固緯電子電力電子教學(xué)小課堂 | 第五講: 后級三相逆變電路(SVPWM)
PTS-5000系列之PEK-550三相光伏逆變器原理分解
(二)兩級式逆變器控制——后級三相逆變電路(SVPWM)
寫(xiě)在前面的話(huà)
去年9月，習主席在聯(lián)合國大會(huì )上宣布：中國二氧化碳排放2030年前達峰、2060年前實(shí)現碳中和。這份莊嚴承諾，彰顯了中國積極應對氣候變化、推動(dòng)構建人類(lèi)命運共同體的大國擔當。全球190多個(gè)國家再次形成高度共識，共同應對全球氣候變化。在碳中和背景下的“新石油”，光伏將會(huì )是未來(lái)能源發(fā)展的第一主角！
為了使學(xué)生可以快速學(xué)習掌握新興的光伏發(fā)電技術(shù),固緯PTS-5000系列應運而生.針對新能源技術(shù)做出了全面的實(shí)驗教學(xué)課程。本次我們所講解的PEK-550模塊是一個(gè)三相升壓逆變光伏并網(wǎng)系統，是一個(gè)完整的獨立性小型發(fā)電并網(wǎng)系統仿真。PEK-550模塊的電路圖及實(shí)物圖如下：
PEK-550
扇區的分類(lèi)與選擇：
根據下圖我們可以了解到三相逆變電路一共有6個(gè)開(kāi)關(guān)管，由于不能形成短路，所以每?jì)蓚€(gè)開(kāi)關(guān)管可以構成一個(gè)組合，這樣的組合共有3個(gè)。
我們分別用字母A，B，C來(lái)代表該三組開(kāi)關(guān)管。假設0表示上開(kāi)關(guān)管閉合，下開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)；1表示下開(kāi)關(guān)管閉合，上開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)。
因此這樣一共有8種組合形式，分別為：000,001,010,011,100,101,110,111
我們可以很容易看出當出現000或者111時(shí)，電路處于斷開(kāi)的狀態(tài)，此時(shí)電路是輸出為0，因此有效的開(kāi)關(guān)組合只有6種。以下分別列舉了6中開(kāi)關(guān)狀態(tài)下的輸出相電壓與線(xiàn)電壓：
根據上表我們可知每種狀態(tài)可生成一個(gè)向量可組成一個(gè)正六邊形，將空間均分為6部分。具體如下圖所示：
我們在正六邊形中做一個(gè)內切圓，其中圓的半徑就是該逆變器所能輸出的最大電壓。由于我們采用的是等幅值變換，故：
根據上圖可知：
故：
只要市網(wǎng)電壓的線(xiàn)電壓小于等于直流電源的電壓逆變器就可以正常工作。為了能夠確定任意時(shí)刻合成向量的位置，我們需要將向量空間進(jìn)行劃分為6個(gè)區域，在每個(gè)區域內由區域的邊界向量作為基向量進(jìn)行合成。為了確定合成向量的區域，我們采用三條經(jīng)過(guò)原點(diǎn)的直線(xiàn)來(lái)判斷合成向量的位置。如下圖所示：
如上圖所示的三條直線(xiàn)L1,L2,L3可以用來(lái)判斷響亮所在區域。令
通過(guò)上表可知，經(jīng)過(guò)判斷N的大小就可以確定合成向量目前所處的區間了。將上述的區間選擇方法用PSIM搭建硬件電路如下：
從V56到V61分別表示扇區I到扇區VI，我們可以從上圖看出，隨著(zhù)時(shí)間的推移，合成向量依次經(jīng)過(guò)I,II,III,IV,V,VI六個(gè)扇區，其仿真結果也是符合要求的。
合成向量的表示方法：
接下來(lái)就是我們通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通順序來(lái)產(chǎn)生所需的向量了。目前常用的分為5段式和7段式兩種開(kāi)關(guān)方式。但是考慮到散熱以及諧波問(wèn)題，我采用了7段式開(kāi)關(guān)導通方式。5段式開(kāi)關(guān)方式雖然相對于7段式開(kāi)關(guān)方式減少了三分之一的開(kāi)關(guān)次數，但是由于一種開(kāi)關(guān)狀態(tài)長(cháng)期導通會(huì )導致開(kāi)關(guān)管的散熱不平衡，每組中的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管使用頻率不平衡。同時(shí)，5段式產(chǎn)生的諧波含量較多并且諧波頻率較低，對后續的濾波要求較高。除此之外，7段式可以有兩次產(chǎn)生的向量與要求向量重合，可以提高系統的準確型，而且高頻率的開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的諧波頻率較高相對容易剔除。盡管如此，5段式相對于7段式還存在一個(gè)顯著(zhù)的優(yōu)勢就是能量損耗。開(kāi)關(guān)管的導通與關(guān)斷損耗占系統損耗相當大一部分，因此在降低開(kāi)關(guān)管損耗方面的5段式明顯占優(yōu)。綜上所述，我們三相逆變是為了并網(wǎng)對電壓質(zhì)量要求較高，因此還是選擇了7段式。
以區域I為例，我們來(lái)分析一下7段式的具體開(kāi)關(guān)操作：
由于開(kāi)關(guān)模式000與111逆變器斷開(kāi)，那么產(chǎn)生的電壓為0所以處于原點(diǎn)位置。
圖中的紅色線(xiàn)條的開(kāi)關(guān)方式為：000，100，110，111，110，100，000。
藍色線(xiàn)條的開(kāi)關(guān)方式為：111，110，100，000，100，110，111。
注意觀(guān)察上述開(kāi)關(guān)方式我們可以發(fā)現，每次開(kāi)關(guān)狀態(tài)發(fā)生調整基本上只改變了一組開(kāi)關(guān)管并且做到了每個(gè)開(kāi)關(guān)管開(kāi)斷頻率平衡均勻散熱。
不妨我們采用紅色路徑，同理去分析其他區域的開(kāi)關(guān)順序如下表：
開(kāi)關(guān)管導通時(shí)間的計算：
目前我們已經(jīng)解決了向量的表示問(wèn)題以及開(kāi)關(guān)管的導通順序，我們現在只需要通過(guò)計算每個(gè)管子的導通時(shí)間來(lái)產(chǎn)生想要的向量幅值及角度即可。我們仍然以區間I為例，計算當向量處于該區間時(shí)的開(kāi)關(guān)管導通時(shí)間的計算。
假設開(kāi)關(guān)管的導通信號PWM的周期為T(mén)pwm。根據上圖可知，
根據上面我們的開(kāi)關(guān)管導通順序可知在I區域導通順序為000，100，110，111，110，100，000。為了盡可能使每個(gè)開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)間均勻分布，我們采用以下開(kāi)關(guān)導通時(shí)間分布：
同理，我們可以算出在其他區域時(shí)的開(kāi)關(guān)時(shí)間：
觀(guān)察上表，我們可以發(fā)現，開(kāi)通時(shí)間的表達式許多相同，因此我們可以通過(guò)條件判斷來(lái)選擇表達式。不妨令
那么上表就可簡(jiǎn)化為：
如果其中兩個(gè)開(kāi)關(guān)管導通方式的導通時(shí)間之和超過(guò)Tpwm，則就超出了逆變器可以輸出的范圍。因此，這種情況下需要進(jìn)行調制如下所示：
將上述的開(kāi)關(guān)管導通時(shí)間計算在電路仿真中進(jìn)行驗證如下圖所示：
實(shí)驗結果及分析：
V53，V54，V55分別表示X，Y，Z的結果。由于合成向量在坐標系中做圓周運動(dòng)，因此在坐標軸中的投影是一個(gè)正弦信號，所以每個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)的導通時(shí)間也是一個(gè)隨時(shí)間變化的正弦信號。
開(kāi)關(guān)管切換時(shí)間計算：
根據上述我們已經(jīng)可以計算出三相逆變橋的開(kāi)關(guān)管的導通順序以及每個(gè)狀態(tài)的開(kāi)關(guān)時(shí)間。目前我們需要計算出每個(gè)扇區每個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)的切換時(shí)間，也就是生成相對應的開(kāi)關(guān)管的控制信號，該控制方式就被稱(chēng)為SVPWM控制。
仍然以扇區I為例，我們可以根據上述得出開(kāi)關(guān)管的導通時(shí)間。因此，在每個(gè)狀態(tài)的結束就是下個(gè)狀態(tài)的切換時(shí)間，假設A組管在扇區I的導通時(shí)間為PWMa，B組管在扇區I的導通時(shí)間為PWMb，C組管在扇區I的導通時(shí)間為PWMc，其余扇區以此類(lèi)推。故：
根據上式以及上圖我們可以得出下述表格：
根據上述表格我們可以計算出每個(gè)開(kāi)關(guān)管的導通狀態(tài)切換時(shí)間，但是為了能夠在準確的時(shí)間發(fā)出準確的信號，我們采用與三角波（必須是等腰三角形才能保癥準確的時(shí)間輸出相對應的電平）相比較的辦法實(shí)現。其中三角波頻率為40K，峰峰值電壓應該恰好等于Tpwm/2，保證其底角為45度。
根據上表可知每個(gè)扇區的開(kāi)關(guān)管切換時(shí)間如何計算實(shí)現，因此將其轉化為硬件電路如下圖所示：
實(shí)驗結果：
在上述的理論計算與實(shí)際硬件電路的搭建過(guò)程中，我們完成了一個(gè)完整的SVPWM控制的三相逆變電路，仿真時(shí)間為0.2S。其結果如下圖所示：
總結：本根據上面的仿真我們可以看到逆變器在60ms后可以穩定輸出三相電壓，因此為后續的雙閉環(huán)控制并網(wǎng)環(huán)節奠定了基礎，在后續的推送中我們將繼續分解三相逆變電路的仿真。歡迎大家繼續關(guān)注。