图2-2 单相桥式逆变电路
2.2.2 逆变器的逆变传统技术
三相逆变电路可以由三个单向逆变电路组合而成。在三相电路中，三相桥式逆变电路的应用最为广泛。开关器件采用的是IGBT的三相电压型桥式逆变电路如图2-3所示，可以看成由三个半桥逆变电路组成。
电路的直流侧通常只用一个电容器就可以了，但为了分析方便，画作串联的两个电容器并标出假象的中点N'。和单相半桥电路和全桥逆变电路相同，三相电压型逆变电路多数采用的工作方式如下：逆变电路基本导电方式也是180度的方式，即是每个桥臂导电的角度为180度 ，同一相（即同一半桥）上下两个臂交替导通，各相开始导电的角度依次相差120度，这样在每一个瞬间，将会有三个桥臂同时导通。可能是上面的一个臂下面的两个臂，也许是上面的两个臂和下面的一个臂。
对于U相的输出来说，，当桥臂1导通时，当桥臂4导通时，UUN'??Ud/2。UUN'?Ud/2，
因此，UUN'的波形是幅值为Ud/2的矩形波。V相、W相的情形和U相类似，他们的波形形状相同，只是每个相位之间相差120度。UUN'、UVN'、UWN'的波形如下图2-4所示
+V1Ud2N'UVD1V3V5VD3VD5VWNUd2?V4VD4V6VD6V2VD2
图2-3 电压型三相桥式逆变电路
- 5 -
OuUN'Ud2tuVN'OtuWN'O图2-4 UUN'、UVN'、UWN'的波形
t
假设负载中性点N与直流电源假想中性点N'之间的电压是UNN' ，则各相负载相电压可由下列式子求出：
UUN?UUN'?UNN'
UVN?UVN'?UNN' （2-1）
UWN?UWN'?UNN'
将上面的公式整理得： UNN'?1/3?U?W?1/?NU?U?UUN?3UU? WN'?UV'N'NVN设负载为三相对称的，即有UUN?UVN?UWN?0，则：
?U?W UNN'?1/3 （2-2） ?UUN'?UV'N' N 下图给出了UNN'的波形，它也是矩形波，但是它的频率为UUN'频率的三倍。利用式(2-1)和式(2-2)可以绘画出UUN、UWN的波形，UVN、UWN和UUN的波形形状是一样，仅是相位相差120?。
uNN'OUd6tuUN2Ud3OUd3t
图2-5 UNN'和UUN'的波形图
- 6 -
2.2.3 逆变器的SPWM控制技术
在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。这个原理叫做面积等效原理，这也是PWM控制技术的重要理论基础。例如图2—6所示,有三个窄脉冲，它们形状不同，(a)图为矩形脉冲,(b)图为三角形脉冲，(c)图为正弦半波脉冲，但是它们的面积都等于1。当它们作为输入分别加在可以将其看成惯性环节的R-L电路上时，设电路的输出记作电流i(t)，图2—7(b)给出了输入为不同的窄脉冲时，输出i(t)响应波形。从图中波形可以知道，在i(t)处于上升阶段，脉冲的形状不同，i(t)也会有所不同，但是其下降段的波形几乎完全相同。越窄的脉冲，其输出响应i(t)的波形差异也就会越小。如果上述脉冲的施加是周期性的，则输出响应i(t)波形也会呈现周期性的变化。用傅立叶级数分解之后将看出，在低频段各i(t)的特性是非常接近的，仅是在高频段是不同的。
f?t?f?t?f?t?f?t???t?tOttt?a?矩形脉冲O?b?三角形脉冲OO?c?正弦半波脉冲?b?单位脉冲函数
图2-6 波形不同冲量相同的窄脉冲
i?t?i?t?ae?t?cdb?a?R?L电路O?b?电流响应波形t
图2-7 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形
2.3 并网逆变 2.3.1电路结构
上图2-1显示出了并网逆变器的结构，该电路的结构包括：工频逆变器、高频逆变器、工频变压器、输入滤波器和输出滤波器。 2.3.2 系统的总体方案
光伏并网逆变器的控制策略是光伏系统并网控制的关键。通过对方案的研究和对比论
- 7 -
证，本次的设计将会采用无变压器两级模型结构，前级的DC-DC变换器通过DClink相连接后级的、不可或缺的DC-AC逆变器。在这里，对于前级和后级变换器的控制策略可以独立的进行研究。就一般而言，拥有两级变换的并网逆变系统中，前级的DC-DC变换器的主要作用是实现最大功率点的跟踪控制，在此方案中考虑到输入电压是比较低的，如果采用了半桥电路，会使得流过开关管的电流变大，得到的输出电压会太低；若采用了全桥电路，则结构变得复杂，开关的功耗变大。综合上面的分析，此系统采用结构比较简单，控制比较方便的Boost升压斩波电路。而后级DC-AC变换器控制要求要实现两个：第一是要稳定前后级之间的直流侧电压；第二是要完成控制并网电流，甚至要按照指令来调节电网的无功功率。由此可见，网侧逆变器是光伏发电的核心。采用单相全桥逆变电路，其作用是将直流电变为交流电，实现将电能并入电网。DClink的作用不仅是连接前后两级变换器，而且还可以实现功率的传递。系统主电路如图2-1所示：
2.3.3 前级电路的工作原理
前级为Boost电路，该电路是由电感、电容、开关管和二极管组成，其作用是将太阳能电池输出的电压升高，Boost电路的原理图以及输出波形如下图2-8所示。
i1Li0VDEVCu0R
uGEOti0I1Ot
图2-8 Boost电路的工作原理图
在分析Boost电路工作原理时，假设在电路里，电感L的值很大、电容C的值同样也大，当全控器件V通态时，电源E给电感L充电并且使电路中的电流恒定为I1，电容C同时向负载R供电。因为电容C的值很大，输出电压u0基本上保持为恒值U0。假设开关V导通的时间为ton，此时电感L上储存的能量是EI1ton。当开关V为断态时，电源E和电感L同时向电容C充电，并且把能量传递给负载R。假设开关V断开时间为toff。在此过程中电感L放出能量为
- 8 -
?U0?E?I1toff。当电路在稳态工作时，电感L在一个周期中积蓄与释放的能量相等，即
tn??UE1Io ftf （2-3） EI 1o0??化简之后得
U0=ton?ttoffoff?
TEtoff (2-4)
上式中，T/toff?1，所以升压斩波电路输出的电压高于电源电压。
在式（2-4）中T/toff定义为升压比，要使输出电压U0的值改变，就可以调节升压比的大小。记?为升压比的倒数，即??toff/T。 ?和占空比?的关系为
????1 （2-5） 则式（2-4）可改写为
U0?1E?1E (2-6) 1??? 升压斩波电路能够将输出电压升高的关键原因有两个：其一是因为电感L的储能使电压具有泵升的作用，其二是电容C可以保持输出电压恒定。在上述的分析中，设定开关V处于通态的期间，因为电容C的作用使输出电压U0恒定，但是电容C的值不会是无穷大的，在向负载放电的过程中，U0肯定会下降，所以实际输出得电压略低于式（2-4）中所
得的结果。但是电容C的值有足够大时，误差是很小的，几乎可以是忽略不计的。 2.3.4主电路中参数的选取 (1)滤波电感的选择
在逆变器中有个器件很关键，那就是滤波电感。光伏发电并网系统最基本的就是要逆变器输出波形为正弦波，要使它的功率因数接近1。所以电感的选取直接决定电路的性能。选择滤波电感，要尽量把调制波中的含有高次谐波分量滤掉，使输出电压的质量大幅提高。滤波电感的同滤波电容的高频阻抗相比不能过低，就是滤波电感的感值不能太小。选取电感，我们要考虑到电感的值会对输出纹波电流的值有直接的影响。在现实的设计中，会对电感的成本、体积等因素有所考虑。很重要的一点是参考电感的下限值，取值要稍微大于要求的下限值即可。 (2)滤波电容的选择
滤波电容和滤波电感一起作用滤除输出电压里的高次谐波，已达到改变输出电压的波形形状。但是从电路上看，在输出的电压不会变动的情形下，滤波电容的增大会增大滤波电容的电流，从而增大了逆变器的无功能量，降低了效率，增加了损耗。所以滤波电容不应该选的太大。 (3)开关管的选取
对逆变电路来说，选择主功率元件这一方面也是至关重要的，目前应用较多的功率开关元件主要有绝缘栅极晶体管(IGBT)，功率场效应管(MOSFET)，达林顿功率晶体管(BJT)和可关断晶闸管(GTO)等。若一个系统电压低、容量小，则用MOSFET较多，因为MOSFET具有较高的开关频率和较低的通态压降。若系统电压高、容量大，一般会采用IGBT模块，因为MOSFET的特性是随着电压的上升，通态电阻也会增大，在中容量系统中IGBT会占
- 9 -