光伏逆变器的脉宽调制技术

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4.4.1 单相单极性SPWM
以右图单相全桥式DC/AC逆变电路来 说明单极性SPWM逆变的工作原理。 图中，VF1～VF4四只功率开关管构 成全桥式逆变电路，VF1～VF4的通/ 断受SPWM信号控制，SPWM驱动脉 冲宽度由正弦调制波Ur和三角载波 Uc决定。单极性SPWM控制的逆变电 路工作方式遵照以下原则：VF1和 VF2通/断互补，VF3和VF4通/断互补； 功率开关管VF1～VF4的通/断变化是 在Ur和Uc相交的时刻。单相单极性 SPWM的波形，Ug1～Ug4分别为 VF1～VF4上的驱动信号，Uo为逆变 电路的输出信号。
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产生单极性PWM模式的基本原理
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4.3.2 双极性PWM模式
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双极性PWM控制模式调制原理
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双 极 性 PWM 控 制 模 式 采 用 的 是 正负交变的双极性三角载波ut与调 制波ur，如左图所示，可通过ut与ur 的比较直接得到双极性的PWM脉冲， 而不需要倒相电路。
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4.5 SPWM实现方案
3）面积等效法（或等面积法）。将半个周期的正弦波分成N等份，把正弦波分成N个宽度相等、 幅值不等的相连的脉冲，脉冲幅值整体按正弦规律变化。用相同数量的等幅不等宽的矩形脉冲 序列代替上述脉冲序列，要求各个矩形脉冲与所对应的脉冲中点重合、面积相等。计算各脉冲 的宽度和间隔，将这些数据汇集成表存于微处理器的Flash中，微处理器通过查表法生成控制信 号控制开关器件的通、断。下图为面积等效法实现SPWM的原理图。
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4.5.2 异步调制和同步调制
根据载波和信号波是否同步及载波比N（载波频率fc与调制信号频率fr之比，N=fc/fr）的变化情况， PWM调制方式分为异步调制和同步调制。 1．异步调制 异步调制是指载波信号和调制信号不同步的调制方式。
通常保持fc固定不变，当fr变化时，载波比N是变化的。在信号波的半周期内，PWM波的脉冲个数 不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称。当fr 较低时，N较大，一周期内的脉冲数较多，PWM脉冲不对称的不利影响都较小；当fr增高时，N减 小，一周期内的脉冲数减少，PWM脉冲不对称的影响就变大。因此，在采用异步调制方式时，希 望采用较高的载波频率，以使在信号波频率较高时仍能保持较大的载波比。
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单极性PWM控制方式波形
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双极性PWM控制方式波形
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4.5.1 计算法和调制法
4．双极性PWM控制方式（三相桥逆变）
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三相桥式PWM型逆变电路
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三相桥式PWM逆变电路波形
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• 调制法是把希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过信号波的调制 得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波，其中等腰三角波应用最 多。因为等腰三角波上任一点的水平宽度和高度呈线性关系且左右对称，当它与任何一个平 缓变化的调制信号波相交时，如果在交点时刻对电路中开关器件的通、断进行控制，就可以 得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，这正好符合PWM控制的要求。在调制信号波为正弦波 时，所得到的就是SPWM波形。在实际应用中，可以用模拟电路构成三角波载波和正弦调制 波发生电路，用比较器来确定它们的交点，在交点时刻对功率开关器件的通断进行控制，就 可以生成SPWM波形。
• 所谓SPWM，是指用正弦波为调制波，以N倍于调制波频率的三角波为载波进行波形比较，在
调制波大于载波的部分产生一组幅值相等、而宽度随正弦波幅值变化的矩形脉冲序列用来 等效调制波，通过对逆变电路开关管的通/断控制，把直流变成交流。根据输出滤波器的前 端电压SPWM波的极性，SPWM可分为单极性和双极性两种。
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4.5.2 异步调制和同步调制
3．分段同步调制
把fr范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段的N不同。在fr高的频段采用较低的 N，使载波频率不致过高，在fr低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低。
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4.5 SPWM实现方案
1）自然采样法。与硬件调试法的思想相同，按照SPWM控制的基本原理，在调制正弦波和三角 载波的自然交点时刻控制功率开关管的通断。因此，要准确生成SPWM波形，就需要准确地计算 出正弦波和三角波的交点。但由于载波和基准波交点的任意性，脉冲中心在单个周期内不等距， 使得脉冲宽度计算较为烦琐。若使用查表法来输出PWM波，其数据占用的内存过大，微处理器 无法进行实时等采样周期控制。 2）规则采样法。自然采样法的主要缺点是SPWM波形脉冲的起始和终止时刻对三角波的中心线 不对称，使得求解困难。规则采样法在三角波的固定点对正弦波进行采样，得到一个具体电压值 的阶梯波，用此阶梯波和三角波的交点作为SPWM波形的脉冲生成时刻。根据固定点的不同，规 则采样法分为对称采样和不对称采样两种。对称规则采样的固定采样点是三角波的顶点（或底 点），所得脉宽在一个载波周期内是对称的。此种方法计算较自然采样法简单，但由于采样的特 定电压阶梯波与三角载波的交点处于正弦调制波的同一侧，使所得脉冲宽度偏小，从而造成控制 误差。不对称规则采样法在三角载波的顶点和底点都进行采样，所得脉宽在一个载波周期内是不 对称的。由于特定电压阶梯波与三角波的交点坐落于正弦调制波的两侧，减少了脉宽生成误差， 所得的SPWM波形更为准确。规则采样法的缺点是对直流电压的利用率低，线性控制范围小。
与单极性模式相比，双极性PWM 模式控制电路和主电路比较简单， 然而对比单极性和图b可看出，单 极 性 PWM 模 式 要 比 双 极 性 PWM 模 式输出电压中、高次谐波分量小得 多，这是单极性模式的一个优点。
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4.4 正弦波脉宽调制技术
• 逆变器要求输出正弦波，其逆变电路在控制上采用正弦波脉宽调制技术。
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Outline
• 4.1 PWM的基本原理 • 4.2 PWM方式的谐波含量评价指标 • 4.3 PWM模式 • 4.4 正弦波脉宽调制技术 • 4.5 SPWM实现方案
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4.1 PWM的基本原理
在采样控制技术中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节 上时，其效果基本相同。其中：①冲量即指窄脉冲的面积；②效果基本相同，是指环节的输 出响应波形基本相同。即当它们分别加在具有惯性的同一个环节上时，其输出响应基本相同。 如果把各输出波形用傅里叶变换分析，其低频分量基本接近，仅在高频段略有差异。上述原 理可以称为面积等效原理，它是PWM控制技术的重要理论基础。
THD

1 U1


U
2 n
n1
1
2Байду номын сангаас

1 U1

n1
U 2 U12
1 2
式中， U 2
U12

U
2 2

U
2 3


U U1
2
1
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4.3.1 单极性PWM模式
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面积等效法实现SPWM的原理
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4.5.1 计算法和调制法
• PWM逆变电路可分为电压型和电流型两种，目前实用的几乎都是电压型，SPWM波的开环 控制分为计算法和调制法。
• 计算法给出了逆变电路的正弦波输出频率、幅值和半个周期内的脉冲数，SPWM波形中各脉 冲的宽度和时间间隔可以准确计算出来，按照计算的结果控制逆变电路中各个开关器件的通 断，以便得到所需要的PWM波。由于计算法较烦琐、计算量大，当输出正弦波的频率、幅 值或相位变化时，结果都要变化，所以较少使用。
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4.5.1 计算法和调制法
1．IGBT单相桥式电压型逆变电路的调制方法
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4.5.1 计算法和调制法
2．单极性PWM控制方式（单相桥逆变）
3．双极性PWM控制方式（单相桥逆变）
2．同步调制 同步调制是指N等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步。 基本同步调制方式，fr变化时N不变，信号波一周期内输出脉冲数固定。三相共用一个三角波载波， 且取N为3的整数倍，使三相输出对称。为使一相的PWM波正负半周镜像对称，N应取奇数。当 N=9时的同步调制三相PWM波形如图4-14所示。 fr很低时，fc也很低，由调制带来的谐波不易滤除；fr很高时，fc会过高，使开关器件难以承受。 为了克服上述缺点，可以采用分段同步调制的方法。
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形状不同而冲量相同的各种窄脉冲
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4.1 PWM的基本原理
冲量相同的各种窄脉冲的响应波形
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用PWM波代替正弦半波
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4.2 PWM方式的谐波含量评价指标
1．谐波系数
产生单极性PWM模式的基本原理如 左图所示。首先用同极性的三角波载 波信号ut与调制信号ur比较，产生单极 性 的 PWM 脉 冲 。 然 后 将 单 极 性 的 PWM脉冲信号与图(c)所示的倒相信号 uI 相 乘 ， 从 而 得 到 正 负 半 波 对 称 的 PWM脉冲信号ud，如图4-4d所示。
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4.4.1 单相双极性SPWM
右图为单相双极性SPWM波形图。与 单相单极性SPWM相比，它们的不同 之处在于单极性电路中三角载波Uc 与正弦调制波Ur同相，而双极性电 路中三角载波Uc在正弦调制波Ur的 半个周期内有正有负，因而所得到 的PWM波也有正有负。单极性 SPWM全桥逆变电路有一个低频桥臂， 一个高频桥臂而双极性SPWM两个均 为高频臂。因此，当载波频率相同 时，双极性SPWM逆变电路的总开关 频率是单极性SPWM逆变电路的两倍。
光伏发电技术及其应用 第4章 光伏逆变器的脉宽调制技术
Prof. Wei Xueye
魏 學業 教授
Email: xywei@bjtu.edu.cn Working Room: SD410
School of Electronics and Information Engineering Beijing Jiaotong University
谐波系数为第n次谐波分量的有效值和基波分量的有效值之比，定义为
HFn Un U1
2．总谐波畸变系数（THD） 非正弦周期信号全部谐波含量方均根值与基波方均根值之比定义为总谐波畸变系数（Total Harmonic Distortion，THD），它表征了实际波形与其基波分量差异的程度，一般以百分数表示。 以电压信号为例，如基波电压的有效值为U1，二次谐波电压的有效值为U2，以此类推，一般地， 可以记n次谐波的有效值为Un，则电压的总谐波畸变系数为
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4.5 SPWM实现方案
SPWM波形生成主要有硬件调试和软件生成两种方法。其中，硬件调试法是按照SPWM波形生成 原理，用模拟电路构成三角波载波和正弦调制波发生电路，用比较器来确定它们的交点，在交点 时刻对功率开关管的通、断进行控制，生成SPWM波形。但模拟电路结构复杂，难以实现精确的 控制。微处理技术及数字信号处理技术的发展使得用软件生成SPWM波形容易实现且控制精确， 因此，目前SPWM波形的生成和控制多采用软件法来实现。用软件生成SPWM波形基本算法包括 自然采样法、对称规则采样法、不对称规则采样法和面积等效法等。