CN102185339B - 一种三相光伏并网空间矢量调制序列的选择方法 - Google Patents

Abstract

一种三相光伏并网空间矢量调制序列的选择方法，包括：根据光伏并网实际使用的逆变器电路进行电路等效，建立等效电路；针对所述等效电路，在MathCAD中运用空间矢量调制原理，设定不同开关频率及死区时间，计算、比较不同SVM序列方式下，并网电流THD的变化情况及SVM序列损耗；最后根据所述计算、比较的结果，选择出在具体的逆变系统中，并网电流THD较小，效率较高的SVM方式。相对于传统逆变器的研制过程中为了确定用何种SVM序列而进行的各种繁琐的计算，本发明可快速选择出的并网电流THD较小，效率较高的SVM方式，加快了逆变器的研发进程，降低了光伏逆变器的研制成本。

Description

一种三相光伏并网空间矢量调制序列的选择方法

技术领域

本发明涉及一种空间矢量调制方法，特别是用于三相光伏并网的空间矢量调制方法。 

背景技术

当今世界经济飞速发展，全球范围内的能源问题日益突出，经济的可持续发展要求必须加快开发利用新能源。大规模的使用光伏发电系统是人们开发利用新能源的一种有效方式。光伏并网发电时，往电网注入电流是光伏并网逆变器普遍采取的一种方式，为了得到与电网同频同相的正弦波电流，在单相光伏并网逆变器中，大多数都采用的是SPWM(正弦波脉宽调制方式)，但在三相光伏并网发电系统中，为了克服SPWM调制过程中开关次数高，直流母线电压利用率低的缺点，引入了交流变频调速领域中的SVPWM(空间矢量脉宽调制技术)。与SPWM方式相比，SVPWM使得逆变桥的开关次数可以减少三分之一，直流母线电压可以提高15％，针对SVPWM，国内外学者进行了大量的学术研究，提出了很多简化的方法，充分利用现代高速数字信号处理器(如TI公司生产的C2000系列DSP)，这其中提高开关频率可以使调制滤波后的波形更接近正弦，THD控制的更好，但是提高开关频率又会增大开关损耗，这二者之间是不相容的。

因此，如何减少开关次数，使开关导通损耗得到降低从而提高逆变效率，如何使简化的数字控制方法调制出来的电流波形THD更小，如何用最短的时间开发出或是选择出最适合实际工程系统所需要的算法，都一直是新能源发电领域尤其是光伏发电行业的专家与工程师所努力追求的目标。 

发明内容

为了选择出适合与实际工程需要的算法，获得较低的并网电流THD，提高逆变效率，本发明的目的在于提供一种光伏并网空间矢量调制序列的选择方法。 

本发明解决其技术问题采用的技术方案为： 

一种三相光伏并网空间矢量调制序列的选择方法，根据光伏并网实际使用的逆变器电路进行电路等效，建立等效电路；针对所述等效电路，在MathCAD中运用空间矢量调制原理，设定不同开关频率及死区时间，计算、比较不同SVM序列方式下，并网电流THD的变化情况及SVM序列损耗；根据所述计算、比较 的结果，选择出在具体的逆变系统中，并网电流THD较小，效率较高的SVM方式。 

进一步， 

根据逆变器电路的主电路进行电路等效，所述逆变器的主电路包括逆变桥和变压器。 

计算、比较不同SVM序列方式下，并网电流THD的变化情况，具有如下步骤： 

a、假定并网电流功率因数为1，根据等效电路，计算出SVM的调制比，并假定电网电压理想，将等效电路分解为基波和谐波两种子电路； 

b、利用MathCAD写出步骤a所述调制比时的逆变器输出线电压波形，对其进行FFT分析，获得频谱，并采用MathCAD计算得到并网电流的各次谐波；

c、设定死区时间，范围从0到正常值，通过MachCAD，以图形方式比较不同SVM序列方式下，并网电流THD的变化情况。 

计算、比较不同SVM序列方式下，SVM序列损耗，具有如下步骤： 

a、假定直流母线电压稳定，逆变桥开关频率恒定； 

b、将开关不动作的区域放在电流最大处； 

c、在a，b，c坐标系下对Ua、Ub、Uc三相电压进行扇区划分，在电流更大的区域保持开关不动作，并在MathCAD下，以图形方式显示不同SVM序列方式对逆变系统整体效率的影响。 

本发明的有益效果在于： 

相对于传统逆变器的研制过程中为了确定用何种SVM序列而进行的各种繁琐的计算，可快速选择出的并网电流THD较小，效率较高的SVM方式，本发明提供的技术方案，可快速选择出的并网电流THD较小，效率较高的SVM方式，并使得逆变器的研发过程变的更为轻松，加快了逆变器的研发进程，使得光伏逆变器的研制成本得到了更进一步的降低，具有较大的工程意义。 

附图说明

图1三相光伏并网逆变器主电路 

图2逆变桥等效电路 

图3三相变压器等效电路 

图4三相光伏并网逆变器等效电路 

图5基波的逆变器等效电路 

图6谐波的逆变器等效电路 

图7SVM2方式的线电压频谱及并网电流谐波分布 

图8SVM5方式的线电压频谱及并网电流谐波分布 

图9SVM12方式的线电压频谱及并网电流谐波分布 

图10不同死区时间的几种SVM序列的THD比较 

图11ABC坐标系下的扇区划分(6扇区) 

图12ABC坐标系下的扇区划分(12扇区) 

图13几种SVM序列功率器件损耗的比较 

具体实施方式

本发明的一个具体实施例，一种三相光伏并网空间矢量调制序列的选择方法，具体实施如下： 

1)根据光伏并网逆变器的主电路，建立等效电路模型 

图1为光伏并网逆变器的主电路结构，对主电路结构中逆变桥(1)和变压器(2)进行电路等效。 

对于逆变桥(1)，定义如下的开关状态函数： 

$s_i\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& \mathrm{switch\; on}\\ 0& \mathrm{switch\; off}\end{array}\right.i\∈\left\{\mathrm{1,2,3,4,5,6}\right\}$

当V_dc保持恒定时，逆变器的输出线电压V_AB、V_BC和V_CA就可以由下式表示： 

$\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{AB}}\left(t\right)\\ V_{\mathrm{BC}}\left(t\right)\\ V_{\mathrm{CA}}\left(t\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{S}_1\left(t\right)-S_3\left(t\right)\\ S_3\left(t\right)-S_5\left(t\right)\\ S_5\left(t\right)-S_1\left(t\right)\end{array}\right]\×V_{\mathrm{dc}}$

于是逆变桥的等效电路如图2所示。 

对于三相变压器(2)，可以用图3中所示电路进行等效，其中r_A、r_a、L_AL、L_aL分别为A相原副边的电阻和漏感，K为变比。 

所以，整个光伏逆变的等效电路如图4所示，其中 

r＝r_A+K²r_a

L₂＝L_AL+K²L_aL

2)计算、比较不同SVM序列方式下，并网电流THD的变化情况 

首先，通过等效电路计算SVM的调制比，如图4、图5、图6所示，等效电路中的滤波网络可以看做线性电路，满足叠加定理，于是可以将其中的电源分解为基波和谐波分别计算，考虑电网电压理想，则等效电路可以分解为基波和谐波两种子电路。 

考虑并网电流功率因数为1，对电路的基波分量进行计算，对图5所示电路进行计算，可以得到： 

$\stackrel{\→}{U_{\mathrm{AB}}}=(\stackrel{\→}{I_{A2\_1}}-\stackrel{\→}{I_{B2\_1}})[j({\mathrm{\ωL}}_1+{\mathrm{\ωL}}_2-3{\mathrm{\ω}}^3{L}_1{L}_{2}C)+r-3{\mathrm{\ω}}^2{L}_1\mathrm{Cr}]$

$+K(\stackrel{\→}{u_{\mathrm{ca}}}-\stackrel{\→}{u_{\mathrm{bc}}})(3j{\mathrm{\ωL}}_1+\mathrm{j\ω}{L}_2+r)/(j{\mathrm{\ωL}}_2+r)$

$\stackrel{\→}{U_{\mathrm{BC}}}=(\stackrel{\→}{I_{B2\_1}}-\stackrel{\→}{I_{C2\_1}})[j({\mathrm{\ωL}}_1+{\mathrm{\ωL}}_2-3{\mathrm{\ω}}^3{L}_1{L}_{2}C)+r-3{\mathrm{\ω}}^2{L}_1\mathrm{Cr}]$

$+K(\stackrel{\→}{u_{\mathrm{bc}}}-\stackrel{\→}{u_{\mathrm{ca}}})(3j{\mathrm{\ωL}}_1+\mathrm{j\ω}{L}_2+r)/(j{\mathrm{\ωL}}_2+r)$

$\stackrel{\→}{U_{\mathrm{CA}}}=(\stackrel{\→}{I_{C2\_1}}-\stackrel{\→}{I_{A2\_1}})[j({\mathrm{\ωL}}_1+{\mathrm{\ωL}}_2-3{\mathrm{\ω}}^3{L}_1{L}_{2}C)+r-3{\mathrm{\ω}}^2{L}_1\mathrm{Cr}]$

$+K(\stackrel{\→}{u_{\mathrm{bc}}}-\stackrel{\→}{u_{\mathrm{ca}}})(3j{\mathrm{\ωL}}_1+\mathrm{j\ω}{L}_2+r)/(j{\mathrm{\ωL}}_2+r)$

因此，调制比M可用下式计算： 

$M=\frac{\sqrt{2}{U}_{\mathrm{AB}}}{V_{\mathrm{dc}}}$

对图6所示电路进行计算，可得电感上的电流公式和变压器上的电流公式： 

$\stackrel{\→}{I_{A1n}}=\frac{(2\stackrel{\→}{U_{\mathrm{ab}}}+\stackrel{\→}{U_{\mathrm{bc}}})(3j{\mathrm{\ω}}_n\mathrm{Cr}+1-3j{{\mathrm{\ω}}_n}^2{L}_{2}C)}{3(j{\mathrm{\ω}}_n{L}_1+j{\mathrm{\ω}}_n{L}_2-3j{{\mathrm{\ω}}_n}^2{L}_1{L}_{2}C-3{{\mathrm{\ω}}_n}^2{L}_1\mathrm{Cr}+r)}$

$\stackrel{\→}{I_{B1n}}=\frac{(-\stackrel{\→}{U_{\mathrm{ab}}}+\stackrel{\→}{U_{\mathrm{bc}}})(3j{\mathrm{\ω}}_n\mathrm{Cr}+1-3j{{\mathrm{\ω}}_n}^2{L}_{2}C)}{3(j{\mathrm{\ω}}_n{L}_1+j{\mathrm{\ω}}_n{L}_2-3j{{\mathrm{\ω}}_n}^2{L}_1{L}_{2}C-3{{\mathrm{\ω}}_n}^2{L}_1\mathrm{Cr}+r)}$

$\stackrel{\→}{I_{C1n}}=\frac{-(\stackrel{\→}{U_{\mathrm{ab}}}+2\stackrel{\→}{U_{\mathrm{bc}}})(3j{\mathrm{\ω}}_n\mathrm{Cr}+1-3j{{\mathrm{\ω}}_n}^2{L}_{2}C)}{3(j{\mathrm{\ω}}_n{L}_1+j{\mathrm{\ω}}_n{L}_2-3j{{\mathrm{\ω}}_n}^2{L}_1{L}_{2}C-3{{\mathrm{\ω}}_n}^2{L}_1\mathrm{Cr}+r)}$

$\stackrel{\→}{I_{A2n}}=\frac{2\stackrel{\→}{U_{\mathrm{ab}}}+\stackrel{\→}{U_{\mathrm{bc}}}}{3(j{\mathrm{\ω}}_n{L}_1+j{\mathrm{\ω}}_n{L}_2-3j{{\mathrm{\ω}}_n}^2{L}_1{L}_{2}C-3{{\mathrm{\ω}}_n}^2{L}_1\mathrm{Cr}+r)}$

$\stackrel{\→}{I_{B2n}}=\frac{-\stackrel{\→}{U_{\mathrm{ab}}}+\stackrel{\→}{U_{\mathrm{bc}}}}{3(j{\mathrm{\ω}}_n{L}_1+j{\mathrm{\ω}}_n{L}_2-3j{{\mathrm{\ω}}_n}^2{L}_1{L}_{2}C-3{{\mathrm{\ω}}_n}^2{L}_1\mathrm{Cr}+r)}$

$\stackrel{\→}{I_{C2n}}=\frac{-(\stackrel{\→}{U_{\mathrm{ab}}}+2\stackrel{\→}{U_{\mathrm{bc}}})}{3(j{\mathrm{\ω}}_n{L}_1+j{\mathrm{\ω}}_n{L}_2-3j{{\mathrm{\ω}}_n}^2{L}_1{L}_{2}C-3{{\mathrm{\ω}}_n}^2{L}_1\mathrm{Cr}+r)}$

然后，运用SVM的原理用MathCad写出所得调制比时的逆变器输出线电压波形，对其做FFT，获得其频谱，再由上面公式可计算，可得并网电流各次谐 波，如图7、图8和图9分别为SVM2、SVM5和SVM12三种序列的线电压频谱和并网电流分布(直流电压Vdc＝730V，输出功率Po＝100kW，输出电压Vo＝165V，开关频率fs＝5.1kHz，死区时间Td＝4μs)。 

如图10所示，在本次假定的逆变系统中，不考虑死区时，SVM2序列由于对称性最好，并网电流THD最小。考虑死区时，SVM5和SVM12序列由于开关次数为SVM2的三分之二，死区带来的误差电压影响较SVM2小，在一定的死区情况下，并网电流THD反而较小，死区设置不同时，能获得最小THD的SVM序列也不相同，通常考虑Td＝4μs时，三种序列的THD都能满足要求(小于3％)，采用SVM5能获得最小的THD。 

3)计算、比较不同SVM序列方式下，SVM序列损耗 

由前面公式可知，功率器件的开关损耗取决于直流母线电压，开关频率以及开关时的电流。在相同的采样周期的情况下，SVM5和SVM12能减少三分之一的开关次数，等效的开关频率降低，因此能够有效地减少损耗。假设直流母线电压，开关频率保持不变，功率器件的开关损耗和开关时的电流是单调的递增关系。因此尽可能的将开关不动作的区域放在电流最大处，能有效地减小开关损耗。 

如图11所示，ABC坐标系下扇区的划分Ua、Ub和Uc分别为三相电压，并网逆变器一般要求功率因数为1，因此Ia和Ua同相，Ib和Ub同相，Ic和Uc同相。由图7可知，对于A相来说，SVM5序列在扇区1和扇区3内保持开关不动作，其他两相的结果和A相相同。若能将不开关的区域向左移30°，在电流更大的区域能保持开关不动作，能进一步的减小开关损耗。对于SVM12序列，每相开关不动作的区域都在峰值前后30°的范围之内(对于A相即为图中的扇区12、1、6和7)。所以SVM12相比于SVM5序列更能减少开关损耗，提高效率。 

通过前面的分析可知，虽然SVM12比SVM5序列有着更高的效率，但是效率的提升并不明显，同时考虑到SVM5序列能获得相对较好的THD，因此在本次假定的逆变条件下，采用SVM5序列的SVPWM调制方式能够使该光伏并网逆变器在整体性能上保持最优。 

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。 

Claims (2)

1.一种三相光伏并网空间矢量调制序列的选择方法，其特征在于：根据光伏并网实际使用的逆变器电路进行电路等效，建立等效电路；针对所述等效电路，在MathCAD中运用空间矢量调制原理，设定不同开关频率及死区时间，计算、比较不同SVM序列方式下，并网电流THD的变化情况及SVM序列损耗；根据所述计算、比较的结果，在具体的逆变系统中，对并网电流THD和SVM进行选择；

所述并网电流THD的变化情况，具有如下步骤：a、假定并网电流功率因数为1，根据所述的等效电路，计算出SVM的调制比，并假定电网电压理想，将上述等效电路分解为基波和谐波两种子电路；b、利用MathCAD写出步骤a所述调制比时的逆变器输出线电压波形，对其进行FFT分析，获得频谱，并采用MathCAD计算得到并网电流的各次谐波；c、设定死区时间，范围从0到4μs，通过MathCAD，以图形方式比较不同SVM序列方式下，并网电流THD的变化情况；

所述SVM序列损耗，具体如下步骤：a、假定直流母线电压稳定，逆变桥开关频率恒定；b、将开关不动作的区域放在电流最大处；c、在a，b，c坐标系下对Ua、Ub、Uc三相电压进行扇区划分，将不开关的区域向左移30°，在电流更大的区域保持开关不动作，并在MathCAD下，以图形方式显示不同SVM序列方式对逆变系统整体效率的影响。

2.根据权利1所述的一种三相光伏并网空间矢量调制序列的选择方法，其特征在于，根据逆变器电路的主电路进行电路等效，所述逆变器的主电路包括逆变桥和变压器。

Images