第三章 光伏并网系统的工作原理
3.1电压型单相全桥逆变电路分析
用直流稳压电源Us和电阻Rs模拟光伏电池，而逆变器部分我们将使用电压型单相全桥逆变电路。我们先来分析一下下面的电路如下图3-1
电压型的逆变电路有以下要特点：
1.直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源。直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。
2.由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关，交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。
3.当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容器缓冲武功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各手臂都并联上反馈二极管。
全桥逆变电路是单相逆变电路中应用最多的。
两个半桥电路的组合。1和4一对，2和3另一对，成对桥臂同时导通，交替各导通180°。uo波形同图5-6b。半桥电路的uo，幅值高出一倍Um=Ud。io波形和图5-6b中的io相同，幅值增加一倍，单相逆变电路中应用最多的。
uo正半周，V1通，V2断，V3和V4交替通断，负载电流比电压滞后，在电压正半周，电流有一段为正，一段为负，负载电流为正区间，V1和V4导通时，uo等于Ud，V4关断时，负载电流通过V1和VD3续流，uo=0，负载电流为负区间，io为负，实际上从VD1和VD4流过，仍有uo=Ud，V4断，V3通后，io从V3和VD1续流，uo=0，uo总可得到Ud和零两种电平。
+VD1VT1VT3VD3UdCd 负载VD2VT2VT4VD4-图3-1电压型单相全桥逆变电路
基波幅值 Uo1m=4Ud/3.14=1.27Ud 3-1-1 基波有效值 Uo1=
22Ud3.14=0.9Ud 3-1-2
11
uo为正负各180o时，要改变输出电压有效值只能改变Ud来实现。
单相半桥和全桥PWM整流电路，半桥电路直流侧电容必须由两个电容串联，其中点和交流电源连接。全桥电路直流侧电容只要一个就可以。交流侧电感Ls包括外接电抗器的电感和交流电源内部电感，是电路正常工作所必须的。
移相调压方式。
可采用移相方式调节逆变电路的输出电压，称为移相调压。各栅极信号为180o正偏，180o反偏，且V1和V2互补，V3和V4互补关系不变。V3的基极信号只比V1落后q ( 0 我们还来讨论在纯电阻负载的情况，采用上述移相方法也可以得到相同的结果，只是VD1-VD4不再导通不起续流作用。在uo为零的期间，4各峭壁均不导通，负载也没有电流。显然，上述移相调压方式并不适用也半桥电流，不过在纯电阻负载时，仍可以采用改变正负脉冲宽度的方法来调节半桥逆变电路的输出电压。这时，上下两桥臂的栅极信号不再是各为108度正偏、180度反偏并且互补，而是正偏的宽度为x,反偏的宽度为306度-x，二者相位差为180度。这时输出电压 uo也是正负脉冲的宽度各位x。 正弦信号波和三角波相比较的方法对V1～V4进行SPWM控制，就可在交流输入端AB产生SPWM波uAB。uAB中含有和信号波同频率且幅值成比例的基波、和载波有关的高频谐波，不含低次谐波。由于Ls的滤波作用，谐波电压只使is产生很小的脉动。当信号波频率和电源频率相同时，is也为与电源频率相同的正弦波。us一定时，is幅值和相位仅由uAB中基波uABf的幅值及其与us的相位差决定。改变uABf的幅值和相位，可使is和us同相或反相，is比us超前90°，或is与us相位差为所需角度。 12 图3-2单相全桥逆变电路的移相调压方式 3.2滤波器的设计 在滤波器的参数选择过程中，要注意在电容与电感的选择上是需要折衷考虑的，电容越大，流入电容的无功电流就越大，则电感上的电流和开关管的电流也就越大，从而降低系统的效率。电容越小，则电感需要增大，使得电感上的压降增大。.在电感一定的情况下，不同的电容参数值并不改变其低频特性，只是随着电容C的增大其谐振频率向减小方向移动。 C=0.15* Pn6.28fgUns（一定量的无功功率的电容公式） 3-2-1 U o L C Uo1 图3-3 简单的滤波电路 并网运行模式的滤波结构都是一个振荡环节，这将会影响其相应的系统闭环控制设计，故在作闭环系统设计之前，必须在其滤波结构中加入抑止环节来减小其谐振尖峰的影响。而滤波器的详细作用我们将在PWM控制电路进一步探讨。 3.3工频隔离变压器 在使用蓄电池储能的太阳能PVS中，蓄电池组的公称电压一般是12V，24V 或48V，因此，逆变电路一般都需进行升压来满足220V 常用交流负载的用电需求。 首先把直流电逆变成工频低压交流电；再通过工频变压器升压成220V，50Hz 的交流电供负载使用，。它的优点是结构简单，各种保护功能均可在较低电压下实现。因其逆变电源与负载之间存有工频变压器，故逆变器运行稳定、可靠、过负荷能力和抗冲击能力强，且能够抑制波形中的高次谐波成分。然而，工频变压器也存在笨重和价格高的问题，而且其效率也比较低。按目前水平制作的小型工频逆变器，其额定负荷效率一般不超过90%，同时因工频变压器在满负荷和轻负荷下运行时铁损基本不变，因而使其在轻负荷下运行的空载损耗较大，效率也较低。我们往后对其将不作深入的讨论和研究。 3.4控制电路-----PWM逆变电路 脉冲宽度调制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。 脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏 13 置，来实现开关稳压电源输出晶 体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。 PWM控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变电路的影响也最为深刻。目前中小功率的逆变电路几乎都采用了PWM技术，现在大量应用的逆变电路中，绝大部分都是PWM型逆变电路。可以说PWM控制技术正是有赖于再逆变电路中的应用，才发展的比较成熟，才确定他在电力电子技术中的重要地位。正因为如此，本论文用较大的章节来探讨PWM型逆变电路。 第四章 PWM型逆变电路 PWM逆变电路也可分为电压型和电流型两种，目前实用的几乎都是电压型。 4.1 PWM控制算法 PWM的控制算法主要有计算法和调制法，实际中应用的主要是调制法，我要主要介绍一下调制法。 1、计算法 根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算PWM波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关器件的通断，就可得到所需PWM波形。 缺点：繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化 2、调制法 输出波形作调制信号，进行调制得到期望的PWM波；通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波；等腰三角波应用最多，其任一点水平宽度和高度成线性关系且左右对称；与任一平缓变化的调制信号波相交，在交点控制器件通断，就得宽度正比于信号波幅值的脉冲，符合PWM的要求。 调制信号波为正弦波时，得到的就是SPWM波；调制信号不是正弦波，而是其他所需波形时，也能得到等效的PWM波。 结合IGBT单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明：设负载为阻感负载，工作时V1和V2 通断互补，V3和V4通断也互补。 控制规律： uo正半周，V1通，V2断，V3和V4交替通断，负载电流比电压滞后，在电压正半周，电流有一段为正，一段为负，负载电流为正区间，V1和V4导通时，uo等于Ud，V4关断时，负载电流通过V1和VD3续流，uo=0，负载电流为负区间，io为负，实际上从VD1和VD4流过，仍有uo=Ud，V4断，V3通后，io从V3和VD1续流，uo=0，uo总可得到Ud和零两种电平。 uo负半周，让V2保持通，V1保持断，V3和V4交替通断，uo可得-Ud和零两种电平。 14 V3VD1V3VD3 Ud+RLV2VD2UoV4VD4UrUc调制 电路 图4-1单相桥式PWM逆变电路 4.2 PWM控制方式 1．单极性PWM控制方式 在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。ur正半周，V1保持通，V2保持断，当ur>uc时使V4 通，V3断，uo=Ud，当ur 2．双极性PWM控制方式 在ur半个周期内，三角波载波有正有负，所得PWM波也有正有负。在ur一周期内，输出PWM波只有±Ud两种电平，仍在调制信号ur和载波信号uc的交点控制器件通断。ur正负半周，对各开关器件的控制规律相同，当ur >uc时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号，如io>0，V1和V4通，如io<0，VD1和VD4通， uo=Ud，当ur 单相桥式电路既可采取单极性调制，也可采用双极性调制。 15