電壓型PWM并網(wǎng)逆變器

摘 要：能源回饋系統(tǒng)對減緩我國能源供求矛盾具有重要的作用，而逆變技術(shù)在能量回饋系統(tǒng)中占有重要地位，主要介紹了一種電壓型并網(wǎng)逆變器。首先對電壓型的逆變器進行了系統(tǒng)分析，給出了單相電壓型和三相電壓型兩種并網(wǎng)逆變器的理想電路模型。在此基礎上，設計了一個基于數(shù)字信號處理器(DSP)TMS320F240控制的數(shù)字化電壓型單相并網(wǎng)逆變器，搭建了外圍硬件電路，并運用C語言進行運算處理，給出原理仿真結(jié)果的同時也給出了它的實驗結(jié)果，說明這種逆變器的運行效率高，可靠性好，應用也很方便。
關鍵詞：能量回饋；并網(wǎng)逆變器；DSP

0 引言
??? 隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，能源問題在當今社會中受到越來越多的關注。在減緩能源供求矛盾方面，能量回饋系統(tǒng)可以發(fā)揮重要作用，主要運用在功率電子負載、分布式發(fā)電和電機再生制動等場合。而電力電子的逆變技術(shù)是能量回饋系統(tǒng)的核心部分。

??? 數(shù)字化是控制技術(shù)發(fā)展的趨勢，在具體實現(xiàn)能量回饋系統(tǒng)的過程中，也應充分運用數(shù)字式控制方式。在電壓型逆變系統(tǒng)中，將數(shù)字信號處理器(DSP)作為控制中心，實現(xiàn)外圍電路工作及其控制。

l 電壓型并網(wǎng)逆變器的系統(tǒng)分析
l.l 電壓型單相并網(wǎng)逆變器的理想模型
??? 作為并網(wǎng)用的逆變器，一般的理想狀態(tài)為：
??? 1)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)λ=1，即網(wǎng)側(cè)電流iN無畸變且與網(wǎng)側(cè)電壓uN相位一致，這樣回饋至電網(wǎng)的只有有功功率。
??? 2)能夠?qū)崿F(xiàn)回饋電流iN的快速調(diào)節(jié)；
??? 3)具有能量雙向流動的能力，除了向電網(wǎng)回饋能量外，在一定條件下，電路還可處于整流模式，從電網(wǎng)吸收能量能夠?qū)崿F(xiàn)上述理想的逆變電路狀態(tài)，并認為電路內(nèi)部沒有損耗，則得到理想模型如圖1(a)所示。

1.2 三相電壓型并網(wǎng)逆變電路的模型
??? 電壓型三相橋式逆變電路的主電路如圖2所示。由圖2可以看出三相橋式電路是單相半橋電路的擴展，在拓撲結(jié)構(gòu)上是完全相似的，其中各相輸入電感相等，電網(wǎng)各相電壓均為正弦波。

??? 三相并網(wǎng)逆變電路的等效電路模型如圖3(a)所示，0點為電網(wǎng)中點，0′為直流側(cè)濾波電容中點，Rs為電感電阻，其他同單相電路。圖3(b)為a相等效電路的相量圖。

??? 三相并網(wǎng)逆變器交流側(cè)的方程為

???

??? 逆變部分一般考慮SPWM調(diào)制的三相電路，三相橋式電路的控制脈沖時序分布和單相的相似，調(diào)制信號為三相正弦波uga、ugb和ugco分析得知逆變器輸出線電壓波形是一個單極性SPWM波形，其輸出幅值為Uio假想直流電源中點O′，則可推出三相SPWM逆變電路相電壓基波表達式為

???

??? 對于逆變橋的輸入電流id,由單相電路分析的結(jié)果，每個橋臂從直流側(cè)吸取的電流存在二次諧波，三相電路中每個半橋單元從直流側(cè)吸收的電流為

???
??? 將三相電流疊加后即可得到直流側(cè)電流id的表達式為

???

??? 由式(4)可知，當電路在三相對稱條件下，逆變器的輸入電流為恒定的直流，而不存在二次電流分量，電路的直流側(cè)輸入不需要二次諧波吸收電路。三相逆變器的輸人瞬時功率也隨之恒定，而單相逆變器的輸入電流存在二次電流分量，輸入功率也不恒定，如圖l所示。這點是三相逆變器不同于單相逆變器之處，因此，單相逆變器的直流側(cè)濾波電容需要濾除高頻和低頻的紋波，而三相逆變器的直流側(cè)濾波電容僅需要濾除高頻紋波即可，其容量可以比單相的小。

2 電壓型PWM并網(wǎng)逆變器試驗
??? 在前述理論分析的基礎上，研制了一臺基于數(shù)字式DSP控制的電壓型單相全橋PWM并網(wǎng)逆變器。

2.1 主電路的結(jié)構(gòu)及電路參數(shù)的選擇
??? 數(shù)字式電壓型能量回饋系統(tǒng)的逆變主電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。主電路的開關器件選用IGBT—IPM模塊PM75CVAl20，交流側(cè)為工頻單相220V，Ui為直流輸入電壓，須大于310 V；Cd1和Cd2為直流濾波電容，LN、為交流側(cè)濾波電感；A1為電流霍爾元件，V1．為電壓檢測傳感器；K1為直流接觸器，K2為交流接觸器；Rc為直流側(cè)緩沖電阻。

??? 直流輸入電壓Ui經(jīng)濾波電容Cdl和Cd2穩(wěn)壓濾波后輸入逆變器，單相全橋逆變器輸出經(jīng)濾波儲能電感直接并人電網(wǎng)。電阻Rc是電路啟動時緩沖濾波電容充電用，在充電完成后，接觸器K1閉合，短接電阻Rco。整個系統(tǒng)由DSP芯片TMS320F240控制，對同步電網(wǎng)信號、輸入電壓(V1)和輸出電流(A1)檢測，根據(jù)給定觸發(fā)控制脈沖，并通過接觸器K2決定并網(wǎng)的時刻。

2．2仿真及試驗波形
??? 運用Matlab仿真，輸入Ui=311V，電網(wǎng)電壓UN=220V，電感值LN=6mH。采用幅值控制的PI閉環(huán)調(diào)節(jié)，圖5是給定電流從5A到20A時電流和電網(wǎng)電壓的仿真波形，電流乘10處理。

??? 圖6所示是本系統(tǒng)在開環(huán)條件下電流和電網(wǎng)電壓的試驗波形，可以看到電流波形正弦，相位和電網(wǎng)電壓接近(為了，便于觀看，將電流信號反相)，輸出電流大小為5 A。圖7為電感兩側(cè)電壓實驗波形。圖8(a)所示是逆變器工作時輸出倍頻PWM波形，8(b)為放大圖，脈寬呈正弦變化。

??? 圖9為DSP控制輸出脈沖信號，上下橋臂有5 μ的死區(qū)(低電平有效)。

??? 直流輸入電壓為：350 V，波形如圖10所示，比較平直。

3 結(jié)語
??? 重點分析了電壓型并網(wǎng)逆變系統(tǒng)，提出了單相和三相逆變系統(tǒng)的理論模型。在實驗中制作了一臺單相的電壓型并網(wǎng)逆變系統(tǒng)，系統(tǒng)采用數(shù)字化控制方式，達到對系統(tǒng)外圍電路的控制。從實驗給出的結(jié)果，可以看到這個系統(tǒng)工作效率高，可靠性好，實用性強。