电压型PWM并网逆变器

摘 要：能源回馈系统对减缓我国能源供求矛盾具有重要的作用，而逆变技术在能量回馈系统中占有重要地位，主要介绍了一种电压型并网逆变器。首先对电压型的逆变器进行了系统分析，给出了单相电压型和三相电压型两种并网逆变器的理想电路模型。在此基础上，设计了一个基于数字信号处理器(DSP)TMS320F240控制的数字化电压型单相并网逆变器，搭建了外围硬件电路，并运用C语言进行运算处理，给出原理仿真结果的同时也给出了它的实验结果，说明这种逆变器的运行效率高，可靠性好，应用也很方便。
关键词：能量回馈；并网逆变器；DSP

0 引言
    随着我国经济的迅速发展，能源问题在当今社会中受到越来越多的关注。在减缓能源供求矛盾方面，能量回馈系统可以发挥重要作用，主要运用在功率电子负载、分布式发电和电机再生制动等场合。而电力电子的逆变技术是能量回馈系统的核心部分。

    数字化是控制技术发展的趋势，在具体实现能量回馈系统的过程中，也应充分运用数字式控制方式。在电压型逆变系统中，将数字信号处理器(DSP)作为控制中心，实现外围电路工作及其控制。

l 电压型并网逆变器的系统分析
l.l 电压型单相并网逆变器的理想模型
    作为并网用的逆变器，一般的理想状态为：
    1)网侧功率因数λ=1，即网侧电流iN无畸变且与网侧电压uN相位一致，这样回馈至电网的只有有功功率。
    2)能够实现回馈电流iN的快速调节；
    3)具有能量双向流动的能力，除了向电网回馈能量外，在一定条件下，电路还可处于整流模式，从电网吸收能量能够实现上述理想的逆变电路状态，并认为电路内部没有损耗，则得到理想模型如图1(a)所示。

1.2 三相电压型并网逆变电路的模型
    电压型三相桥式逆变电路的主电路如图2所示。由图2可以看出三相桥式电路是单相半桥电路的扩展，在拓扑结构上是完全相似的，其中各相输入电感相等，电网各相电压均为正弦波。

    三相并网逆变电路的等效电路模型如图3(a)所示，0点为电网中点，0′为直流侧滤波电容中点，Rs为电感电阻，其他同单相电路。图3(b)为a相等效电路的相量图。

    三相并网逆变器交流侧的方程为

   

    逆变部分一般考虑SPWM调制的三相电路，三相桥式电路的控制脉冲时序分布和单相的相似，调制信号为三相正弦波uga、ugb和ugco分析得知逆变器输出线电压波形是一个单极性SPWM波形，其输出幅值为Uio假想直流电源中点O′，则可推出三相SPWM逆变电路相电压基波表达式为

   

    对于逆变桥的输入电流id,由单相电路分析的结果，每个桥臂从直流侧吸取的电流存在二次谐波，三相电路中每个半桥单元从直流侧吸收的电流为

   
    将三相电流叠加后即可得到直流侧电流id的表达式为

   

    由式(4)可知，当电路在三相对称条件下，逆变器的输入电流为恒定的直流，而不存在二次电流分量，电路的直流侧输入不需要二次谐波吸收电路。三相逆变器的输人瞬时功率也随之恒定，而单相逆变器的输入电流存在二次电流分量，输入功率也不恒定，如图l所示。这点是三相逆变器不同于单相逆变器之处，因此，单相逆变器的直流侧滤波电容需要滤除高频和低频的纹波，而三相逆变器的直流侧滤波电容仅需要滤除高频纹波即可，其容量可以比单相的小。

2 电压型PWM并网逆变器试验
    在前述理论分析的基础上，研制了一台基于数字式DSP控制的电压型单相全桥PWM并网逆变器。

2.1 主电路的结构及电路参数的选择
    数字式电压型能量回馈系统的逆变主电路结构如图4所示。主电路的开关器件选用IGBT—IPM模块PM75CVAl20，交流侧为工频单相220V，Ui为直流输入电压，须大于310 V；Cd1和Cd2为直流滤波电容，LN、为交流侧滤波电感；A1为电流霍尔元件，V1．为电压检测传感器；K1为直流接触器，K2为交流接触器；Rc为直流侧缓冲电阻。

    直流输入电压Ui经滤波电容Cdl和Cd2稳压滤波后输入逆变器，单相全桥逆变器输出经滤波储能电感直接并人电网。电阻Rc是电路启动时缓冲滤波电容充电用，在充电完成后，接触器K1闭合，短接电阻Rco。整个系统由DSP芯片TMS320F240控制，对同步电网信号、输入电压(V1)和输出电流(A1)检测，根据给定触发控制脉冲，并通过接触器K2决定并网的时刻。

2．2仿真及试验波形
    运用Matlab仿真，输入Ui=311V，电网电压UN=220V，电感值LN=6mH。采用幅值控制的PI闭环调节，图5是给定电流从5A到20A时电流和电网电压的仿真波形，电流乘10处理。

    图6所示是本系统在开环条件下电流和电网电压的试验波形，可以看到电流波形正弦，相位和电网电压接近(为了，便于观看，将电流信号反相)，输出电流大小为5 A。图7为电感两侧电压实验波形。图8(a)所示是逆变器工作时输出倍频PWM波形，8(b)为放大图，脉宽呈正弦变化。

    图9为DSP控制输出脉冲信号，上下桥臂有5 μ的死区(低电平有效)。

    直流输入电压为：350 V，波形如图10所示，比较平直。

3 结语
    重点分析了电压型并网逆变系统，提出了单相和三相逆变系统的理论模型。在实验中制作了一台单相的电压型并网逆变系统，系统采用数字化控制方式，达到对系统外围电路的控制。从实验给出的结果，可以看到这个系统工作效率高，可靠性好，实用性强。