【正文】 ....... 63 第 1 章 緒論 1 第 1 章 緒論 三相 PWM 電壓型逆變器的產(chǎn)生背景 隨著世界能源短缺和環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)重，能源和環(huán)境成為 21 世紀(jì)人類所面臨的 重大基本問題，清潔、可再生能源的發(fā)展和應(yīng)用越來越受到世界各國的廣泛關(guān)注。近些年來，太陽能光伏 (Photovoltaic， PV)發(fā)電技術(shù)，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)得到了持續(xù)的發(fā)展。尤其隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，我國很多地區(qū)的用電缺乏非常嚴(yán)重，一些城市不得不實行分時分區(qū)域供電。發(fā)展新能源，充分利用綠色能源，對我國的經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展有著極其重要的意義。 現(xiàn)代社會對能源需求不斷增加，煤炭、石油、天然氣等一次性能源卻不斷減少，而且其使用又會對環(huán)境產(chǎn)生很大危害，為了緩解能源危機，避免環(huán)境的進一步惡化，對風(fēng)能、太陽能等新能源的開發(fā)利用顯得尤為 重要，可再生能源的使用兼具環(huán)保性和持續(xù)利用性，但是也存在著缺陷和難點。 鑒于我國太陽能、風(fēng)力資源豐富，可以說是取之不盡、用之不竭，這為我國發(fā)展清潔能源事業(yè)提供了很好的機遇。而在這些清潔能源利用過程中，并網(wǎng)逆變器是關(guān)鍵。人們一直在電力電子技術(shù)的發(fā)展中探索一條 ―綠色 之路，對逆變裝置而言， ―綠色 ‖的內(nèi)涵包括電網(wǎng)無諧波，單位功率因數(shù)，以及功率控制系統(tǒng)的高性能，高穩(wěn)定性，高效率等傳統(tǒng)逆變裝置所不具備的優(yōu)越性能。在所有的變換器中， PWM 變換器由于其產(chǎn)生諧波損耗小，對通信設(shè)備干擾小，整機效率高，而牢牢占據(jù)了主流產(chǎn)品的市 場。 PWM 變換器可以實現(xiàn)電網(wǎng)交流側(cè)電流正弦化，且運行于單位功率因數(shù)或者功率因數(shù)可調(diào)，諧波含量很小，被稱之為 ―綠色電能變換 ’’。 PWM 變換器能達到 ―綠色 逆變器的目的，已經(jīng)受到國內(nèi)外學(xué)者普遍的重視，成為研究的熱點。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 2 逆變器的研究現(xiàn)狀 PWM 逆變器的研究現(xiàn)狀 光伏、風(fēng)力等并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏陣列、風(fēng)機和并網(wǎng)逆變器等組成，在可調(diào)度式系統(tǒng)中，還會配備蓄電池作為儲能設(shè)備。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖 (11)所示。由圖可見，并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)通過配合容量適合的逆變器連接到公共電網(wǎng)上，在白天日照充足情況下，除 了提供本地負(fù)載，多余電力可以提供給公共電網(wǎng)：夜間或陰天情況，本地負(fù)載則直接從電網(wǎng)獲取所需電能。 光 伏 /風(fēng) 能=~負(fù) 載~電 力 公 司配 電 線 圖 11 并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 PWM控制技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展為逆變器性能的改進提供了變革性的思路和手段，結(jié)合了 PWM 控制技術(shù)的新型逆變器稱為 PWM 逆變器。將 PWM控制技術(shù)應(yīng)用于逆變器始于 20世紀(jì) 70年代末，但由于當(dāng)時諧波問題不突出，加上受電力電子器件發(fā)展水平的制約， PWM 逆變器沒有引起充分的重視。進入 80 年代后，由于自關(guān)斷器件的日趨成熟及應(yīng)用，推動了 PWM 技術(shù)的應(yīng)用與研究。 隨著 PWM 控制技術(shù)的發(fā)展，如空間矢量 PWM，滯環(huán)電流 PWM 控制等方案的提出，以及現(xiàn)代控制理論和智能控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用， PWM 逆變器的性能得到了不斷提高，功能也不斷擴展， PWM 逆變器網(wǎng)側(cè)獨特的受控電流源特性，使得 PWM 逆變器作為核心設(shè)備被廣泛應(yīng)用于各類電力電子應(yīng)用系統(tǒng)中，經(jīng)過國內(nèi)外專家學(xué)者多年的研究， PWM 逆變器在電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，數(shù)學(xué)模型，控制方法，電網(wǎng)電壓不平衡，系統(tǒng)特性等方面取得了豐碩的研究成果。 PWM 逆變器經(jīng)過 30 多年的探索和研究，取得了很大的進展，其主電路從早期的半控型器件橋路發(fā)展 到如今的全控型器件橋路；其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)從單相、三相電路發(fā)展到多相組合及多電平拓?fù)潆娐罚?PWM 開關(guān)控制由第 1 章 緒論 3 單純的硬開關(guān)調(diào)制發(fā)展到軟開關(guān)調(diào)制；功率等級也從千瓦級發(fā)展到兆瓦級，隨著 PWM 逆變器技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)設(shè)計出多種 PWM 逆變器，并可分類如下： 一、 按照電網(wǎng)相數(shù)分類：單相電路，三相電路，多相電路； 二、 按照 PWM 開關(guān)調(diào)制分類：硬開關(guān)調(diào)制，軟開關(guān)調(diào)制； 三、 按照橋路結(jié)構(gòu)分類：半橋結(jié)構(gòu)，全橋結(jié)構(gòu)； 四、 按照調(diào)制電平分類：二電平，三電平電路，多電平電路； 對于不同功率等級以及不同的用途，人們研究了各種不同的 PWM 逆變器拓?fù)?結(jié)構(gòu)。在小功率應(yīng)用場合， PWM 逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究主要集中在減少功率開關(guān)損耗。對于中等功率場合，多采用六個功率開關(guān)器件構(gòu)成的PWM 逆變器，包括三相電壓型 PWM 逆變器和三相電流型 PWM 逆變器，這是本章介紹的重點。對于大功率 PWM 逆變器，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究主要集中在多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和軟開關(guān)技術(shù)上。多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的 PWM 逆變器主要應(yīng)用于高壓大容量場合。此外，由于軟開關(guān)技術(shù) (ZVS、 ZCS)在減小開關(guān)損耗、抑制電磁干擾、降低噪聲等方面具有顯著的優(yōu)勢，近年來在電壓型 PWM逆變器設(shè)計上受到了廣泛的重視，并得以迅速發(fā)展。而電 流型 PWM 逆變器的軟開關(guān)技術(shù)研究相對較少，有待進一步研究。 根據(jù)直流儲能元件的不同， PWM 逆變器又分為電壓型 PWM 逆變器和電流型 PWM 逆變器。電壓型、電流型 PWM 逆變器，無論是在主電路結(jié)構(gòu)、PWM 信號發(fā)生以及控制策略等方面均有各自的特點，并且兩者間存在電路上的對偶性。其他分類方法就主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而言，均可歸類于電流型或電壓型 PWM 逆變器之列。 * 電壓型逆變器 ： 以單相電壓源逆變器為例，其主電路結(jié)構(gòu)如圖 (12)所示。 電壓型逆變器一般需要在直流側(cè)接有平波電容，根據(jù)器件的開關(guān)動作，輸出一連串的方波電壓，方波 的幅值嵌位在直流電壓上逆變器是個電壓源。該逆變器以對角線 T1 和 T4，對角線 T2 和 T3 構(gòu)成兩組聯(lián)動開關(guān)，兩組開關(guān)交替開通，其結(jié)果是在負(fù)載端輸出分別為正和負(fù)的方波電壓。具體器件的開關(guān)順序選擇，根據(jù)控制目的的不同也存在多種控制方式，如方波逆變控制，燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 4 正弦波 PWM 逆變控制等。 ?4S6SdUC1T2T3T4T1D2D34LR 圖 12 單相逆變器原理圖 基于 LCL 濾波的 PWM 逆變器的研究現(xiàn)狀 由于三相電壓型 PWM 逆變器有許多優(yōu)點，如能量可以雙向流動，直流側(cè)電壓波動小，功率因數(shù)可控，網(wǎng) 側(cè)輸入電流接近正弦等，因此應(yīng)用廣泛。特別是近年來，隨著風(fēng)力發(fā)電的快速發(fā)展，交流勵磁雙饋發(fā)電機變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)得到了廣泛的關(guān)注和深入的研究。雙饋發(fā)電機轉(zhuǎn)子與電網(wǎng)之間具有一個 ―背靠背 ‖的雙向變流器，用來實現(xiàn)對發(fā)電機的交流勵磁和能量對電網(wǎng)的回饋。三相電壓型 PWM 整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)成為交流勵磁雙饋發(fā)電機變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中變流器的首選。但是，三相 PWM 整流器的功率開關(guān)器件的開關(guān)頻率一般為 2～ 15kHz，會產(chǎn)生對電網(wǎng)干擾的高次諧波，主要在開關(guān)頻率或開關(guān)頻率整數(shù)倍附近。該諧波進入電網(wǎng)后會影響電網(wǎng)上對電磁干擾敏感的負(fù)載 ，也會產(chǎn)生損耗。通常為了減小開關(guān)頻率及其整數(shù)倍附近的高次諧波，一般采用電感進行濾波。通過加大網(wǎng)側(cè)濾波電感的值，可以減小諧波。但是，當(dāng)整流器的功率比較大時，交流側(cè)電抗器損耗增大。此外，電抗器的體積和重量很大，造價也比較高。這對三相 PWM 整流器在大功率領(lǐng)域中的應(yīng)用產(chǎn)生了不利影響。 1995 年， 和 首先提出了用一個三 LCL 濾波器代替原有的單電感濾波器，來解決上述問題。在交流側(cè)應(yīng)用 LCL 濾波器可以減少電流中的高次諧波含量 ,并在同樣的諧波要求下 ,相對純電感型濾波器可以降低電感值 的大小，提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)。不過，LCL 濾波器本身存在著諧振問題， PWM 整流器如同一個諧波源，電流中某次諧波可能會對濾波器產(chǎn)生激勵，從而發(fā)生諧振，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，輸入電流諧波畸變率增大。學(xué)者針對 LCL 濾波器的諧振問題，提出了許多增加阻第 1 章 緒論 5 尼的辦法，其中一些有源阻尼的控制策略，不僅抑制了 LCL 濾波器的諧振，而且不會產(chǎn)生功率損耗，降低系統(tǒng)的效率，很適用于大功率系統(tǒng)。 由于 LCL 濾波器的濾波電容的分流作用，使整流器的電流控制系統(tǒng)由一階變?yōu)槿A，控制更為復(fù)雜，并且在某些高次諧波電流下， LCL 濾波器的總阻抗 接近零，將導(dǎo)致諧振效應(yīng)，影響系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。因此 LCL 濾波的 PWM 整流器應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一就是諧振抑制問題。一般采用在已有控制策略的基礎(chǔ)上增加阻尼作用來解決這個問題。阻尼方法分為兩種：一種叫做 ―無源阻尼法 ‖，它是通過在電容上串聯(lián)電阻來使系統(tǒng)穩(wěn)定，這種方法穩(wěn)定可靠，在工業(yè)中被廣泛應(yīng)用，但是加入的電阻會增加系統(tǒng)的損耗。無源阻尼法可用于任何成熟的控制策略，最常見的是基于無源阻尼的無差拍控制；另一種方法叫做 ―有源阻尼法 ‖，它是通過修正控制算法使系統(tǒng)達到穩(wěn)定，消除共振作用，該方法通過增加控制的復(fù)雜性避免無源阻尼的損 耗問題。關(guān)于有源阻尼的研究已成為熱點，因為可減小損耗，節(jié)約能源。常見的有超前網(wǎng)絡(luò)法，虛擬電阻法，基于遺傳算法的有源阻尼法。目前對于有源阻尼法的研究大多基于矢量控制和直接功率控制策略?；?LCL 濾波器的 PWM 整流器控制策略的另一個研究熱點就是不平衡控制，現(xiàn)有的不平衡控制策略有改進的正負(fù)序電流獨立控制策略和三閉環(huán)控制策略等。 目前基于 LCL 濾波器的 PWM 整流器的較為新穎的控制策略有 基于無源阻尼的直接電流控制策略、 直接功率控制策略、無差拍控制策略和三閉環(huán)控制策略。 (1)基于無源阻尼的直接電流控制策 略 直接電流控制通過電流反饋閉環(huán)控制直接調(diào)節(jié)電流，具有動態(tài)響應(yīng)快、受系統(tǒng)參數(shù)影響小等特點，是目前常用的電流控制方案，然而無論采用 P、PI 還是 PID 調(diào)節(jié)均無法是系統(tǒng)穩(wěn)定，并網(wǎng)逆變器 LCL 接口直接輸出電流控制穩(wěn)定性問題簡單直接的解決方案是 LCL 串聯(lián)電阻形成無源阻尼 PD 衰減諧振峰值，增大相角裕度，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。 （ 2）基于有源阻尼的直接功率控制策略 由于動態(tài)響應(yīng)快、原理簡單，近年來直接功率控制已被越來越多地應(yīng)用于 PWM 整流器的控制。但是傳統(tǒng)的直接功率控制策略沒有電流內(nèi)環(huán)，不能燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 6 采用已有的有源阻 尼方法。 2021 年， ， ， 和 提出了基于 LCL 濾波器的 PWM 整流器的直接功率控制策略。該方法設(shè)計了基于直接功率控制的有源阻尼方法來抑制 LCL 濾波器的諧振。這是一種基于虛擬磁鏈的直接功率控制。通過檢測交流側(cè)電流和直流側(cè)電壓來估算系統(tǒng)的虛擬磁鏈，從而算出系統(tǒng)的有功、無功功率，然后與給定值進行比較，偏差值送入開關(guān)狀態(tài)選擇表，產(chǎn)生控制脈沖。這種控制策略采用直接功率有源阻尼法，傳統(tǒng)的有源阻尼方法是給出電壓或電流的參考值，但是由于直接功率控 制沒有電流控制環(huán)，所以文獻將其轉(zhuǎn)化為功率參考值。將有功、無功功率減去阻尼分量后就可以避免諧振問題。直接功率控制是近年來產(chǎn)生的一種新的控制方法，方法的優(yōu)點就是采用靜止 αβ坐標(biāo)系進行控制計算，無需復(fù)雜的坐標(biāo)變換和解耦控制，直接對系統(tǒng)的無功功率進行控制，結(jié)構(gòu)和算法簡單；避免了 PWM 算法，采用查表技術(shù)，動態(tài)響應(yīng)快；采用虛擬磁鏈定向，省去了電網(wǎng)電壓傳感器。網(wǎng)側(cè)虛擬磁鏈估算中用電網(wǎng)電流和電容電流來估算 PWM 整流器交流側(cè)電流。節(jié)省了交流側(cè)電流傳感器。 （ 3）基于無源阻尼的無差拍控制策略 為了便于矢量控制的數(shù)字 化實現(xiàn)， 1998 年， Michael Lindgren 和 Jan Svensson 提出了基于 LCL 濾波器的斬波器的無差拍控制。這是最早的基于LCL 濾波器的控制策略。 2021， ， Felipe Espinosa 等人提出了改進的矢量無差拍控制策略。該控制策略只需要一組電流傳感器和一組電壓傳感器，其他的量可以由狀態(tài)觀測器獲得，系統(tǒng)的擾動可以用無源阻尼來衰減。改進的無差拍控制策略通過反饋電容電壓將其引入到控制策略中，使控制效果更好。電壓外環(huán)采用常規(guī) PI 調(diào)節(jié)器進行控制，電流內(nèi)環(huán)采用上 述無差拍算法來跟蹤給定電流。其優(yōu)點是，減少了傳感器的數(shù)量，只需要檢測網(wǎng)側(cè)電壓和電流，其余量由狀態(tài)估計器算出。無差拍控制方法與傳統(tǒng)的SVPWM 整流器相比，脈沖寬度根據(jù)整流器當(dāng)前的電路狀態(tài)實時確定，因而具有更優(yōu)越的動態(tài)性能。 （ 4）基于三閉環(huán)的電網(wǎng)不平衡控制策略 在實際系統(tǒng)中，三相電網(wǎng)電壓不可能完全對稱。不平衡的電網(wǎng)電壓會引起低頻電流諧波，因此不平衡控制策略的研究也有重大的意義。 2021 年，第 1 章 緒論 7 和 Jan Svensson 提出了改進的正負(fù)序電流獨立控制策略，這種控制策略的原理跟基 于 L 濾波器的原理相似。另一種較為新穎的不平衡控制策略是 2021 年 ErikaTwining 和 Donald Grahame Holmes 提出的三閉環(huán)控制策略。這也是首次針對不平衡電網(wǎng)電壓提出的控制策略。其中，電壓外環(huán)用來控制直流側(cè)電壓。電流控制采用雙內(nèi)環(huán)的控制結(jié)構(gòu)，第一內(nèi)環(huán)是網(wǎng)側(cè)電流內(nèi)環(huán)，第二內(nèi)環(huán)是電容電流內(nèi)環(huán)。電壓調(diào)節(jié)器的輸出作為網(wǎng)側(cè)電流有功分量的給定， dq 坐標(biāo)系中網(wǎng)側(cè)電流調(diào)節(jié)器輸出經(jīng)坐標(biāo)變換后作為三相電容電流的給定，三相電容電流的反饋值由網(wǎng)側(cè)電流與整流器交流側(cè)電流合成。最后，電容電流給定和反饋的偏差 經(jīng)過三個比例調(diào)節(jié)器作 SVPWM 的電壓控制信號。坐標(biāo)變換所需的旋轉(zhuǎn)角度 θ 由三相電網(wǎng)電壓獲得。在矢量控制的基礎(chǔ)上引入了電容電流內(nèi)環(huán)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。除直流側(cè)電壓傳感器外，該方法需要兩組電流傳感器和一組電壓傳感器，傳感器數(shù)量多是其缺點。但