光伏发电系统并网控制技术及输出滤波器研究(4)
PWM技术就是控制半导体开关元件的通断时间比对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需波形(含形状和幅值)。PWM技术在逆变电路中的应用最为广泛，目前应用的逆变电路绝大部分都是PWM型逆变电路。
由采样控制理论可知：冲量相等而形状不同的窄脉冲作用在具有惯性的环节上时，其输出响应的波形基本相同。如果把输出波形用傅里叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在局部频段略有差异。
图2-2 形状不同的电压窄脉冲
分别将如图（2-2）所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节(R-L电路)上，如图（2-3a）所示。其输出电流i(t)对不同窄脉冲时的响应波形如图（2-3b）所示。
图2-3 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形
从波形可以看出，由于输入信号不同，图（2-3a）所示一阶系统在动态响应阶段波形不同，但在稳态阶段大致相同。脉冲越窄，各i(t)响应波形的差异也越小。如果周期性地施加上述脉冲，则响应i(t)也是周期性的。用傅里叶级数分解后将可看出，各i(t)在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。
根据这个理论，可以用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，如图（2-4a）所示、把正弦半波分成N等分，就可以把正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲序列所组成的波形，这些脉冲宽度相等，都等于π/N，但脉冲顶部是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应的正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积相等，就得到图（2-4b）所示的脉冲序列，这就是PWM波形。可以看出，各脉冲的幅值相等，而宽度是按正弦规律变化的。根据面积等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周，也可以用相同的方法得到PWM波形。像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称为SPWM波形。
图2-4 SPWM控制的基本原理
要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按照同一比例系数改变上述各脉冲的宽度即可。PWM波形可分为等幅PWM波和不等幅PWM波两种。不管是等幅PWM波还是不等幅PWM波，都是基于面积等效原理来进行控制的，因此其本质是相同的。
2.1.2 SPWM产生方法
产生SPWM的波形常用方法有计算法、调制法和跟踪控制方法三种。本文只着重介绍调制法。
2.1.2.1 调制法
调制法是指以输出波形为调制信号进行调制而得到期望的PWM波。通常采用等腰三角形或锯齿波作为载波，其中等腰三角形应用得最多，因为等腰三角波上任一点水平宽度和高度都成线性关系且左右对称。载波与任一平缓变化的调制信号相交，在交点处控制器件的导通和关断，就可得宽度正比于信号波形幅值的脉冲，符合PWM要求。调制信号为正弦波时，得到的就是SPWM波。
采用IGBT作为开关器件的单相桥式电压型逆变电路如图（2-5）所示。设负载为阻感负载，工作时V1和V2的通断状态互补，V3和V4互补。其控制规律为：在输出电压u0的正半周，让保持V1通态，V2保持断态，V3和V4交替通断。由于负载电流比电压滞后，因此在电压正半周，电流有一段区间为正，一段区间为负。在负载电流为正的区间，V1和V4导通时，负载电压u0等于直流电压Ud；V4关断时，负载电流通过V1和VD3续流，u0=0。在负载电流为负的区间，仍为 和 导通时，因i0为负，故实际上i0从VD1和VD4流过，仍有u0=Ud；V4关断，V3开通后，i0从V3和VD1续流，u0=0。这样，总可以得到Ud和零两种电平，同样，在u0的负半周，让V2保持通态，V1保持断态，V3和V4交替通断，负载电压u0可以得到-Ud和零两种电平。