三相光伏發(fā)電SPWM逆變技術(shù)研究

，，

(梯級(jí)水電站運(yùn)行與控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(三峽大學(xué))，湖北 宜昌 443002)

1 引言

隨著煤、石油等化石能源的日漸枯竭與人類生存環(huán)境的不斷惡化，太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生自然資源的開(kāi)發(fā)利用近年來(lái)得到了國(guó)內(nèi)外的普遍重視，許多國(guó)家已做出大規(guī)模推廣太陽(yáng)能等可再生能源開(kāi)發(fā)利用的決策和規(guī)劃。光伏發(fā)電是太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)利用的主要形式之一，光伏發(fā)電系統(tǒng)按照是否與電網(wǎng)連接可以分為并網(wǎng)型和離網(wǎng)型兩大類。其中，離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)可以獨(dú)立運(yùn)行，為負(fù)載提供穩(wěn)定的直、交流電壓。在距離電網(wǎng)較遠(yuǎn)的偏僻山區(qū)、無(wú)電區(qū)、海島、通訊基站和路燈等場(chǎng)所，離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。電力電子功率變換單元作為光伏電池陣列與用戶負(fù)載的接口單元，是實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心。其中，逆變環(huán)節(jié)連接系統(tǒng)的直流母線和交流母線，實(shí)現(xiàn)直流-交流變換，并且逆變器作為直接面對(duì)用戶負(fù)載的輸出單元，其工作性能直接會(huì)影響到系統(tǒng)的供電質(zhì)量，是發(fā)電系統(tǒng)功率變換的關(guān)鍵。

本文以離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出逆變單元為研究對(duì)象，首先分析其拓?fù)渑c數(shù)學(xué)模型，然后研究光伏逆變器的控制策略，最后通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證研究?jī)?nèi)容的正確性與有效性。

2 原理分析

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，由光伏陣列、升壓斬波器、充放電變換器、儲(chǔ)能單元和逆變器等部分組成。光伏陣列由太陽(yáng)能電池組件構(gòu)成；升壓斬波器一般由Boost電路構(gòu)成，完成最大功率跟蹤和升壓功能；充放電變換器為雙向變換器，和儲(chǔ)能單元合起來(lái)完成能量緩沖。

圖1 離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 三相逆變器原理圖

逆變器連接系統(tǒng)的直流母線和交流母線，實(shí)現(xiàn)DC/AC變換，并且作為直接面對(duì)用戶負(fù)載的輸出單元，其工作性能直接影響到系統(tǒng)的供電質(zhì)量，是系統(tǒng)功率變換的關(guān)鍵。逆變環(huán)節(jié)一般采用半橋電路拓?fù)洌涣鬏敵鰝?cè)通過(guò)濾波器與三相負(fù)載相連，如圖2所示。三相半橋拓?fù)涞墓β势骷蒊GBT(V1-V6)和與之反并聯(lián)的電力二極管(VD1-VD6)組成。

圖2 三相逆變器原理圖

圖中U、V、W分別為逆變器三相，N′為直流電源假想中點(diǎn)、N為負(fù)載中點(diǎn)，則相電壓為uUN,uVN,uWN,線電壓為uVW,uUV,uUW。

3 數(shù)學(xué)建模與控制方法

3.1 開(kāi)關(guān)順序

記三相逆變器每一橋臂上橋臂導(dǎo)通時(shí)為1，下橋臂導(dǎo)通時(shí)為0，用這一開(kāi)關(guān)函數(shù)表示如下：

三個(gè)橋臂在每一時(shí)刻都有且僅有一個(gè)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，其排列組合如表1所示。

3.2 靜止坐標(biāo)系電壓模型推導(dǎo)

利用基爾霍夫電壓定律電流定律,對(duì)電路的回路結(jié)點(diǎn)列寫電壓方程和電流方程。

表1 開(kāi)關(guān)通斷表

(1)

三相負(fù)載對(duì)稱時(shí)有：

uab+ubc+uca=0

(2)

三相無(wú)中線系統(tǒng)，三相電感電流和輸出電流之和為0：

(3)

聯(lián)立方程(1)～(3)可以得到：

(4)

(5)

將上述的電壓電流方程寫成矩陣形式可以得到線電壓和線電流的表達(dá)式：

(6)

(7)

4 仿真驗(yàn)證

4.1 仿真原理

采用PSIM軟件對(duì)本文所述方法進(jìn)行仿真。SPWM控制原理圖如圖3所示，圖中的虛線部分為主電路部分，實(shí)線部分為SPWM控制電路。

圖3 SPWM控制信號(hào)波形圖

(1)載波頻率的選擇

載波頻率的選取與電動(dòng)機(jī)功率、二次出線長(zhǎng)度有關(guān)，由于本文不涉及到負(fù)載電機(jī)與出線長(zhǎng)度，基于載波頻率高時(shí)輸出正弦好且平滑，諧波小，干擾小的原則，選取：fr=10kHz。

(2)濾波電感的的選擇

濾波電感起續(xù)流作用，使負(fù)載上的電流連續(xù)，其計(jì)算公式如下：

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

(8)

其中，U1是輸出的直流電壓，U0是輸出電壓，F(xiàn)是SPWM的開(kāi)關(guān)頻率。

帶入相關(guān)參數(shù)，取L=730Uh。

(3)濾波電容的的選擇

濾波電容起濾波作用，濾除低次諧波。LC組成的濾波電路中，一般采用大電感小電容的原則取：C=1uf

(4)調(diào)制波頻率，輸入電壓和負(fù)載的選擇

如課題要求，調(diào)制波頻率為50Hz，負(fù)載為20Ω，輸入電壓為450V。

4.2 仿真波形

(1)SPWM控制信號(hào)和載波信號(hào)波形圖

圖4 SPWM逆變器仿真輸出波形圖

圖4中虛線部分為三角波載波信號(hào)，實(shí)線部分為頻率50Hz的正弦調(diào)制波信號(hào)。

(2)SPWM輸出波形圖

從圖5中可以看出，SPWM波的脈沖寬度呈現(xiàn)正弦規(guī)律變化，但其仍然符合三相間相差120°，同一橋臂不同時(shí)打開(kāi)，每一時(shí)刻只有三個(gè)導(dǎo)通的原則。

最終可以得到如圖6逆變仿真波形，其將450V的直流電壓作為輸入，輸出為220V，50Hz交流電，輸出電流最大值在11A左右，最大輸出功率在2kW左右，電流諧波總畸變率經(jīng)仿真顯示為THD=0.65%，電流波形質(zhì)量良好。

圖5 L=2mH，C=3uf逆變器仿真輸出波形圖

5 結(jié)論

本文對(duì)三相光伏發(fā)電SPWM技術(shù)進(jìn)行了研究,分析了其拓?fù)渑c數(shù)學(xué)模型，然后研究光伏逆變器的控制策略，最后通過(guò)仿真輸出了理想的逆變波形，證明了所選方案的有效性與正確性。