太陽能電池三相逆變電源驅動控制方法研究

摘 要：光伏發電無論應用于獨立電源、分布式電源、光伏發電微網及并網，逆變電源是關鍵環節，逆變器輸出的交流波形直接影響著電源的供電品質，而電源的品質完全取決于對逆變器的驅動控制，文章提出，逆變電源驅動脈沖信號的設計及優化一般要遵循“三個原則”，“一個邏輯關系函數”和“一個期望輸出目標波形”。文章以此作為設計的理論依據，特別探究了期望目標波形為正弦波的SPWM逆變器驅動脈沖信號的幾種設計方法。

關鍵詞：光伏電池；逆變電源；脈寬調制技術；設計與優化

引言

在國家大力倡導推廣綠色能源應用的利好政策下，我國新能源工業經歷了爆發性無序增長期、市場競爭下的優勝劣汰發展期和由技術創新主導下的穩步增長期[1-2]。作為綠色能源之一的太陽能電池，通過新材料的應用和新加工工藝的運用，使光電轉換率得到明顯提高，單位價格/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應用價值。光伏發電無論應用于獨立電源、分布式電源、光伏發電微網及并網，DC/AC逆變是不可或缺的環節，對逆變電源的功率變送驅動控制方法則是該環節的關鍵技術。

1 光伏逆變電源類型及驅動控制方法

光伏發電系統構成有多種，比如獨立電源模式、分布式光伏發電離網模式、分布式光伏發電單PWM逆變并網模式和分布式光伏發電雙PWM逆變并網模式。因此，光伏逆變電源的應用類型也不同，如圖1所示。

微型逆變器的PV系統中，每一塊電池板分別接入一臺微型逆變器。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上的，每個光伏組串（1-5kW）通過一個逆變器，在直流端具有最大功率峰值跟蹤，拓撲結構采用DC-DC-BOOST升壓和DC-AC全橋逆變兩級電力電子器件變換，防護等級一般為IP65。體積較小，可室外臂掛式安裝。

集中式逆變器是若干個并行的光伏組串被連到同一臺集中逆變器的直流輸入端，設備功率在50kW到630kW之間，功率器件采用大電流IGBT，系統拓撲結構采用DC-AC一級電力電子器件全橋逆變，工頻隔離變壓器的方式。

圖1 光伏逆變電源應用類型

逆變器的驅動控制技術伴隨著功率開關器件由一代到四代的演變而發展。（1）最初的晶閘管逆變器采用的是6拍1800或6拍1200驅動控制[5]，控制規律簡單，驅動信號產生方法容易，功率變送裝置開關損耗小，但因需要附加強迫換流電路使得主電路復雜，同時逆變電源輸出波形差。（2）采用多電平疊加的錯位驅動控制（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雜。（3）隨著全控型開關器件開關頻率、耐壓等級、集成度等性能指標的顯著提高，PWM逐漸成為三相逆變電源的功率變換主流驅動控制技術，PWM采用高頻載波信號與參考信號比較產生的調制脈沖信號，作為逆變器驅動控制信號，使逆變器輸出期望波形。根據逆變電源期望輸出目標波形的不同，PWM驅動技術演變出SPWM，SVPWM、SHBPWM、SHEPWM等多種方法[8-10]。在諸多脈寬調制方法中，有的側重于提高輸出波形的質量，消除或抑制高次諧波；有的側重于減少逆變器的開關損耗或提高系統的綜合效率；有的則側重于在技術上的可實現性。

3 逆變電源驅動脈沖信號的設計及優化

逆變電源驅動脈沖信號的設計及優化一般要遵循三個原則、一個邏輯關系函數和一個期望輸出目標波形。

三個原則：（1）開關損耗小；（2）同相上下橋臂開關狀態互補；（3）開關器件熱平衡。

一個邏輯關系函數：

（1）

其中，uab、ubc、uca為逆變器輸出線電壓脈沖串，gVT1-gVT6為逆變橋驅動脈沖信號，“.”為邏輯與運算符， “+”為邏輯或運算符。

一個期望輸出目標波形：期望輸出目標波形有多種選擇，可以是輸出電壓為正弦波、電流為正弦波、電壓空間矢量運動軌跡為圓等等。

3.1 6拍1800控制規律下的驅動脈沖信號

每個控制周期T劃分為6個等時間段，即，ti=T/6=1/6f1，i=1，2，3，…，6按式（2），以時控方式產生逆變驅動控制信號。

（2）

該驅動脈沖信號產生原理及方法簡單，能夠滿足上述三個設計原則和邏輯函數關系，但期望輸出目標波形為交流方波，在實際應用中已較少采用。

3.2 正弦波輸出的SPWM脈沖驅動信號產生方法

SPWM脈沖驅動信號的產生，理論上是用參考正弦波信號與高頻載波信號通過比較器產生調制脈沖信號，如圖2所示。

函數發生器環節是應用中的關鍵環節，設計工作量較大。所以，在技術實現方面衍生出很多改進的SPWM方法，比如基于規則采樣及保持原理的PWM和單元PWM法[11]，兩種方法均規避了參考信號及載波信號函數發生器的設計問題。

3.2.1 基于規則采樣及保持原理的PWM法

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

（3）

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

圖3 時控驅動脈沖信號

該方法逆變電源驅動脈沖信號產生容易，技術實現簡單，但在載波比較大時逆變器開關損耗大是其不足之處。

3.2.2 單元PWM調制法及其調制脈沖優化

單元PWM法是一種逆向設計法。首先規劃出逆變電源期望輸出線電壓在劃分的6個單元電壓脈沖串，然后根據前面所述的邏輯函數關系即可確定相關驅動脈沖信號，再對調制脈沖按前述的三原則進行優化。

具體設計步驟：

（1）輸出線電壓期望波形規劃（圖4）。

圖4 逆變器輸出線電壓單元脈沖規劃

（2）按邏輯函數確定驅動脈沖信號（圖5）。

圖5 逆變器驅動脈沖信號設計

（3）按前述三原則優化驅動脈沖信號（圖6）。

圖6 逆變橋驅動脈沖信號優化設計

3.2.3 SVPWM脈寬調制逆變驅動信號產生法

SVPWM脈寬調制法的基本思想是：以6拍1800控制下的正六邊形電壓空間矢量運動軌跡的內切圓或外切圓為設計目標， 把逆變器的一個工作周期用6個電壓空間矢量劃分成6個扇區（Sector），每個扇區對應的時間均為600，為獲得電壓空間矢量旋轉圓運動軌跡，將每個扇區劃分成t1、t2、…ti時間段，同時每個扇區選擇兩個或多個開關狀態，兩個或多個開關狀態在多個時間段間有序切換，用線性組合的方法使電壓空間矢量運動軌跡在每個扇區逼近圓弧[12]。如下例SVPWM控制策略，如圖7所示。

圖7 電壓空間矢量運動軌跡規劃

設逆變器輸出頻率為f1，則每個扇區時間為t■=■，每個扇區換分成10個時間段，即t■=■t■，其中，t4=t7定義為雙脈沖時間，其它為單脈沖時間。t■=■，t■=■。

4 結束語

針對太陽能光伏發電SPWM逆變電源驅動控制問題，驅動脈沖信號是由期望輸出為正弦波的參考信號與高頻載波信號調制產生，逆變電源驅動脈沖信號的設計，函數發生器環節是應用中的關鍵環節，設計工作量較大。文章結合脈沖信號設計及優化的技術實現研究實例，提出了逆變電源驅動脈沖信號設計及優化應遵循的“三個原則”和“一個邏輯關系函數”和“一個期望輸出目標波形”，以此作為設計的理論依據，討論了幾個設計案例。幾種方法均規避了參考信號及載波信號函數發生器的設計問題，使逆變電源驅動脈沖信號設計簡單實用。

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作者簡介：劉建業（1965-），男，河北深州人，碩士，教授，主要研究方向：新能源發電。