1、第第4章章 光伏逆变器的脉宽调制技术光伏逆变器的脉宽调制技术 脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）技术，其思想源于通信技术，是用一种参考波（通常是正弦波，有时也采用梯形波等）为调制波（Modulating Wave），而以N倍于调制波频率的三角波（有时也用锯齿波）为载波（Carrier Wave）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、宽度正比于调制波的矩形脉冲序列，用来等效调制波，用开关量取代模拟量。通过对逆变器开关管的通断控制，把直流电变成交流电，这种技术就叫做脉宽控制逆变技术。由于载波三角波（或锯齿波）的上、下宽度是线性变化的，故这种调制方式也是
2、线性的。当调制波为正弦波时，输出矩形脉冲序列的脉冲宽度按正弦规律变化，这种调制技术通常又称为正弦脉宽调制（Sinusoidal PWM）技术。4.1 PWM的基本原理的基本原理图4-1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲4.1 PWM的基本原理的基本原理 图4-2 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形 图4-3 用PWM波代替正弦半波4.2 PWM方式的谐波含量评价指标1谐波系数谐波系数2总谐波畸变系数（总谐波畸变系数（THD）1nnHFUU1212222211111111TH D1nnnUUUUUUU4.3 PWM模式模式4.3.1 单极性单极性PWM模式模式图4-4 产生单极性PWM模式的基本原理4
3、.3 PWM模式模式4.3.2 双极性双极性PWM模式模式图4-5 双极性PWM控制模式调制原理4.4 正弦波脉宽调制技术正弦波脉宽调制技术4.4.1 单相单极性单相单极性SPWM图4-6 单相单极性SPWM波形4.4 正弦波脉宽调制技术正弦波脉宽调制技术4.4.2 单相双极性单相双极性SPWM图4-7 单相双极性SPWM波形4.5 SPWM实现方案实现方案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
4、个周期内不等距，使得脉冲宽度计算较为繁琐。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。4.5 SPWM实现方案实现方案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
5、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。4.5 SPWM实现方案实现方案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
6、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。4.5 SPWM实现方案实现方案3）面积等效法（或等面积法）图4-8 面积等效法实现SPWM的原理4.5.1 计算法和调制法计算法和调制法1IGBT单相桥式电压型逆变电路的调制方法单相桥式电压型逆变电路的调制方法图4-9 单相桥式PWM逆变电路4.5.1 计算法和调制法计算法和调制法2单极性PWM控制方式（单相桥逆变）图4-10 单极性PWM控制方式波形4.5.1 计算法和调制法计算法和调制法3双极性双极性PWM控制方式（单相桥逆变）控制方式（单相桥逆变）图4-11 双极性PWM控制方
7、式波形4.5.1 计算法和调制法计算法和调制法4双极性双极性PWM控制方式（三相桥逆变）控制方式（三相桥逆变）图4-12 三相桥式PWM型逆变电路4.5.1 计算法和调制法计算法和调制法图4-13 三相桥式PWM逆变电路波形4.5.2 异步调制和同步调制异步调制和同步调制1异步调制异步调制 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
8、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。4.5.2 异步调制和同步调制异步调制和同步调制2同步调制同步调制 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
9、的方法。4.5.2 异步调制和同步调制异步调制和同步调制3分段同步调制分段同步调制图4-15 分段同步调制方式举例4.5.3 自然采样和规则采样法自然采样和规则采样法1自然采样自然采样PWM（1）正弦波锯齿波调制*az00coscosvMtMy图4-16 半桥（单相桥臂）电压源型逆变器的后边沿自然采样脉宽调制4.5.3 自然采样和规则采样法自然采样和规则采样法1自然采样自然采样PWM（2）正弦波三角波调制图4-18 双边沿自然采样PWM半桥（单相桥臂）电压源型逆变器4.5.3 自然采样和规则采样法自然采样和规则采样法2规则采样规则采样PWM 图4-20 规则采样PWMa)使用锯齿载波的采样 b
10、)使用三角载波的对称采样（正峰值时刻采样）c)使用三角载波的不对称采样4.5.3 自然采样和规则采样法自然采样和规则采样法2规则采样规则采样PWM 图4-21 相位超前的参考波形的规则采样a)锯齿载波（1/2载波周期超前）b)使用三角载波的对称采样（1/2载波周期超前）c)使用三角载波的不对称采样（1/4载波周期超前）4.5.3 自然采样和规则采样法自然采样和规则采样法2规则采样规则采样PWM图4-22 规则采样法4.5.3 自然采样和规则采样法自然采样和规则采样法2规则采样规则采样PWM（1）锯齿形载波规则采样脉宽调制图4-23 后边沿锯齿波规则采样PWM逆变器单相桥臂谐波分量4.5.3 自
11、然采样和规则采样法自然采样和规则采样法2规则采样规则采样PWM（2）对称规则采样脉宽调制图4-24 三角形载波对称规则采样PWM逆变器单相桥臂谐波分量4.5.3 自然采样和规则采样法自然采样和规则采样法2规则采样规则采样PWM（3）不对称规则采样脉宽调制图4-25 三角形载波不对称规则采样PWM逆变器单相桥臂谐波分量4.5.4 PWM逆变电路的谐波分析逆变电路的谐波分析1对单相的分析对单相的分析图4-26 单相PWM桥式逆变电路输出电压频谱图4.5.4 PWM逆变电路的谐波分析逆变电路的谐波分析2对三相的分析对三相的分析图4-27 三相桥式PWM逆变电路输出线电压频谱图4.5.5 PWM跟踪控制技术跟踪控制技术1滞环比较方式滞环比较方式（1）电流跟踪控制图4-28 滞环比较方式电流跟踪控制原理图 图4-29 滞环比较跟踪控制方式的波形图4.5.5 PWM跟踪控制技术跟踪控制技术1滞环比较方式滞环比较方式（2）电压跟踪控制图4-30 电压跟踪控制电路举例4.5.5 PWM跟踪控制技术跟踪控制技术2定时比较方式定时比较方式图4-31 定时比较方式电流跟踪控制原理图 图4-32 定时比较跟踪控制方式原理波形图4.5.5 PWM跟踪控制技术跟踪控制技术3三角波比较方式三角波比较方式图4-33 三角波比较方式电流跟踪控制图
