无源三相PWM逆变器控制电路设计

摘要：随着科技时代的进步与发展，人类对于能源的需求愈来愈大，发展可再生能源已成为一种必然趋势，光伏发电早已成为各国的重大发展战略。大功率光伏并网就是研发关键技术之一，其核心内容包括将光能转换的直流电逆变成交流电。本文在软件调控逆变电源研究方面提出一种逆变电源供电方案，并对设计电路和控制方案进行论证、分析和选定。软件控制与调试方便且成本低已成为主流，本设计旨在与同行共同探讨。
关键词：SVPWM；PID闭环控制；PI算法

1 系统结构

本文系统总体拓扑结构如图1 所示，以STM32 为主控芯片，加上、三相逆变器、三相滤波器、电压采样、电流采样和SVPWM 等电路模块。

2 系统硬件设计

微电网模拟系统由三相逆变主电路、驱动电路、电压电流采样电路和控制电路组成，三相逆变电路由6 个N 沟道MOS 管构成一个三相逆变桥，驱动电路采用六输出高压驱动器IR2130。电流采样电路选用高增益高精度电流芯片INA282 与康铜丝采样电阻组合成采样电路对电流进行采样。电压利用Uo=UR1+UR2( 串联分压) 原理直接对电压进行采样，为了使电压采样更精确在分压电阻的输出点接一个电压跟随器，采集跟随器的输出电压。本系统模拟输出24.02V、50.02Hz 的三相电压。用功率分析仪测得电压谐波畸变率THD 为0.456%。频率可实现20~100Hz( 步进1Hz)可调，电压可在0~32V 范围内可调并且有自稳压功能，稳压误差小于2%。

2.1 逆变控制方案选择

方案一：用硬件产生正弦波和三角波。将正弦波作为基波，三角波作为载波，输入到模拟运放比较器进行比较后输出SPWM 波，但是硬件调频十分困难且不易调试。
方案二：由带有PWM 产生功能的单片机利用正弦表扫描法产生SPWM，由软件模拟产生SPWM 调频容易且易于调试。
方案三：SVPWM 调制，SVPWM 意为空间矢量脉冲宽度调制。

SVPWM 的空间矢量是指往往不是正弦波，但其线电压是正弦波，而其绕组电流的谐波成分PWM 小，理想的SPWM 调制，旨在产生空间旋转的磁场矢量。SVPWM 从三相输出电压的整体效果出发，其相电压通过电压矢量产生的磁场矢量，磁场矢量是空间旋转的矢量。SVPWM将电压矢量通过脉宽变频器，不论相电压还是线电压，均不包含低次谐波。其最低次的谐波发生在一倍开关频率附近。采用SVPWM 调制比用SPWM 调制输出的电压高23.% 左右。
经过对比分析，选择方案三更合适。

2.2 逆变器选择

（1）电压控制型逆变
由直流电源供电的逆变电路叫电压型逆变, 如图3 所示，直流侧为电压源或并联有大电容相当于电压源，直流侧电压基本无脉动，直流回路的阻抗很低。电压型逆变电路的输出电压为矩形波。电路简单且方便控制。

（2）电流控制型逆变
由直流电源为电流源供电的逆变电路叫电流型逆变，如图4 所示，直流侧为电流源或在直流侧串联大电感，电流脉动很小，可近似看成直流电流源。电流型逆变电路的输出电流为矩形波。直流侧电感起缓冲无功能量的作用。桥臂上的器件多采用半控器件。

选择：电压型逆变技术更成熟，并且电压源供电比电流源供电更加好控制处理。
在电压型逆变电路中, 当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率, 直流侧电容起 缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道, 逆变桥各臂都并联了反馈二极管。当输出交流电压和电流的极性相同时, 电流经电路中的可控开关器件流通，而当输出电压电流极性相反时,
由反馈二极管提供电流通道。在电流型逆变电路中, 直流电流极性是一定的, 无功能量由直流侧电感来缓冲。当需要从交流侧向直流侧反馈无功能量时, 电流并不反向, 依然经电路中的可控开关器件流通, 因此不需要并联反馈二极管。