【正文】 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)外學者普遍的重視，成為研究的熱點。 PWM逆變器的研究現(xiàn)狀光伏、風力等并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏陣列、風機和并網(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(12)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，本地負載則直接從電網(wǎng)獲取所需電能。圖12并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖PWM控制技術(shù)的應用與發(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)應用于逆變器始于20世紀70年代末，但由于當時諧波問題不突出，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用，推動了PWM技術(shù)的應用與研究。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)備被廣泛應用于各類電力電子應用系統(tǒng)中，經(jīng)過國內(nèi)外專家學者多年的研究，PWM逆變器在電路拓撲結(jié)構(gòu)，數(shù)學模型，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；其拓撲結(jié)構(gòu)從單相、三相電路發(fā)展到多相組合及多電平拓撲電路；PWM開關(guān)控制由單純的硬開關(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逆變器拓撲結(jié)構(gòu)。在小功率應用場合，PWM逆變器拓撲結(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，其拓撲結(jié)構(gòu)的研究主要集中在多電平拓撲結(jié)構(gòu)和軟開關(guān)技術(shù)上。多電平拓撲結(jié)構(gòu)的PWM逆變器主要應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撲結(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(13)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)果是在負載端輸出分別為正和負的方波電壓。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，正弦波PWM逆變控制等。圖13 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，因此應用廣泛。特別是近年來，隨著風力發(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整流器拓撲結(jié)構(gòu)成為交流勵磁雙饋發(fā)電機變速恒頻風力發(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)域中的應用產(chǎn)生了不利影響。1995年， 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。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，導致系統(tǒng)不穩(wěn)定，輸入電流諧波畸變率增大。學者針對LCL濾波器的諧振問題，提出了許多增加阻尼的辦法，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，將導致諧振效應，影響系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。因此LCL 濾波的PWM整流器應用的關(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?；贚CL 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【3】。(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)均無法使系統(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)響應快、原理簡單，近年來直接功率控制已被越來越多地應用于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)，不能采用已有的有源阻尼方法。2005年，， 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坐標系進行控制計算，無需復雜的坐標變換和解耦控制，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。2004，F(xiàn)elipe 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。2005年， 和Jan Svensson 提出了改進的正負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2003 年Erika Twining 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 坐標系中網(wǎng)側(cè)電流調(diào)節(jié)器輸出經(jīng)坐標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。但實驗結(jié)果證明，該方法對于不平衡電網(wǎng)電壓有較強的魯棒性。基于LCL 濾波器的三相PWM 逆變器的控制策略的研究現(xiàn)狀分析可知，無差拍控制是研究較早的控制策略，控制策略的離散化便于數(shù)字化實現(xiàn)，但是無差拍控制需要的傳感器較多，所以無傳感器的研究成為研究重點。三閉環(huán)的控制策略是專門針對LCL 濾波器提出的，這種控制策略對不平衡電網(wǎng)電壓有較強的魯棒性，但是其原理復雜，控制器較難設(shè)計；直接功率控制是近年來較為新穎的一種控制策略，它是從常規(guī)三相電壓源型PWM逆變器的控制中延伸而來，控制原理和結(jié)構(gòu)簡單，采用查表技術(shù)，也便于數(shù)字實現(xiàn)，但其開關(guān)頻率不固定給濾波器參數(shù)選擇帶來一定困難。今后基于LCL 濾波器的PWM 整流器無傳感器控制、電網(wǎng)電壓不平衡控制和便于數(shù)字實現(xiàn)的控制將會成為研究的重點。  2. PWM逆變器的原理及數(shù)學模型簡單地說，逆變器就是一種將低壓(12或24伏或48伏)直流電轉(zhuǎn)變?yōu)?20伏交流電的電子設(shè)備。因為我們通常是將220伏交流電整流變成直流電來使用，而逆變器的作用與此相反，因此而得名。我們處在一個“移動”的時代，移動辦公，移動通訊，移動休閑和娛樂。在移動的狀態(tài)中，人們不但需要由電池或電瓶供給的低壓直流電，同時更需要我們在日常環(huán)境中不可或缺的220伏交流電，逆變器就可以滿足我們的這種需求。逆變器的種類很多，可按照不同的方法進行分類。 按逆變器輸出交流電能的頻率分，可分為工頻逆變器、中頻逆器和高頻逆變器。工頻逆變器的頻率為50～60Hz的逆變器；中頻逆變器的頻率一般為40Hz到十幾kHz；高頻逆變器的頻率一般為十幾kHz到MHz。按逆變器輸出的相數(shù)分，可分為單相逆變器、三相逆變器和多相逆變器。按照逆變器輸出電能的去向分，可分為有源逆變器和無源逆變器。凡將逆變器輸出的電能向工業(yè)電網(wǎng)輸送的逆變器，稱為有源逆變器；凡將逆變器輸出的電能輸向某種用電負載的逆變器稱為無源逆變器。按逆變器主電路的形式分，可分為單端式逆變器，推挽式逆變器、半橋式逆變器和全橋式逆變器。按逆變器主開關(guān)器件的類型分，可分為晶閘管逆變器、晶體管逆變器、場效應逆變器和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）逆變器等。又可將其歸納為“半控型”逆變器和“全控制”逆變器兩大類。前者，不具備自關(guān)斷能力，元器件在導通后即失去控制作用，故稱之為“半控型”普通晶閘管即屬于這一類；后者，則具有自關(guān)斷能力，即無器件的導通和關(guān)斷均可由控制極加以控制，故稱之為“全控型”，電力場效應晶體管和絕緣柵雙權(quán)晶體管（IGBT）等均屬于這一類。按直流電源分，可分為電壓源型逆變器（VSI）和電流源型逆變器（CSI）。前者，直流電壓近于恒定，輸出電壓為交變方波；后者，直流電流近于恒定，輸也電流為交變方波。按逆變器輸出電壓或電流的波形分，可分為正弦波輸出逆變器和非正弦波輸出逆變器。按逆變器控制方式分，可分為調(diào)頻式（PFM）逆變器和調(diào)脈寬式（PWM）逆器。1