中北大学2013届本科毕业论文
图5.2 双极性SPWM调制原理
由上图可见，当us?uc时，开关管V1、V4 导通而V2、V3截至，桥臂中点间电压uab?Uin；当us?uc时，开关管V1、V4截止而V2、V3导通，桥臂中点间电压
uab??Uin。通过上述过程，就将输入的直流电压转变为脉宽按正弦规律变化的正
弦脉冲序列。
下图5.3为单极性SPWM调制原理图，这种调制方式使用半波三角波作为载波，当us大于零时，载波为正的半波；当us小于零时，载波为负的半波。在双极性调制中，四个开关管都工作在高频状态，而在单极性调制中，一对开关管工作在高频状态，而另一对开关管工作在低频状态[11]。当us?0时，V3一直截止而V4一直导通，此时当us?uc时，开关管V1导通而V2截至，桥臂中点间电压uab?Uin；当us?uc时，开关管V1截止而V2导通，桥臂中点间电压uab?0。当us?0时，V3一直导通而V4 一直截止，此时当us?uc时，开关管V1导通而V2截至，桥臂中点间电压
uab?0；当us?uc时，开关管V1截止而V2导通，桥臂中点间电压uab??Uin。从上
述过程中看出，在输出波形uab中包含有Uin，0和-Uin三个状态，因此这种调制方
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式也被称为三态调制。
图5.3 单极性SPWM调制原理
5.2 逆变器并网运行时的控制策略分析 5.2.1 并网逆变器的输出控制
并网逆变器可看作一个有源逆变系统，是用来将从前级（光伏电池、风机）经整流得到的直流电进行转换，输出与电网电压同频同相的交流电再馈入电网，并网逆变器的控制目标就是控制逆变器的输出满足并网条件，保证有效并网。
并网逆变器有不同的输入输出方式，总的来说，并网逆变器共有四种方式：电压源输入控制输出电压、电压源输入控制输出电流、电流源输入控制输出电压、电流源输入控制输出电流[21，22]。四种方式中，先分析输入为电流源的情形。逆变器如果以电流源作为输入，需要在直流侧串联电感以稳定直流输入，但是电感的引入会使系统动态响应变差[23]。另外，实际应用中多数电源都是电压型的，所以并网逆变器很少以电流源作输入，大多采用电压源输入。
逆变器并网运行时，输出控制分电压控制和电流控制[24，25，26，27]。如果采用电压控制，是把电网电压看作基准值，电网电压直接决定并网电流和输出电压的好坏，只有当电网电压比较稳定、扰动很小时，才能得到令人满意的并网电流和电压，如果电网电压存在畸变或由于故障导致不平衡，并网电流和电压随之会受到极大影响，从而导致输出波形不符合要求[23]。当采用电压源输入控制输出电流的方式时，
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系统只需要控制输出电流，它的波形好坏受电网电压的影响较小，即使电网出现大的扰动，输出依然符合并网要求。因此，本设计采用电压源输入控制输出电流的方式。
5.2.2 并网电流控制策略研究
选取并网电流iL作为逆变器的控制量，可以通过对逆变器输出电压Uab的控制来完成对iL的控制；或者直接对iL进行控制。因此电流控制技术按照采用何种控制方式的不同，分为两大类：间接电流控制和直接电流控制。
间接电流控制也称为相位和幅值控制，考虑的是稳态控制，没有考虑动态过程，在已知稳态电流给定的情况下，根据SPWM通过控制PWM输出基波电压的幅值和相位间接对并网电流进行控制。该控制方法简单易行且不需检测并网电流。但其动态响应较慢，同时控制复杂、信号计算过程中还要考虑电路参数的影响，如果参数变化，会影响控制效果[28]。
假设输入电网的功率为P，则有
P?UgridiL?Ugrid2ULUgridtan?? （5.1） ?L?L从而有
tan??P?LiL?L? （5.2） 2UgridUgrid另外，逆变器输出电压满足
Uab?Ugridcos? （5.3）
而对于SPWM逆变器，输出电压基波满足
Uab?mUdc2 （5.4）
其中m为调制度。 所以，有关系
m?2Ugrid/cos?Udc （5.5）
从上述关系可以看出，在电网电压和电感确定的情况下，根据给定的功率和并
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网电流，通过式（5.2）和式（5.5）就可以算出Uab相对与Ugrid的超前角φ和SPWM的调制度m，这种关系是一一对应的，只要控制了φ和m，就控制了输出电压的幅值和相位，并最终实现控制并网电流。
直接电流控制法需要引入电流反馈，先通过运算得到指令值，然后令反馈值跟踪指令值。对于并网逆变器来说，要求输出电流与电网电压同频同相，为了获得与电网电压同步的正弦波电流指令信号，通常利用锁相环得到电网电压同步信号，然后再乘以电流幅值给定，得到正弦波参考电流，然后控制实际输出电流跟踪这个参考电流。和间接电流控制相比，直接电流控制引入了电流反馈，可以获得更好的动态响应特性，但控制相对复杂，并且要求电流采样信号有很高的实时性。不过随着DSP技术的发展，实时性已不是很难实现，所以直接电流控制得到广泛应用。
直接电流控制的最大特点就是引入了瞬时值反馈，该控制方式被大量研究，实际应用中常采用的有电流滞环控制、三角波比较控制等，本文对这两种控制方式的工作原理做了简单分析。
（1）电流滞环控制
将实际的电流信号和指令电流信号进行比较，二者的差值送入滞环比较器，由滞环比较器输出PWM驱动信号去控制逆变桥，其控制框图如图5.4所示。该控制方法简单可行，搭建模拟电路就能够实现。当开关管采用较高开关频率时，有很快的响应速度，并且受负载及电路参数的影响小[29]。但通常在设计滞环宽度采用固定的数值，这样做的结果将会导致一个PWM开关周期中，开关管频率不固定，滤波器设计起来比较困难，很难获得良好的滤波效果。
i??i?iPWM信号滞环比较器
图5.4 电流滞环控制原理图
（2）三角波比较控制
将反馈电流信号与给定电流信号进行比较，比较后的误差信号经PI调节器输出与高频三角载波比较产生了PWM驱动信号，其控制框图如图5.5所示。该控制
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方法无法实现对正弦信号的无静差跟踪，同时积分的引入则会产生电流相移，影响逆变器输出电能质量，所以有时直接采用P调节器。但该方法下开关管的开关频率一定，输出电流的频谱固定，滤波器容易设计，所以使用的比较多。
i??iAPWM信号?i??比较器三角波
图5.5 三角波比较控制原理图
5.2.3 并网电流闭环控制系统数学模型
电流闭环设计是整个控制系统设计的核心，作好电流闭环的设计，可以使系统获得良好的电流的动、静态特性，可以使电流对外界扰动信号有很好的抗干扰性。本文采用基于瞬时值反馈的三角波比较控制。并网电流闭环控制系统框图如图5.6所示，从图中可以看出，参考电流IL*与采样得到的并网电流瞬时反馈值iL先作一个比较，二者误差送入控制器，经过调节输出的信号作为调制波与三角波比较，得到SPWM信号，经过驱动电路去驱动IPM模块，再经电感滤波后得到符合要求的并网电流。其中，Uab为逆变桥输出电压，Ugrid为电网电压，G1（s）为控制器传递函数，G2（s）为逆变桥传递函数，G3（s）为滤波器传递函数。
- iL*
图5.6 并网电流闭环控制系统框图
+ Ugrid G3iL G1- G2Uab + 控制器 逆变桥 滤波器 根据图5.6所示的控制系统框图，可以建立其数学模型。 对逆变器的输出端有：
LdiL ?Uab?Ugrid?iL?RL （5.6）
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