基于光伏发电系统的三电平逆变器设计.docx
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基于光伏发电系统的三电平逆变器设计
中国矿业大学
本科生毕业论文
姓名：
张云凤学号：
04072002
学院：
信息与电气工程学院
专业：
电气工程与自动化
论文题目：
基于三电平的光伏发电系统逆变器研究
专题：
指导教师：
徐瑞东职称：
讲师
2011年06月徐州
中国矿业大学毕业论文任务书
学院信息与电气工程学院专业年级电气工程2007-8班学生姓名张云凤
任务下达日期：
2011年02月21日
毕业论文日期：
2011年02月21日至2011年06月15日
毕业论文题目：
基于三电平的光伏发电系统逆变器研究
毕业论文专题题目：
毕业论文主要内容和要求：
主要设计内容：
（1）了解太阳能和光伏产业的发展前景，深入研究光伏电池的工作原理;
（2）学习三电平逆变器的拓扑结构和工作原理以及其控制要求
（3）学习传统的SVPWM算法的原理和实现步骤，在三电平逆变器并网控制方式上，采用电压外环与电流内环双闭环控制系统，实现直流侧电压与网侧电流的控制;
（4）完成不少于3000字相关外文文献翻译；
（5）完成毕业设计。
院长签字：
指导教师签字：
中国矿业大学毕业论文指导教师评阅书
指导教师评语（①基础理论及基本技能的掌握；②独立解决实际问题的能力；③研究内容的理论依据和技术方法；④取得的主要成果及创新点；⑤工作态度及工作量；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：
成绩：
指导教师签字：
年月日
中国矿业大学毕业论文评阅教师评阅书
评阅教师评语（①选题的意义；②基础理论及基本技能的掌握；③综合运用所学知识解决实际问题的能力；④工作量的大小；⑤取得的主要成果及创新点；⑥写作的规范程度；⑦总体评价及建议成绩；⑧存在问题；⑨是否同意答辩等）：
成绩：
评阅教师签字：
年月日
中国矿业大学毕业论文答辩及综合成绩
答辩情况
提出问题
回答问题
正确
基本
正确
有一般性错误
有原则性错误
没有
回答
答辩委员会评语及建议成绩：
答辩委员会主任签字：
年月日
学院领导小组综合评定成绩：
学院领导小组负责人：
年月日
摘要
在将太阳能转化为电能时，三电平逆变器更适合大容量，高电压变频场合，具有开关器件工作在较低频率下可以获得较好的波形，开关损耗相对较低，效率高，电路的电磁干扰小等优点。
本文首先阐述了国内的光伏发电的现状，在对三电平逆变器PWM控制技术研究背景以及目前三电平PWM控制技术的研究现状进行了分析研究的基础上，研究了三电平逆变器的工作原理，详细分析了二极管箝位型三电平逆变器的拓扑结构和控制要求以及三电平逆变器的中点不平衡问题；再次，在控制方法上，本文选用了调制比大、能够优化输出电压波形、母线电压利用率高的SVPWM，研究了传统的SVPWM算法的原理和实现步骤，并建立了仿真模型进行分析，在三电平逆变器并网控制方式上，采用电压外环与电流内环双闭环控制系统，实现了直流侧电压与网侧电流的控制。
关键词：
光伏系统；三电平；空间矢量调制（SVPWM）；中点电压平衡；光伏逆变器。
ABSTRACT
Intheprocessofthetransformationofsolarenergyintoelectricity,thethree-levelinverterismoresuitableinconditionoflargecapacityandhighvoltagefrequencyconversion.Whenitisused,thefollowingadvantagescanbeembodied.Switchingdevicecangetbetterwaveformsatthelowerfrequency;switchinglosseswouldbereducedtoarelativelylowlevelandhighefficiencybeachieved;andthe ElectroMagneticInterferenceofelectriccircuitisweak.Withtheseadvantages,thethree-levelinverteriswidelyused.
Firstly,thispaperexpoundsthedomesticpresentconditionofthePVpower,probesintotheworkingprinciplesofthesolarcells,thebackgroundandpresentsituationofthethree-levelinverterPWMcontrollingtechnology.Secondly,itanalyzestheworkingprinciplesofthethree-levelinverterandelaboratesthetopologyandcontrollingrequirementsoftheground-clampdiodeclampedthree-levelinverteraswellastheimbalanceofthepointofthethree-levelinverter.Finally,intermsofthecontrollingmethod,thisthesischoosesSVPWMthatcanprovidelargemodulationrangeandhighDCvoltageutilizationratioandoptimizeswitchingwaveforms,diggingouttheprinciplesandimplementationstepsofthetraditionalalgorithmofSVPWM,andestablishingthesimulationmodelforanalysis.Inthecontrollingmodeofthethree-levelinverter,thedoubleclose-loopcontrolledsystemthatcomprisesofthevoltageexternalloopandtheinnerelectriccircuitisusedinordertorealizethecontrolofdcvoltageandacsidecurrent.
Keywords:
PhotovoltaicSystems;Three-Level;SpaceVectorModulation（SVPWM）;Mid-pointVoltageBalance;Photovoltaicinverter.
1绪论
1.1太阳能和光伏发电
能源是人类一切活动的物质基础。
在某种意义上讲，人类社会的发展离不开优质能源的出现和先进能源技术的使用。
社会经济发展的重要问题。
在人类文明史上，人类不断地从自然索取和探寻适合生存和发展的各种能源，能源的使用一定程度反应了人类进步的步伐，从原始社会开始，化石能源逐渐成为能源的主要来源，这种状况一直延续到科技发达的今天。
然而随着人类需求日益增加，化石能源正面临日益枯竭的危险，此外，化石能源的使用带来的严重后果不容忽视。
在当今世界，能源的发展，能源和环境，是全世界、全人类共同关心的问题，也是我国社会经济发展的重要问题。
太阳能取之不尽，用之不竭，无环境污染等优越性，又由于太阳能电池的主要原料—硅的储量十分丰富，随着其的快速发展和转换效率的不断提高发展成本的日趋降低，所以，全球能源专家认为太阳能是最具有发展前景的的绿色能源。
自二十世纪八十年代以来工业发达国家充分利用自身的优势，巨资加速光伏发电技术，大规模的投资有力的推动了技术的进步，从而光伏发电技术日趋成熟，步入了实用的商业化阶段。
近20年来，我国通过技术引进和自主创新，我国的光伏产业已初规模。
“十二五”能源规划中提出：
“推进能源科技创新，大力发展风能、太阳能、生物质能以及清洁煤利用、核能、智能电网、新能源汽车、分布式能源等新兴能源科技装备技术。
”据统计：
2008年底，我国太阳能光伏电池年产量已达200万千瓦，占全球市场的30%以上。
2009年中国光伏发电装机容量已达750万千瓦，占全球市场的44%，这标志着太阳能光伏发电技术已经进入规模化应用阶段。
2009年，中国光伏发电增长迅速，2009年，国家相继出台了“金太阳”示范工程、“屋顶工程”等一系列支持光伏产业发展的政策，有效拉动了国内市场的光伏应用需求，由此带动了我国光伏发电的大规模应用。
可见，我国光伏产业正在高速发展中。
1.2三电平逆变器PWM控制技术研究背景
1980年，日本长冈科技大学的A.Nabae等人在IEEE工业应用（IAS）年会上首次提出了中点箝位式（NeutralPointClamp）三电平逆变器[6]。
它的出现为高压大功率逆变器的研究开辟了一条新的思路，其后在高压大容量变换场合得到了广泛的应用。
目前，三电平逆变器是实现大容量、高压电机控制方法之一，相对于传统的大容量逆变器结构，多电平逆变器在高压大容量化和高性能化之间实现了很好的结合。
然而，在三电平及多电平电路的研究和应用中，因为开关器件众多以及电路自身问题，比如中点电位不平衡问题，所以需要对其开关状态进行合理控制。
而脉宽调制（PWM）控制技术随着电压型逆变器的应用越来越广泛已经逐渐成为变换器研究和应用中的一个共性且核心技术，多电平变换器更是如此。
PWM（PulseWidthModulation）控制技术就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即利用开关器件的开通关断把直流电压变成一定形状的电压脉冲序列，以实现输出变频、调压并有效地控制和消除谐波的一种技术。
在传统两电平变换器PWM控制技术中有包括载波调制法、谐波消除法和电压空间矢量调制法等诸多成熟的PWM方法[1]。
而这些PWM控制思想也可以推广到多电平变换器的控制中。
多电平PWM控制技术是多电平研究的关键核心技术。
但是多电平变换器PWM控制的目标多、性能指标要求高，其PWM控制技术较复杂。
然而，多电平变换器是从三电平变换器结构中发展起来的，三电平变换器的研究是多电平研究的基础，而且三电平变换器的PWM控制技术相比之于其他更高电平的PWM控制技术要简单，但向更高电平拓展却相比两电平更方便。
所以，研究和应用多电平PWM控制技术首先应先从三电平PWM控制技术的研究做起。
综合上述介绍，开展对三电平变换器PWM控制技术的研究具有重要的理论意义和工程应用价值。
1.3三电平PWM控制技术的研究现状
三电平逆变器的PWM技术是逆变器研究中的关键控制技术，它与逆变器的拓扑结构的提出而共生，不仅决定着逆变的实现与否，而且也对系统的输出波形质量，损耗和效率有着直接影响。
到目前为止，人们已经提出了大量的多电平逆变器的PWM控制方法，主要方法有：
（1）载波调制法[11314]
载波调制（CarrierPWM）PWM控制技术，就是通过载波和调制波的比较，得到开关脉宽控制信号。
主要方法是载波层叠法（CarrierDispositionPWM），它是从两电平载波调制方法中直接扩展而来，是由两组频率和幅值相同的三角载波上下层叠，且两组载波对称分布于同一个调制波的正负半波，通过调制波分别与两个载波的比较结果控制开关器件动作。
根据三角载波之间相位关系的排列不同，可以分为：
（a）同相层叠方式（PhaseDisposition，PD），即所有载波以相同的相位上下排列叠加。
（b）正负反相层叠式（PhaseOppositionDisposition，POD），这种方法是使零值以上的载波相位和零值以下的载波相位相反。
上述方法推广到N电平变换器既为N-1个三角载波分别与调制波进行比较。
此外，多电平的载波调制PWM技术发展初交替反向层叠式（AlternativePhaseOppositionDisposition，APOD）和载波移相法（PhaseShiftCarrierPWM）。
载波调制法特点：
三电平的载波调制方法调制波为正弦波，实现简单，但是电压利用率低，而且对于一些控制目标的控制如中点电位平衡的控制没有很好的考虑。
（2）特定谐波消除法[21516]
特定谐波消除法（SelectedHarmonicEliminationPWM，SHEPWM）是根据SPWM调制后输出的电压波形，预先确定α1，α2，……，αn这n个未知量角度，傅立叶分解后，然后根据要消去的2k+1（k=1，2,……n）次谐波，列出n个非线性方程组。
用牛顿——拉夫逊迭代法求解这个非线性方程组，解得α1，α2，……，αn的值。
微处理器根据这n个角度，发出脉冲去控制功率管，得到理想的输出波形（不含有所消去的谐波）。
（3）空间矢量调制法[317-20]
三电平及多电平空间矢量调制（SpaceVectorPWM，SVPWM）法和两电平空间矢量方法相同都是建立在空间矢量合成概念上的PWM方法。
它以三相正弦交流参考电压用一个旋转的电压矢量来代替它是从电动机的角度出发的，着眼于如何使电机获得幅值恒定的圆形磁场，即正弦磁通。
它以三相对称正弦波电压供电时交流电动机的理想磁通圆为基准，通过这个矢量所在位置附近三个相邻变换器的开关状态矢量，利用伏秒平衡原理对其拟和形成PWM波形。
空间矢量调制方法在大范围调制比内有很好的性能，具有很小的输出谐波含量和较高的电压利用率。
而且这种方法对各种目标的控制相对容易实现。
1.4本文的主要研究内容
在光伏发电技术日趋成熟的今天，三电平逆变电路已经成为逆变设备的首选结构，是目大容量、高压电机高速的主要实现方式之一，和传统的逆变电路相比主要有能够承受高电压、电压电流上升率低等优点。
在众多的控制策略中，空间矢量脉宽调制具有调制比大、能够优化输出电压波形、易于数字实现、母线电压利用率高等特点，因而SVPWM控制方式受到了人们的普遍关注。
本文选择二极管箝位型三电平逆变器作为主要的研究对象。
本文主要研究内容如下：
（1）对太阳能和光伏产业的发展前景进行了综述，深入研究了太阳能光伏电池的工作原理;
（2）研究了三电平逆变器的工作原理，详细分析了二极管箝位型三电平逆变器的拓扑结构和控制要求以及三电平逆变器的中点不平衡问题;
（3）研究了传统的SVPWM算法的原理和实现步骤，并建立了仿真模型进行分析;
（4）在三电平逆变器并网控制方式上，采用电压外环与电流内环双闭环控制系统，实现了直流侧电压与网侧电流的控制;
（5）通过MATLAB/SIMULINK对三电平逆变器SVPWM控制方式进行仿真，验证该方法的正确性和可行性。
2太阳能电池工作原理和电路特性
太阳能电池是利用光伏技术（PV）制作,直接将太阳能转变为电能,具有应用方便,不需要燃料,无气体排放,无任何污染,不会破坏生态环境,可再生等特点,对解决当前日益严重的能源短缺与环境污染问题有着重要的意义。
太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。
以光电效应工作的薄膜式太阳能电池为主流，而以光化学效应工作的湿式太阳能电池则还处于萌芽阶段。
能产生光伏效应的材料有许多种，如：
单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化镓，硒铟铜等。
它们的发电原理基本相同。
2.1太阳能电池工作原理和构造
太阳能电池的基本特性和二极管相似，以简单的PN结为例来说明其工作原理， 当光线照射太阳能电池表面时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了跃迁，成为自由电子在P－N结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。
这个过程的实质就是光子能量转换成电能的过程。
电池单元是太阳电池的最小单元，一般不单独使用，将若干个太阳能电池单元按需并联封装后就成为太阳能电池组件，功率一般在几瓦至几百瓦之间，众多的太阳能电池组件并联后就形成了太阳能光伏阵列。
理想P-N结的电流和电压（I-V）关系如下[4]：
（2.1）
其中I为PN结的电流（A）;
为反向饱和电流（A）;V为外加电压（V）；q是电子电荷（
）;K是玻耳兹曼常数（
）;T是绝对温度（K）。
实际的单元太阳能电池还具有体串联电阻
和并联电阻
以及PN结电容等。
考虑到这些因素，通常采用如图所示的等效电路[4]。
图2.1太阳能电池等效电路
实际的光伏电池中电阻等参数是分布参数，但是工程中应用中集总参数后，仍有足够的精确度，所以本文暂不考虑分布参数问题。
一般太阳光照变化比较缓慢，所以在分析系统时，可以忽略结电容
的影响，按图中所示电流，电压方向下，此时PN结有如下I-V方程[5]：
（2.2）
其中，n为二极管因子，取值范围为1～5。
太阳能电池的主要参数如下：
（1）开路电压（
）
光伏组件在外电路开路情况下的端电压，用符号
。
表示在不存在有效的电场的情况下，PN结内建立静电场是光伏效应的主要来源，内建静电场越强，它使非平衡电子和空穴各自己向相反方向的漂移，从而在半导体材料两端产生电动势越高，开路电压Voc就越高。
（2）短路电流（
）
光伏电池在外电路短接的情况下流经外电路的电流称为短路电流，用符号
表示。
在一定的光照条件下，光伏电池激发的电子-空穴是一定的，即光电流
的特性类似一个恒流源，所以即使外电路短路，输出的电流也不会无限增加。
（3）最大功率（
）
光伏电池输出U-I特性曲线上，根据外电路负载的变化，任何一点可以作为工作点。
工作点不同，光伏电池输出的功率也会不同，U-I曲线上能够使输出功率达到最大的值的点称为最大功率点（
），其对应的电压和电流称为最大功率点电压
和最大功率点电流
（4）最大功率点电压（
）
（5）最大功率点电流（
）
2.2太阳能电池的工作特性
太阳能电池的工作主要用它的I-V和P-V特性来描述，其特性为非线性。
如图所示。
图2.2光伏电池I-V和P-V特性曲线
此外，光伏电池的的输出特性受到外界环境的影响，其中起主要因素有光照和温度。
从图中（a）可以看出，短路电流几乎和日照强度成正比，开路电压随着日照强度的影响不大，只有很小的增加。
如图（b）所示随着日照强度的降低，总体效果会造成太阳能电池输出功率的降低。
如图（c）所示，温度变化会引起光伏电池输特性显著变化，温度的升高会引起短路电流的少量增加，并引起开路电压的严重降低。
总体来说，温度升高会造成光伏电池输出功率的下降，如图（d）所示。
（a）不同光照强度下的I-V曲线（b）不同光照强度下的P-V曲线
（c）不同温度下的I-V曲线（d）不同光照强度下的P-V曲线
图2.3不同光照和温度下的I-V曲线和P-V曲线
此外，串联电阻
对光伏电池也有影响，此电阻的大小取决于光伏电池制造工艺，是光伏电池内部所有分部电阻的集中体现，也受环境轻微影响，如温度等。
由此，串联电阻
越大其损耗的功率就越高，则系统的输出功率就越低。
3三电平逆变器的拓扑结构
三电平逆变器是多电平逆变器最基本的结构。
它不但结构简单，应用广泛，而且其控制策略也相对简单。
三电平逆变器适合大容量，高电压变频场合，开头器件工作在较低频率下可以获得较好的波形，因此，开关损耗相对较低，效率高，电路的电磁干扰问题大大减轻。
综上所述，和传统的两电平逆变器相比，三电平逆变器具有以下优点：
（1）每个功率器件承受的电压值仅为直流侧母线电压的一半，因此使用更低耐压器件能够实现高压、高功率的输出和免除了动态电压回路；
（2）波形质量改善的同时降低了开关频率，因此开关损耗减少，实现系统的高利用率；
输出电平数增多，输出电压波形得到改善，谐波总会量减少；
（3）和两电平相比电压变化率和电流变化率明显减少，提高系统抵抗电磁干扰的能力；
（4）输出端未使用变压器，系统的体积和的损耗大幅度减少。
3.1三电平逆变器的工作原理
图3.1三电平逆变器主电路拓扑结构
如图3.1所示三电平逆变主电路拓扑结构，从图中可以看出直流母线侧电容
将直流电压分成Vdc/2、-Vdc/2和0三个等级，该电路有三个桥臂，每个桥臂有4主开关器件、4个续流二极管和2个箝位二极管。
箝位二极管的作用是当开关器件开通时，通过的二极管的箝位作用将电路的输出电平稳定在一个固定值，从而实现事先设定电路的输出电平值；当开关器件关断时，同样通过二极管的箝位作用将开关器件两端承受的电压限制在一定的值之内，避免了过电压损坏开关器件[6]。
下面我们以A相为例说明该电路的工作原理，如图3-2所示，设A相的输出电压为
，每相桥臂有4个主开关器件，故共有16种开关状态，但由于开关
和
是逻辑非的关系（同理
和
也具有此关系），所以有效状态只有3种。
具体的如下：
（1）当Sa1和Sa2导通，而Sa3和Sa4关断时：
如负载电流为正即（假设电流由主开关流入负载为正），电流流过Sa1和Sa2，忽略管压降，则输出端与C1正端接通，相对直流侧中点n点输出电压为Vdc/2，如果电流为负向，电流流过Sa1和Sa2对应的续流二极管，A相输出的电压仍为Vdc/2。
（2）当Sa2，Sa3导通，Sa1，Sa4关断时：
如负载电流正向，电流流过Da1和Sa2，输出电压通过箝位二极管Da1将输出电压箝位在0，如负载电流为负向，电流流过Da2和Sa3，输出电压通过箝位二极管Da2将输出电压箝位在0，此时也使功率器件Sa1，Sa4承受的电压为Vdc/2；
（3）当Sa3和Sa4导通，而Sa1和Sa2关断时：
如负载电流为正向，电流流过Sa3和Sa4，忽略管压降，则输出端与C2负端接通，相对直流侧中点n点输出电压为-Vdc/2，如果电流为负向，电流流过Sa3和Sa4对应的续流二极管，A相输出的电压仍为-Vdc/2。
（a）（b）
（c）（d）
（e）（f）
图3.2三电平逆变器a相电流流通路径
通过对电路开关状态的分析可以看出，开关器件Sa1和Sa3,Sa2和Sa4是工作在对应互补开通状态的，为了防止对应互补的开关器件同时导通而造成直流侧短路，因此在互补的开关器件控制信号中应该加入死区时间。
此外，为防止电路运行中出现大的电压速变造成较大du/dt，同时保证每次输出电压变化中动作的开关器件最少以降低开关损耗，应避免出现电路输出在Vdc/2和-Vdc/2之间的直接变化，而通过中性点电位输出状态进行过度。
因此，三电平逆变器的基本控制规律为：
每相桥臂四个开关器件Sj1和Sj3,Sj2和Sj4两两对应互补开通；同一时刻总是两个相邻开关器件导通，其他两个关断；在输出状态改变过程中只能有一组互补的开关器件的控制信号变化。
表3.1给出了A相电位发生变化时，功率开关器件的工作状态（“—”表示关断，“+”表示导通）。
表3.1:
三电平
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