型連接負(fù)載，由于有一隔離中性點(diǎn)，我們定義為“n”點(diǎn)，這樣換流器中三對功率電晶體的切換狀態(tài)可以有以下8種，如圖1-4所示。圖1-4電壓空間矢量與功率開關(guān)切換狀態(tài)對應(yīng)圖圖中功率晶體管的切換狀態(tài)中1表示某一臂的上開關(guān)導(dǎo)通，下開關(guān)截止，0則表示該臂的下開關(guān)導(dǎo)通，上開關(guān)截止。控制功率開關(guān)以產(chǎn)生三相電壓提供負(fù)載時(shí)，可采用空間向量調(diào)制來實(shí)現(xiàn)控制，為此首先定義空間電壓向量U為：U(t)是一個(gè)旋轉(zhuǎn)的空間矢量，它的幅值不變，為相電壓峰值，且以角頻率按逆時(shí)針方向勻速旋轉(zhuǎn)的空間矢量，而空間矢量U(t)在三相坐標(biāo)軸（a，b，c）上的投影就是對稱的三相正弦量。三相橋式電壓型有源逆變器的數(shù)學(xué)模型就是根據(jù)三相有源逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用電路基本定律（基爾霍夫電壓、電流定律）對三相有源逆變器所建立的一般數(shù)學(xué)描述。建立三相有源逆變器的數(shù)學(xué)模型是深入分析和研究三相有源逆變器工作機(jī)理及動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性的重要手段，也是實(shí)現(xiàn)其控制的重要步驟。開關(guān)函數(shù)描述的一般數(shù)學(xué)模型是對三相橋式電壓型逆變器開關(guān)過程的精確描述，較適合于逆變器的波形仿真。然而，采用開關(guān)函數(shù)描述的電壓型逆變器一般數(shù)學(xué)模型由于包括了其開關(guān)過程的高頻分量，因而很難用于指導(dǎo)控制器設(shè)計(jì)。當(dāng)逆變器開關(guān)頻率遠(yuǎn)高于電網(wǎng)基波頻率時(shí)，為簡化逆變器的一般數(shù)學(xué)描述，可忽略逆變器開關(guān)函數(shù)描述模型中的高頻分量，即只考慮其中的低頻分量，從而獲得采用占空比描述的低頻數(shù)學(xué)模型。這種采用占空比描述的逆變器低頻數(shù)學(xué)模型非常適合于控制系統(tǒng)分析，并可直接用于控制器設(shè)計(jì)。2.3LC濾波電路的設(shè)計(jì)與分析高頻SVPWM逆變器中，逆變器的輸出LC濾波器主要是用來濾除開關(guān)頻率及其鄰近頻帶的諧波，如圖1-5所示[10]。一個(gè)性能優(yōu)良的濾波器首先要有良好諧波的抑制能力，具體可以從總諧波失真THD值來體現(xiàn)，另外所選濾波器還要減少對逆變器的附加電流應(yīng)力。電流應(yīng)力增大，不僅使器件損耗及線路損耗加大，還會額外要求加大功率元件的容量，增加了系統(tǒng)的成本。但是，減小THD與減小濾波器引起的附加電流應(yīng)力通常是矛盾的。下面將從分析二階LC濾波器特性著手探討濾波器設(shè)計(jì)的方法。圖1-5逆變電路輸出濾波電路示意圖忽略電感電阻及線路阻抗，濾波器輸出電壓相對于逆變橋輸出電壓的傳遞函數(shù)為：（1-1）式中—無阻尼自然振蕩角頻，，，—阻尼比。這是一個(gè)典型的二階振蕩系統(tǒng)，幅相頻率特性為（1-2）（1-3）根據(jù)（1-3）式，可以求得對數(shù)幅頻特性為從上面的分析中可以看出，轉(zhuǎn)折角頻率和阻尼比ζ是影響濾波效果的主要參數(shù)。選擇SVPWM逆變器的輸出LC濾波器的轉(zhuǎn)折（其中）遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于開關(guān)頻率，它對開關(guān)頻率以及其附近頻帶的諧波具有明顯的抑制作用。在本課題中，開關(guān)頻率，取LC濾波器的轉(zhuǎn)折頻率為開關(guān)頻率的1/20左右，但不能太小，以免產(chǎn)生低頻振蕩。即。LC濾波器幅頻特性中可以看出，高于轉(zhuǎn)折頻率時(shí)幅頻特性以-40dB下降。所以當(dāng)轉(zhuǎn)折頻率為開關(guān)頻率的1/10時(shí)，開關(guān)頻率處的諧波通過LC濾波器后，有接近-40dB的衰減；當(dāng)LC濾波器的轉(zhuǎn)折頻率選為開關(guān)頻率的1/20時(shí)，開關(guān)頻率處的諧波衰減更大一些，濾波效果也更好一些[11]。濾波器與逆變器的附加電流應(yīng)力有關(guān)，這是由濾波器的濾波電感上流過的電流諧波引起的。流過濾波器電感的電流也就是流過功率元件的最大電流。流過濾波電感的電流諧波越小，半導(dǎo)體開關(guān)所承受的附加電流應(yīng)力就越小，線路上的損耗也會較小。而濾波電感上的諧波電流和電感L的值成反比，電感值越大，諧波電流越小。最后選取的濾波電感和電容值如下：EQ\o\ac(○,1)濾波電感：；EQ\o\ac(○,2)濾波電容：。3基于SVPWM控制的太陽能三相并網(wǎng)逆變器原理在本次設(shè)計(jì)中，我們設(shè)計(jì)的太陽能三相并網(wǎng)逆變器是采用空間矢量控制技術(shù)（SVPWM）來進(jìn)行控制的。SVPWM是近年發(fā)展的一種比較新穎的控制方法，是由三相功率逆變器的六個(gè)功率開關(guān)元件組成的特定開關(guān)模式產(chǎn)生的脈寬調(diào)制波，能夠使輸出電流波形盡可能接近于理想的正弦波形。本節(jié)內(nèi)容從三相橋式逆變器結(jié)構(gòu)出發(fā)，建立三相靜止坐標(biāo)模型a-b-c，引入兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)d-q和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，之后對SVPWM原理進(jìn)行分析，在原理分析與調(diào)制法的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上詳細(xì)討論控制算法。3.1SVPWM基本原理SVPWM的理論基礎(chǔ)是平均值等效原理，即在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)通過對基本電壓矢量加以組合，使其平均值與給定電壓矢量相等。在某個(gè)時(shí)刻，電壓矢量旋轉(zhuǎn)到某個(gè)區(qū)域中，可由組成這個(gè)區(qū)域的兩個(gè)相鄰的非零矢量和零矢量在時(shí)間上的不同組合來得到。兩個(gè)矢量的作用時(shí)間在一個(gè)采樣周期內(nèi)分多次施加，從而控制各個(gè)電壓矢量的作用時(shí)間，使電壓空間矢量接近按圓軌跡旋轉(zhuǎn)，通過逆變器的不同開關(guān)狀態(tài)所產(chǎn)生的實(shí)際磁通去逼近理想磁通圓，并由兩者的比較結(jié)果來決定逆變器的開關(guān)狀態(tài)，從而形成PWM波形[12]。逆變電路如圖2-1示。圖2-1逆變電路設(shè)直流母線側(cè)電壓為，逆變器輸出的三相相電壓為、、，其分別加在空間上互差的三相平面靜止坐標(biāo)系上，可以定義三個(gè)電壓空間矢量、、，它們的方向始終在各相的軸線上，而大小則隨時(shí)間按正弦規(guī)律做變化，時(shí)間相位互差。假設(shè)為相電壓有效值，f為電源頻率，則有：（2-1）其中三相電壓空間矢量相加的合成空間矢量就可以表示為（2-2）可見是一個(gè)旋轉(zhuǎn)的空間矢量，它的幅值為相電壓峰值的1.5倍，為相電壓峰值，且以角頻率按逆時(shí)針方向勻速旋轉(zhuǎn)的空間矢量，而空間矢量在三相坐標(biāo)軸（a，b，c）上的投影就是對稱的三相正弦量。由于逆變器三相橋臂共有6個(gè)開關(guān)管，為了研究各相上下橋臂不同開關(guān)組合時(shí)逆變器輸出的空間電壓矢量，特定義開關(guān)函數(shù)為:(2-3)(Sa、Sb、Sc)的全部可能組合共有八個(gè)，包括6個(gè)非零矢量(001)、(010)、(011)、(100)、(101)、(110)和兩個(gè)零矢量(000)、(111)。下面以其中一種開關(guān)組合為例分析,假設(shè),此時(shí)(2-4)求解上述方程可得：、、。同理可計(jì)算出其它各種組合下的空間電壓矢量，列表如下[12]：表2-1開關(guān)狀態(tài)與相電壓和線電壓的對應(yīng)關(guān)系矢量符號線電壓相電壓00000000010000110001000110001001010111000000圖2-2給出了八個(gè)基本電壓空間矢量的大小和位置。圖2-2電壓空間矢量圖其中非零矢量的幅值相同（模長為），相鄰的矢量間隔，而兩個(gè)零矢量幅值為零，位于中心。在每一個(gè)扇區(qū)，選擇相鄰的兩個(gè)電壓矢量以及零矢量，按照伏秒平衡的原則來合成每個(gè)扇區(qū)內(nèi)的任意電壓矢量，即：（2-5）其中，為期望電壓矢量；T為采樣周期；、、分別為對應(yīng)兩個(gè)非零電壓矢量、和零電壓矢量在一個(gè)采樣周期的作用時(shí)間；其中包括了和兩個(gè)零矢量。式(2-5)的意義是，矢量在T時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的積分效果值和、、分別在時(shí)間、、內(nèi)產(chǎn)生的積分效果相加總和值相同。由于三相正弦波電壓在電壓空間向量中合成一個(gè)等效的旋轉(zhuǎn)電壓，其旋轉(zhuǎn)速度是輸入電源角頻率，等效旋轉(zhuǎn)電壓的軌跡將是如圖2-2所示的圓形。所以要產(chǎn)生三相正弦波電壓，可以利用以上電壓向量合成的技術(shù)，在電壓空間向量上，將設(shè)定的電壓向量由位置開始，每一次增加一個(gè)小增量，每一個(gè)小增量設(shè)定電壓向量可以用該區(qū)中相鄰的兩個(gè)基本非零向量與零電壓向量予以合成，如此所得到的設(shè)定電壓向量就等效于一個(gè)在電壓空間向量平面上平滑旋轉(zhuǎn)的電壓空間向量，從而達(dá)到電壓空間向量脈寬調(diào)制的目的。3.2SVPWM法則推導(dǎo)三相電壓給定所合成的電壓向量旋轉(zhuǎn)角速度為，旋轉(zhuǎn)一周所需的時(shí)間為；若載波頻率是，則頻率比為。這樣將電壓旋轉(zhuǎn)平面等切割成R個(gè)小增量，亦即設(shè)定電壓向量每次增量的角度是:[13]。今假設(shè)欲合成的電壓向量在第Ⅰ區(qū)中第一個(gè)增量的位置，如圖2-3所示，欲用、、及合成，用平均值等效可得：。圖2-3電壓空間向量在第Ⅰ區(qū)的合成與分解在兩相靜止參考坐標(biāo)系（α，β）中，令和間的夾角是θ，由正弦定理可得：(2-6)因?yàn)椋钥梢缘玫礁魇噶康臓顟B(tài)保持時(shí)間為：（2-7）式中m為SVPWM調(diào)制系數(shù)（調(diào)制比），。而零電壓向量所分配的時(shí)間為：(2-8)或者(2-9)得到以、、及合成的的時(shí)間后，接下來就是如何產(chǎn)生實(shí)際的脈寬調(diào)制波形。在SVPWM調(diào)制方案中，零矢量的選擇是最具靈活性的，適當(dāng)選擇零矢量，可最大限度地減少開關(guān)次數(shù)，盡可能避免在負(fù)載電流較大的時(shí)刻的開關(guān)動(dòng)作，最大限度地減少開關(guān)損耗。一個(gè)開關(guān)周期中空間矢量按分時(shí)方式發(fā)生作用，在時(shí)間上構(gòu)成一個(gè)空間矢量的序列，空間矢量的序列組織方式有多種，按照空間矢量的對稱性分類，可分為兩相開關(guān)換流與三相開關(guān)換流。以下描述的是本次的設(shè)計(jì)用到的7段式SVPWM。我們以減少開關(guān)次數(shù)為目標(biāo)，將基本矢量作用順序的分配原則選定為：在每次開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，只改變其中一相的開關(guān)狀態(tài)。并且對零矢量在時(shí)間上進(jìn)行了平均分配，以使產(chǎn)生的PWM對稱，從而有效地降低PWM的諧波分量。當(dāng)(100)切換至(000)時(shí)，只需改變A相上下一對切換開關(guān)，若由(100)切換至(111)則需改變B、C相上下兩對切換開關(guān)，增加了一倍的切換損失。因此要改變電壓向量(100)、(010)、(001)的大小，需配合零電壓向量(000)，而要改變(110)、(011)、(100)，需配合零電壓向量(111)。這樣通過在不同區(qū)間內(nèi)安排不同的開關(guān)切換順序，就可以獲得對稱的輸出波其它各扇區(qū)的開關(guān)切換順序如表2-2所示。表2-2所在的位置和開關(guān)切換順序?qū)φ招蛩诘奈恢?開關(guān)切換順序三相波形圖Ⅰ區(qū)（0°≤θ≤60°）…0-4-6-7-7-6-4-0…Ⅱ區(qū)（60°≤θ≤120°）…0-2-6-7-7-6-2-0…Ⅲ區(qū)（120°≤θ≤180°）…0-2-3-7-7-3-2-0…Ⅳ區(qū)（180°≤θ≤240°）…0-1-3-7-7-3-1-0…Ⅴ區(qū)（240°≤θ≤300°）…0-1-5-7-7-5-1-0…Ⅵ區(qū)（300°≤θ≤360°）…0-4-5-7-7-5-4-0…以第Ⅰ扇區(qū)為例，其所產(chǎn)生的三相波調(diào)制波形在時(shí)間時(shí)段中如圖所示，圖中電壓向量出現(xiàn)的先后順序?yàn)?、、、、、、，各電壓向量的三相波形則與表2-2中的開關(guān)表示符號相對應(yīng)。再下一個(gè)時(shí)段，的角度增加一個(gè)γ，可以重新計(jì)算新的T0、T4、T6及T7值，得到新的合成三相類似的三相波形；這樣每一個(gè)載波周期就會合成一個(gè)新的矢量，隨著θ的逐漸增大，將依序進(jìn)入第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ區(qū)。在電壓向量旋轉(zhuǎn)一周期后，就會產(chǎn)生R個(gè)合成矢量[14]。3.3SVPWM控制算法通過以上SVPWM的法則推導(dǎo)分析可知要實(shí)現(xiàn)SVPWM信號的實(shí)時(shí)調(diào)制，首先需要知道參考電壓矢量所在的區(qū)間位置，然后利用所在扇區(qū)的相鄰兩電壓矢量和適當(dāng)?shù)牧闶噶縼砗铣蓞⒖茧妷菏噶俊D2-3是在靜止坐標(biāo)系（α，β）中描述的電壓空間矢量圖，電壓矢量調(diào)制的控制指令是矢量控制系統(tǒng)給出的矢量信號，它以某一角頻率ω在空間逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)到矢量圖的某個(gè)60°扇區(qū)中時(shí)，系統(tǒng)計(jì)算該區(qū)間所需的基本電壓空間矢量，并以此矢量所對應(yīng)的狀態(tài)去驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)元件動(dòng)作。當(dāng)控制矢量在空間旋轉(zhuǎn)360°后，逆變器就能輸出一個(gè)周期的正弦波電壓。3.3.1合成矢量所在扇區(qū)N的判斷空間矢量調(diào)制的第一步是判斷由和所決定的空間電壓矢量所處的扇區(qū)。假定合成的電壓矢量落在第I扇區(qū)，可知其等價(jià)條件如下：(2-10)以上等價(jià)條件再結(jié)合矢量圖幾何關(guān)系分析，可以判斷出合成電壓矢量落在第X扇區(qū)的充分必要條件,得出下表：表2-3電壓矢量落在第X扇區(qū)的充分必要條件扇區(qū)落在此扇區(qū)的充要條件IⅡⅢⅣⅤⅥ若進(jìn)一步分析以上的條件，有可看出參考電壓矢量所在的扇區(qū)完全由,,三式?jīng)Q定，因此令：(2-11)再定義，若>0，則A=1，否則A=0；若>0，則B=1，否則B=0；若>0，則C=1，否則C=0?？梢钥闯鯝，B，C之間共有八種組合，但由判斷扇區(qū)的公式可知A，B，C不會同時(shí)為1或同時(shí)為0，所以實(shí)際的組合是六種，A，B，C組合取不同的值對應(yīng)著不同的扇區(qū)，并且是一一對應(yīng)的，因此完全可以由A，B，C的組合判斷所在的扇區(qū)。為區(qū)別六種狀態(tài)，令N=4*C+2*B+A，則可以通過下表計(jì)算參考電壓矢量所在的扇區(qū)。表2-4N值與扇區(qū)對應(yīng)關(guān)系N315462扇區(qū)號Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ采用上述方法，只需經(jīng)過簡單的加減及邏輯運(yùn)算即可確定所在的扇區(qū)，對于提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和進(jìn)行仿真都是很有意義的。3.3.2基本矢量作用時(shí)間計(jì)算與三相PWM波形的合成在傳統(tǒng)SVPWM算法用到了空間角度及三角函數(shù)，使得直接計(jì)算基本電壓矢量作用時(shí)間變得十分困難。實(shí)際上，只要充分利用和就可以使計(jì)算大為簡化。以處在第Ⅰ扇區(qū)時(shí)進(jìn)行分析，根據(jù)圖2-3有[14]：經(jīng)過整理得：（2-12）（2-13）同理可求得在其它扇區(qū)中各矢量的作用時(shí)間，結(jié)果如表2-5所示。由此可根據(jù)式2-9中的、、判斷合成矢量所在扇區(qū)，然后查表得出兩非零矢量的作用時(shí)間，最后得出三相PWM波占空比，表2-5可以使SVPWM算法編程簡易實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)對算法對各種電壓等級適應(yīng)，一般會對電壓進(jìn)行標(biāo)幺化處理，實(shí)際電壓，為標(biāo)幺值，在定點(diǎn)處理其中一般為Q12格式，即標(biāo)幺值為1時(shí)，等于4096，假定電壓基值為，為系統(tǒng)額定電壓，一般為線電壓，這里看出基值為相電壓的峰值。以DSP的PWM模塊為例，假設(shè)開關(guān)頻率為，DSP的時(shí)鐘為，根據(jù)PWM的設(shè)置要是想開關(guān)頻率為時(shí)，PWM周期計(jì)數(shù)器的值為,則對時(shí)間轉(zhuǎn)換為計(jì)數(shù)值進(jìn)行如下推導(dǎo)： 其中和為實(shí)際值的標(biāo)幺值，令發(fā)波系數(shù)，同理可以得到 表2-5各扇區(qū)基本空間矢量的作用時(shí)間扇區(qū)時(shí)間IⅡⅢⅣⅤⅥ當(dāng)兩個(gè)零電壓矢量作用時(shí)間為0時(shí)，一個(gè)PWM周期內(nèi)非零電壓矢量的作用時(shí)間最長，此時(shí)的合成空間電壓矢量幅值最大，由圖2-4可知其幅值最大不會超過圖中所示的正六邊形邊界。而當(dāng)合成矢量落在該邊界之外時(shí)，將發(fā)生過調(diào)制，逆變器輸出電壓波形將發(fā)生失真。在SVPWM調(diào)制模式下，逆變器能夠輸出的最大不失真圓形旋轉(zhuǎn)電壓矢量為圖2-4所示虛線正六邊形的內(nèi)切圓，其幅值為。即逆變器輸出的不失真最大正弦相電壓幅值為，而若采用三相SPWM調(diào)制，逆變器能輸出的不失真最大正弦相電壓幅值為。顯然SVPWM調(diào)制模式下對直流側(cè)電壓利用率更高，它們的直流利用率之比為，即SVPWM法比SPWM法的直流電壓利用率提高了15.47%。圖2-4SVPWM模式下電壓矢量幅值邊界如圖當(dāng)合成電壓矢量端點(diǎn)落在正六邊形與外接圓之間時(shí)，已發(fā)生過調(diào)制，輸出電壓將發(fā)生失真，必須采取過調(diào)制處理，這里采用一種比例縮小算法。定義每個(gè)扇區(qū)中先發(fā)生的矢量用為，后發(fā)生的矢量為。當(dāng)時(shí)，矢量端點(diǎn)在正六邊形之內(nèi)，不發(fā)生過調(diào)制；當(dāng)時(shí)，矢量端點(diǎn)超出正六邊形，發(fā)生過調(diào)制。輸出的波形會出現(xiàn)嚴(yán)重的失真，需采取以下措施：設(shè)將電壓矢量端點(diǎn)軌跡端點(diǎn)拉回至正六邊形內(nèi)切圓內(nèi)時(shí)兩非零矢量作用時(shí)間分別為，，則有比例關(guān)系：（2-14）因此可以用下式求，，，。（2-15）按照上述過程，就能得到每個(gè)扇區(qū)相鄰兩電壓空間矢量和零電壓矢量的作用時(shí)間。當(dāng)所在扇區(qū)和對應(yīng)有效電壓矢量的作用時(shí)間確定后，再根據(jù)PWM調(diào)制原理，計(jì)算出每一相對應(yīng)比較器的值，其運(yùn)算關(guān)系如下，在I扇區(qū)時(shí)如下圖：圖2-5每個(gè)扇區(qū)相鄰兩電壓空間矢量和零電壓矢量的作用時(shí)間（2-16）表2-5，和分別是相應(yīng)的比較器的計(jì)數(shù)器值段數(shù)以倒三角計(jì)數(shù)，對應(yīng)計(jì)數(shù)器的值以正三角計(jì)數(shù)，對應(yīng)計(jì)數(shù)器的值7其他扇區(qū)以此類推，可以得到表2-6，式中、和分別是相應(yīng)的比較器的計(jì)數(shù)器值，而不同扇區(qū)時(shí)間分配如表2-6所示，并將這三個(gè)值寫入相應(yīng)的比較寄存器就完成了整個(gè)SVPWM的算法。表2-6不同扇區(qū)比較器的計(jì)數(shù)值扇區(qū)1234563.4SVPWM的物理意義SVPWM實(shí)質(zhì)是一種對在三相正弦波中注入了零序分量的調(diào)制波進(jìn)行規(guī)則采樣的一種變形SPWM。但SVPWM的調(diào)制過程是在空間中實(shí)現(xiàn)的，而SPWM是在ABC坐標(biāo)系下分相實(shí)現(xiàn)的；SPWM的相電壓調(diào)制波是正弦波，而SVPWM沒有明確的相電壓調(diào)制波，是隱含的。為了揭示SVPWM與SPWM的內(nèi)在聯(lián)系，需求出SVPWM在ABC坐標(biāo)系上的等效調(diào)制波方程，也就是將SVPWM的隱含調(diào)制波顯化[15]。為此，本文對其調(diào)制波函數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的推導(dǎo)。我們知道各扇區(qū)的矢量發(fā)送順序： 奇數(shù)區(qū)依次為：，，，，，， 偶數(shù)區(qū)依次為：，，，，，，利用電壓矢量近似原理，可總結(jié)出以下：（2-17）式中m仍為SVPWM調(diào)制系數(shù)，利用以上各式就可得到在第Ⅰ扇區(qū)的各相電壓平均值：（2-18）同樣可以推導(dǎo)出其它扇區(qū)的調(diào)制波函數(shù)，其相電壓調(diào)制函數(shù)如下：（2-19）其線電壓的調(diào)制波函數(shù)為：（2-20）從相電壓調(diào)制波函數(shù)（2-19）來看，輸出的是不規(guī)則的分段函數(shù)，為馬鞍波形。從線電壓調(diào)制波函數(shù)（2-20）來看其輸出的則是正弦波形。4太陽能三相并網(wǎng)逆變器的仿真研究在科研實(shí)踐中，系統(tǒng)仿真變得越來越不可缺少，精確的仿真可以大量減少設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)?zāi)M的費(fèi)用，他可以提供性能的數(shù)據(jù)資料，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在的問題，確定最優(yōu)參數(shù)。因而，在本次設(shè)計(jì)中，我們采用的是基于MATLAB的仿真研究，本文采用MATLAB環(huán)境提供的系統(tǒng)仿真工具SIMULINK對SVPWM控制的三相并網(wǎng)逆變器進(jìn)行仿真分析。4.1基于SVPWM控制的三相并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)常規(guī)的電流PI控制存在一個(gè)突出的缺點(diǎn)就是電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)相對較慢，相對于正弦參考電流存在一定偏差，并且在輸出功率變化或電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)難以快速跟蹤參考電流，從而造成并網(wǎng)電能質(zhì)量下降。因此，本文采用空間矢量控制方法，該方法坐標(biāo)變換，將三相電流變換到與基波頻率同步旋轉(zhuǎn)的兩相坐標(biāo)系，穩(wěn)態(tài)時(shí)三相正弦電流變成了直流量，而PI調(diào)節(jié)器對直流信號的放大倍數(shù)為無窮大，電流穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差接近于零，可以實(shí)現(xiàn)電流的無差跟蹤控制，因此，空間矢量控制方案可以獲得高功率因數(shù)低諧波的三相并網(wǎng)電流，非常適應(yīng)于三相光伏并網(wǎng)逆變器的控制。圖3-1為基于SVPWM技術(shù)的三相光伏并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)框圖。圖3-1基于SVPWM技術(shù)的三相光伏并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)框圖4.2MATLAB/SIMULINK簡介MATLAB（MatrixLaboratory）是MathWorks公司開發(fā)的，目前國際上最流行、應(yīng)用最廣泛的科學(xué)與工程計(jì)算軟件，它廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制、數(shù)學(xué)運(yùn)算、信號分析、計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像信號處理、財(cái)務(wù)分析、航天工業(yè)等各行各業(yè)，也是國內(nèi)外高校和研究部門進(jìn)行許多科學(xué)研究的重要工具。由于它具有強(qiáng)大的計(jì)算和繪圖功能、大量穩(wěn)定可靠的算法庫和簡潔高效的編程語言，已成為數(shù)學(xué)計(jì)算工具方面事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。MATLAB強(qiáng)大的功能體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）運(yùn)算功能強(qiáng)大。在MATLAB環(huán)境中，有超過500種的數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)、科學(xué)及工程方面的函數(shù)可供使用，而且使用簡單快捷。MATLAB以基本的復(fù)數(shù)矩陣為基本的編程單元作為程序設(shè)計(jì)語言，其強(qiáng)大的運(yùn)算功能使其成為世界頂尖的數(shù)學(xué)應(yīng)用軟件之一;（2）功能豐富的工具箱。由于MATLAB的開放性，許多領(lǐng)域的專家都為MATLAB編寫了各種程序工具箱。這些工具箱提供了用戶在特別應(yīng)用領(lǐng)域所需的許多函數(shù)，這使得用戶不必花大量的時(shí)間編寫程序，就可以直接調(diào)用這些函數(shù)，為用戶節(jié)省了大量的時(shí)間和精力，達(dá)到事半功倍的效果;（3）強(qiáng)大的文字處理功能。MATLAB的圖形功能使用戶可以進(jìn)行視覺數(shù)據(jù)處理和分析。研究人員在完成科學(xué)性或工程性文章時(shí)，可以用MATLAB制作高質(zhì)量的圖形，從而寫出圖文并茂的文章。通過使用MATLAB的Notebook用戶可以創(chuàng)建MATLAB程序文檔、技術(shù)報(bào)告、注釋文檔、手冊或教科書。MATLAB的SIMULINK提供了動(dòng)態(tài)仿真的功能，用戶能夠通過繪制框圖來模擬一個(gè)線性、非線性、連續(xù)或離散的系統(tǒng)，通過SIMULINK仿真并分析該系統(tǒng)。SIMULINK即動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真工具箱，是MATLAB中一個(gè)用來對動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包，允許用戶在屏幕上繪制框圖來模擬一個(gè)系統(tǒng)，并能動(dòng)態(tài)地控制該系統(tǒng)。目前的SIMULINK不僅可以進(jìn)行線性系統(tǒng)仿真，也可以進(jìn)行非線性系統(tǒng)仿真，既可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)仿真，也可實(shí)現(xiàn)離散時(shí)間系統(tǒng)甚至混合連續(xù)-離散時(shí)間系統(tǒng)的仿真，它還支持多制采樣率的系統(tǒng)仿真；此外，SIMULINK能夠用MATLAB本身的語言、C語言或其它語言，根據(jù)S函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)格式寫成用戶自定義的功能模塊[15]。4.3基于SVPWM控制技術(shù)的三相并網(wǎng)逆變器仿真4.3.1SVPWM控制算法的實(shí)現(xiàn)利用SIMULINK環(huán)境下的豐富模型，可方便的實(shí)現(xiàn)本次設(shè)計(jì)所要用到的SVPWM控制算法。實(shí)現(xiàn)SVPWM算法的各個(gè)子系統(tǒng)框圖如下所示：EQ\o\ac(○,1)將，，轉(zhuǎn)換成，。要實(shí)現(xiàn)SVPWM控制算法，首先要將三相靜止坐標(biāo)系（a,b,c）中的，，轉(zhuǎn)換成兩相垂直靜止坐標(biāo)系（α，β）中的，。在SIMULINK中，非常容易實(shí)現(xiàn)此轉(zhuǎn)換。EQ\o\ac(○,2)計(jì)算參考電壓矢量所處的扇區(qū)。根據(jù)，的關(guān)系判斷參考電壓矢量坐在的扇區(qū)N，只需經(jīng)過簡單的加減及邏輯運(yùn)算即可確定其所在的扇區(qū)。在SIMULINK中實(shí)現(xiàn)此判斷的框圖如圖3-2所示。圖3-2參考電壓矢量所處的扇區(qū)判斷模型圖扇區(qū)判斷的仿真結(jié)果如圖3-3所示。圖3-3扇區(qū)判斷仿真波形圖EQ\o\ac(○,3)計(jì)算X，Y，Z。需將和及載波周期和逆變器直流電壓作為輸入，經(jīng)過簡單的算術(shù)運(yùn)算即可得到X，Y，Z，在SIMULINK中實(shí)現(xiàn)此算法的框圖如圖3-4所示。圖3-4X，Y，Z計(jì)算模型圖EQ\o\ac(○,4)計(jì)算每個(gè)扇區(qū)中基本矢量作用時(shí)間，。根據(jù)參考電壓矢量所處的扇區(qū)N確定相鄰兩基本電壓矢量的作用時(shí)間，。經(jīng)過簡單的算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算實(shí)現(xiàn)參考電壓矢量過調(diào)制的處理。在SIMULINK中實(shí)現(xiàn)該算法的框圖如圖3-5所示。圖3-5基本矢量作用時(shí)間，計(jì)算模型框圖通過示波器得到的仿真波形如圖所示。圖3-6基本矢量作用時(shí)間，仿真波形圖EQ\o\ac(○,5)計(jì)算，，。將，，經(jīng)過簡單的算術(shù)運(yùn)算可得到，，。EQ\o\ac(○,6)計(jì)算電壓空間矢量切換點(diǎn)，，。根據(jù)參考電壓矢量所處的扇區(qū)N確定A，B，C三相的調(diào)制波，，。在SIMULINK中實(shí)現(xiàn)該算法的框圖如圖所示3-7所示。圖3-7，，計(jì)算模型圖通過示波器可以看出生成的調(diào)制波，，為三相馬鞍波。圖3-8仿真波形圖EQ\o\ac(○,7)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)波形。將三角載波周期作為定時(shí)器周期，與切換點(diǎn)，，比較，從而調(diào)制出SVPWM波，其仿真模塊如圖所示3-9所示。圖3-9驅(qū)動(dòng)波形產(chǎn)生模型框圖通過示波器得到的仿真波形圖如圖3-10所示。圖3-10觸發(fā)脈沖波形圖4.3.2SVPWM控制的太陽能三相并網(wǎng)逆變器仿真為了對SVPWM控制在太陽能三相并網(wǎng)逆變器中輸出電壓有比較直觀的認(rèn)識，本文建立了PWM控制太陽能三相并網(wǎng)逆變器的仿真模型，如圖3-11所示，可以看出模型主要包括逆變橋直流輸入模塊，IGBT驅(qū)動(dòng)管模塊，LC濾波模塊，三相電網(wǎng)模塊，CLARK變換模塊，PARK變換模塊以及dq坐標(biāo)系中的解耦模塊，鎖相環(huán)模塊，PI調(diào)節(jié)器模塊，SVPWM模塊等。直流輸入模塊模擬現(xiàn)實(shí)中的直流母線的輸入電壓。IGBT模塊的參數(shù)按照所選開關(guān)管的參數(shù)設(shè)置。LC濾波器的參數(shù)按照計(jì)算出的參數(shù)逆變橋側(cè)電感和電網(wǎng)側(cè)電感均為，濾波電容為，阻尼電阻為。電網(wǎng)則設(shè)定頻率為50Hz，220V的相電壓。坐標(biāo)變換模塊是從SIMULINK自帶庫里面獲取的，能夠?qū)⑵漭斎胄盘栍蒩bc三相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為dq兩相靜止坐標(biāo)系中。鎖相模塊則檢測坐標(biāo)變換之后的電網(wǎng)個(gè)參數(shù)并保證進(jìn)網(wǎng)電流與之同步。在經(jīng)過解耦模塊解耦之后，PI模塊能夠分別控制注入電網(wǎng)的有功和無功電流從而控制有功功率和無功功率。最后由SVPWM模塊生成開關(guān)管的開關(guān)信號以驅(qū)動(dòng)開關(guān)管，得出并網(wǎng)的波形。仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析如下：EQ\o\ac(○,1)假設(shè)逆變器輸入的直流電壓等效為，接到使用IGBT的三相橋式逆變電路上，利用脈沖信號生成模塊發(fā)出的六路PWM信號對逆變電路六個(gè)功率開關(guān)管進(jìn)行PWM控制；從逆變電路輸出的三相電壓經(jīng)過兩對LC構(gòu)成的低通濾波器及電抗器，再與模擬三相交流電網(wǎng)（單相電壓幅值220V，頻率為50HZ）進(jìn)行并網(wǎng);EQ\o\ac(○,2)從低通濾波器及電抗器的輸出端測出三相電壓與電流，將其引入到控制器的靜態(tài)解耦模塊，為避免電壓外環(huán)飽和，設(shè)為600V，要實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)，無功功率的給定設(shè)定為0，通過PI調(diào)節(jié)器的輸出控制六路脈沖信號生成模塊，以調(diào)整逆變電路六個(gè)功率開關(guān)管的導(dǎo)通、關(guān)斷時(shí)間來控制實(shí)際流入電網(wǎng)電流、電壓的瞬間變化量，達(dá)到控制電流和電壓的目的，從而使得逆變器交流側(cè)電流與電網(wǎng)電壓同頻反相，實(shí)現(xiàn)逆變。圖3-11太陽能三相并網(wǎng)逆變器仿真模型圖仿真模型中主要測量了太陽能三相逆變器輸出的三相線電壓輸出波形，三相電流輸出波形以及PWM發(fā)生器輸出波形。圖3-12三相逆變器輸出三相線電壓仿真波形圖圖3-13三相逆變器輸出三相電流仿真波形圖圖3-14三相逆變器SVPWM控制模塊波形通過輸出波形可以看出，三相電壓經(jīng)過剛開始一段時(shí)間的波動(dòng)之后逐步趨于穩(wěn)定，通過PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)之后，最后可以得到較為穩(wěn)定的三相電壓，最后可以確定三個(gè)PI調(diào)節(jié)器的的參數(shù)，電壓調(diào)節(jié)PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)為，，電流調(diào)節(jié)的兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)為，。三相線電壓電壓幅值為380V，通過對三相波形的諧波分析可以得到并網(wǎng)逆變器輸出電流總諧波畸變率（THD）<5%。從而達(dá)到此次三相并網(wǎng)逆變器設(shè)計(jì)的目的。4.3.3仿真分析小結(jié)在本次基于SVPWM控制技術(shù)的三相并網(wǎng)逆變器仿真實(shí)踐中，采用世界上廣泛使用的功能強(qiáng)大的MATLAB仿真軟件來實(shí)現(xiàn)。首先根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要在SIMULINK環(huán)境下搭建模型，對各模型模塊進(jìn)行介紹。然后對SVPWM算法實(shí)現(xiàn)的脈沖產(chǎn)生模塊Pulse進(jìn)行詳細(xì)的分析，結(jié)合控制算法的三個(gè)基本步驟對各個(gè)子模塊進(jìn)行分析。最后通過輸出三相電壓電流波形驗(yàn)證了算法的正確性。仿真的過程中通過改變參數(shù)可以看出，在SVPWM脈寬調(diào)制的線性調(diào)制范圍內(nèi)，隨著參考電壓矢量的變小，調(diào)制度m、調(diào)制波的幅值、輸出線電壓的幅值都隨著變小，但是調(diào)制信號的波形始終是馬鞍形。而隨著取值的進(jìn)一步減小，也會是輸出線電壓幅值減小以至失真，故受開關(guān)器件限制載波頻率也不是越小越好，只有在適當(dāng)值時(shí)候才能輸出正確合適的波形。仿真結(jié)果與理論分析基本一致，證明了本課題使用的SVPWM控制算法正確?；贛ATLAB/SIMULINK環(huán)境對SVPWM算法仿真的實(shí)現(xiàn)，隨著今后進(jìn)一步研究的深入，還可將該控制算法通過高級語言來實(shí)現(xiàn)，進(jìn)一步可通過小型單片機(jī)編程體現(xiàn)SVPWM控制算法，通過理論與實(shí)踐的統(tǒng)一來證實(shí)控制算法的正確型、可操作性以期應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐。結(jié)束語隨著經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，能源需求增加與供給短缺的矛盾日益突出，特別是在太陽能發(fā)電技術(shù)應(yīng)用中，電力電子技術(shù)領(lǐng)域中的逆變技術(shù)發(fā)揮著比較重要的作用，對經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)的影響。傳統(tǒng)的SPWM控制技術(shù)不能充分地利用逆變器直流側(cè)的直流電壓，輸出波形諧波含量較多等不利因素，本次設(shè)計(jì)中采用的具有諧波小、直流電壓利用率高、算法簡單等特點(diǎn)的電壓空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)（SVPWM）作為一種新興逆變技術(shù)，對生產(chǎn)生活中提高用電效率，降低能源消耗等方面都有重要意義。本文討論基于SVPWM控制的太陽三相并網(wǎng)逆變器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，重點(diǎn)在分析SVPWM控制技術(shù)的原理和控制算法。首先對當(dāng)代能源狀況分析引入課題研究意義，討論了逆變技術(shù)的相關(guān)理論，引入PWM脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，在分析了各種PWM技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)后進(jìn)一步引入SVPWM空間矢量脈寬調(diào)制，并以此確立為本文研究的