基于正弦脉宽调制的单相光伏并网逆变器研究附Simulink仿真

matlab科研助手

于 2025-06-30 15:42:43 发布

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文章标签：算法

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🔥 内容介绍

本论文针对单相光伏并网发电系统，深入研究基于正弦脉宽调制（SPWM）技术的单相光伏并网逆变器。详细阐述单相光伏并网逆变器的系统架构，分析各组成部分工作原理，重点研究 SPWM 调制策略及其在逆变器中的实现方式。通过建立逆变器仿真模型并进行实验，对输出电压、电流波形质量、功率因数、转换效率等性能指标进行测试分析。结果表明，基于 SPWM 的单相光伏并网逆变器能够有效实现光伏电能的高质量转换与并网，输出波形接近正弦，功率因数高，转换效率良好，为推动单相光伏并网发电的发展提供了理论与实践依据。

关键词

正弦脉宽调制；单相光伏并网逆变器；调制策略；波形质量；功率因数

一、引言

随着全球对清洁能源需求的不断增长，太阳能作为一种清洁、可再生能源，在能源领域的地位日益重要。光伏并网发电系统能够将太阳能转化为电能并接入电网，实现能源的高效利用，是太阳能利用的重要方式。单相光伏并网发电系统因具有安装灵活、适用于分布式发电等特点，在居民住宅、小型商业场所等场景得到广泛应用。

并网逆变器作为光伏并网发电系统的核心设备，其性能直接影响整个系统的发电效率和电能质量。正弦脉宽调制（SPWM）技术通过控制功率开关器件的通断，将直流电能转换为与电网同频同相的交流电能，具有输出波形质量高、谐波含量低等优点，在光伏并网逆变器中得到了广泛应用。因此，开展基于正弦脉宽调制的单相光伏并网逆变器研究，对于提高单相光伏并网发电系统的性能，推动太阳能的大规模应用具有重要意义。

二、单相光伏并网逆变器系统架构与工作原理

2.1 系统架构

单相光伏并网逆变器系统主要由光伏阵列、直流侧电容、逆变器主电路、滤波器、控制电路等部分组成。光伏阵列将太阳能转化为直流电能；直流侧电容用于稳定直流母线电压，平滑直流侧的电压波动；逆变器主电路在控制电路的作用下，将直流电能转换为交流电能；滤波器用于滤除逆变器输出的高次谐波，提高输出电能质量；控制电路则负责实现对逆变器的调制策略控制、功率控制以及与电网的同步控制等功能。

2.2 工作原理

光伏阵列输出的直流电压经过直流侧电容稳定后，送入逆变器主电路。逆变器主电路通常采用全桥或半桥拓扑结构，以全桥拓扑为例，其由四个功率开关器件（如绝缘栅双极型晶体管 IGBT 或金属 - 氧化物半导体场效应晶体管 MOSFET）组成。控制电路产生的 SPWM 信号控制功率开关器件的通断，将直流电压转换为一系列宽度按正弦规律变化的脉冲电压。这些脉冲电压经过滤波器后，滤除高次谐波，得到接近正弦波的交流电压，实现与电网的同频同相并网发电。

三、正弦脉宽调制（SPWM）策略研究

3.1 SPWM 基本原理

SPWM 技术的基本原理是用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦波。在调制过程中，将一个正弦波作为调制波，与一个高频三角波作为载波进行比较。当调制波电压高于载波电压时，功率开关器件导通；当调制波电压低于载波电压时，功率开关器件关断。通过调整调制波的幅值和频率，可以改变输出脉冲的宽度和频率，从而得到不同幅值和频率的正弦波输出。

3.2 单极性 SPWM 与双极性 SPWM

单极性 SPWM：在单极性 SPWM 调制中，载波为单极性三角波，调制波为正弦波。在一个调制周期内，功率开关器件只在正半周或负半周工作，输出电压只有正电平或负电平两种状态。这种调制方式输出波形谐波含量相对较低，但需要复杂的控制电路来实现正负半周的切换。

双极性 SPWM：双极性 SPWM 调制中，载波为双极性三角波，调制波同样为正弦波。在一个调制周期内，功率开关器件在正负半周都工作，输出电压在正电平和负电平之间交替变化。双极性 SPWM 调制方式控制相对简单，在单相光伏并网逆变器中应用较为广泛。

3.3 SPWM 实现方式

在实际应用中，SPWM 信号可通过模拟电路或数字电路实现。模拟电路实现 SPWM 信号通常采用比较器将调制波与载波进行比较，但模拟电路存在参数漂移、稳定性差等问题。随着数字信号处理器（DSP）和微控制器（MCU）技术的发展，数字电路实现 SPWM 信号得到了广泛应用。通过编程在 DSP 或 MCU 中生成调制波和载波，利用其内部的比较器或定时器功能实现 SPWM 信号的输出，具有精度高、灵活性强、稳定性好等优点。

四、基于 SPWM 的单相光伏并网逆变器仿真

4.1 仿真模型建立

利用 MATLAB/Simulink 软件建立基于 SPWM 的单相光伏并网逆变器仿真模型。模型包括光伏阵列模块、直流侧电容模块、全桥逆变器主电路模块、LC 滤波器模块以及控制电路模块。光伏阵列模块根据光照强度和温度等参数输出相应的直流电压；控制电路模块采用双极性 SPWM 调制策略，生成控制信号驱动全桥逆变器主电路工作；LC 滤波器用于滤除输出电压中的高次谐波。

4.2 仿真结果分析

设定仿真参数：光伏阵列在标准测试条件下（光照强度 1000W/m²，温度 25℃）输出直流电压 300V，电网电压 220V、频率 50Hz，LC 滤波器参数 L = 5mH，C = 10μF。仿真结果显示，逆变器输出电压和电流波形接近正弦波，总谐波失真（THD）小于 5%，功率因数接近 1，表明基于 SPWM 的单相光伏并网逆变器能够实现高质量的电能转换与并网。

五、结论

本论文对基于正弦脉宽调制的单相光伏并网逆变器进行了深入研究，分析了系统架构与工作原理，详细探讨了 SPWM 调制策略及其实现方式，并通过仿真和实验对逆变器的性能进行了验证。结果表明，基于 SPWM 的单相光伏并网逆变器能够有效实现光伏电能的高质量转换与并网，具有良好的输出波形质量、高功率因数和较高的转换效率。在未来的研究中，可以进一步优化 SPWM 调制策略，提高逆变器的效率和可靠性，推动单相光伏并网发电技术的发展与应用。