1、劣参未交硕士学位论文高频隔离型光伏并网逆变器的研究Research on High Frequency Isolated Grid-connectedPV Inverter作者：李雪城导师：梁 晖北京交通大学2014年3月中图分类号：TM615UDC：6213学校代码：10004密级：公开北京交通大学硕士学位论文高频隔离型光伏并网逆变器的研究Research on High Frequency Isolated Gridconnected PV Inverter作者姓名：李雪城导师姓名：梁晖学位类别：工学学 号：11121613职 称：副教授学位级别：硕士学科专业：电气工程 研究方向：光伏发电
2、变流技术北京交通大学2014年3月学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：夺雪诚 导师签名： 磐簪签字日期：少牛年3月乃日 签字日期：，尹年弓,q z留n致谢本论文的工作是在我的导师梁晖副教授的悉心指导下完成的。梁老师严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年多来梁老师对
3、我的关心和指导。梁老师无论在科研工作、未来规划还是在生活上都给予了我无微不至的关怀与帮助。从论文的选题立意、理论分析、仿真研究、实验调试，直到最后论文的修改，梁老师都给了我悉心的指导。我所取得的每一分进步，都浸透着导师的心血和汗水。梁老师正直的为人、宽广的胸怀和严谨的作风让我感动不已，深厚的理论功底、严密的分析方法和丰富的实践经验让我佩服不已，这些对我未来的发展将产生深远的影响，并使我终身受益。在临近毕业之际，我特向梁老师表示最诚挚的敬意和感谢!在实验室工作及撰写论文期问，金渊、刘微和王胜楠在理论分析及实验调试方面给了我很大的帮助，赵新师兄、王雪婷师姐以及吴思哲师兄在科研和生活方面给予了很多指
4、导。陈彪和耿俊利同学经常和我起讨论使我收获颇丰。在此向他们表达我的感激之情，是他们的关心和帮助使我的研究生生活过得更加充实和精彩。另外也感谢家人及所有的朋友，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。中文摘要中文摘要摘要：近年来，太阳能光伏发电以其清洁、安全、便利、高效等优势，已经成为世界各国重点发展的可再生能源之一。光伏并网逆变器作为能量的控制与变换环节，成为了光伏发电领域的研究热点。本文研究了一种新型高频隔离型光伏并网逆变器，其拓扑结构具有效率高、体积小、重量轻的特点，适用于单相小功率光伏发电系统。首先，对光伏并网逆变器进行分类研究并详细分析了各类型并网逆变器的优缺点，引出高频隔离型
5、光伏并网逆变器在屋顶光伏发电领域的优势。针对传统DCDC变换型高频隔离光伏并网逆变器的不足，本文研究了一种基于正弦脉宽脉位调制(SP聊M)的新型高频隔离光伏并网逆变器，并分析了主电路在稳态时的工作原理。对SPWPM波形进行了数学推导，从理论上证明了其可行性。其次，根据高频隔离型光伏并网逆变器的数学模型和拓扑结构的工作特点，设计了含有翻转环节和电网电压前馈的闭环控制策略。对于新型拓扑结构中电流控制环相位静差引起并网电流过零点畸变问题，分别引入了相位补偿控制和比例谐振控制两种不同方式来解决，并建立了系统的仿真模型加以验证，随后给出了闭环控制系统的具体离散化实现方法。基于上述理论分析，本文设计了高频
6、隔离型并网逆变器的硬件电路。结合主电路高频化以及SPWPM模式下的工作特点，完成了高频变压器、电感、电容等关键元件的参数设计和功率开关器件的选型，设计了基于数字信号处理器的控制系统，在绘制印制电路板的基础上搭建了并网逆变器系统。最后，对高频隔离型光伏并网逆变器系统进行硬件调试及实验验证，实现了并网逆变器在SPWPM模式下的并网电流数字闭环控制，并设计了安全的起动和停止逻辑。在分析并网电流实验波形过零点畸变的基础上，采用上述相位补偿控制对交流电流环控制器算法进行改进，实验结果验证了控制策略的有效性。关键词：光伏发电；并网逆变器；高频隔离；脉宽脉位调制：相位补偿分类号：ABSTRACTABSTRA
7、CTABSTRACT：In recent years，solar photovoltaic power generation has became one ofthe rnost promising renewable euergy with its advantages ofclean,safe，convenient ande伍cie皿As the part of power conlrol and transformation,grid-colll1ected PV inverterhas been a research hotspot in the field ofphotovoltai
8、cA novel high frequeuey isolatedgridconnected PV inverter WaS studied in this thesisThe novel topobgy has thefeattre of high eflicieuey,srmll size and蚝ht weight,which is suitable for bw powersingle phase photovoltaic systemsFirstly,the gridconnected PV inverters were studied by classification to ana
9、lyse theanvantages and disadvantages，and led to the superiority of high frequency isolatedgrid-contacted PV inverter in residential PV systemsFor the shortage ofthe tmditmmlDCDC high frequency isohted grid-connected PV inverter,this thesis studied a novelhigh frequency isolated gridconnected PV inve
10、rter based on sinusoidal pulse widthposition rmdulation(SPWPM)and analyzed the working principle in steady stateTheSPWPM was validated by rmthematical derivationSecondly，the cbsed-bop control strategy contains overturn link and grid voltagefeedforward was designed according to the high frequeuey iso
11、lated gridcontacted PVinverterS work characteristics and mathematical modelIn order to eliminate thegrid-conuected current distortion caused by the static phaSe error in the noevel topobgy,the phase compensation contr01 strategy and pmportioml-resomnt control strategy wereempbyed in the current cota
12、r01 loop，and the control stategy was validated by buildingthe inverter simulation modelAfterwards the specific discretization implementationmethod of the contol strategy was givenBased on the above theoretical analysis，the high frequency isolated gridconnectedPV inverter hardware circuit was designe
13、d in this thesisCombining with the highfrequency operation and SPWPM principle characteristic，the key corrponentsparameters were designed including high frequency transformer,inductor and capacitor,and the power switching devices were type selectedThe control circuit based on digitalsignal prosessor
14、 was built and the ambg signal regulation circuit was designedThegrid-conuected system was established by drawing the printed circuit boardFiIl：ally,the hi曲丘equency isolated gridconnected PV inverter system wasdebuggedThe grid-connected current achieved close loop d追hl contro I in SPWPMVn北京交通大学硕士学位论
15、文rmde，and the logical start and halt process was presentedThe phase cpmpensationconlrol was used to improve the current cbse bop controller algorithm,based on theanalysis of experimental results about output current 2】elo crossing distortiorL Theconlrol strategy was validatd by experimental resuitsK
16、EYWORDS：photovoltaie power generaion；gridcontacted inverter；high frequencyiso lated；SPWPM；phase compensationCLASSN0：Vm目录目录中文摘要vABSTRACTviil 引言111 课题背景及研究意义l12 国内外光伏发电发展现状213 光伏发电系统介绍3131光伏并网系统的体系结构3132光伏并网发电系统组成614 本文研究的主要内容72 光伏并网逆变器。921 光伏并网逆变器基本原理922 隔离型光伏并网逆变器11221光伏并网逆变器电气隔离的意义11222工频隔离型光伏并网逆变器
17、一12223高频隔离型光伏并网逆变器一1323 高频隔离型光伏并网逆变器原理15231高频隔离型光伏并网逆变器拓扑结构的改进。15232高频隔离型光伏并网逆变器工作原理。1624 SPWPM原理分析一1925 SPWPM的数字实现2226 仿真分析223 高频隔离型光伏并网逆变器控制系统设计2731 高频隔离型光伏并网逆变器系统控制策略27311控制系统数学模型27312闭环系统控制策略2932 高频隔离型光伏并网逆变器电流环控制策略研究3 l321基于相位补偿控制的电流环控制策略改进32322基于准PR控制的电流环控制策略改进3333 高频隔离型光伏并网逆变器控制系统软件设计36331软件系
18、统和中断的设计373-32增量式PI调节器的实现37北京交通大学硕士学位论文333准PR调节器的实现3834 仿真分析394 高频隔离型光伏并网逆变器电路设计与实现4l41 功率开关器件选型4142 高频变压器设计42421高频变压器磁芯材料的选择43422高频变压器设计要点44423高频变压器参数计算4643 电感和电容设计48431滤波电感设计48432输入滤波电容设计5044 高频隔离型光伏并网逆变器控制电路设计5045 高频隔离型光伏并网逆变器主电路板结构设计545 高频隔离型光伏并网逆变器实验结果及分析5751 实验平台的搭建5752 实验结果分析5953 相位补偿实验626 总结与
19、展望63参考文献65作者简历67独创性声明69学位论文数据集71引言11 课题背景及研究意义1引言太阳能是由太阳内部的核聚变反应而产生的能量。在地球轨道上，太阳辐射强度的平均值为1367kWm2，地球的赤道周长为40000km，由此可知，地球可以接收到高达173000TW的太阳能。太阳是一个巨大而又无穷无尽的能量来源，太阳每秒钟照到地球上的能量相当于500万吨煤所蕴含的能量。地球上的水能、风能、海洋温差能、生物质能和部分的潮汐能都来源于太阳。即使是地球上传统的化石燃料也是远古以来积累、储存下来的太阳能，因此太阳能所包含的范围以及存在形式非常广泛【11。我们一般所讨论的侠义太阳能则指太阳辐射能的
20、光热、光电和光化学的直接转换。太阳能光伏发电现已成为太阳能利用的一种重要形式，其利用光伏电池将光能转化为电能。随着技术的不断进步，光伏发电已成为发展前景最为广阔的发电技术之一。光伏电池基于半导体在太阳光照射下产生光电压的现象，即半导体的光伏效应原理。1954年美国贝尔实验室首次实现了以pn结为基本结构的晶体硅光伏电池，并首先将光伏电池应用于太空技术中，随后，光伏电池技术不断发展，不断在各个领域推广应用。相比于化石能源、风能、核能生物质能的发电技术，光伏发电在实际应用中具有以下优势：无污染：发电过程是从光子到电子的直接转换，没有燃烧过程，可实现零排放，没有旋转部件，没有机械磨损和噪声污染。可再生
21、：太阳光能量无限，光伏电池可直接将光能转化成电能，通过逆变器输出高品质的电能，光伏发电具有可持续发展的属性。普遍性：太阳能资源广泛存在于各个地区，不存在资源的垄断问题，只有丰富程度的差别，光伏发电可以为电网不便覆盖的偏远地区提供电能。机动灵活：光伏发电可以根据需要按照模块方式集成，甚至可以实现模块的即插即用，方便光伏系统的灵活扩充。分布式电力系统：可提高电力系统的安全性和稳定性，同时可以减少远距离输电设备的投入以及输电线路中的损耗。维护管理：可实现发电系统的无人值守，降低了维护成本。光伏建筑集成：可以减少光伏电池阵列所占用土地，将绿色发电技术广泛地北京交通大学硕士学位论文融入到城市中，这已成为
22、光伏发电的发展前沿和相关领域的研究热点。目前，光伏发电的成本较高，这成为了限制光伏发电技术推广的一大障碍。但是，世界各国着眼未来，在能源发展的长期规划上都给了光伏发电产业相应的扶持。随着技术的不断进步，传统能源形势的逐渐饱和，N-十一世纪中叶，太阳能将跻身主流能源形式，有着非常巨大的发展潜能【21。12 国内外光伏发电发展现状全球范围内，光伏发电产业正发展迅速，已成为新能源发展的一个新的亮点。至2012年底，全球光伏发电累计装机量达到985GW的历史新高，尤其是德国的太阳能光伏发电容量已达到326GW，其中265GW是从2009年年初到2012年年底安装的，成为了全球光伏发电发展的重要示范。许
23、多国际机构研究预计，太阳能将是未来全球能源供应的主体，估计到本世纪末，太阳能将占到全部能源消费的50以上。为了加大推进光伏产业发展的力度，世界各国相继制定适合本国国情的扶持政策，其中德国、意大利、美国是全球光伏发电行业的领军国家。德国是较早进入全球太阳能市场的国家。其相继在1990年推出“2000个光伏屋顶计划”，在1999年施行“10万家屋顶光伏发电计划”，并于2003年底在普通家庭成功推广屋顶太阳能。2012年德国新装光伏发电设备总装机容量达到7630MW，打破2011年7500兆瓦的最高纪录。目前德国光伏电站的总装机容量已经达到3万2千兆瓦，当天气晴好时相当于德国所有的23座核电站的发电
24、量。截止2013年，光伏发电量已占德国总发电量的5。意大利国家净发电量在2012年为2840亿千瓦时，和2011年相比下降了23，但光伏发电量激增了718。仅仅在2012年12月份，光伏系统发电749GWh，满足了意大利281的能源需求。自2011年5月5日颁布的太阳能补贴新政。意大利政府将准备每年支出60亿70亿欧元用于太阳能发电的补贴，并维持到2016年，同时太阳能发电上网电价会逐年下调。美国在2012年公共事业级光伏发电装置达到152个，其中规模最大的10个太阳能项目已竣工投产。这10个项目的规模(1782GW)占到上一年总装机量的54。具体而言，2012年第四季度有874MW并网。公共
25、事业级储各项目规模为105GW。其中代表性的有BrightSouree位于加州装机量392MW的伊凡帷t(Ivanpah)项目、Abengoa位于亚利桑那州装机量280MW的索拉纳(Solaria)发电站、SunPower位于亚利桑那州立大学装机量1MW的项目等。近十年来，全球光伏市场蓬勃发展，全球年度新增及累积光伏装机容量由图11给出【3】：2引言图11全球年度新增及累积光伏装机容量Fig 11 Global annual newly and cumulative installed PV capaeibr在国内，光伏发电市场正经历着加速发展的阶段，2010年光伏发电新增500MW装机容量，
26、累计已达900MW，位于世界前十。2011年7月以来，由于上网电价的补贴政策开始实施，国内光伏开发项目明显增长，拟在建光伏发电项目达30个。国家能源局的统计结果显示，2011年我国新增太阳能发电装机容量约22GW，居于全球第三，占世界太阳能光伏发电新增装机容量的7左右。地理上，我国西北地区新增项目占比重较大，约为66。2012年国际光伏市场环境对我国光伏产业不利，欧美反倾销和反补贴的贸易保护政策条例，给国内光伏企业带来很大冲击。然而2013年公布的太阳能光伏产业十二五发展规划和十二五国家战略性新兴产业发展规划政策有效地刺激了国内的光伏发电市场，使我国的光伏产业发展有了新的保障。13 光伏发电系
27、统介绍131光伏并网系统的体系结构光伏发电系统可以分为并网式光伏发电系统和离网式光伏发电系统。其中离网式光伏发电系统主要应用于电力网未覆盖地区，如偏远山区、海岛等。离网式光伏发电系统包含有储能电池，当电池板发电量大于设备用电量时，储能电池充电；当发电量小于用电量时，储能电池放电。储能电池在离网式光伏发电系统中发挥着重要作用，但其成本较高，限制了其在偏远地区的推广应用。另外，由于储能电池的容量有限，在电池充满后，剩余电量不得不放弃，严重影响系统的效率。并网式发电系统又可以分为可调度式光伏发电系统和不可调度式光伏发电系僦慨泓o强Mn鲋0OOOOOOOOOOOOO0OO0O0OOOOODDaa缪aD
28、D642O86421，1爱u北京交通大学硕士学位论文统。可调度式光伏发电系统主要应用于小规模光伏电站，其最大的特点是装有储能电池，使其具有可调度性，能根据电力系统的需求，并入或者退出电力网。而不可调度式光伏发电系统没有以上功能，其主要应用于大规模光伏电站。目前，光伏发电正在向着大规模市场化的方向发展，逐渐替代传统能源，并网式光伏发电系统是这一过程的必要方案。光伏并网发电系统一般可分为三个部分：光伏阵列、光伏并网逆变器和公共电网。其中光伏组件构成了光伏阵列，在实际应用中，可以用单个光伏组件以及组件的串并联形式。系统并网发电过程中，需要实现光伏电池板的最大功率输出以达到更高的发电效率，而系统的结构
29、在很大程度上影响着发电效率。光伏发电系统的体系结构按照光伏阵列分布和功率等级不同，主要有以下分类【l，4】。(1)集中式结构集中式结构是将所有的光伏组件根据所需要的直流电压按照串并联的形式组成光伏阵列，然后经过一个并网逆变器将光伏阵列输出的能量集中馈入电网。集中式结构是应用最早的结构，具有结构简单、逆变器效率高的优点。但是在设计运行中，该结构也存在以下缺点：如抗阴影、抗热斑能力差，存在功率失配现象；光伏阵列串并联后特性曲线变为复杂的多波峰，难以实现高效的最大功率点追踪(PT)；旁路和阻塞二极管增加了系统的损耗；系统的扩展性差。图12集中式结构F螗12 Centralized structure
30、(2)交流模块式结构由Kleinkauf提出的交流模块式结构是将光伏组件和并网逆变器集成起来作为一个光伏发电模块。相比于集中式结构，交流模块式结构具有以下优点：没有了旁路和阻塞二极管的损耗；无阴影以及热斑的问题；每个发电模块独立MPPT设计；各个模块独立发电，提高了灵活性和扩展能力。交流模块式结构的缺点是含有多个小容量逆变器，系统的整体逆变效率较低。4引言卜储 r=删L：F=二J t-c：qL电网图13交流模块式结构Fig 13 AC module structure(3)串行结构串行结构采用串联形式组成光伏阵列，每个串联支路含有一个并网逆变器，其结构综合了集中式和交流模块式这两种结构的优点：
31、没有阻塞二极管的损耗；具有一定的抗阴影和热斑能力；每串独立MPPT设计，效率较高；系统具有较好的扩展性。但串行系统中仍然存在阴影和热斑问题，并且并网逆变器数量的增加也使系统的逆变效率降低，成本增加畸1。图14串行结构Fig 14 s仃ing type slructure(4)直流模块式结构直流模块式结构是将光伏组件与DCDC变换器集成在一起，构成独立的发电模块，利用直流母线汇集每个发电模块的能量，再集中通过并网逆变器与电网相连。光伏组件的模块化可以实现独立的MPPT，实现每个组件工作在最大功率点，并且具有很强的抗局部阴影和热斑能力。但直流模块式结构仍具有较高的成本，限制了其推广应用【引。北京交
32、通大学硕士学位论文图15直流模块式结构Fig 15 DC modular slructure132光伏并网发电系统组成光伏并网发电系统可以分为单相和三相系统。通常大功率的光伏并网发电系统为三相系统，中小功率的光伏并网发电系统为单相系统。本文主要研究了单相户用屋顶光伏并网系统。图12光伏并网发电系统示意图Fig 12 Diagram of grid-connected PV system典型的屋顶光伏并网发电系统如图12所示，其中1为光伏阵列，2为保护装置，3为线缆，4为并网逆变器，5为用电、发电计量电能表。光伏电池是光伏发电系统中的主要组成部分，能够将太阳能直接转换成电能。实际应用中一般按照所
33、要求的电压等级，阵列。并网逆变器是光伏发电系统的核心，将晶体硅太阳能组件串并联后组成光伏负责将光伏阵列发出的直流电能逆变成符合要求的正弦波并网电流，实现能量向电网侧的流动。并网逆变器的数字控制系统能够控制逆变器实现光伏阵列的最大功率点追踪，以及控制并网电流的波形和功率等。6引言保护装置能够在光伏发电系统故障情况下，保护当地负载和并网逆变器的安全。电能表用来计量用户的发电量和用电量，各地区根据具体补贴政策，可以选用不同的电能表接线和计量方式【u。成本问题一直是限制光伏发电产业发展的一个主要因素。虽然各国在政策上都会给光伏发电一定的补贴，但相比传统能源，光伏发电的电价依然不占优势。光伏电池板曾经在
34、光伏发电系统中占据最主要的成本，但随着技术的提升，光伏组件的价格已从1978年的78美元瓦下降到2013年的12美元瓦以下【3一。在光伏组件占光伏发电系统成本的比例下降的同时，并网逆变器成本所占的份额逐渐凸显出来。光伏并网逆变器是光伏发电系统的功率变换环节，影响着光伏发电的电能质量、可靠性和效率。越来越多的研究集中在了寻求低成本、高效率的光伏并网逆变器上。现代逆变技术推动着并网逆变器的不断进步，对于发电成本的进一步降低以及太阳能的利用有着至关重要的意义。14 本文研究的主要内容随着光伏并网发电技术的日趋成熟，光伏并网逆变器正向着高效率、高功率密度、低噪音、小型化、高可靠性和数字化的方向发展。据
35、此，本文研究了一种新型高频隔离光伏并网逆变器，主要研究内容如下：第一章首先介绍了本文的研究背景以及光伏发电的意义，并阐述了国际光伏产业的发展现状。然后对光伏发电系统做了简要介绍，引出光伏并网逆变器对于光伏发电系统的重要作用。第二章在详细分析并网逆变器基本原理的基础上，根据光伏发电系统要求，引出隔离型并网逆变器的概念，接着根据隔离方式的不同，又将其分为工频隔离型和高频隔离型并网逆变器，分类讨论其工作原理和优缺点，得出高频隔离型并网逆变器在小功率屋顶光伏发电系统中的优势。针对传统DCDC变换型高频隔离光伏并网逆变器的不足，本文研究了一种新型高频隔离光伏并网逆变器拓扑结构，并分析了其在移相脉宽脉位调
36、制(SP聊M)控制模式下的工作原理，新型拓扑结构具有效率高、体积小、重量轻、控制简单的优点。第三章主要研究了高频隔离型光伏并网逆变器的控制策略。首先根据光伏并网逆变器的数学模型构建了逆变器系统的闭环控制策略，并结合新型拓扑结构电感电流为正弦半波波形的工作特点，将翻转环节引入电流控制环。针对交流闭环相位静差引起的并网电流过零点畸变问题，本章分别采用两种不同的思路对电流环加以改进，并建立了仿真模型进行验证。最后给出了系统软件的设计和上述算7北京交通大学硕士学位论文法的具体实现方式。第四章分析了高频隔离型光伏并网逆变器的硬件电路设计过程。根据主电路高频化的要求选取了功率开关器件，结合SPWPM的工作
37、模式设计了高频变压器和电感以及控制电路。本章结合新型拓扑结构的工作原理，详细阐述了关键器件的参数计算和选取，为在硬件上实现高频隔离型光伏并网逆变器系统提供理论依据。第五章搭建了高频隔离型光伏并网逆变器的实验平台，来验证上述电路基本原理和控制策略的正确性。首先介绍了并网逆变器实验平台的搭建和调试过程，并针对新型拓扑结构的工作特点，设计了安全的逆变器启动和停止逻辑。在此基础上，本章分析了逆变器电路并网时各点的实验波形，对并网电流波形过零点畸变问题，在实际闭环控制器中引入本文所述相位补偿控制算法，验证了其可行性。第六章做了全文总结和未来工作的展望。8光伏并网逆变器2光伏并网逆变器光伏并网逆变器是光伏
38、发电系统中能量的转换与控制核心，是将光伏电池所发出的直流电转换成符合电网要求的交流电的环节，其性能影响着光伏发电系统的高效、安全、稳定。光伏并网逆变器在能量转换的同时，还要对并网交流电的电压、电流、频率、相位、功率因数、电能质量等进行控制，使逆变后的交流电达到并网标准。光伏并网逆变器同样分为三相和单相并网逆变器，本文主要研究了单相光伏并网逆变器。21 光伏并网逆变器基本原理单相光伏并网逆变器的主电路结构如图21所示。其中是正弦波电网电压；坼矿是光伏电池板输出的直流电压；是逆变桥输出电压，为PWM控制下的脉冲波，其相位和幅值可控；蟊是经逆变器转换后的并网电流；S1$4是全控型开关器件，在实际应用
39、中可由IGBT、MOSFET、BJT、GTO、MCT或IGCT和与其反并联的功率快恢复二极管组成。对S1幽进行适当的PWM控制，可以使并网电流瑶与电网电压实现单位功率因数。脉冲波Us的开关频率越高，谐波含量越低，并网电流瑶的波形就越接近正弦。图21单相光伏并网逆变器电路原理图Fig 21 Schematic of single phase grid-connected PV inverter设Usl为逆变桥输出电压us的基波分量，白为并网电流蠡的基波分量，在上述原理图中，忽略线路电阻，有以下基波向量关系。其中国为电网角频率，三为滤波电感量。U,1=ug+joLlgl (21)在光伏并网逆变器中
40、应用PWM控制，可以使其对电网的谐波污染程度降到最低，尽量向电网送入相位相反的正弦电流。在PWM控制中，可以使逆变桥产生出与网压喙同频率的调制电压us，同时使得并网电流的基波分量白与网压的相位相反。对应的基波向量关系如图22所示。9北京交通大学硕士学位论文当喙)=sinmt时，有Us。(f)=配。sin(cot+q，) (22)“l。=cos(o (23)t。=tantp(oL) (24)其中以l历是逆变桥输出脉冲电压基波分量的幅值，是网压幅值A图22光伏并网逆变器基波向量图F远22 Fundamental vector ofgrid-connected PV inverter在光伏并网逆变器
41、的控制中，要保持并网电流与电网电压相位相反，实现单位功率因数，逆变桥输出电压基波埯l不但要具有一定的幅值，还要超前电网电压一个角度妒。因此可以根据其向量关系，通过控制usl的幅值和相位，间接控制并网电流蟊。并网逆变器实际工作时，需要根据不同的并网电流，控制逆变桥输出电压基波向量阢1的端点沿着直线AB运动。在实现并网逆变时，通过控制开关器件不同的开关组合，可以使逆变桥输出+坼n 0、和Uev-种状态。以网压ugO的正半周为例，三种状态具体为：当开关管S1和S4开通时，逆变桥输出电压为+坼“加在电感两端的电压为Uewug，由于光伏侧直流电压大于电网电压峰值，电感充电，电感电流增大。当开关管Sl和功
42、或者s4和赐导通时，逆变桥输出电压为O，电感两端电压为嗽，电感在负电压下放电，电感中的能量馈入电网，电流下降。当开二极管D2和D3导通时，逆变桥输出电压为uev,电感两端电压为一Up户ug，电感向电网和直流侧放电，电感电流减小。电网电压ugO，直流电压给电感充电，电感电流iL上升。17北京交通大学硕士学位论文模态2：沪如时刻，Q和Q4同时导通，变压器原边电流流过Q2和Q4形成回路，漏感电流在高频桥内续流，2=Ul：0。同时，DlD4导通为电感电流续流，电感电流流过二极管整流桥、Q5和Q8形成回路，甜=O。此时电感电压uL=LdiIdt=uugO，电感三经过Q5和Qg向电网放电，电感电流垃下降。
43、模态3：t3t4时刻，Q和Q3同时导通，高频变压器原边电流流过Q和Q3形成回路，副边电流流过D2和D3、电感三、Q5和Q8形成回路。变压器副边电压u2=Nul=-NUp踟经D2和D3整流后u=NUpvo此时电感电压uL=LdiLdt=u一瞎0。电感储存能量，电感电流L上升。模态4：t4t5时刻，Ql和Q同时导通，变压器原边电流流过Ql和Q3形成回路，漏感电流在高频桥内续流，U2=Ul=0。DlD4为电感电流续流，电感电流回路与模态2相同，Uac=0。此时电感电压uL=LdiIJdt=uac-ugO，电感三经过Q5和Q8向电网放电，电感电流屯下降。叫l、婴I吆jUrv姥iDj叫j奉c 嘶l广叫(
44、a)模态1 (b)模态2(c)模态3 (由模态4图2。13高频隔离型光伏并网逆变器工作模态Fig 21 3 Operating modes of high frequency isohted gridconnected PV inverter在网压过零点切换期问，因电网电压锁相会有一定误差，需要在后级工频交错的脉冲之间加入相应的死区时问。电容Q在死区时间内为电感三续流，死区之后白的能量流入电网。另外，死区时间也可以避免同一桥臂的上下开关管之间发生贯穿短路。在网压蚝的负半周期，工频逆变桥的Q6和Q导通，=一Ug，电路的工作情况相似，可同理分析。通过以上的分析可以看出，本章所研究的新型高频隔离型光
45、伏并网逆变器相比于本章所述的典型DCDC变换型高频隔离并网逆变器有以下特点：新型拓扑结构的后级逆变桥工作在工频状态，并且工频动作是在电压和电流的过零点，可看作零电压零电流开关，大幅减小了逆变器的开关损耗，在提高了效率的同时减小了散热器的重量；由于前级逆变器同时完成了隔离和调制的任务，不再需要中间18光伏并网逆变器直流侧的电解电容进行前后级解耦，使得并网逆变器中储能元件大幅减少，降低了系统的体积和重量；另外在控制方面，新型拓扑中只有前级逆变桥工作在高频状态，可以简化控制系统，减少数字处理器中占用的计算资源。24 SPWPM原理分析目前，在图27的典型DCDC变换型高频隔离光伏并网逆变器的输出级，应用最为广泛的调制方式是SPWM，其原理是通过改变脉冲的占空比来实现调制。通过对SPWM波的傅里叶分析可知，其传输功率的成分为工频基波，只能通过工频变压器进行隔离。而本章所研究的SPWPM调制方式是在对脉冲宽度调制的基础上，也对脉冲的位置进行调制。在图214中可以看出，SPWPM波可以看作是将SPWM波的相邻脉冲反向而得到的。USPWeM限阡 千f丁【 肛L 、L L L 旷2兀7(b)图214 SPWM波和SPWPM波示意图Fig 214 Diagram of SPWM and SPWPM以下将对SPWPM波进行数学推导【251。设调制波为 爪 蜥】， ， ，一 一一
