【正文】 rter。 Midpoint Voltage Balance。在某種意義上講，人類社會(huì)的發(fā)展離不開(kāi)優(yōu)質(zhì)能源的出現(xiàn)和先進(jìn)能源技術(shù)的使用。 在人類文明史上，人類不斷地從自然索取和探尋適合生存和發(fā)展的各種能源，能源的使用一定程度反應(yīng)了人類進(jìn)步的步伐，從原始社會(huì)開(kāi)始，化石能源逐漸成為能源的主要來(lái)源，這種狀況一直延續(xù)到科技發(fā)達(dá)的今天。 在當(dāng)今世界，能源的發(fā)展，能源和環(huán)境，是全世界、全人類共同關(guān)心的問(wèn)題， 也是我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要問(wèn)題。自二十世紀(jì)八十年代以來(lái)工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家充分利用自身的優(yōu)勢(shì)， 巨資加速光伏發(fā)電技術(shù)，大規(guī)模的投資有力的推動(dòng)了技術(shù)的進(jìn)步，從而光伏發(fā)電技術(shù)日趨成熟，步入了實(shí)用的商業(yè)化階段?！笆濉蹦茉匆?guī)劃中提出：“ 推進(jìn)能源科技創(chuàng)新 ， 大力發(fā)展風(fēng)能、太陽(yáng)能、生物質(zhì)能以及清潔煤利用、核能、智能電網(wǎng)、新能源汽車(chē)、分布式能源等新興能源科技裝備技術(shù) 。 2021 年中國(guó)光伏發(fā)電裝機(jī)容量已達(dá)750 萬(wàn)千瓦，占全球市場(chǎng)的 44%，這標(biāo)志著太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入規(guī)?；瘧?yīng)用階段?？梢?jiàn)，我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)正在高速發(fā)展中。它的出現(xiàn)為高壓大功率逆變器的研究開(kāi)辟了一條新的思路，其后在高壓大容量變換場(chǎng)合得到了廣泛的應(yīng)用。 然而，在三電平及多電平電路的研究和應(yīng)用中，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)器件眾多以及電路自身問(wèn)題，比如中點(diǎn)電位不平衡問(wèn)題，所以需要對(duì)其開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行合理控制。 PWM（ Pulse Width Modulation） 控制技術(shù)就是 對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，即 利用開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通關(guān)斷把直流電壓變成一定形狀的電壓脈沖序列，以實(shí)現(xiàn)輸出變頻、調(diào)壓并有效 地控制和消除諧波的一種技術(shù)。而這些 PWM 控制思想也可以推廣到多電平變換器的控制中。但是多電平變換器 PWM 控制的目標(biāo)多、性能指標(biāo)要求高，其 PWM 控制技術(shù)較復(fù)雜。所以，研究和應(yīng)用多電平 PWM 控制技術(shù)首先應(yīng)先從三電平 PWM 控制技術(shù)的研究做起。 PWM控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀 三電平逆變器的 PWM 技術(shù)是逆變器研究中的關(guān)鍵控制技術(shù)，它與逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的提出而共生， 不僅決定著逆變的實(shí)現(xiàn)與否，而且也對(duì)系統(tǒng)的輸出波形質(zhì)量，損耗和效率有著直接影響。 主要 方法 是載波層疊法（ Carrier Disposition PWM），它是從兩電平載波調(diào)制方法中直接擴(kuò)展而來(lái)，是由兩組頻率和幅值相同的三角載波上下層疊，且兩組載波對(duì)稱分布于同一個(gè)調(diào)制波的正負(fù)半波，通過(guò)調(diào)制波分別與兩個(gè)載波的比較結(jié)果控制開(kāi)關(guān)器件動(dòng)作。 （ 2）正負(fù)反相層疊式（ Phase Opposition Disposition， POD），這種方法是使零值以上的載波相位和零值以下的載波相位相反。此外，多電平的載波調(diào)制 PWM 技術(shù)又發(fā)展初交替反向?qū)盈B式（ Alternative Phase Opposition Disposition， APOD）和載波移相法（ Phase Shift Carrier PWM）。 （ 2）特定諧波消除法 [2 15 16] 特定諧波消除法（ Selected Harmonic Elimination PWM， SHEPWM）是根據(jù) SPWM調(diào)制后輸出的電壓波形，預(yù)先確定 α1， α2， …… ， αn這 n個(gè)未知量角度，傅立葉分解后，然后根據(jù)要消去的 2k+1（ k=1， 2,……n ）次諧波，列出 n個(gè)非線性方程組。微處理器根據(jù)這 n個(gè)角度，發(fā)出脈沖去控制功率管，得到理想的輸出波形（不含有所消去的諧波） 。它以三相正弦交流參考電壓用一個(gè)旋轉(zhuǎn)的電壓矢量來(lái)代替 它是從電動(dòng)機(jī)的角度出發(fā)的，著眼于如何使電機(jī)獲得幅值恒定的圓形磁場(chǎng)，即正弦磁通?？臻g矢量調(diào)制方法在大范圍調(diào)制比內(nèi)有很好的性 能，具有很小的輸出諧波含量和較高的電壓利用率。 在光伏發(fā)電技術(shù)日趨成熟的今天，三電平逆變電路已經(jīng)成為逆變?cè)O(shè)備的首選結(jié)構(gòu)，是目大容量、高壓電機(jī)高速的主要實(shí)現(xiàn)方式之一，和傳統(tǒng)的逆變電路相比主要有能夠承受高電壓、電壓電流上升率低等優(yōu)點(diǎn)。本文選擇二極管箝位型三電平逆變器作為主要的研究對(duì)象。 （ 2） 研究了三電平逆變器的工作原理，詳細(xì)分析了二極管箝位型三電平逆變 器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制要求 以及三電平逆變器的中點(diǎn)不平衡問(wèn)題 。 （ 4） 在三電平逆變器并網(wǎng)控制方式上，采用電壓外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了直流側(cè)電壓與網(wǎng)側(cè)電流的控制。中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 4 頁(yè) 第二章 太陽(yáng)能電池工作原理 和電路特性 太陽(yáng)能電池是利用光伏技術(shù) (PV)制作 ,直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?,具有應(yīng)用方便 ,不需要燃料 ,無(wú)氣體排放 ,無(wú)任何污染 ,不會(huì)破壞生態(tài)環(huán)境 ,可再生等特點(diǎn) ,對(duì)解決當(dāng)前日益嚴(yán)重的能源短缺與環(huán)境污染問(wèn)題有著重要的意義。以光電效應(yīng)工作的 薄膜 式太陽(yáng)能電池為主流，而以光化學(xué)效應(yīng)工作的濕式太陽(yáng)能電池則還處于萌芽階段。它們的發(fā)電原理基本相同 。這個(gè)過(guò)程的實(shí)質(zhì)就是光子能量轉(zhuǎn)換成電能的過(guò)程。 理想 PN 結(jié)的電流和電壓（ IV）關(guān)系如下 [4]： ??????? 1)KTqVe x p(II 0 （ ） 其中 I 為 PN 結(jié)的電流（ A） 。V 為外加電壓（ V）； q 是電子電荷（ 19? ） 。T 是絕 對(duì)溫度（ K）。考慮到這些因素，通常采用 如圖所示 的等效電路 [4]。一般太陽(yáng)光照變化比較緩慢，所以在分析系統(tǒng)時(shí)，可以忽略結(jié)電容 jC 的影響，按圖中所示電流，電壓方向下，此時(shí) PN 結(jié)有如下 IV方程 [5]： LIdIjCsRshRIV圖 太陽(yáng)能電池等效電路 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 5 頁(yè) shS0L R IRV1)nKTqVe x p(III ????????? （ ） 其中， n 為二極管因子，取值范圍為 1～ 5。表示在不存在有效的電場(chǎng)的情況下， PN 結(jié)內(nèi)建立靜電場(chǎng)是光伏效應(yīng)的主要來(lái)源，內(nèi)建靜電場(chǎng)越強(qiáng)，它使非平衡電子和空穴各自己向相反方向 的漂移，從而在半導(dǎo)體材料兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)越高，開(kāi)路電壓 Voc 就越高。在一定的光照條件下，光伏電池激發(fā)的電子 空穴是一定的， 即光電流 LI 的特性類似一個(gè)恒流源，所以即使外電路短路，輸出的電流也不會(huì)無(wú)限增加。工作點(diǎn)不同，光伏電池輸出的功率也會(huì)不同， UI 曲線上能夠使輸出功率達(dá)到最大的值的點(diǎn)稱為最大功率點(diǎn)（ MAXP ），其對(duì)應(yīng)的電壓和電流稱為最大功率點(diǎn)電壓 mV 和 最大功率點(diǎn)電流mI （ 4）最大功率點(diǎn)電壓（ mV ） （ 5）最大功率點(diǎn)電流（ mI ） 太陽(yáng)能電池的工作特性 太陽(yáng)能電池的工作主要用它的 IV 和 PV 特性來(lái)描述，其特性為非線性。 此 外，光伏電池的的輸出特性受到外界環(huán)境的影響，其中起主要因素有光照和溫度。 如圖（ 2）所示 隨著日照強(qiáng)度的降低，總體效果會(huì)造成太陽(yáng)能電池輸出功率的降低?？傮w來(lái)說(shuō)，溫度升高會(huì)造成光伏電池輸出功率的下降，如圖（ 4）所示。由此，串聯(lián)電阻 SR 越大其損耗的功率就越高，則系統(tǒng)的輸出功率就越低。它不但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣泛，而且其控制策略也相對(duì)簡(jiǎn)單。 綜上所述， 和傳統(tǒng)的兩電平逆變器相比，三電平逆變器具有以下優(yōu)點(diǎn)： （ 1） 每個(gè)功率器件承受的電壓值僅為直流側(cè)母線電壓的一半，因此使用更低耐壓器件能夠?qū)崿F(xiàn)高壓、高功率的輸出和免除了動(dòng)態(tài)電壓回路； （ 2） 波形質(zhì)量改善的同時(shí)降低了開(kāi)關(guān)頻率，因此開(kāi)關(guān)損耗減少，實(shí)現(xiàn)系 統(tǒng)的高利用率； 輸出電平數(shù)增多，輸出電壓波形得到改善，諧波總會(huì)量減少； （ 3） 和兩電平相比電壓變化率和電流變化率明顯減少，提高系統(tǒng)抵抗電磁干擾的能力； （ 4） 輸出端未使用變壓器，系統(tǒng)的體積和的損耗大幅度減少。 箝位二極管的作用是當(dāng)開(kāi)關(guān)器件開(kāi)通時(shí)，通過(guò)的二極管的箝位作用將電路的輸出電平穩(wěn)定在一個(gè)固定值，從而實(shí)現(xiàn)事先設(shè)定電路的輸出電平值；當(dāng)開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷時(shí)，同樣通過(guò)二極管的箝位作用將開(kāi)關(guān)器件兩端承受的電壓限制在一定的值之內(nèi)，避免了過(guò)電壓損壞開(kāi)關(guān)器件 [6]。 具體的 如下 ： （ 1） 當(dāng) Sa1和 Sa2導(dǎo)通，而 Sa3和 Sa4關(guān)斷時(shí)：如負(fù)載電流為正即（假設(shè)電流由主開(kāi)關(guān)流入負(fù)載為正），電流流過(guò) Sa1和 Sa2，忽略管壓降， 則輸出端與 C1 正端接通，相對(duì)直流側(cè)中點(diǎn)n 點(diǎn)輸出電壓為 Vdc/2，如果電流為負(fù)向，電流流過(guò) Sa1和 Sa2對(duì)應(yīng)的續(xù)流二極管， A 相輸出的電壓仍為 Vdc/2。 a1Sa2Sa4Sa3Sn1C2Cd c 1Vd c 2VdcV +++a1Da2D a1Sa2Sa4Sa3Sn1C2Cd c 1Vd c 2VdcV +++a1Da2D (a) (b) a1Sa2Sa4Sa3Sn1C2Cd c 1Vd c 2VdcV +++a1Da2D a1Sa2Sa4Sa3Sn1C2Cd c 1Vd c 2VdcV +++a1Da2D (c) (d) a1Sa2Sa4Sa3Sn1C2Cd c 1Vdc2VdcV +++a1Da2D a1Sa2Sa4Sa3Sn1C2Cd c 1Vd c 2VdcV +++a1Da2D (e) (f) 圖 三電平逆變器 a 相電流流通路徑 通過(guò)對(duì)電路開(kāi)關(guān)狀態(tài)的分析可以看出，開(kāi)關(guān)器件 Sa1和 Sa3,Sa2和 Sa4是工作在對(duì)應(yīng)互補(bǔ)開(kāi)通狀態(tài)的，為了防止對(duì)應(yīng)互補(bǔ)的開(kāi)關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通而造成直流側(cè)短路，因此在互補(bǔ)的開(kāi)關(guān)器件控制信號(hào)中應(yīng)該加入死區(qū)時(shí)間。因此，中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 9 頁(yè) 三電平逆變器的基本控制規(guī)律為：每相橋臂四個(gè)開(kāi)關(guān)器件 Sj1和 Sj3,Sj2和 Sj4兩兩對(duì)應(yīng)互補(bǔ)開(kāi)通；同一時(shí)刻總是兩個(gè)相鄰開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通，其他兩個(gè)關(guān)斷；在輸出狀態(tài)改變過(guò)程中只能有一組互補(bǔ)的開(kāi)關(guān)器件的控制信號(hào)變化。 表 1 三電平逆變器 A 相開(kāi)關(guān)狀態(tài) A 相 狀態(tài)變化 變換前的功率器件狀態(tài) 變化后的功率器件狀態(tài) Sa1 Sa2 Sa3 Sa4 Sa1 Sa2 Sa3 Sa4 0 1 + + + + 1 0 + + + + 0 1 + + + + 1 0 + + + + 和兩電平逆變器的開(kāi)關(guān)功能類似，三電平逆變器的定義如下。 開(kāi)頭函數(shù)如下： ),()E21(1)0(0E211i????????????? cbaiSdiidi??? ）（ （ ） 換而言之，每個(gè)橋臂能夠用一個(gè)開(kāi)關(guān)代替，據(jù)此，我們能夠建立三電平逆變器的簡(jiǎn)化模型（含負(fù)載）如圖 所示。因?yàn)橥幌嗟娜齻€(gè)開(kāi)關(guān)不可能同時(shí)閉合或斷開(kāi)，所以 ipS 、 ioS 、 inS 必滿足： ipS + ioS + inS =0 根 據(jù)圖 所 示，可以得出三相電流微分方程式： CCcsC N 39。aaasA N 39。B N 39。 ?????????????????????????????????????????????????????????????????LE)S( 3 SLELE)S( 3 SLELE)S( 3 SLEiiiLRLRLRitdditdditdda*cda*bda*adcbacba666000000 （ ） 其中 cba* SSSS ??? A CA CA CaEbE