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        一種基于SHE-PWM控制法的單相光伏逆變器設(shè)計與研究

        2021-06-11 09:49:44邵紅碩
        機(jī)電信息 2021年12期
        關(guān)鍵詞:光伏發(fā)電

        摘 要:設(shè)計了單相光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu),并采用基于SHE-PWM控制法控制的單相全橋逆變方案,分析計算了SHE-PWM控制法的開關(guān)控制角度。通過在MATLAB/Simulink中的仿真可以看出,該逆變器和SHE-PWM控制法能夠滿足光伏發(fā)電單相并網(wǎng)的要求,可以在工程中應(yīng)用。

        關(guān)鍵詞:光伏發(fā)電;單相并網(wǎng);全橋逆變;SHE-PWM

        0? ? 引言

        常見的光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏電池、逆變器、控制器、蓄電池、變壓器等組成,是一個復(fù)雜系統(tǒng)。由于光伏電池輸出的是直流電,要實現(xiàn)光伏發(fā)電并網(wǎng),就需要使用逆變器輸出交流電流以達(dá)到并網(wǎng)條件,即與外電網(wǎng)同頻、同相、同電壓幅值,并對逆變器進(jìn)行一系列控制,使光伏發(fā)電能夠向外電網(wǎng)輸送電能。

        本文設(shè)計了一種基于SHE-PWM(Selected Harmonic Elimination PWM)控制法控制的逆變方案,對光伏逆變器的并網(wǎng)輸出有一定的優(yōu)化作用。

        1? ? 光伏逆變器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

        光伏發(fā)電并網(wǎng)裝置的逆變器按并網(wǎng)結(jié)構(gòu)形式可分為電流源電壓控制型、電流源電流控制型、電壓源電流控制型和電壓源電壓控制型4種。

        本文選用電壓源輸入、電流源輸出方式控制的全橋逆變電路,總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        以電壓源為輸入的逆變器,其輸入側(cè)為直流電壓源,并聯(lián)有大容量電容,相當(dāng)于直流電壓源。輸入側(cè)電源電壓恒定不變,基本不會產(chǎn)生波動情況,直流回路阻抗較低。其輸出電流波形和相位角則隨所帶負(fù)載阻抗變化而變化。當(dāng)交流輸出側(cè)所帶負(fù)載呈感性時,需向其提供無功功率,直流側(cè)所并聯(lián)大容量電容可起到緩沖無功的作用。

        單相全橋逆變電路,共由4個可控器件和4個二極管組成4個橋臂,其也相當(dāng)于由2個半橋電路組合而成。橋臂Ⅰ、Ⅳ與Ⅱ、Ⅲ各組成一對,根據(jù)控制信號的控制,成對的兩組橋臂同時導(dǎo)通或斷開。兩組橋臂交替各導(dǎo)通180°,輸出電壓幅值與輸入電壓幅值相同。

        2? ? 逆變電路的SHE-PWM控制算法分析

        SHE-PWM即消除特定次諧波脈寬調(diào)制技術(shù),其屬于計算法產(chǎn)生的PWM波形。SHE-PWM控制算法通過對各脈沖起始和結(jié)束相位直接計算,以消除所指定次數(shù)的諧波分量,從而產(chǎn)生所需的PWM波形,如圖2所示。

        其輸出電壓波形為正負(fù)相間的PWM矩形波,波形正負(fù)兩半周期鏡像對稱,在正半周期或負(fù)半周期內(nèi),前后1/4周期以π/2為軸線對稱。在輸出PWM波形的1/4周期內(nèi),共有n個時刻可控制開關(guān)器件的通斷,有n個α(開關(guān)時刻相位角度),它們分別代表了可以消除諧波的頻率。除去需用一個α值來控制基波頻率外,還可以消去n-1個特定頻率的諧波。當(dāng)n越大時,消除的諧波頻率種類越多,開關(guān)時刻也越復(fù)雜。

        在輸出PWM波形中的半個周期內(nèi),器件開通和關(guān)斷共6次,不包含0和π時刻,開關(guān)開通和關(guān)斷各3次。為了消除偶數(shù)次諧波分量,應(yīng)使PWM波形正半周期與負(fù)半周期鏡像對稱;為了消除諧波中所含的余弦分量,應(yīng)使PWM波形在正半周期的前后1/4周期內(nèi)以π/2為軸線對稱,那么,能夠同時滿足的PWM波形的1/4周期對稱波形,其傅里葉變換表達(dá)式為:

        如圖2所示,由于波形的對稱性,在一個波形周期中,共有12個時刻可以進(jìn)行開關(guān)的開通和關(guān)斷,其中能夠獨立操作的只有3個時刻:α1、α2和α3。其波形的bn為:

        α1、α2、α3為可控變量,一般可根據(jù)需要輸出波形確定基波分量b1的值,再令另外兩個bn的值為零,就可以建立方程組,聯(lián)立求得α1、α2和α3,由此可以消除兩種頻率特定的諧波,通常消去5次和7次諧波。方程組為:

        (3)

        一般來說,基波幅值b1給定,解方程組就可得到α1、α2、α3的值。若基波幅值b1發(fā)生改變,則α1、α2、α3也隨之改變。

        3? ? SHE-PWM方程組求解

        由式(3)可知,SHE-PWM方程組是由余弦函數(shù)組成的非線性超越方程組,很難直接對其求解,但是對其求導(dǎo)比較容易,因此,可以采用迭代法進(jìn)行求解。由于對非線性方程組求解都需要一組初始值,初始值的選取直接影響著迭代算法的收斂性,故對初始值選取時要盡量與方程組的解相近。本文采用由正弦波調(diào)制的SPWM法來產(chǎn)生方程組的初始值。當(dāng)1/4周期內(nèi)的開關(guān)角個數(shù)較少時,可以直接用牛頓迭代法對方程組進(jìn)行求解。

        本文中所采用的SHE-PWM為三電平,預(yù)設(shè)1/4周期內(nèi)開關(guān)角個數(shù)N=7,調(diào)制比m=0.9,通過MATLAB進(jìn)行計算,可求出基波頻率為50 Hz時的兩組解,如表1所示。圖3為兩組解分別對應(yīng)到開關(guān)器件上的脈沖波形。

        由圖3可知,第二組解的脈沖寬度不夠均勻,存在突變,不如第一組解均勻。因此,在實際應(yīng)用中,要根據(jù)設(shè)備的要求合理選擇方程組的解,使脈寬能夠均勻平滑,實現(xiàn)穩(wěn)定輸出。圖4為兩組解分別對應(yīng)的逆變器輸出電壓波形和頻譜分析。

        由圖4可以看出,兩組解輸出的電壓波形均能滿足要求,由頻譜圖可以看出,兩組解在低次諧波都能達(dá)到消諧的目的,當(dāng)高于20次諧波時,就不夠理想。

        SHE-PWM控制技術(shù)可以在特定時刻發(fā)出信號來控制開關(guān)的通斷,使電壓輸出波形或電流輸出波形上產(chǎn)生斷口,進(jìn)而消除指定次數(shù)諧波。SHE-PWM技術(shù)輸出波形對稱性好,可以很容易控制諧波的分布。與其他PWM技術(shù)相比,在開關(guān)頻率相同的條件下,SHE-PWM技術(shù)可以輸出最優(yōu)的電壓或電流波形,從而提高控制系統(tǒng)的整體性能。在輸出波形相同的情況下,SHE-PWM技術(shù)所控制的開關(guān)頻率最低,逆變電路開關(guān)損耗小,從而使逆變電路轉(zhuǎn)換效率得到提高。

        4? ? 仿真實驗與分析

        為了驗證SHE-PWM控制法的有效性,利用MATLAB/

        Simulink軟件建立了全橋逆變電路的仿真模型,如圖5所示,仿真模型主要由直流電源、整流橋、RLC負(fù)載等構(gòu)成。

        仿真參數(shù)設(shè)置:DC電壓為250 V,R=50 Ω,L=10 mH,C=0.5 μF。全橋驅(qū)動電路開關(guān)角度采用表1中第一組數(shù)據(jù),直接由軟件生成后導(dǎo)入。

        仿真結(jié)果如圖6所示,由圖可看出,逆變電路輸出為正弦交流電,基本滿足并網(wǎng)要求。

        5? ? 結(jié)語

        本文對光伏逆變器的設(shè)計選用全橋逆變結(jié)構(gòu),又采用SHE-PWM控制法來控制全橋逆變中的開關(guān)角度,經(jīng)過仿真可以看出,所設(shè)計的逆變器能滿足光伏發(fā)電單相并網(wǎng)的要求,可以在工程中應(yīng)用。

        [參考文獻(xiàn)]

        [1] 王兆安,黃俊.電力電子技術(shù)[M].4版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2001.

        [2] 林忠岳.現(xiàn)代電力電子應(yīng)用技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2007.

        [3] 李樂.基于SHE-PWM逆變器在變電站自動化中的研究[J].電氣開關(guān),2009,47(6):47-49.

        [4] 劉文華,呂建升,宋強(qiáng),等.五電平電壓型逆變器的變頻SHE-PWM控制策略[J].清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2004,44(4):450-453.

        收稿日期:2021-02-22

        作者簡介:邵紅碩(1988—),男,江蘇蘇州人,碩士,講師,研究方向:光伏發(fā)電、電氣自動化。

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