太阳能电池三相逆变电源驱动控制方法研究

摘 要：光伏发电无论应用于独立电源、分布式电源、光伏发电微网及并网，逆变电源是关键环节，逆变器输出的交流波形直接影响着电源的供电品质，而电源的品质完全取决于对逆变器的驱动控制，文章提出，逆变电源驱动脉冲信号的设计及优化一般要遵循“三个原则”，“一个逻辑关系函数”和“一个期望输出目标波形”。文章以此作为设计的理论依据，特别探究了期望目标波形为正弦波的SPWM逆变器驱动脉冲信号的几种设计方法。

关键词：光伏电池；逆变电源；脉宽调制技术；设计与优化

引言

在国家大力倡导推广绿色能源应用的利好政策下，我国新能源工业经历了爆发性无序增长期、市场竞争下的优胜劣汰发展期和由技术创新主导下的稳步增长期[1-2]。作为绿色能源之一的太阳能电池，通过新材料的应用和新加工工艺的运用，使光电转换率得到明显提高，单位价格/W也下降显著[3-4]，光伏电池作为一次能源已完全具备了市场应用价值。光伏发电无论应用于独立电源、分布式电源、光伏发电微网及并网，DC/AC逆变是不可或缺的环节，对逆变电源的功率变送驱动控制方法则是该环节的关键技术。

1 光伏逆变电源类型及驱动控制方法

光伏发电系统构成有多种，比如独立电源模式、分布式光伏发电离网模式、分布式光伏发电单PWM逆变并网模式和分布式光伏发电双PWM逆变并网模式。因此，光伏逆变电源的应用类型也不同，如图1所示。

微型逆变器的PV系统中，每一块电池板分别接入一台微型逆变器。一般每块电池板在500W～1kW。

组串逆变器是基于模块化概念基础上的，每个光伏组串（1-5kW）通过一个逆变器，在直流端具有最大功率峰值跟踪，拓扑结构采用DC-DC-BOOST升压和DC-AC全桥逆变两级电力电子器件变换，防护等级一般为IP65。体积较小，可室外臂挂式安装。

集中式逆变器是若干个并行的光伏组串被连到同一台集中逆变器的直流输入端，设备功率在50kW到630kW之间，功率器件采用大电流IGBT，系统拓扑结构采用DC-AC一级电力电子器件全桥逆变，工频隔离变压器的方式。

图1 光伏逆变电源应用类型

逆变器的驱动控制技术伴随着功率开关器件由一代到四代的演变而发展。（1）最初的晶闸管逆变器采用的是6拍1800或6拍1200驱动控制[5]，控制规律简单，驱动信号产生方法容易，功率变送装置开关损耗小，但因需要附加强迫换流电路使得主电路复杂，同时逆变电源输出波形差。（2）采用多电平叠加的错位驱动控制（多重化）及变压器耦合使逆变电源消除了特定高次谐波[6-7]，输出波形得到明显改善，但逆变电源主电路更为复杂。（3）随着全控型开关器件开关频率、耐压等级、集成度等性能指标的显著提高，PWM逐渐成为三相逆变电源的功率变换主流驱动控制技术，PWM采用高频载波信号与参考信号比较产生的调制脉冲信号，作为逆变器驱动控制信号，使逆变器输出期望波形。根据逆变电源期望输出目标波形的不同，PWM驱动技术演变出SPWM，SVPWM、SHBPWM、SHEPWM等多种方法[8-10]。在诸多脉宽调制方法中，有的侧重于提高输出波形的质量，消除或抑制高次谐波；有的侧重于减少逆变器的开关损耗或提高系统的综合效率；有的则侧重于在技术上的可实现性。

3 逆变电源驱动脉冲信号的设计及优化

逆变电源驱动脉冲信号的设计及优化一般要遵循三个原则、一个逻辑关系函数和一个期望输出目标波形。

三个原则：（1）开关损耗小；（2）同相上下桥臂开关状态互补；（3）开关器件热平衡。

一个逻辑关系函数：

（1）

其中，uab、ubc、uca为逆变器输出线电压脉冲串，gVT1-gVT6为逆变桥驱动脉冲信号，“.”为逻辑与运算符， “+”为逻辑或运算符。

一个期望输出目标波形：期望输出目标波形有多种选择，可以是输出电压为正弦波、电流为正弦波、电压空间矢量运动轨迹为圆等等。

3.1 6拍1800控制规律下的驱动脉冲信号

每个控制周期T划分为6个等时间段，即，ti=T/6=1/6f1，i=1，2，3，…，6按式（2），以时控方式产生逆变驱动控制信号。

（2）

该驱动脉冲信号产生原理及方法简单，能够满足上述三个设计原则和逻辑函数关系，但期望输出目标波形为交流方波，在实际应用中已较少采用。

3.2 正弦波输出的SPWM脉冲驱动信号产生方法

SPWM脉冲驱动信号的产生，理论上是用参考正弦波信号与高频载波信号通过比较器产生调制脉冲信号，如图2所示。

函数发生器环节是应用中的关键环节，设计工作量较大。所以，在技术实现方面衍生出很多改进的SPWM方法，比如基于规则采样及保持原理的PWM和单元PWM法[11]，两种方法均规避了参考信号及载波信号函数发生器的设计问题。

3.2.1 基于规则采样及保持原理的PWM法

基于规则采样及保持原理的PWM法的基本思想是：在载波三角波每个正向峰值点对参考正弦波信号采样，并将采样值保持到下一采样点，用对参考正弦波采样保持信号与载波三角波信号比较产生调制脉冲。用几何分析法建立产生调制脉冲控制解析式，如式（3）。

（3）

式中，Ts为采样周期，N为载波比，M（？燮1）为调制系数，t0ffi为第i采样点处控制调制脉冲正向翻转延迟时间，tpwi为第i采样点处控制正脉冲维持时间。按解析式（3）时控调制脉冲时序图如图3所示。

图3 时控驱动脉冲信号

该方法逆变电源驱动脉冲信号产生容易，技术实现简单，但在载波比较大时逆变器开关损耗大是其不足之处。

3.2.2 单元PWM调制法及其调制脉冲优化

单元PWM法是一种逆向设计法。首先规划出逆变电源期望输出线电压在划分的6个单元电压脉冲串，然后根据前面所述的逻辑函数关系即可确定相关驱动脉冲信号，再对调制脉冲按前述的三原则进行优化。

具体设计步骤：

（1）输出线电压期望波形规划（图4）。

图4 逆变器输出线电压单元脉冲规划

（2）按逻辑函数确定驱动脉冲信号（图5）。

图5 逆变器驱动脉冲信号设计

（3）按前述三原则优化驱动脉冲信号（图6）。

图6 逆变桥驱动脉冲信号优化设计

3.2.3 SVPWM脉宽调制逆变驱动信号产生法

SVPWM脉宽调制法的基本思想是：以6拍1800控制下的正六边形电压空间矢量运动轨迹的内切圆或外切圆为设计目标， 把逆变器的一个工作周期用6个电压空间矢量划分成6个扇区（Sector），每个扇区对应的时间均为600，为获得电压空间矢量旋转圆运动轨迹，将每个扇区划分成t1、t2、…ti时间段，同时每个扇区选择两个或多个开关状态，两个或多个开关状态在多个时间段间有序切换，用线性组合的方法使电压空间矢量运动轨迹在每个扇区逼近圆弧[12]。如下例SVPWM控制策略，如图7所示。

图7 电压空间矢量运动轨迹规划

设逆变器输出频率为f1，则每个扇区时间为t■=■，每个扇区换分成10个时间段，即t■=■t■，其中，t4=t7定义为双脉冲时间，其它为单脉冲时间。t■=■，t■=■。

4 结束语

针对太阳能光伏发电SPWM逆变电源驱动控制问题，驱动脉冲信号是由期望输出为正弦波的参考信号与高频载波信号调制产生，逆变电源驱动脉冲信号的设计，函数发生器环节是应用中的关键环节，设计工作量较大。文章结合脉冲信号设计及优化的技术实现研究实例，提出了逆变电源驱动脉冲信号设计及优化应遵循的“三个原则”和“一个逻辑关系函数”和“一个期望输出目标波形”，以此作为设计的理论依据，讨论了几个设计案例。几种方法均规避了参考信号及载波信号函数发生器的设计问题，使逆变电源驱动脉冲信号设计简单实用。

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作者简介：刘建业（1965-），男，河北深州人，硕士，教授，主要研究方向：新能源发电。