采用垂直多載波調制技術的并網逆變器

胡雪峰， 龔春英， 陳新

(1．南京航空航天大學江蘇省新能源發電與電能變換重點實驗室，江蘇南京210016;2．安徽工業大學電力電子與運動控制省重點實驗室，安徽馬鞍山243002)

0 引言

隨著開發和利用新能源的快速發展，全橋并網逆變器系統的研究得到了許多學者的重視，其中為了避免開關器件“直通”，需要在同一橋臂的兩個互補開關管的驅動信號中設置一定的死區時間，而死區時間的設置會使逆變器輸出波形產生畸變，增加入網電流的諧波含量，降低直流電壓利用率，即“死區效應”。為改善輸出電壓和電流波形，諸多學者采取了多種方法［1－6］，也收到了一定的效果，歸納起來主要有基于平均值等效理論的補償方案，即將電壓伏秒誤差在一個周期內進行平均，然后直接加到指令電壓上。另一類是基于脈沖補償的方法，即直接對輸出的PWM脈寬進行修正。

本文首先詳細分析了全橋逆變器由開關延時造成“死區效應”的產生機理，在此基礎上，提出一種基于垂直分層多載波調制技術的PWM調制策略，這種策略由三個相位相同，垂直移幅的載波構成，根據橋臂電流的方向來判斷應由哪一個載波和調制波相比較以產生對應的開關信號，這樣只要用軟件調整垂直載波的距離就可設置橋臂上下開關的死區時間，以避免逆變橋臂的直通現象，同時又不產生橋臂輸出電壓偏差，即無“死區效應”發生。這種方法原理清晰，思路明確，特別適合于用數字控制器實現。

1 并網逆變器產生死區效應的機理分析

可再生能源并網發電逆變器系統如圖1所示，其中1為輸出電流i有效值給定，2為實際輸出電流有效值，3為電網電壓鎖相環，4為PI控制器1，5為PI控制器2，6為三角載波信號發生器，7為垂直分層多載波SPWM調制及驅動器。系統直流側電壓由可再生能源如光伏電池，燃料電池等提供，能量流具有單向性，逆變橋輸出通過T型濾波器和并網開關連接到電網上，其等效電路如圖2所示。

圖1 可再生能源并網逆變器系統Fig．1 system of grid-inverter for renewable energy

圖2 網側單相T型濾波器等效電路Fig．2 single phase Equivalent circuit of T filter

由于電網容量可以看作無窮大，即網側電壓基本不變，且是不可控制量，因此并網逆變器輸出通常采用高頻脈寬調制下的電流控制，此方法必然會導致饋網電流中含有大量開關頻率及其整數倍附近的高次諧波［7－11］。圖2中的T型濾波器可以對此高次諧波進行極大的衰減，但是，為防止橋臂直通而設置的開關管延時產生的“死區效應”使橋臂電壓不再是標準的SPWM波，進而足以使饋網電流波形發生畸變，因此研究如何消除或降低“死區效應”，以減少并網逆變器進網電流中的低次諧波含量極為重要。

為了方便于定量分析由“死區效應”引起的橋臂輸出電壓偏差，首先做如下假設:①各開關的開通壓降為零，關斷電流為零;②各開關管能瞬時開通和關斷;③忽略輸出電流的紋波。圖3(a)為并網逆變器一相橋臂的輸出等效電路。由于一般功率管(MOSFET或IGBT)的開通時間要快于關斷時間，所以為了確保兩只管子不會同時導通，通常在開關管開通前加入足夠的死區時間td，其間兩只管子都處于關斷狀態，此時橋臂輸出似乎處于懸浮狀態，然而由于濾波電感的存在，輸出電流將會通過相應的二極管續流，所以死區對并網逆變電源橋臂輸出電壓的影響取決于橋臂電流的實際方向。如果規定流出橋臂的電流方向為正，反之為負，由圖3可以看出每個工頻周期內由延時開通時間引起的橋臂偏差電壓脈沖數N與開關頻率有關，可表示為

fc為載波頻率，f為并網逆變器輸出電流頻率。

在每半個周期由死區引起的等效偏差電壓ΔVAO可表示為

其中:Td為通常的開關延時時間;T為電網電壓周期;Tc為載波周期;Tc為載波周期;fs為開關頻率。

圖3 橋臂輸出電壓和驅動信號之間的關系Fig．3 Relation between output voltage and gate sign

顯然，開關延時直接造成了并網逆變器橋臂輸出電壓低次諧波含量的增加，從而引起饋網電流低次諧波含量的升高。針對這一問題，文獻［1－2］采取橋臂輸出電壓偏差直接補償的方法，取得了一定的效果，文獻［3－4］直接利用橋臂電壓偏差伏秒平衡的原理進行了相應控制量的補償，也有效改善了由開關“死區效應”帶來的不利影響。本文提出一基于多載波垂直分層的新型PWM調制策略，這種調制策略既能靈活設置開關延時時間，又不產生橋臂輸出電壓偏差，從而避免PWM調制過程中引起進網電流低次諧波含量的增加，即具有設置開關延時和避免“死區效應”的雙重功能。

2 垂直分層多載波SPWM調制策略原理分析

如果采用雙極性調制，結合圖3可以看出當橋臂輸出電流為正時，只有T1，T3管的開通延時將產生負輸出電壓偏差;當橋臂輸出電流為負時，T2，T4管的開通延時將產生正輸出電壓偏差，其余情況無偏差電壓產生，即理論上不會產生“死區效應”。本文考慮若把載波信號C分別向上，向下垂直移動一定的距離Δh，得到C+和C－信號，則可同時把C，C+和C－信號作為載波，即垂直分層多載波。只要在不同的條件下選擇相應的載波信號和調制波交接得到開關的驅動信號即可，如圖4(a)，(b)所示。假設三角載波的頂角為θ，Δh是兩個三角載波的垂直位移。則T1或T2管提前關斷和延時開通的時間，即為設置的開關死區時間td，由下列兩式決定td。即

圖4 多載波PWM策略原理示意圖Fig．4 proposed composite PWM strategy

2.1 垂直分層多載波SPWM的調制模型分析

圖1中開關驅動信號uTi為二值邏輯函數［6］，假設:

式中:ωc為載波頻率;φc為載波初相角;Jn()為 n階貝塞爾函數，即

這與理想雙極性調制時的表達式是一致的，即使用垂直分層多載波PWM調制策略產生的橋臂輸出電壓同樣是標準的SPWM波形。

3 垂直分層多載波PWM策略在并網逆變器中應用的仿真分析

為了驗證理論分析的正確性和有效性，本文首先對各種情況進行了對比仿真研究，仿真參數如下:直流輸入電壓Vdc=400 V，額定功率為1 kW，網側相電壓有效值Vac=220 V，開關頻率fs=10 kHz，開關管的開通延時時間 td=3 μs，L1=3 mH，L2=1 mH，C=2.2 μF，仿真結果如圖(5)，(6)，(7)所示。紅色曲線為電壓，為了能清晰地看出并網電流與電網電壓的相位關系，仿真中的網壓統一歸一化到10 V。藍色曲線為實際饋網電流。從仿真波形中看出，帶開關延時的常規PWM調制時饋網電流波形諧波含量較大，達到4.67%;所提垂直分層多載波PWM調制策略和無開關延時下電流波形基本一致，其諧波含量比較低，只有0.68%，與理論分析相吻合。

圖5 不同PWM策略下饋網電流仿真波形Fig．5 Simulation waveform of grid current with different PWM method

4 試驗驗證

根據上述仿真參數，制作了一臺1KW的試驗樣機，通過自藕變壓器與電網連接，對上述理論分析進行了試驗研究，試驗結果如圖(8)，圖(9)所示。圖8為td=3 μs時，電網電壓(實際電網電壓存在一定的畸變)與并網電流的穩態波形，用諧波分析儀實測電流的THD為9.7%，PF為0.981。圖9為本文所提基于垂直分層多載波調制策略下電網電壓(實際電網電壓存在一定的畸變)與并網電流的穩態波形，用諧波分析儀實測電流的THD為2.8%，PF為0.992。從試驗結果可以看出，采用垂直多載波PWM調制策略能有效地把設置開關死區時間和避免“死區效應”同時進行，把該方法應用在并網逆變器中能明顯抑制饋網電流中的諧波含量，提高并網逆變器饋網電流的波形質量。

圖8 常規PWM下(td=3 μs)饋網電流實驗波形Fig．8 Experimental waveform when td=3 μs under conventional PWM

圖9 本文PWM策略下饋網電流試驗波形Fig．9 Experimental waveform under proposed PWM strategy

5 結語

針對單相并網逆變器，從PWM調制策略上，提出了一種新型無“死區效應”的垂直分層載波PWM調制技術，這種調制策略一方面能設置開關延時，另一方面又避免了“死區效應”的產生。仿真和試驗結果都證明了垂直分層多載波調制策略的有效性，能明顯降低并網電流的諧波含量，在實際應用中具有一定的價值。

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