第4章

光伏逆變器的脈寬調(diào)制技術(shù)

脈寬調(diào)制（PulseWidthModulation，PWM）技術(shù)，其思想源于通信技術(shù)，是用一種參考波（通常是正弦波，有時也采用梯形波等）為調(diào)制波（ModulatingWave），而以N倍于調(diào)制波頻率的三角波（有時也用鋸齒波）為載波（CarrierWave）進(jìn)行波形比較，在調(diào)制波大于載波的部分產(chǎn)生一組幅值相等、寬度正比于調(diào)制波的矩形脈沖序列，用來等效調(diào)制波，用開關(guān)量取代模擬量。通過對逆變器開關(guān)管的通斷控制，把直流電變成交流電，這種技術(shù)就叫做脈寬控制逆變技術(shù)。由于載波三角波（或鋸齒波）的上、下寬度是線性變化的，故這種調(diào)制方式也是線性的。當(dāng)調(diào)制波為正弦波時，輸出矩形脈沖序列的脈沖寬度按正弦規(guī)律變化，這種調(diào)制技術(shù)通常又稱為正弦脈寬調(diào)制（SinusoidalPWM）技術(shù)。第4章光伏逆變器的脈寬調(diào)制技術(shù)脈寬調(diào)制（4.1PWM的基本原理圖4-1形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖4.1PWM的基本原理圖4-1形狀不同而沖量相同的各4.1PWM的基本原理圖4-2沖量相同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形圖4-3用PWM波代替正弦半波4.1PWM的基本原理圖4-2沖量相同的各種窄脈沖4.2PWM方式的諧波含量評價指標(biāo)1．諧波系數(shù)2．總諧波畸變系數(shù)（THD）4.2PWM方式的諧波含量評價指標(biāo)1．諧波系數(shù)2．總諧波4.3PWM模式4.3.1單極性PWM模式圖4-4產(chǎn)生單極性PWM模式的基本原理4.3PWM模式4.3.1單極性PWM模式圖4-44.3PWM模式4.3.2雙極性PWM模式圖4-5雙極性PWM控制模式調(diào)制原理4.3PWM模式4.3.2雙極性PWM模式圖4-54.4正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)4.4.1單相單極性SPWM圖4-6單相單極性SPWM波形4.4正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)4.4.1單相單極性SPWM4.4正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)4.4.2單相雙極性SPWM圖4-7單相雙極性SPWM波形4.4正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)4.4.2單相雙極性SPWM4.5SPWM實現(xiàn)方案1）自然采樣法與硬件調(diào)試法的思想相同，按照SPWM控制的基本原理，在調(diào)制正弦波和三角載波的自然交點時刻控制功率開關(guān)管的通斷。因此，要準(zhǔn)確生成SPWM波形，就需要準(zhǔn)確地計算出正弦波和三角波的交點。但由于載波和基準(zhǔn)波交點的任意性，脈沖中心在單個周期內(nèi)不等距，使得脈沖寬度計算較為繁瑣。若使用查表法來輸出PWM波，其數(shù)據(jù)占用的內(nèi)存過大，微處理器無法進(jìn)行實時等采樣周期控制。4.5SPWM實現(xiàn)方案1）自然采樣法與硬4.5SPWM實現(xiàn)方案2）規(guī)則采樣法自然采樣法的主要缺點是SPWM波形脈沖的起始和終止時刻對三角波的中心線不對稱，使得求解困難。規(guī)則采樣法在三角波的固定點對正弦波進(jìn)行采樣，得到一個具體電壓值的階梯波，用此階梯波和三角波的交點作為SPWM波形的脈沖生成時刻。根據(jù)固定點的不同，規(guī)則采樣法分為對稱采樣和不對稱采樣兩種。對稱規(guī)則采樣的固定采樣點是三角波的頂點（或底點），所得脈寬在一個載波周期內(nèi)是對稱的。此種方法計算較自然采樣法簡單，但由于采樣的特定電壓階梯波與三角載波的交點處于正弦調(diào)制波的同一側(cè)，使所得脈沖寬度偏小，從而造成控制誤差。不對稱規(guī)則采樣法在三角載波的頂點和底點都進(jìn)行采樣，所得脈寬在一個載波周期內(nèi)是不對稱的。由于特定電壓階梯波與三角波的交點坐落于正弦調(diào)制波的兩側(cè)，減少了脈寬生成誤差，所得的SPWM波形更為準(zhǔn)確。規(guī)則采樣法的缺點是對直流電壓的利用率低，線性控制范圍小。4.5SPWM實現(xiàn)方案2）規(guī)則采樣法自然采4.5SPWM實現(xiàn)方案3）面積等效法（或等面積法）

將半個周期的正弦波分成N等份，把正弦波分成N個寬度相等、幅值不等的相連的脈沖，脈沖幅值整體按正弦規(guī)律變化。用相同數(shù)量的等幅不等寬的矩形脈沖序列代替上述脈沖序列，要求各個矩形脈沖與所對應(yīng)的脈沖中點重合、面積相等。計算各脈沖的寬度和間隔，將這些數(shù)據(jù)匯集成表存于微處理器的Flash中，微處理器通過查表法生成控制信號控制開關(guān)器件的通、斷。4.5SPWM實現(xiàn)方案3）面積等效法（或等面積法）4.5SPWM實現(xiàn)方案3）面積等效法（或等面積法）圖4-8面積等效法實現(xiàn)SPWM的原理4.5SPWM實現(xiàn)方案3）面積等效法（或等面積法）圖4-4.5.1計算法和調(diào)制法1．IGBT單相橋式電壓型逆變電路的調(diào)制方法圖4-9單相橋式PWM逆變電路4.5.1計算法和調(diào)制法1．IGBT單相橋式電壓型逆變電4.5.1計算法和調(diào)制法2．單極性PWM控制方式（單相橋逆變）圖4-10單極性PWM控制方式波形4.5.1計算法和調(diào)制法2．單極性PWM控制方式（單相橋4.5.1計算法和調(diào)制法3．雙極性PWM控制方式（單相橋逆變）圖4-11雙極性PWM控制方式波形4.5.1計算法和調(diào)制法3．雙極性PWM控制方式（單相橋4.5.1計算法和調(diào)制法4．雙極性PWM控制方式（三相橋逆變）圖4-12三相橋式PWM型逆變電路4.5.1計算法和調(diào)制法4．雙極性PWM控制方式（三相橋4.5.1計算法和調(diào)制法圖4-13三相橋式PWM逆變電路波形4.5.1計算法和調(diào)制法圖4-13三相橋式PWM逆變4.5.2異步調(diào)制和同步調(diào)制1．異步調(diào)制

通常保持fc固定不變，當(dāng)fr變化時，載波比N是變化的。在信號波的半周期內(nèi)，PWM波的脈沖個數(shù)不固定，相位也不固定，正負(fù)半周期的脈沖不對稱，半周期內(nèi)前后1/4周期的脈沖也不對稱。當(dāng)fr較低時，N較大，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)較多，PWM脈沖不對稱的不利影響都較小；當(dāng)fr增高時，N減小，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少，PWM脈沖不對稱的影響就變大。因此，在采用異步調(diào)制方式時，希望采用較高的載波頻率，以使在信號波頻率較高時仍能保持較大的載波比。4.5.2異步調(diào)制和同步調(diào)制1．異步調(diào)制4.5.2異步調(diào)制和同步調(diào)制2．同步調(diào)制

同步調(diào)制是指N等于常數(shù)，并在變頻時使載波和信號波保持同步。

基本同步調(diào)制方式，fr變化時N不變，信號波一周期內(nèi)輸出脈沖數(shù)固定。三相共用一個三角波載波，且取N為3的整數(shù)倍，使三相輸出對稱。為使一相的PWM波正負(fù)半周鏡像對稱，N應(yīng)取奇數(shù)。當(dāng)N=9時的同步調(diào)制三相PWM波形如圖4-14所示。fr很低時，fc也很低，由調(diào)制帶來的諧波不易濾除；fr很高時，fc會過高，使開關(guān)器件難以承受。為了克服上述缺點，可以采用分段同步調(diào)制的方法。4.5.2異步調(diào)制和同步調(diào)制2．同步調(diào)制4.5.2異步調(diào)制和同步調(diào)制3．分段同步調(diào)制圖4-15分段同步調(diào)制方式舉例4.5.2異步調(diào)制和同步調(diào)制3．分段同步調(diào)制圖4-154.5.3自然采樣和規(guī)則采樣法1．自然采樣PWM（1）正弦波—鋸齒波調(diào)制圖4-16半橋（單相橋臂）電壓源型逆變器的后邊沿自然采樣脈寬調(diào)制4.5.3自然采樣和規(guī)則采樣法1．自然采樣PWM（1）正4.5.3自然采樣和規(guī)則采樣法1．自然采樣PWM（2）正弦波—三角波調(diào)制圖4-18雙邊沿自然采樣PWM半橋（單相橋臂）電壓源型逆變器4.5.3自然采樣和規(guī)則采樣法1．自然采樣PWM（2）正4.5.3自然采樣和規(guī)則采樣法2．規(guī)則采樣PWM圖4-20規(guī)則采樣PWMa)使用鋸齒載波的采樣b)使用三角載波的對稱采樣（正峰值時刻采樣）c)使用三角載波的不對稱采樣4.5.3自然采樣和規(guī)則采樣法2．規(guī)則采樣PWM4.5.3自然采樣和規(guī)則采樣法2．規(guī)則采樣PWM圖4-21相位超前的參考波形的規(guī)則采樣a)鋸齒載波（1/2載波周期超前）b)使用三角載波的對稱采樣（1/2載波周期超前）c)使用三角載波的不對稱采樣（1/4載波周期超前）4.5.3自然采樣和規(guī)則采樣法2．規(guī)則采樣PWM4.5.3自然采樣和規(guī)則采樣法2．規(guī)則采樣PWM圖4-22規(guī)則采樣法4.5.3自然采樣和規(guī)則采樣法2．規(guī)則采樣PWM圖4-24.5.3自然采樣和規(guī)則采樣法2．規(guī)則采樣PWM（1）鋸齒形載波規(guī)則采樣脈寬調(diào)制圖4-23后邊沿鋸齒波規(guī)則采樣PWM逆變器單相橋臂諧波分量4.5.3自然采樣和規(guī)則采樣法2．規(guī)則采樣PWM（1）鋸4.5.3自然采樣和規(guī)則采樣法2．規(guī)則采樣PWM（2）對稱規(guī)則采樣脈寬調(diào)制圖4-24三角形載波對稱規(guī)則采樣PWM逆變器單相橋臂諧波分量4.5.3自然采樣和規(guī)則采樣法2．規(guī)則采樣PWM（2）對4.5.3自然采樣和規(guī)則采樣法2．規(guī)則采樣PWM（3）不對稱規(guī)則采樣脈寬調(diào)制圖4-25三角形載波不對稱規(guī)則采樣PWM逆變器單相橋臂諧波分量4.5.3自然采樣和規(guī)則采樣法2．規(guī)則采樣PWM（3）不4.5.4PWM逆變電路的諧波分析1．對單相的分析圖4-26單相PWM橋式逆變電路輸出電壓頻譜圖4.5.4PWM逆變電路的諧波分析1．對單相的分析圖4-4.5.4PWM逆變電路的諧波分析2．對三相的分析圖4-27三相橋式PWM逆變電路輸出線電壓頻譜圖4.5.4PWM逆變電路的諧波分析2．對三相的分析圖4-4.5.5PWM跟蹤控制技術(shù)1．滯環(huán)比較方式（1）電流跟蹤控制圖4-28滯環(huán)比較方式電流跟蹤控制原理圖圖4-29滯環(huán)比較跟蹤控制方式的波形圖4.5.5PWM跟蹤控制技術(shù)1．滯環(huán)比較方式（1）電流跟4.5.5PWM跟蹤控制技術(shù)1．滯環(huán)比較方式（2）電壓跟蹤控制圖4-30電壓跟蹤控制電路舉例4.5.5PWM跟蹤控制技術(shù)1．滯環(huán)比較方式（2）電壓跟4.5.5PWM跟蹤控制技術(shù)2．定時比較方式圖4-31定時比較方式電流跟蹤控制原理圖

圖4-32定時比較跟蹤控制方式原理波形圖4.5.5PWM跟蹤控制技術(shù)2．定時比較方式圖4-314.5.5PWM跟蹤控制技術(shù)3．三角波比較方式圖4-33三角波比較方式電流跟蹤控制圖4.5.5PWM跟蹤控制技術(shù)3．三角波比較方式圖4-33第4章

光伏逆變器的脈寬調(diào)制技術(shù)

脈寬調(diào)制（PulseWidthModulation，PWM）技術(shù)，其思想源于通信技術(shù)，是用一種參考波（通常是正弦波，有時也采用梯形波等）為調(diào)制波（ModulatingWave），而以N倍于調(diào)制波頻率的三角波（有時也用鋸齒波）為載波（CarrierWave）進(jìn)行波形比較，在調(diào)制波大于載波的部分產(chǎn)生一組幅值相等、寬度正比于調(diào)制波的矩形脈沖序列，用來等效調(diào)制波，用開關(guān)量取代模擬量。通過對逆變器開關(guān)管的通斷控制，把直流電變成交流電，這種技術(shù)就叫做脈寬控制逆變技術(shù)。由于載波三角波（或鋸齒波）的上、下寬度是線性變化的，故這種調(diào)制方式也是線性的。當(dāng)調(diào)制波為正弦波時，輸出矩形脈沖序列的脈沖寬度按正弦規(guī)律變化，這種調(diào)制技術(shù)通常又稱為正弦脈寬調(diào)制（SinusoidalPWM）技術(shù)。第4章光伏逆變器的脈寬調(diào)制技術(shù)脈寬調(diào)制（4.1PWM的基本原理圖4-1形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖4.1PWM的基本原理圖4-1形狀不同而沖量相同的各4.1PWM的基本原理圖4-2沖量相同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形圖4-3用PWM波代替正弦半波4.1PWM的基本原理圖4-2沖量相同的各種窄脈沖4.2PWM方式的諧波含量評價指標(biāo)1．諧波系數(shù)2．總諧波畸變系數(shù)（THD）4.2PWM方式的諧波含量評價指標(biāo)1．諧波系數(shù)2．總諧波4.3PWM模式4.3.1單極性PWM模式圖4-4產(chǎn)生單極性PWM模式的基本原理4.3PWM模式4.3.1單極性PWM模式圖4-44.3PWM模式4.3.2雙極性PWM模式圖4-5雙極性PWM控制模式調(diào)制原理4.3PWM模式4.3.2雙極性PWM模式圖4-54.4正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)4.4.1單相單極性SPWM圖4-6單相單極性SPWM波形4.4正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)4.4.1單相單極性SPWM4.4正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)4.4.2單相雙極性SPWM圖4-7單相雙極性SPWM波形4.4正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)4.4.2單相雙極性SPWM4.5SPWM實現(xiàn)方案1）自然采樣法與硬件調(diào)試法的思想相同，按照SPWM控制的基本原理，在調(diào)制正弦波和三角載波的自然交點時刻控制功率開關(guān)管的通斷。因此，要準(zhǔn)確生成SPWM波形，就需要準(zhǔn)確地計算出正弦波和三角波的交點。但由于載波和基準(zhǔn)波交點的任意性，脈沖中心在單個周期內(nèi)不等距，使得脈沖寬度計算較為繁瑣。若使用查表法來輸出PWM波，其數(shù)據(jù)占用的內(nèi)存過大，微處理器無法進(jìn)行實時等采樣周期控制。4.5SPWM實現(xiàn)方案1）自然采樣法與硬4.5SPWM實現(xiàn)方案2）規(guī)則采樣法自然采樣法的主要缺點是SPWM波形脈沖的起始和終止時刻對三角波的中心線不對稱，使得求解困難。規(guī)則采樣法在三角波的固定點對正弦波進(jìn)行采樣，得到一個具體電壓值的階梯波，用此階梯波和三角波的交點作為SPWM波形的脈沖生成時刻。根據(jù)固定點的不同，規(guī)則采樣法分為對稱采樣和不對稱采樣兩種。對稱規(guī)則采樣的固定采樣點是三角波的頂點（或底點），所得脈寬在一個載波周期內(nèi)是對稱的。此種方法計算較自然采樣法簡單，但由于采樣的特定電壓階梯波與三角載波的交點處于正弦調(diào)制波的同一側(cè)，使所得脈沖寬度偏小，從而造成控制誤差。不對稱規(guī)則采樣法在三角載波的頂點和底點都進(jìn)行采樣，所得脈寬在一個載波周期內(nèi)是不對稱的。由于特定電壓階梯波與三角波的交點坐落于正弦調(diào)制波的兩側(cè)，減少了脈寬生成誤差，所得的SPWM波形更為準(zhǔn)確。規(guī)則采樣法的缺點是對直流電壓的利用率低，線性控制范圍小。4.5SPWM實現(xiàn)方案2）規(guī)則采樣法自然采4.5SPWM實現(xiàn)方案3）面積等效法（或等面積法）

將半個周期的正弦波分成N等份，把正弦波分成N個寬度相等、幅值不等的相連的脈沖，脈沖幅值整體按正弦規(guī)律變化。用相同數(shù)量的等幅不等寬的矩形脈沖序列代替上述脈沖序列，要求各個矩形脈沖與所對應(yīng)的脈沖中點重合、面積相等。計算各脈沖的寬度和間隔，將這些數(shù)據(jù)匯集成表存于微處理器的Flash中，微處理器通過查表法生成控制信號控制開關(guān)器件的通、斷。4.5SPWM實現(xiàn)方案3）面積等效法（或等面積法）4.5SPWM實現(xiàn)方案3）面積等效法（或等面積法）圖4-8面積等效法實現(xiàn)SPWM的原理4.5SPWM實現(xiàn)方案3）面積等效法（或等面積法）圖4-4.5.1計算法和調(diào)制法1．IGBT單相橋式電壓型逆變電路的調(diào)制方法圖4-9單相橋式PWM逆變電路4.5.1計算法和調(diào)制法1．IGBT單相橋式電壓型逆變電4.5.1計算法和調(diào)制法2．單極性PWM控制方式（單相橋逆變）圖4-10單極性PWM控制方式波形4.5.1計算法和調(diào)制法2．單極性PWM控制方式（單相橋4.5.1計算法和調(diào)制法3．雙極性PWM控制方式（單相橋逆變）圖4-11雙極性PWM控制方式波形4.5.1計算法和調(diào)制法3．雙極性PWM控制方式（單相橋4.5.1計算法和調(diào)制法4．雙極性PWM控制方式（三相橋逆變）圖4-12三相橋式PWM型逆變電路4.5.1計算法和調(diào)制法4．雙極性PWM控制方式（三相橋4.5.1計算法和調(diào)制法圖4-13三相橋式PWM逆變電路波形4.5.1計算法和調(diào)制法圖4-13三相橋式PWM逆變4.5.2異步調(diào)制和同步調(diào)制1．異步調(diào)制

通常保持fc固定不變，當(dāng)fr變化時，載波比N是變化的。在信號波的半周期內(nèi)，PWM波的脈沖個數(shù)不固定，相位也不固定，正負(fù)半周期的脈沖不對稱，半周期內(nèi)前后1/4周期的脈沖也不對稱。當(dāng)fr較低時，N較大，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)較多，PWM脈沖不對稱的不利影響都較?。划?dāng)fr增高時，N減小，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少，PWM脈沖不對稱的影響就變大。因此，在采用異步調(diào)制方式時，希望采用較高的載波頻率，以使在信號波頻率較高時仍能保持較大的載波比。4.5.2異步調(diào)制和同步調(diào)制1．異步調(diào)制4.5.2異步調(diào)制和同步調(diào)制2．同步調(diào)制

同步調(diào)制是指N等于常數(shù)，并在變頻時使載波和信號波保持同步。

基本同步調(diào)制方式，fr變化時N不變，信號波一周期內(nèi)輸出脈沖數(shù)固定。三相共用一個三角波載波，且取N為3的整數(shù)倍，使三相輸出對稱。為使一相的PWM波正負(fù)半周鏡像對稱，N應(yīng)取奇數(shù)。當(dāng)N=9時的同步調(diào)制三相PWM波形如圖4-14所示。fr很低時，fc也很低，由調(diào)制帶來的諧波不易濾除；fr很高時，fc會過高，使開關(guān)器件難以承受。為了克服上述缺點，可以采用分段同步調(diào)制的方法。4.5.2異步調(diào)制和同步調(diào)制2．同步調(diào)制4.5.2異步調(diào)制和同步調(diào)制3．分段同步調(diào)制圖4-15分段同步調(diào)制方式舉例4.5.2異步調(diào)制和同步調(diào)制3．分段同步調(diào)制圖4-154.5.3自然采樣和規(guī)則采樣法1．自然采樣PWM（1）正弦波—鋸齒波調(diào)制圖4-16半橋（單相橋臂）電壓源型逆變器的后邊沿自然采樣脈寬調(diào)制4.5.3自然采樣和規(guī)則采樣法1．自然采樣PWM（1）正4.5.3自然采樣和規(guī)則采樣法1．自然采樣PWM（2）正弦波—三角波調(diào)制圖4-18雙邊沿自然采樣PWM半橋（單相橋臂）電壓源型逆變器4.5.3自然采樣和規(guī)則采樣法1．自然采樣PWM（2）正4.5.3自然采樣和規(guī)則采樣法2．規(guī)則采樣PWM圖4-20規(guī)則采樣PWMa)使用鋸齒載波的采樣b)使用三角載波的對稱采樣（正峰值時刻采樣）c)使用三角載波的不對稱采樣4.5.3自然采樣和規(guī)則采樣法2．規(guī)則采樣PWM4.5.3自然采樣和規(guī)則采樣法2．規(guī)則采樣PWM圖4-21相位超前的參考波形的規(guī)則采樣a)鋸齒載波（1/2載波周期超前）b)使用三角載波的對稱采樣（1/2載波周期超前）c)使用三角載波的不對稱采樣（1/4載波周期超前）4.5.3自然采樣和規(guī)則采樣法2．規(guī)則采樣PWM4.5.3自然采樣和規(guī)則采樣法2．規(guī)則采樣PWM圖4-22規(guī)則采樣法4.5