SVPWM控制算法在光伏三相并网逆变器中的研究.doc

1、SVPWM 控制算法在光伏三相并网逆变器中的研究摘要 对光伏发电三相并网逆变器系统常用的几种电路拓扑结构进行分析，并比较其优缺点。在此基础上，确定本论文所研究的三相并网逆变器的拓扑结构两级式光伏并网逆变器(其中，Boost 升压变换电路是前级 DC-DC 变换器较为理想的选择，后级 DC-AC 逆变器通常采用全桥逆变电路)，并分别对两级电路的工作原理进行了分析。本文所采用的SVPWM (Space Vector Pulse Width Modul,空间电压矢量脉宽调制)控制策略。若在该算法基本原理的基础上直接进行公式的推导和计算，将会增加控制器的设计的难度。 关键字: 三相并网逆变器； SVP

2、WM 法 中图分类号：TM464 文献标识码： A 1 并网逆变器结构的设计与分析 1.1 光伏并网发电系统的基本结构 图 1 所示为太阳能光伏并网发电系统的基本结构，其主要由太阳能电池方阵、DC/DC 变换电路和 DC/AC 逆变电路、控制和保护电路、电网等组成。 图 1 太阳能光伏并网发电系统 从图 1 中可知，在整个光伏发电系统中，光伏阵列只有通过并网逆变器才能和电网相连，逆变器的主要功能就是把光伏阵列输出的直流电转换为符合电网技术性能指标的交流电能并传送给电网9-11。并网逆变系统中的 DC/DC 变换器用来实现直流电压的升压功能，DC/AC 逆变器将升压后的直流电逆变为与电网电压同步

3、的交流电，并将电能馈送到电网。在整个光伏并网系统中，并网逆变器性能的优良是决定其是否能够安全、可靠、稳定、高效运行的主要因素，同时也对整个系统的使用寿命有较大的影响。 1.2 并网逆变器的拓扑选择 在整个光伏发电系统中，并网逆变器是将光伏阵列和电网连接在一起的关键环节。 图 2 三相组合式逆变器电路结构 该电路具有结构相对简单、功率开关数目应用较少、容易控制、其电压应力较小等优点，但该电路自平衡能力较弱。 逆变电路是并网发电系统中不可或缺的一部分，光伏发电三相并网逆变器的负载为公共电网，一般将其看成为一个理想的三相平衡负载。因而，采用图 3 所示的三相全桥式逆变器电路结构。 图 3 三相全桥式

4、逆变器电路结构 1.3 带 Boost 升压电路的两级式电压源型逆变器结构。 图 4 两级式电压源型逆变器 如图 4 前级的 DC/DC 变换器有 Buck 变换器（降压变换器）和 Boost变换器（升压变换器） 。从效率角度来考虑，Buck 和 Boost 变换器效率是最高的。而 Buck 变换器是降压变换器，无法升压，如果并网发电，就要求光伏阵列的电压匹配在较高的电压等级，这将为光伏系统并网发电带来很多问题，因此 Buck 变换器很少用于光伏并网发电系统。Boost 变换器为升压变换器，从而使光伏阵列可以工作在宽泛的电压范围内，因此直流侧电池组件的电压配置更加灵活；并且通过适当的控制策略可

5、以使得 Boost 变换器的输入端电压波动很小，从而提高最大功率点跟踪精度；同时 Boost 电路结构上与网侧逆变器下桥臂的功率管共地，驱动相对简单。可见在多级非隔离型光伏并网逆变器拓扑结构的设计中，Boost 变换器是比较理想的选择。 3 三相并网逆变器的控制策略 3.1 并网逆变器电流控制方式 在三相光伏并网发电系统中，三相电流信号和实际采样信号比较，其误差通过 PI 调节器输出三相电压参考值，采用 SPWM 调制方式输出逆变器开关信号来控制逆变器的工作。图 5 为 SPWM 控制并网系统结构图。 图 5 SPWM 控制并网系统结构图 该方法工作优点是开关频率固定，如果开关频率足够高，则输

6、出谐波较小，响应速度也能满足一般要求。SPWM 方式易于采用模拟电路实现，硬件较为复杂，且直流电压利用率低6。 经典的 SPWM 控制法希望输出的 PWM 电压波形所含的基波成分尽量大，谐波成分尽量小。也就是说，希望逆变器输出电压波形与正弦波非常接近。应用 SVPWM 控制不仅可以提高逆变电路的直流电压利用率，而且具有较好的动态响应性能，降低了系统开关器件的损耗。因此，采用 SVPWM控制策略对三相并网逆变器的 DC-AC 部分进行控制。 3.2 三相并网逆变器模型 SVPWM 控制策略是将三相静止坐标系 abc 下的数学模型转换为与电网基波频率同步旋转的 dq 同步坐标下对逆变器进行控制。若

7、在该算法基本原理的基础上直接进行公式的推导和计算，将会增加控制器的设计的难度。因此，通过对该算法进行优化，实现逆变器的数字化控制，对提高系统的响应速度具有重要的意义7。 图 6 为基于 dq 坐标系下 SVPWM 的并网系统结构图。并网逆变器输出电流的检测值 ia、ib、ic 经过 abc/dq 坐标变换转换为同步旋转 dq 坐标系下的直流量 id、iq，将其与电流内环的参考值 i*d、i*q 进行比较，并通过相应的 PI 调节器控制分别实现对 id、iq 的控制。电流内环 PI 调节器的输出信号经过解耦和电网电压前馈控制，在经过 dq/逆变换后得到U、U，即可通过 SVPWM 得到并网逆变器

8、相应的开关控制信号Sa、Sb、Sc，从而实现逆变器的并网控制。 图 6 基于 dq 坐标系下 SVPWM 的并网系统结构图 3.3 仿真实现 论文在介绍了几种电流控制方法的基础上，主要分析了 SVPWM 控制策略。为了验证该控制方法的有效性，本论文对常用的两种电流控制方法 SPWM 电流控制方法和 SVPWM 电流控制法进行分析比较，并在MATLAB/Simulink 中建立了基于光伏并网发电系统的电流控制仿真模型，进行仿真。图 7 为基于 SVPWM 控制策略光伏发电三相并网系统的仿真模型。 在整个三相并网发电系统中，最大功率点的跟踪以及对并网电流的输出控制是其中的两个关键部分。在图 7 所

9、示的仿真模型中，主要包括三相全桥逆变器、SVPWM 控制模块、PI 调节器等。设参考电压为电网电压，其频率为 50Hz，输入逆变器的直流电压为 400V，滤波电感 L 为30mH，电阻 R 为 1。输入逆变器的直流电压与参考电压比较后，通过PI 调节器进行控制，实现并网逆变器的单位功率因数正弦波电流控制。 要实现光伏并网，必须使逆变器输出的并网电流与电网电压同步，才能达到并网的要求。图 8 为三相电网电压，即参考电压的波形。通过仿真，分别得到图 9 基于 SVPWM 控制法逆变器输出的三相并网电流波形和图 10 基于 SPWM 控制法逆变器输出的三相并网电流波形. 图 7 光伏发电三相并网系统

10、的仿真模型 图 8 三相参考电压 图 9SVPWM 控制法输出的三相并网电流 图 10SPWM 控制法输出的三相并网电流 从仿真结果可以看出，基于 SVPWM 控制法逆变器输出电流的频率和相位和电网电压频率和相位相一致，采用 SPWM 控制法，逆变器输出的电流基本上能够跟踪参考电压，但仍存在一定相位差。并网逆变器输出线电压的 PWM 波形，采用 SVPWM 控制方法时，逆变器直流电压利用率达到了 100%，而采用 SPWM 控制法时，逆变器的直流电压利用率要小一些。 4 结语 本文分析比较了常用的逆变器电流控制策略，重点分析了三相并网逆变器在不同坐标系下的数学模型，建立本文所采用的 SVPWM

11、 控制策略，该控制策略是将三相静止坐标系 abc 下的数学模型转换为与电网基波频率同步旋转的 dq 同步坐标下对逆变器进行控制。若在该算法基本原理的基础上直接进行公式的推导和计算，将会增加控制器的设计的难度。因此，通过对该算法进行优化，实现逆变器的数字化控制，结果证明该算法实现了并网控制要求，提高了系统的动态响应性能，直流电压利用率达几乎达到 100%。 需要进一步研究的问题： (1) 若光伏整列被部分遮挡，则光伏阵列 P-V 曲线将会出现局部最大功率点，单峰值曲线的 MPPT 算法可能出现误判，所以要研究适合局部最大功率点情形时的 MPPT 方法。 (2) 研究并网逆变器系统孤岛效应检测方法，使光伏并网系统能够在更可靠的保护措施下安全运行。 参考文献 1 王新勇.三相光伏并网逆变器定频控制算法的研究与实现J .洛阳:河南科技大学 2 曹建平.光伏并网逆变器的研究D.武汉:湖北工业大学,2011:5-15.