多电平逆变器在光伏发电系统 中的应用研究

多电平逆变器在光伏发电系统 中的应用研究 山东大学学士学位论文 学 士 学 位 论 文 山东大学学士学位论文 ...........................................................................................................................1 ...........................................................................................................................3 ...................................................................................................................4 ........................................................................................................5 1.1 光伏产业崛起的背景及意义 .......................................................................................... 5 1.2 我国光伏产业的发展现状及前景 .................................................................................. 5 1.3 光伏发电的优势及存在的问题 ...................................................................................... 7 1.4 光伏发电系统简介 .......................................................................................................... 8 1.4.1 光伏发电系统的构成 .......................................................................................... 8 1.4.2 光伏发电系统的分类 .......................................................................................... 9 1.5课题概述 ......................................................................................................................... 11 1.5.1课题的背景 ........................................................................................................... 11 1.5.2课题的内容 ........................................................................................................... 11 ................................................................... 12 2.1 概述 .............................................................................................................................. 12 2.2 二极管钳位型多电平变换器 .................................................................................... 12 2.2.1 二极管钳位型多电平变换器拓扑结构和工作原理 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ............................. 12 2.2.2 二极管钳位型多电平变换器的优缺点......................................................... 15 2.3 飞跨电容型多电平变换器 ........................................................................................ 15 2.3.1 飞跨电容型多电平变换器拓扑结构和工作原理分析 ................................. 15 2.3.2 飞跨电容型多电平变换器的优缺点............................................................. 17 2.4 级联型多电平变换器 ................................................................................................ 17 2.4.1 级联型多电平变换器拓扑结构和工作原理分析 ......................................... 17 2.4.2 级联型多电平变换器的优缺点 .................................................................... 18 2.5 多电平变换器拓扑的选择 ........................................................................................ 19 ........................................................... 20 3.1 概述 .............................................................................................................................. 20 3.2 阶梯波调制 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ........................................................................................................... 20 3.3 基本的多电平载波PWM调制方法 ................................................................................ 21 3.3.1 消谐波PWM方法（SHPWM） .................................................................. 21 3.3.2 开关频率优化PWM方法（SFOPWM） .................................................... 22 3.3.3 载波带频率变化的PWM方法 ..................................................................... 23 3.3.4 混合载波PWM方法 ..................................................................................... 23 3.3.5 相移载波PWM方法 ..................................................................................... 24 3.4 空间矢量PWM（SVPWM）调制方法 ................................................................... 25 3.5 多电平逆变器调制方法的选择 ................................................................................ 26 ......................................................................... 27 4.1 光伏电池的特性分析 ................................................................................................ 27 4.2 最大功率点的跟踪（M ppt 关于艾滋病ppt课件精益管理ppt下载地图下载ppt可编辑假如ppt教学课件下载triz基础知识ppt ）算法介绍 ...................................................................... 28 4.2.1 定电压跟踪法(CVT) ...................................................................................... 28 4.2.2 扰动观测法(爬山法) ...................................................................................... 28 4.2.3 导纳微分法 .................................................................................................... 29 1 山东大学学士学位论文 4.3 独立电压控制策略 ...................................................................................................... 29 4.3.1 总直流母线电压控制 ........................................................................................ 31 4.3.2 不平衡控制 ........................................................................................................ 31 4.3.3 调制控制 ............................................................................................................ 32 MATLABSIMULINK .......................................... 33 5.1 MATLAB基础知识 ........................................................................................................... 33 5.2 SIMULINK仿真环境 ..................................................................................................... 34 5.3 三电平SVPWM控制系统的仿真 ................................................................................ 35 5.4 独立电压控制算法的仿真 ........................................................................................ 46 .................................................................................................... 49 ......................................................................................................................... 50 ................................................................................................................. 51 ..................................................................................................................... 53 2 山东大学学士学位论文 随着经济全球化进程的加速和工业经济的迅猛发展，人们对能源需求量不断 增长，太阳能作为一种取之不尽，用之不竭的清洁可再生绿色能源越来越受到人 们的普遍关注，其开发利用技术亦得到迅猛发展。其中光伏发电是太阳能利用的 一种主要方式，被认为是当前世界上最具有发展潜能的新能源技术。随着太阳能 光伏发电的不断普及，太阳能光伏发电站的容量不断增加。提高光伏发电系统中 电力电子装置效率、改善其输出特性以及引入并网发电技术成为光伏发电技术乃 至整个新能源发电技术研究的重要内容。多电平逆变技术是当今发电技术研究中 最主要的一种。 论文的主要工作如下： 第一章，概述了光伏发电的意义以及我国光伏产业的发展现状及前景；介绍 了本课题的背景及其主要研究的内容；第二章，分析总结了多电平逆变器的拓扑 结构；从中选择了二极管钳位型拓扑作为逆变器的主电路结构；第三章，介绍了 几种常用的多电平逆变器的控制策略；第四章，介绍了光伏阵列独立电压控制的 基本原理；第五章，用MATLAB/SIMULINK中的模块对三电平逆变器SVPWM调制进行了仿真，并得到了正确波形。 光伏矩阵 多电平 二极管钳位型变换器 脉宽调制 可再生能源 3 山东大学学士学位论文 The demand for energy is growing with the accelerated process of economic globalization and the rapid development of industrial economy, solar energy as an inexhaustible renewable clean green energy has been subject to widespread concern, the development and utilization of technology has been rapid development. The use of photovoltaic solar power generation is a major way, which is considered the world's most current development potential of new energy technologies. With the popularization of the photovoltaic (PV) power, increasing the capacity and improving the output characteristics of Power Electronic Devices have become an important part of the PV power generation technology. Multi-level inverter technology is one of the most important ways in the study. The major works of this paper are summarized as follows: The first chapter provides an overview of the significance of photovoltaic power generation, as well as the development of photovoltaic industry in China and the background of the subject and its main study; the second chapter summarizes the analysis of multi-level inverter topology and selected a diode-clamped inverter topology of the main circuit structure; the third chapter describes several commonly multi-level inverter control strategy; the fourth chapter describes the control principles of the independent voltage photovoltaic arrays; the fifth chapter, the SVPWM modulation of the three-level inverter is simulated in MATLAB7.0 / SIMULINK and provides the results of simulation. Key words: photovoltaic-array (PVA) multilevel diode-clamped converter pulse width modulation renewable energy 4 山东大学学士学位论文 随着市场经济和现代化工业的发展，能源短缺和环境污染，已经成为制约 [1]人类社会健康发展的两大重要因素。能源是人类社会存在和发展的重要物质基 [2]础。人类社会的可持续发展必然需要与之相适应的能源体系作为保障。而目前 [3]世界的能源结构主要是以煤炭、石油、天然气等化石能源为主体的结构。化石能源是不可再生的能源，大量耗用终将枯竭。多年来，依赖大量不可再生能源的 消耗来换取人类社会的快速发展，已经造成了严重的能源短缺和环境污染问题。 长此以往，必将给人类文明的前景蒙上一层阴影。因此，大力发展清洁的可再生 能源已经成为当务之急。太阳能光伏发电作为一种清洁、无噪声的可再生能源越 来越受到人们的青睐。光伏产业的迅速崛起对缓解能源的短缺、生态的破坏、环 境的污染以及对人类社会的可持续发展都有着极其重要的意义。 我国地域辽阔，太阳能资源蕴藏丰富。国土面积上每年接受的太阳能能量约 2212[4]为5.6×10焦耳，相当于1.9×10吨 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 煤。我国的太阳能资源主要集中在 西北部，而西北部也正是我国经济发展缓慢，人口稀少，电力缺乏的地区，倘若 能因地制宜，大力发展光伏产业，对带动西北部的发展极其有利。从历史的角度 [5]看，我国于1958年开始研制光伏电池；1959年研制成功了第一块具有实用价 [6]值的光伏电池；1971年3月我国首次将光伏电池用到东方红二号卫星上；1973年我国又成功的使用光伏电池为灯浮标供电；2002年“西部省区无电乡通电计 划”启动，共计安装了16.5MW的光伏发电系统，西部780个无电乡的用电问题 [7]得到解决；到2006年为止，我国光伏系统装机容量已达85MW。图1-1为我国 [8]光伏产业的发展路线图。 5 山东大学学士学位论文 目标 累计光伏系统安装容量/MW 时间/年 图1-1 我国光伏产业发展路线 光伏发电有着巨大的前景，以我国为例，我国全年辐射总量为917～ 2182333Kw?h/m，理论总储量为147×10Gw?h/a。我国的荒漠面积约为108万平方公里，主要分布在光照资源丰富的西北地区。如果用十分之一，即在10.8万平方公里的荒漠安装并网光伏发电系统，按照我国现有的光伏发电技术水平，每 平方米光伏电池方阵（考虑方阵之间的间隔）的有效输出功率约为70W，西北地 2区的全年辐射总量为1700Kw?h/m，系统效率按80％计算，则每年可发电1.03 1312×10Kw?h，几乎相当于我国2020年预计用电量5.4×10Kw?h的2倍，可见 [8]光伏发电潜力巨大。 但从总体上讲，与发达国家相比，我国的光伏产业还有很大的差距，主要存 在以下几方面的问题。 （1）光伏电池转换效率偏低。目前我国商用晶体硅组件的光电转换效率在 10%-14%之间，而且其封装水平以及寿命也不及国外同类产品。 （2）生产规模小，产业链不完整。目前我国晶体硅光伏电池生产厂的规模 多在3-30MW之间，只有个别能达到50MW，比国外的100MW及以上规模上要小得 多。并且产业链不完整，往往一个工厂只能生产电池组件的一部分，造成生产的 脱节。 （3）平衡设备落后。光伏发电所用的控制器、逆变器等关键设备，与国外 同类产品相比，技术水平不够高，可靠性较低，品种规格少，功能不全，灵活性 和安全性还有较大差距。 6 山东大学学士学位论文 （4）成本较高。目前我国的光伏组件的价格在30￥/W左右，如果没有国家的扶持，前期推广将步履维艰。 太阳能是地球上万物生长之源，除了其“永恒”和“巨大”之外，还具有 “广泛性”、“分散性”、“随机性”、“间歇性”、“区域性”和“清洁性” 等特点。在石油、天然气和核矿藏终将枯竭的今天，充分利用太阳能具有可持续 供能和环保的双重意义。 [9]光伏发电是太阳能利用中最具发展前景的方式，它具有以下优点： （1）结构简单，体积小，重量轻。能独立供电的太阳能电池组件和方阵的 结构都比较简单，输出功率45~50W的晶体硅太阳能电池组件，体积为450× 3985×4.5 mm，质量仅为7kg。 （2）易于安装、运输，建设周期短。只要用简单的支架把太阳能电池组件 支撑，使之面向太阳，即可以发电，特别适宜于作为小功率移动电源。 （3）启动容易，维护简单，随时使用，保证供应。配备有蓄电池的太阳能 光伏发电系统，其输出电压和功率都比较稳定。一套设计精良的太阳能光伏发电 系统中，蓄电池往往处于浮充状态，无论白天、晚上都可供电，其消耗的电能由 太阳能电池在晴天时自动补充，启动和维护都十分简单。 （4）清洁，安全，无噪声。光伏发电本身并不消耗物质，不向外界排放废 弃物，无转动部件，无噪声，是一种理想的清洁安全的能源。即使是蓄电池在充 放电时释放的H、O和酸雾的量也极微小。 22 （5）可靠性高，寿命长。航天和地面用的太阳能电池组件，都要通过严格 高低温试验、振动冲击试验以及其他各种环境试验。晶体硅太阳能电池寿命可长 达20~35年。在光伏发电系统中，只要设计合理、选型适当，蓄电池的寿命也可 长达10年。 （6）太阳能分布广，含量大。中国广大地区平均每天在每平方米水平面上 接收到的太阳辐射能约在4~6kWh之间。太阳能电池在-45~+60?范围内都能工作，不仅适宜在边远地区作为独立的电源，而且适合于制作太阳能屋顶和幕墙， 建成生态能源房。 7 山东大学学士学位论文 目前，尽管太阳能光伏发电已取得长足的发展，但由于多方面的原因，还存 [10][11]在以下四大问题： 1）系统造价高 2）能量分散，占地面积大 3）发电运行间歇性大、地域性强 4）制造单晶硅和多晶硅光伏电池需要消耗相当多的能源 上位机监控 电网 通用电能形式 平衡 光伏电池 或 系统 负载 蓄电池 图1-2 光伏发电系统 光伏发电系统是将太阳能转换成电能的发电系统，利用的是光生伏打 效应。光伏发电系统作为一种电能的来源，本质上要保证输出电能的安全性和 可靠性。而太阳能电池虽能将太阳能转化成为电能，但其直接转化后的电能并不 足以用于供电，还需要后续设备的支持，因此作为一个完整的光伏发电系统一般 需要包括以下几大部分：太阳能电池；平衡系统；蓄电池；上位机监控。图1-2 为典型的光伏发电系统。 太阳能电池又称光伏电池，作为光伏系统的第一级能量变换，它吸收太阳辐 射并转换为电能输出。但是单个太阳能电池输出电压太低，输出电流不匹配，晶 体硅太阳能电池本身又比较脆，不能独立抵御外界恶劣条件，因而，在实际使用 中需要把单体太阳能电池进行串、并联，并加以封装，接出外连电线，成为可以 独立作为光伏电源使用的太阳能电池组件（Solar Module或PV Module），也称 [4]光伏组件。光伏组件输出功率从零点几瓦到数百瓦不等。若干光伏组件经串、 并联后组成太阳能电池方阵(Solar Array或PV Array，也称光伏阵列)，光伏阵列输出功率从几瓦到几十千瓦不等。 8 山东大学学士学位论文 平衡系统（BOS系统，即Balance of System，有时也称“配套系统”），它主要由充放电控制器、逆变器、支架、输配电缆、开关、熔断器等组成。它的主 要作用是实现了太阳能电池产生的非可用电能形式到通用的电能形式转换，并确 保了系统的可靠性和安全性。 蓄电池，它可以存贮太阳能电池方阵受光照时所发出电能并可随时向负载供 电。这一功能可以弥补太阳能由于昼夜差异，以及受到天气影响所带来的发电间 歇性缺陷。 上位机监控，它可以将系统的各项参数保存到数据库中，对重要数据进行实 时监控，也可以将这些数据进行分析并画出曲线图，供工作人员参考，同时也能 通过友好的人机界面，实现对系统的远程控制。 从光伏发电系统的构成上讲，它涉及了材料学、电力电子学、控制理论、计 算机等多个领域，带动了多门学科的发展，加强了学科之间的融合，有着强大的 生命力和现实意义。 光伏发电系统按照与电力系统的关系分类，通常分为独立光伏发电系统、并 [12]网光伏发电系统和混合发电系统。 独立光伏发电系统是不与常规电力系统相连而独立运行的发电系统。此类系 统如图1-3所示，一般由太阳能电池阵列、直流变换器、储能装置、逆变器等部 件组成。独立太阳能光伏发电在民用范围内主要用于边远的乡村，如家庭系 统、村级太阳能光伏电站；在工业范围内主要用于电讯、卫星广播电视、 太阳能水泵，在具备风力发电和小水电的地区还可以组成混合发电系统， 如风力发电/太阳能发电互补系统等。 交流 直流 逆变装置 充放电控制 负载 变换 直流太阳能电池阵列 MPPT 负载 蓄电池 控制 图1-3 独立式光伏发电系统 9 山东大学学士学位论文 并网光伏发电系统是与电力系统连接在一起的光伏发电系统，可以把光伏阵 列在阳光下发出的直流电转换成为符合入网标准的交流电，并与电网相联结。此 类系统结构如图1-4所示，一般由太阳能电池阵列、直流变换器、储能装置、逆 变器以及锁相环等部件组成。并网光伏发电系统主要有并网型光伏屋顶和并网型 光伏电站两种产业化发展方向。并网型光伏屋顶可以利用建筑物具有的供电电路 并网，在电网末端构建许多分布式发电系统，为电网提供调峰电力，减少输电损 耗。光伏屋顶也可延伸到光伏幕墙、光伏屋檐和光伏窗檐等，使光伏组件成为一 种特殊的建材与建筑物有机结合，即所谓的光伏建筑一体化BIPV（Building [8]Integrated Photovoltaic）。并网光伏电站可以建在空旷的场地上、沙漠里、 海滨等人烟稀少的地方，往往需要与高压电网与之相配，该类并网发电系统一般 发电量较大，需要较大的前期投入，但光伏利用率较高，是大规模光伏发电的一 个重要方向。 交流 直流 逆变装置 充放电控制 电网 变换 太阳能电池阵列 MPPT 锁相环 蓄电池 控制 图1-4 并网型光伏发电系统 混合型光伏发电系统是即可以与常规的电力系统相连接实现电能的相互流 通，又可以作为独立的发电系统满足一定的负载需求。此类系统结构如图1-5所 示，该系统在功能和构成上是前两者的组合，集成度更高，具有的功能更全面， 是目前研究的方向之一。 交流 直流 逆变装置 充放电控制 负载 变换 太阳能电池阵列 交流 MPPT 直流 蓄电池 锁相环 电网 控制 负载 图1-5 混合型光伏发电系统 10 山东大学学士学位论文 1.5.1 “多电平逆变器在光伏发电系统中的应用”为实验室的一个在研课题。随着 经济全球化的进程加速和工业经济的迅猛发展，对能源需求量不断增长，太阳能 作为一种取之不尽，用之不竭的清洁可再生绿色能源被受到普遍关注，其开发利 用技术亦得到迅猛发展。其中光伏发电是太阳能利用的一种主要方式，被认为是 当前世界上最具有发展潜能的新能源技术。但由于系统中发生阴影问题和光伏阵 列的不匹配，导致系统发电效率无法达到最大。为解决这个问题，采用多电平逆 变器代替传统的二电平逆变器应用到光伏发电系统中以提高系统的发电效率。 1.5.2 （1）通过对现有多电平电路拓扑结构和结构原理的了解分析，总结和选择一种 合理的多电平逆变器拓扑结构用于光伏发电系统中。 （2）选择一种脉宽调制控制技术，能够独立的控制光伏阵列中的每一个工作电 压。 （3）通过MATLAB/SIMULINK仿真软件验证控制策略的性能。 11 山东大学学士学位论文 德国学者Holtz于1977年首次提出三电平变换拓扑，其主电路采用常规的两 电平电路，仅在其每相桥臂带一对开关管作为辅助中点进行钳位。1980年，日本长冈科技大学A. Nabae等人将辅助开关管换成一对钳位二极管，分别和上下桥臂 串联的开关管相连以辅助中点钳位，称为二极管中点钳位式(Neutral Point [13]Clamped, NPC)三电平变换器。这种变换器控制较容易，主开关管关断时仅承 受直流侧一半的电压，因此更适合在大功率场合使用。多电平的出现为中压大容 量电压型变换器的研制开辟了一条新思路，逐渐成为大功率电机传动和大功率无 功补偿器等领域的重点研究对象。到目前为止，多电平变换器己经有了很大的发 展，国内外学者进行了大量卓有成效的研究工作，提出了许多新的电路拓扑形式 和调制策略，取得了丰硕的成果。 多电平逆变器电路结构目前主要有三种:(1).二极管钳位型 （Diode-Clamped)多电平逆变器也被称为中点钳位型(Neutral-Point-Clamped，NPC)三电平逆变器;(2).飞跨电容型(Flying-Capacitor)多电平逆变器;(3).多单元级联型(Cascaded Inverters)多电平逆变器。多电平逆变器多用于中压大功 率场合，除了解决元器件耐压问题以外还有许多好处，如电压矢量多，波形控制 效果好，可以省去输出变压器，有的甚至省去了输出滤波器，dv/dt较小等，这 [19]种电路在中压变频和静止无功补偿器中应用前很好。 2.2.1 以IGBT为功率器件的三电平逆变器的主电路如图2-1所示。该电路的每一相桥臂有四个功率开关管、四个续流二极管和两个钳位二极管。两个串联器件的中 点通过箝位二极管和直流侧电容的中点相连接。钳位二极管的作用是在开关管导 [14] [15]通时提供电流通道防止电容短路。 12 山东大学学士学位论文 在图2-1所示的三电平逆变器主电路结构中。其中，平均每个主管承受正向 阻断电压为直流侧母线电压的一半。与传统的两电平拓扑结构相比较，中点箝位 型三电平逆变器主要优点是：器件具有两倍的正向阻断电压能力，并能减少谐波 和有效地降低开关频率，从而使系统损耗小。 S1D11S5S9D51D31 D12D52S2D32D3S6D5S10D1 C1 abc NUdc D4D2D6D21S11D41S3S7C2D61 D22D42D62S4S12S8 图2-1 二极管钳位型三电平逆变器主电路 从三电平逆变器主电路的一相桥臂的结构来看，四个开关器件开关状态共有 16种，但由于Sx1与Sx3是逻辑非的关系(Sx2与Sx4也是逻辑非的关系)，因此有效状态只有三种情况。下面以a相为例，来描述相电压的三种输出状态。 (1)给S1、S2导通触发脉冲，S3、S4关断时：当电流ia为正(从逆变器流向负载)，则电源对电容C1充电，电流流过主管S1、S2，忽略管压降，该相输出端电 压Ua=Udc／2；如负载电流为负(从负载流向逆变器)，电流流过与主管Sl、S2并联的续流二极管Dll、D12，并对电容C1充电，则该相输出端电压是Ua=Udc／2，如图2-2(a)所示。 13 山东大学学士学位论文 S1D11 D1D12S2C1 a NUdc D2 D21C2S3 D22S4图2-2 三电平逆变器相电压输出状态（a） (2)给S2、S3导通触发脉冲，S1、S4关断时：如负载电流为正方向，则电源 对电容C1充电，电流流过钳位二极管D1、主管S1，此时该相输出端电压为Ua=0；如负载电流为负方向，电流流过主管S3，再流过箝位二极管D2，电源对电容C2充电，则该相输出端电压是Ua=0，如图2-2(b)所示。 S1D11 D1D12S2C1 a NUdc D2 D21C2S3 D22S4 图2-2 三电平逆变器相电压输出状态（b） (3)给S3、S4导通触发脉冲，Sl、S2关断时：如a相电流为负，则电源对电容 C2充电，电流流过主管S3、S4，忽略管压降，该相输出端电压Ua=-Udc/2；如负载电流为正方向，电流流过与主管S3、S4并联的续流二极管对电容C2充电，则该相输出端电压是Ua=-Udc/2，如图2-2(c)所示。 14 山东大学学士学位论文 S1D11 D1D12S2C1 a NUdc D2 C2D21S3 D22S4图2-2 三电平逆变器相电压输出状态（c） 2.2.2 [17]二极管钳位型多电平变换器的特点如下: 优点: 1)电平数越多，输出电压谐波含量越少; 2)阶梯波调制时，器件在基频下工作，开关损耗小，效率高; 3)可控制无功功率流; 4) back-to-back连接系统控制简单。 缺点: 1)们需要大量钳位二极管; 2)每桥臂内外侧功率器件的导通时间不同，造成负荷不一致; 3)存在直流分压电容电压不平衡问题。 2.3.1 飞跨电容型拓扑最早是由T.A.Meynard和H.Foch在1992年的PESC会议上提出的。图2-3所示是一个飞跨电容型五电平变换器的单臂电路，每相桥臂具有相同 的结构，S1-S8为功率开关管，Ccl-Cc6为钳位电容，每个电容都具有相同的容值 15 山东大学学士学位论文 和电压，C1-C4为直流分压电容。由图可见，与二极管钳位型多电平变换器不同， 这种电路采用的是跨接在串联开关器件之间的串联电容进行钳位的，它的开关状 [16]态表如表2-1所示。 C1 V5S1 S2Cc4 C2V4 Cc2 UdcS3Cc1Cc5U0 S4Cc3V3 Cc6 S5 C3 S6图 2-3 飞跨电容型五电平逆变器单臂电路 C4 表 2-1 飞跨电容型五电平逆变器输出电压与开关状态之间的关系 V2S7 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 0 0 0 0 1 1 1 1 S8 1 0 0 0 1 1 1 0 V10 1 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 16 山东大学学士学位论文 从表中我们可以看出，该电路的电压合成更为灵活，即对于相同的输出电压， 可以由不同的开关状态组合得到。例如，对于输出电压-Udc/4和Udc/4，分别可以由四种开关状态组合得到；对于输出电压0，可以由六种开关状态组合得到。 这种开关状态组合的可选择性，为飞跨电容电压平衡提供了可能性和灵活性。 对于一个n电平的飞跨电容型电路，每个桥臂需要2*(n-1)个功率开关器件，(n-1)个直流分压电容以及(n-1)*( n-2)/2个钳位电容。 2.3.2 [17]飞跨电容型多电平变换器的特点如下: 1. 优点: 1)电平数越多，输出电压谐波含量越少; 2)阶梯波调制时，器件在基频下开通关断，损耗小，效率高; 3)可控无功和有功功率流，因而可用于高压直流输电和变频调速; 4)大量的开关状态组合冗余，可用于电压平衡控制。 2. 缺点: 1)需大量的钳位电容; 2)用于纯无功负载时，存在飞跨电容电压的不平衡。 2.4.1 一般认为,级联型多电平变换器较早是由M.Marchesoni等人在1988年的PESC会议上提出的，它当时用于实现等离子体的稳定性要求。图 2-4是传统的级联型五电平变换器拓扑单臂电路，它由两个两电平H-桥单元级联构成。表2-2为 [16]输出电压与开关状态之间的关系。 17 山东大学学士学位论文 S1S3 S4UdcS2 U0 S5S7 S6S8 Udc 图 2-4 级联型五电平变换器单臂电路 表 2-1 级联型五电平逆变器输出电压与开关状态之间的关系 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 与二极管钳位型和飞跨电容型多电平变换器相比，级联型拓扑不需要大量的 钳位二极管和飞跨电容，但是需要多个独立直流电压源。 对于一个n电平的级联型拓扑，每个桥臂需要(n-1)/2个独立直流电压源和 2*(n-1)个主开关器件。 2.4.2 [17]级联型多电平变换器的特点如下: 1. 优点: 1) 电平数越多，输出电压谐波含量越少; 2)阶梯波调制时，器件在基频下开通关断，损耗小，效率高; 18 山东大学学士学位论文 3)无需钳位二极管和钳位电容，在三种多电平电路结构中，对于相同电平数，所 需器件数最少，易于封装; 4)基于低压小容量变换器级联的组成方式，技术成熟，易于模块化，较适于7或9 电平及以上的多电平应用场合; 5)易采用软开关技术，以避免笨重，耗能的阻-容吸收电路; 6)不存在电容电压平衡问题。 2. 缺点: 1)需多个独立直流电源。当采用不控整流得到这些直流电源时，为减小对电网的 谐波干扰，通常采用多绕组曲折变压器的多重化来实现。这种变压器体积庞大, 成本高，设计困难; 2) 不易实现四象限运行。 三种多电平拓扑都具有适合于高电压大容量场合的优点，但在实现的时候则 需要考虑很多方面，如拓扑结构的简单性，实现的容易性以及成本高低等多方面 来考虑。 从多电平变换器拓扑结构上来讲，飞跨电容型具有电容较多的缺点，并且由 于高压场合的电容体积较大，当电平数增加时，此缺点将变得难以忍受。独立直 流电源的级联式拓扑虽然比较简单，但需要多个独立直流电源，不利于能量的双 向流动，且实现起来困难.相对来说，二极管钳位型拓扑有如下优势: (1) 电路拓扑简单，同时由于钳位二极管体积较小，所以相对于飞跨电容型 来讲易于扩展到更多电平的变流器当中去; (2)控制简单，易于用数字信号处理器(DSP)或新型单片机等芯片实现，而飞跨电容型由于开关模式的多样性使得实现数字化控制很困难; (3) 相对于飞跨电容型大量的电容以及独立直流电源式所需的大量开关器 件，二极管钳位型拓扑成本较低。 综合以上几点，本课题选择二极管钳位型为多电平变换器的拓扑，同时以三 电平作为研究对象。 19 山东大学学士学位论文 多电平逆变器的脉宽调制(Pulse Width Modulation，PWM)控制技术是多电平逆变器研究中一个相当关键的技术，它与多电平逆变器拓扑结构的提出是共生 的，因为它不仅决定多电平逆变器的实现与否，而且对多电平逆变器的电压输出 波形质量、系统损耗的减少与效率的提高都有直接的影响。多电平逆变器功能的 实现，不仅要有适当的拓扑结构作为基础，还要有相应的PWM控制方式作为保障，才能保证系统高性能和高效率的运行。 传统两电平逆变器的PWM控制 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 有许多种，当微处理器应用于PWM数字化以后，又不断涌现出新的PWM技术。目前，常用的两电平PWM算法有载波调制法，优化目标函数调制法，电压空间矢量调制法(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)等。 这些PWM控制思想也可以推广到多电平逆变器的控制中。但多电平逆变器的 PWM控制方法是与拓扑紧密联系的，不同的拓扑具有不同的特点，其性质要求也 不相同。归纳起来，多电平逆变器PWM控制技术的主要控制目标为： 1)输出电压的控制，即逆变器输出的脉冲序列在伏秒意义上与参考电压波形 等效； 2)逆变器本身运行状态的控制，包括电容电压的平衡控制、输出谐波控制、 所有功率开关的输出功率平衡控制、器件开关损耗控制等。 多电平逆变器PWM控制方法主要有谐波消除法、优化目标函数法、载波调制 法、阶梯波脉宽调制以及电压空间矢量PWM等。 3.2 阶梯波调制法是一种基频调制方法。阶梯波调制法的思想是使每个级联单元 输出与基频同频率的方波，由多个方波叠加出近似正弦的阶梯波，其基本原理如 图3-1所示。经过这样的方法调制后，逆变器的输出只含有奇次谐波。 20 山东大学学士学位论文 在阶梯波调制中，可以通过选择每一个电平持续时间的长短，来实现对低次 谐波的消除和抑制。这种方法对功率器件的开关频率要求不高，因此可以采用低 开关频率的大功率器件，控制简单，易于硬件实现，开关损耗小，转换频率高。 缺点是由于开关频率比较低，输出电压谐波含量较高，波形质量差，不适用于对 电压质量要求较高的场合。 图 3-1 阶梯波调制原理 3.3.1 PWMSHPWM 对于一个n电平的逆变器，每相采用n-1个具有相同频率fc相同峰-峰值Ac的 三角载波与一个频率为fm幅值为Am的正弦波相比较，为了使n-1个三角载波所占的区域是连续的，们在空间上是紧密相连且整个载波集对称分布于零参考的正负 两侧。在正弦波与三角波相交的时刻，如果调制波的幅值大于某个三角波的幅值， 则开通相应的开关器件，反之，如果调制波的幅值小于某个三角波的幅值则关断 [17]该器件。该方法的原理如图3-2所示。 21 山东大学学士学位论文 图 3-2 消谐波PWM调制原理 3.3.2 PWMSFOPWM 开关频率优化PWM法是另一种三角载波PWM方法，这种方法与SHPWM法类似，它们的载波要求相同，但SFOPWM的正弦调制波中注入了零序分量。对于一个三相 系统，这个零序分量是三相正弦波瞬态最大值和最小值的平均值，所以SFOPWM法的调制波是通常的三相正弦波减去零序分量后所得到的波形。该方法只可用于 三相系统，因为注入的零序分量在单相系统中无法相互抵消，从而在单相系统的 输出波形中存在三次谐波，而在三相系统中就不存在这种情况。该方法的原理如 [17]图3-3所示。 图 3-3 开关频率优化PWM调制原理 22 山东大学学士学位论文 3.3.3 PWM 在传统的消谐波PWM方法(SHPWM)和开关频率优化PWM方法(SFOPWM)中，上部和下部载波带内对应开关的开关次数要远大于中间载波带对应开关的开关次数。 为了优化和平衡上部、下部和中间开关的利用，Leon M.Tolbert等人提出了载波带频率变化的PWM方法，其原理如图3-4所示。该方法是在SHPWM和SFOPWM的基础上，适当增加中间各开关所对应的载波带的载波频率，以平衡上部、下部和中间 [17]开关的开关次数。 图 3-4 载波带频率变化的PWM调制原理 3.3.4 PWM 对于一个n电平的逆变器，每相有两个载波带，分别位于零参考的上部和下 部。上部载波带中的(n-1)/2个三角波具有相同频率fc和相同峪峰值2Ac，它们之间有180?的相移。下部载波带中的(n-1)/2个三角波也具有相同频率fc和相同峰-峰值2Ac,，它们之间有180?的相移。该方法的原理如图3-5所示。该方法的优点是:主要谐波集中在(n-1)/2*fc及其整数倍的周围，随着电平数n的增加，基波 [17]和第一个载波带谐波之间的间隔随之增加，有利于输出滤波器的设计。 23 山东大学学士学位论文 图 3-5 混合载波PWM调制原理 3.3.5 PWM 相移载波PWM方法一般用在级联型多电平逆变器和飞跨电容型多电平逆变器 中。该方法的原理如图1-23所示。对于一个n电平的变换器，每相采用n-1个具有相同频率fc和相同峰-峰值Ac的三角载波与一个频率为fm,幅值为Am的正弦波相比较;(n-1)个三角载波对称分布于零参考的正负两侧，而且三角波之问依次相移 360?/(n-1)。在正弦波与三角波相交的时刻，如果调制波的幅值大于某个三角 波的幅值，则开通相应的开关器件:反之，如果调制波的幅值小于某个三角波的 幅值则关断该器件。由于相邻三角载波之间有一个相移，这一相移使得所产生的 SPWM脉冲在相位上错开，从而使最终迭加输出的SPWM波形等效开关频率提高到原 [17]来的n-1倍，因此可在不提高开关频率的条件下，大大减小输出谐波。 图 3-6 移相载波PWM调制原理 24 山东大学学士学位论文 3.4 PWMSVPWM 将两电平SVPWM方法加以推广，即可得到三电平SVPWM。三电平逆变器每一相的输出有正（1），零（0），负（-1）三种开关状态，将三相的三种状态进行组 3 合，可以得到整个三电平逆变器中总共有3=27种开关状态。我们可以由两电平 逆变器矢量构成原理推出三电平逆变器的矢量图，如图3-7所示。三电平逆变器27个空间状态中，有24种非零矢量（6种空间位置组合），3种零矢量。与三相两电平逆变器不同，三电平逆变器可以分为长矢量，中矢量，短矢量和零矢量，其 中包括3个零矢量、12个短矢量、6个中矢量，以及6个长矢量。24种非零矢量将空间分为12个30?的区域。三电平变换器空间矢量的思想，与两电平SVPWM是一样的，即对每一个空间矢量，用位于该区域的全部矢量适时切换来逼近。在二极 管钳位的三电平电路中，对同样的输出波形，可以通过选择不同的矢量合成的方 [18]法，来实现电容电压的平衡。 图 3-7 三电平逆变器矢量图 空间矢量脉宽调制，具有调制比最高可达1.15，电压利用率高，易于实现中性点电位平衡控制，功率管的开关次数较少和易于数字实现等优点，所以得到广 泛的研究和应用。 25 山东大学学士学位论文 多电平逆变器功能的实现，不仅要有适当的拓扑结构作为基础，还要有相应 的PWM调制控制方法作为保障，才能保证系统高性能和高效率的运行。 阶梯波脉宽调制是一种非常直观的控制方法，这种方法对功率器件的开关频 率要求不高，因此可以采用低开关频率的大功率器件，控制简单，易于硬件实现， 开关损耗小，转换频率高。缺点是由于开关频率比较低，输出电压谐波含量较高， 波形质量差，不适用于对电压质量要求较高的场合。载波调制能够消除特定频率 的谐波，在相同频率下得到较好的输出波形，还可以有效地降低开关频率，从而 降低开关损耗，提高转换效率。但开关状态的优化选择是用牛顿迭代法求解非线 性方程实现的，在逆变器控制中不利于数字化实现。相对来说，作为一种较为优 越和广泛应用的多电平PWM方法，SVPWM法特点有： （1）调制比范围大，能得到更好的电压输出； （2）易于数字实现； （3）母线电压利用率高等。 但是该方法有一个很大的缺陷，当应用与五电平以上的电路时，其控制算法 会变的非常复杂，因此对于五电平以上的多电平电路，采用级联型的主电路结构 和三角载波PWM的控制方法也是一种较为可行的方案。 基于以上分析，本文采用三电平逆变器拓扑，因此选用空间矢量PWM进行调 制。 26 山东大学学士学位论文 光伏电池是一种复杂的非线性直流电源，它的输出特性受光照强度、温度、 [20] [21]湿度、压强、风速等多方面因素影响，其中光强和温度的影响最大 。图4-1和图4-2分别是光伏电池在不同光强和温度下的电流—电压(I-V)和功率—电压(P-V)曲线。由图可知，每条P-V曲线都存在一个最大功率点，且此功率点对应唯 一的光伏电池输出电压，通过调节光伏电池的输出电压使其趋近最大功率点的输 出电压，即可实现最大功率点跟踪。 图 4-1 不同光强下I-V和P-V特性曲线 图 4-2 不同温度下I-V和P-V特性曲线 通过对光伏电池特性曲线的分析可得出以下两点结论： ? 温度不变，随着光照强度的增强，最大功率点增大； ? 光强不变，随着温度的上升，最大功率点减小。 27 山东大学学士学位论文 VI定义符号 : —光伏电池最大功率点的输出电流；—光伏电池最大功率mm PPIV,,点的输出电压；—光伏电池的最大输出功率，。 mmmm 由图 4-1和图 4-2中光伏电池的特性曲线可知，当电池的输出电压小于最大 V功率点电压时，其输出功率随电池端电压V上升而增加；当电池输出电压大于m V最大功率点电压时，其输出功率随电池端电压V上升而减小。因此，MPPT的实m [22]质就是一个自寻优的过程 ，即通过控制光伏电池的输出电压V，使电池在不同的光强和结温度条件下始终输出最大功率。下面介绍几种比较简单常用的MPPT算法:定电压跟踪法(CVT)、扰动观测法和导纳微分法。 4.2.1 (CVT) 当光照强度较大且温度恒定时，光伏电池各曲线的最大功率点几乎分布于一 条垂直直线两侧(见图4-1)，说明光伏电池的最大功率输出点大致对应于某个恒 V定电压，因此，我们只需将光伏电池的输出电压钳位于值即可。定电压跟踪m法实际上是把MPPT控制简化为稳压控制。 CVT算法的优点是控制简单、易实现、可靠性高;但是它忽略了结温度对光伏电池开路电压的影响，所以控制精度差(每当环境温度升高1?时，硅光伏电池的开路电压下降0.3%--0.45%)。随着光伏发电系统控制技术的微处理器化，此算法 [22]将逐渐被取代。 4.2.2 () 扰动观测法是一种较为简单实用的方法，其原理是测得光伏电池的输出电压 和电流，算出此采样时刻的功率P(t)与上一时刻的功率P(t-1)作比较，如果P(t)>P(t-1)，则保留P(t)，然后算出输出电压值的增量?V，使输出电压向最大 [23]功率点电压靠近；否则，输出电压值减去?V，这样逐步逼近最大功率点。 28 山东大学学士学位论文 扰动观测法的思想是通过周期性地给光伏电池的输出电压加扰动，比较其输 出功率与前一采样时刻输出功率的大小；如果功率增加，则在下一个周期以同样 方向加扰动，否则改变扰动的方向。此方法的优点是简单明确，容易实现。 4.2.3 扰动观测法将光伏电池输出功率的变化简单地认为是的输出电压变化造成 的，这种方法不能将光伏电池的输出功率与最大功率点电压做比较，从而偏离了 实际的最大功率点。导纳微分法是根据最大功率点电压来调节光伏电池的输出电 压，从而避免了上述现象的出现。 从图 4-1和图 4-2中可以看出，与输出电压值是一一对应的。 dPdV/ ? 当 =0；输出电压在最大功率点处； dPdV/ ? 当 >0；输出电压在最大功率点左边； dPdV/ ? 当 <0；输出电压在最大功率点右边。 dPdV/ 并且有dPdVdIVdVIVdIdV/()//,,，，因此通过判断的符IVdIdV//，号，就可以确定工作点的位置了. [24]简单起见，分析三电平三相系统，如图4-3所示： 3 + Vpva2C 光伏电池 L 2aRbL_c LR+ R Vpva1C 光伏电池 _1 图 4-3 两组光伏阵列串联通过二极管钳位型逆变器连接R-L负载系统 29 山东大学学士学位论文 vv系统中两个光伏陈列模块串联，输出电压分别为、，经过相同的PVA2PVA1 电容连接到二极管钳位型逆变器（见2.2节介绍），连接三相R－L负载，组成三电平三相系统。如果系统连接到电网，则其控制和调制的实质将不发生变化。逆 变器的每一相电压（a、b、c）可以连接到任何可用的直流母线结点n(1、2、3)。 [24]参考文献提出了一种控制和调制方案能够保证n电平二极管钳位型变换器的 相等直流母线电容电压由一个单一的直流电压提供。这种方案被光伏应用系统所 采用，允许系统中的光伏阵列电压是不相同的，因此可以独立控制光伏阵列中的 每一个电压。这种控制策略主要包含三个部分：A总直流母线电压控制；B不平衡控制；C调制控制。这三个主要模块功能介绍如下： 调制控制 不平衡控制 相**占 vvvv,,,Hs()，，，，nn221221 unb2空 比da… 扰db… 动模dc… 块 ** vvvv,,,，，Hs()，，nn331331 unb3 调制器 核心 Hs()* totvv, nn11 总直流母线电压控制 wt 图4-3 控制和调制算法结构 30 山东大学学士学位论文 假设变量V、V为光伏阵列的检测电压（直流侧电容电压），指定V*、 PVA1PVA2PVA1V*为相应的控制电压，这些控制电压由MPPT算法得到，这个最大功率跟踪战PVA2 略算法仅需要测量连接到电网上或负载上的两相相电流（增加的三相电流等于0）和两相线电压就可以算出相应的控制电压（参阅图4-4）。光伏阵列的最佳控制 电压可以通过爬山算法获得（见4.2节）。 MPPT 图4-４ 最大功率点跟踪算法的输入和输出 总直流母线电压值可以由检测光伏阵列电压用公式4.1计算： n,1 ,VV,nPVAK1 k,1 4.1 将检测直流母线电压值与相应的控制电压值相比较，由此得到一个处理误 差，将误差通过一个补偿器和一个限制器可以获得一个调制指数m值，变量 m,(0,1)和θ分别是旋转矢量（参考矢量）的长度和角度。 对于每个内部直流母线结点j（＝2，3），分别定义两部分直流母线电压为： j,1 vv,PVAK,j1k,1 n,1 vv,njPVAK, kj, 4.2 31 山东大学学士学位论文 其相应的平均电压为： j,1 v,PVAK, k,1vj11,j n,1 v,PVAK ,kj, 4.3 v,njnj 对于每一个内部的直流电压结点j，计算相应实际检测电压之间的差值与控 制电压值之间的差值作比较，得到一个误差，把这个误差经过一个补偿器和一个 限制器处理获得一个控制指标，即变量Pj，Pj决定向直流母线内部节点j注入还是提取相应的电流，从而来实现局部电压不平衡控制。 通过总直流母线电压控制模块和不均衡控制模块的联合控制，可以保证每一 个光伏阵列的实际工作电压与相应的控制电压相等。从而实现了光伏发电系统始 终在最大功率点处工作。 调制控制包含以下两个模块：调制核心模块和相占空比扰动模块。 调制器核心部分从获得的参考失量的长度（m）角度（θ）信息中产生可变的相占空比。这个部分可以包含一些虚拟矢量基础调制策略。这些调制方案不会 在三相输出电压中产生低频干扰，却可以产生不相等的光伏阵列电压。 相占空比扰动模块负责修改已经产生的相占空比，用来恢复光伏阵列控制电 压的不同。 修改过的相占空比被送到分配模块，对称的分配给每一相相应的内 部直流母线节点，从而在每个周期内产生相应开关控制信号。 32 山东大学学士学位论文 MATLABSIMULINK MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）之意。除具备卓越的数值计算 能力外，它还提供了专业水平的符号计算，文字处理，可视化建模仿真和实时控 制等功能。 MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学,工程中常用的形式十分相似,故用MATLAB来解算问题要比用C,FORTRAN等语言完成相同的事情简 捷得多.在新的版本中也加入了对C,FORTRAN,c++ ,JAVA的支持.可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用， 此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就 可以用，非常的方便。 MATLAB的基础是矩阵计算,但是由于他的开放性,并且mathwork也吸收了像 [26]maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件. 当前流行的MATLAB 6.5/7.0包括拥有数百个内部函数的主包和三十几种工 具包(Toolbox).工具包又可以分为功能性工具包和学科工具包.功能工具包用来扩充MATLAB的符号计算,可视化建模仿真,文字处理及实时控制等功能.学科工具包是专业性比较强的工具包,控制工具包,信号处理工具包,通信工具包等都属于此类。 图5-1 MATLAB操作桌面的缺省外貌 33 山东大学学士学位论文 SIMULINK是一个进行动态系统建模、仿真和综合分析的集成软件包。它 可以处理的系统包括：线性、非线性系统；离散、连续及混合系统；单任务、多 任务离散事件系统。 在SIMULINK 提供的图形用户界面GUI上，只要进行鼠标的简单拖拉操作 [27]就可构造出复杂的仿真模型。它外表以方块图形式呈现，且采用分层结构。从 建模角度讲，这既适于自上而下（Top-down）的设计流程（概念、功能、系统、 [25]子系统、直至器件），又适于自下而上（Bottom-up） 逆程设计。从分析研究 角度讲，这种SIMULINK模型不仅能让用户知道具体环节的动态细节，而且能让 用户清晰地了解各器件、各子系统、各系统间的信息交换，掌握各部分之间的交 [27]互影响。 在SIMULINK环境中，用户将摆脱理论演绎时需做理想化假设的无奈，观察 到现实世界中摩擦、风阻、齿隙、饱和、死区等非线性因素和各种随机因素对系 [26]统行为的影响。在SIMULINK环境中，用户可以在仿真进程中改变感兴趣的参 数，实时地观察系统行为的变化。 图5-2 SIMULINK库浏览器界面 34 山东大学学士学位论文 图5-3 SIMULINK模型窗的组成 在三电平逆变器控制系统模型中，主要包括扇区判断、矢量合成时间计算、 触发脉冲的分配、中点钳位型逆变器和负载等几个部分，其中SVPWM是核心，图 [28]5-4给出了系统的总体流程 大 根据扇 矢量区 Ts 判Sa 计Ta 作用断算触中点钳时间矢矢发位型逆Tb 和顺Sb 变器 量量脉Udc 序分的作冲配Tc 位用合Sc svpwm置 成 时小调制间 扇波 区 负载 图5-4 系统总体流程 35 山东大学学士学位论文 图 5-5 给出了具体的SIMULINK中实现的系统模块图： 图 5-5 系统仿真模块图 三相/两相变换指的是三相静止坐标系A、B、C和两相静止坐标系α、β之间的变换，简称3s/2r变换，变换阵如式（5.1）所示；由两相静止坐标系α 、β 变换到两相旋转坐标M、T，简称2s/2r变换，变换阵如式（5.2）所示 11，，1,,,,22,,233,,C,,0 5.1 ,,3/2322,,111,, ,,222，， cossin,,，， 5.2 ,C2s/2r,,,sincos,,，， 图 5-6 给出了具体的3s/2r仿真模型 36 山东大学学士学位论文 图 5-6 给出了具体的3s/2r仿真模型 三电平逆变器能输出19种不同的基本空间电压矢量。除了1个零矢量外，其余18个矢量把圆周360?等分为6个扇区，每个扇区占60?的空间角度，且每个扇区又可划分为6个区域，在任何一个区域内有最接近的3个电压矢量供选择，零矢量为6个扇区所共有。 图 5-7参考电压的矢量分解 37 山东大学学士学位论文 由参考矢量图可以看出： 1,UU,,ref,U,0,2,,若 ，且 5.3 ,,U,03,,,,UU,ref,,2 22UUU,，其中，结合其几何意义，可转化为： ,,ref U,0,,, 5.4 ,30UU,,,,,, U则处于第一扇区；同理，如果： ref U,0,,, 5.5 ,30UU,,,,,, U则处于第二扇区；同理，如果： ref U,0,,, 5.6 ,30UU,,,,,, U则处于第三扇区；同理，如果： ref U,0,,, 5.7 ,30UU,,,,,, U则处于第四扇区；同理，如果： ref U,0,,, 5.8 ,30UU，,,,,, U则处于第五扇区；同理，如果： ref U,0,,, 5.9 ,30UU，,,,,, U则处于第六扇区。 ref 38 山东大学学士学位论文 图5-8 大扇区空间电压矢量输出仿真模型 由于每一个扇区又可以分为六个小区域。我们以第一扇区为例，这个扇区又 U,可分为6个小区域，如图中的1-6共6个小三角形区域。参考电压矢量在轴ref UUU,cosUU,sin,,U和,轴的投影分别为和，幅角为，则 ，，,,ref,,ref, 可判断参考电压矢量所在的小三角形的位置。 图 5-9 在,,坐标系下第一扇区小区域分配 39 山东大学学士学位论文 其判断规则如下： U（1） 当?时，在小区域1或3或5内。 ,,30ref UdcU若，则在小扇区1内； UU,,,3()ref,,2 UdcU若，则在小扇区5内； UU,,3()ref,,2 U否则，在小扇区3内； ref U（2） 当?时，在小区域2或4或6内。 ,,30ref UdcU若，则在小扇区2内； UU,,，3()ref,,2 3UUU,若，则在小扇区6内； ref,dc4 U否则，在小扇区4内； ref 图5-10 空间矢量小扇区判断仿真模型 40 山东大学学士学位论文 下面给出三电平逆变器SVPWM时间计算公式如下表： TkT,,2sin(60), as TTkT,,，2sin(60), bss TkT,2sin(), cs TTkT,,2sin(), ass TkTT,，,2sin(60), bss TTkT,,,2sin(60), css TkTT,,2sin(), ass TkT,,2sin(60), bs TTkT,,，22sin(60), css TTkT,,，22sin(60), ass TkT,2sin(), bs TkTT,,,2sin(60), css 表 5-1 时间计算 TTT同理，在计算其他五个区间的，，时，只要将表中的分别用，,,60,abcθ－120?，θ－180?，θ－240?，θ－300?来替代即可，可以推导出其它扇区的作用时间和第一扇区相同。 41 山东大学学士学位论文 图 5-11 矢量作用时间仿真模型 在三电平逆变器中，由于冗余开关状态的存在，使得一个电压矢量对应于两 个或三个开关状态。采用中心对称的七段式SVPWM波形将基本矢量的作用时间分配给对应的矢量状态。以I大区1小区为例，基本矢量的作用时间与矢量状态的对 应关系如图3.3所示。三相矢量状态对应全部开关状态，将基本矢量的作用时间 分配给对应的矢量状态，也就是将开关器件的导通或关断时间分配给对应的开关 器件，完成对主电路开关器件的控制。 图 5-12 七段式SVPWM波形（第一大扇区第一小区域） 42 山东大学学士学位论文 这些矢量的选择具有以下特点： (1)7段式对称PWM脉冲； (2)第1，7个矢量和第4个矢量在三电平电压空间矢量中所处的空间位置相 同，第2，6个矢量相同，第3，5个矢量相同； (3)无论在哪一个区域，起始矢量都为正小矢量或负小矢量； (4)三电平逆变器的开关状态变化次数最小。 对中压大容量三电平逆变器中矢量优化的主要目的在于：降低器件开关动作 的次数、减少开关损耗，因此大容量逆变器开关频率的降低对延长开关器件的寿 命和减少损耗具有重要意义。 图 5-13 开关矢量优化仿真模型 43 山东大学学士学位论文 图 5-14 SVPWM脉冲形成仿真模型 各模块的仿真结果如下： 图 5-15和图5-16是3s/2r变换的仿真结果： 图 5-15 3s/2r变换前的输入三相电压 图 5-16 3s/2r变换后的输dq输出电压 44 山东大学学士学位论文 图 5-17为大扇区仿真结果： 图 5-17 大扇区仿真 图 5-18为时间分配仿真波形： 图 5-18 时间分配仿真波形 用MATLAB/SIMULINK中的模块对二极管钳位型三相三电平电压型逆变器进行 了仿真实验。仿真参数设置如下：Udc=50v ，采样频率fs=10000Hz，调制度m=0.8，各相输出接有R负载，输出相电压和线电压仿真波形如图5-19和图5-20所示，输出频率为f=50Hz。 45 山东大学学士学位论文 图 5-19 三电平逆变器A相电压输出波形 图 5-20 三电平逆变器AB线电压输出波形 本文采用simulink对4.3节中提到的独立电压控制策略进行仿真，图 5-21 是系统的仿真模块图，由于实际光伏阵列模块在仿真中难以实现，本文采用具体 的给定来代替，给定的选择参考太阳能电池片Isofoton I-165的具体参数（见附录）， 46 山东大学学士学位论文 图 5-21 独立电压控制仿真模块 仿真实验中的控制器的传递函数和参数如下： (20.01)s，,,HH,,,10 5.10 unbsunbs2()3()ss,，,(2100), (25)s，,,H,,,100 5.11 tots()ss,，,(2500), [,][,][0.1,0.1]pppp,,, 5.12 2_min2_max3_min3_max [,][0,1]mm, 5.13 minmax 其中调制核心模块的算法具体如下： function [da1,da2,da3,da4,db1,db2,db3,db4,dc1,dc2,dc3,dc4]= fcn (m,N,theta) vrefa=m*cos(theta); vrefb=m*sin(theta); M=[1/2 sqrt(3)/2; -sqrt(3)/2 1/2]; while((vrefb<0)||(vrefb>sqrt(3)*vrefa)) { [vrefa vrefb]=M*[vrefa vrefb]; } d1=(sqrt(3)/2)*vrefa-(1/2)*vrefb; d4=(sqrt(3)/2)*vrefa+(1/2)*vrefb; if([(vrefa<1/sqrt(3))||(vrefb<2/3-vrefa/sqrt(3))]&&(vrefb>1-sqrt(3)*vrefa)) 47 山东大学学士学位论文 {d2=1-d4; d3=0;} else{d2=(1-d4)/2;d3=(1-d4)/2;} switch case N { case 1 a1=0;da2=d2;da3=d3;da4=d4;db1=d1;db2=d2;db3=d3;db4=vrefb;dc1=d4;dc2=d2;dc3=d3;dc4=0; break; case 2 da1=vrefb;da2=d3;da3=d2;da4=d1;db1=0;db2=d3;db3=d2;db4=d4;dc1=d4;dc2=d3;dc3=d2;dc4=0; break; case 3 da1=d4;da2=d2;da3=d3;da4=0;db1=0;db2=d2;db3=d3;db4=d4;dc1=d1;dc2=d2;dc3=d3;dc4=vrefb; break; case 4 da1=d4;da2=d3;da3=d2;da4=0;db1=vrefb;db2=d3;db3=d2;db4=d1;dc1=0;dc2=d3;dc3=d2;dc4=d4; break; case 5 da1=d1;da2=d2;da3=d3;da4=vrefb;db1=d4;db2=d2;db3=d3;db4=0;dc1=0;dc2=d2;dc3=d3;dc4=d4; break; case 6 da1=0;da2=d3;da3=d2;da4=d4;db1=d4;db2=d3;db3=d2;db4=0;dc1=vrefb;dc2=d3;dc3=d2;dc4=d1; break; } 48 山东大学学士学位论文 本文题目为“多电平逆变器在光伏发电系统中的运用研究”，以题为解，首 先介绍了光伏产业和光伏发电系统的基本知识；其次总结了多电平逆变器的常用 拓扑结构，经过比较其优劣之后最终选择了二极管钳位型三电平逆变器作为研究 对象；接着分析了几种多电平逆变器的PWM调制控制方法，选择了空间电压矢量PWM法作为三电平逆变器的调制方法；之后又介绍了光伏发电系统中光伏电池、 光伏发电中最大功率点跟踪算法和独立控制光伏阵列电压算法的基本知识；最后 运用MATLAB/SIMULINK中的模块先后用载波PWM和空间矢量PWM调制控制对三电 平逆变器进行了仿真，并得到了正确的结果，之后一直致力于光伏阵列电压独立 控制的算法仿真，但由于本人学识的浅薄和时间的限制，虽然花了很长时间却还 没有得到满意的结果。这是本论文的一个不足。 在毕业设计期间我查阅了相关课题的诸多资料，学会了在网上迅速的准确的 查找文献。学习了一些工具，如MATLAB，VISIO等，在WORD中画电气原理图， 编辑一些公式等，如何对长篇的文章进行排版，从中积累了一些宝贵的经验，相 信在以后的工作中自己各方面的能力定会有更大的提高。毕业设计是对大学专业 课程的总结和应用，从毕业设计开题以来，一直认认真真，按照设计进程表一步 一步的进行，其间遇到一些不懂地方，及时请教师兄，使论文得以顺利完成。毕 业设计让我学到了很多，虽然结果不是很完美，但我想自己已经实现了做毕业设 计的根本目的。 毕业设计整个过程是一个不断探索、不断学习的过程，整整几个月的毕设让 我各方面都受益匪浅，特别是在自学能力和独立解决问题能力的提高上，相信这 些收获对我在以后的工作中会有很大帮助。 49 山东大学学士学位论文 在论文完成之际，我要向我的指导老师陈阿莲老师致以深深的谢意和感激之 情。本论文是在导师陈阿莲老师的精心指导下完成的，她认真地辅导我选择课题， 选定后给我提出建设性的意见和建议，为我后面的工作能有条不紊的进行奠定基 础。设计过程中，她不断地给我的设计及时地进行补充，在软件仿真中得到了老 师的悉心指导，倾注了老师的心血和汗水。 感谢实验室的王玮誉和张涛师兄，不仅耐心的解答我提出的各种问题，还以 自己的亲身经验给我指导，让我少费周折。感谢他们在自己有限的时间内无私地 帮助，使我顺利地完成自己的设计课题。 最后我还要感谢和我一起进行毕业设计的同学们。在毕业设计过程中，我们 互相帮助，互相协作，共同学习进步，是他们和我一起度了大学生活的最后最美 好的时光。 50 山东大学学士学位论文 [1] 叶颖.“三相光伏并网逆变电源的研制”济南：山东大学.2008.5 [2] 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