逆變器并聯系統環流抑制的研究

楊富松，陳 皓

(四川大學電氣信息學院，四川成都610065)

逆變器并聯系統環流抑制的研究

楊富松，陳 皓

(四川大學電氣信息學院，四川成都610065)

在SVPWM調制過程中，零矢量的作用會引起實際電壓矢量與理想電壓矢量之間相角的偏差，從而導致逆變器輸出側存在電壓諧波，對于輸出電壓精度有一定的影響。而在逆變器并聯系統中，較小的輸出電壓相角誤差能夠引起較大的有功環流，因此要盡量減小零矢量作用效果從而減少環流。首先探討了零矢量作用對SVPWM調制的影響，然后分析了均分零矢量的法對逆變器并聯系統有功環流抑制作用，仿真證明此方法輸出諧波更小，對逆變器并聯系統的有功環流有一定的抑制效果。

逆變器并聯；諧波；空間矢量脈寬調制；零矢量；環流

由于能源危機和環境問題的日益突顯，學者們提出了微電網的概念。微電網是結合了微型電源、負荷和控制裝置的一種電網形式，其中微型電源包括含有電力電子接口的微型燃氣輪機、風力發電、光伏發電、燃料電池等分布式電源和儲能裝置等[1]?；诜植际侥茉吹奈㈦娋W技術將是解決電能供應的一條有效途徑，可分為交流為電網和直流微電網[2]。直流微電網以直流配電的形式，通過直流母線很好地將各種分布式電源融合起來并加以協調控制，同時又能將直流電直接輸送給對電能質量要求高的直流負荷。并網逆變器將直流電能轉化為交流電能，是可再生能源與交流電網之間的必要接口[3]。為增大功率，提高系統的靈活性、可靠性，單個逆變器的容量已經不能滿足要求。采用更高容量的功率器件價格成本太高。同時使負載不平衡，從而損害整個系統的性能。環流實際上是各臺逆變器輸出電壓的幅值跟相位存在偏差而產生的[4]。抑制環流是逆變器并聯系統的核心問題，而在SVPWM調制過程中因零矢量的加入，導致非零矢量追蹤給定電壓矢量過程中產生一定的幅值偏差和相角偏差，引入有功和無功環流[5]。雖然采用雙環控制對電壓瞬時值調整有一定的效果，但是由于輸出阻抗和并機阻抗比較小，這種反饋的作用還是存在一定的局限性[6-7]。

對于SVPWM的調制優化有諸多方法，如單一零矢量法、交叉零矢量法、因子表法，但是這些方法主要從降低開關損耗的方面考慮了零矢量分配方案的優化，對變流裝置所產生的諧波輸出及對公共電網造成的污染的考慮并不全面[8]。有實驗研究已經表明[9]，此類優化策略在線性調制范圍內，所產生的調制電壓包含的諧波比準優化的矢量分配要大，對于向公共電網吸收或回饋電能，尤其是回饋電能的變流裝置而言這是不理想的。文獻[10]提出一種零序脈沖零矢量控制方法基于電壓空間矢量調制的隨機脈沖位置PWM方法，通過隨機改變零矢量的位置，實現了兩種低開關損耗PWM模式之間的隨機切換，可以在減小噪聲的同時減少開關損耗。文獻[11]提出均衡調整零矢量占空比從而減少零序環流的方法，但此方法只在存在零序環流通路的系統中適用，在分布式網絡中存在一定的局限性。

本文在分析了并網逆變器并聯運行時環流危害的基礎上，說明逆變器并聯系統中減少因零矢量作用引起的追蹤電壓矢量相位誤差的必要性，然后闡述了通過均分零矢量作用時間來減小相位誤差相對值，從而減少逆變器輸出相電壓諧波環流，仿真驗證此方法在輸出電能質量和抑制系統環流上有一定效果。

1 均分零矢量技術的理論研究

空間矢量脈寬調制(SVPWM)是把三相變流器的端部電壓狀態在復平面上綜合為空間電壓矢量，并通過不同的開關狀態形成八個空間矢量，利用這八個空間矢量來逼近電壓矢量圓，從而形成SVPWM波。它能在較低的開關頻率下獲得較好的諧波抑制效果和比SPWM更高的電壓利用率。同時SVPWM調制技術還有一個優點，即易于實現數字和實時控制[9]。

在SVPWM調制過程中，根據開關損耗最小原則，為了保證扇區切換的時候都只有一個開關管動作，可以得到某一個扇區的開關順序圖，如圖1所示。

圖1 載波周期內開關順序圖

零電壓矢量最基本的作用是調節實際電壓矢量多邊形在每一個載波周期的平均角速度，使之與理想電壓矢量的旋轉角速度相等。圖1按照最小開關損耗開關作用順序，先是零矢量0(000)作用0/4，再是1(100)矢量作用1/2，再是2(110)矢量作用2/2，再是7(111)矢量作用0/2，再是2(110)矢量作用2/2，再是1(100)矢量作用1/2，最后0(000)矢量作用0/4，圖2是實際電壓矢量追蹤理想電壓矢量的時間和相角軌跡圖。

圖2 實際電壓矢量追蹤理想電壓矢量軌跡圖

在無互聯線逆變器并聯系統中，為了保證逆變器之間相互獨立，現有研究基本都是每個逆變單元都采用PQ下垂控制，當頻率因負荷增大而變低時，載波周期將變大。工作電壓矢量的幅值只與逆變器的輸入直流電壓值有關[4]，在載波比不變的情況下保持恒轉矩調節，即在轉矩不變的情況下，實際電壓矢量的旋轉角速度也不變，因此非零矢量的作用時間也不變，故頻率降低時零電壓矢量的作用時間將增大，實際電壓矢量軌跡與理想電壓矢量之間相位誤差的相對值也將隨之增大。

由伏秒平衡定則：

可得：

即SVPWM逆變器的電壓控制是通過控制開關器件的占空比來實現的，占空比與導通時刻在開關周期中的位置無關。然而，導通位置的改變卻影響著輸出電壓的頻譜分布。如果在導通時間不變的前提下，合適地變化導通位置，可以在基波分量不變的情況下使逆變器輸出一個寬而均勻的連續頻譜，從而有效地抑制幅值較大的諧波分量。也就是說，如果將零矢量作用時間均勻插入到非零矢量作用時間里，仍能追蹤理想電壓矢量。但這樣非零矢量走走停停的次數將變得更加頻繁，此時矢量追蹤過程中產生的相位誤差的幅值將減小，而且其各次諧波成分的頻率將增大。由SVPWM電壓源逆變器輸出相電壓的諧波規律可知，此時相位誤差所引起的諧波頻率將升高，低次諧波將會減少，提高電壓輸出精度。為保證控制的有效及簡單性，均分零矢量時應遵循在每個控制周期內零矢量和非零矢量的作用時間都不變。

圖3 開關作用順序圖

圖4 矢量追蹤軌跡圖

在SVPWM調制過程中因零矢量的參與導致了一定的相角偏差，而且每一次零矢量作用時間越長，產生的相角偏差越大，采用均分零矢量的方法，把零矢量每一次作用的時間縮短，就能減少因零矢量作用導致的相角偏差，從而減少有功環流，增大各逆變器對負荷的均分度。

2 仿真驗證

搭建了兩臺逆變器并聯系統，系統中各逆變器均采用PQ下垂控制，給定參數如下：輸出電抗=0.1 mH，直流側電壓dc=700 V，n=50 Hz，下垂系數=0.000 1，=0.005，濾波電感=0.25 mH，濾波電容=40 μF，負載=8 kW，載頻為5 kHz，均分段數=6。當系統處于穩態時得到如圖5所示結果。

圖5 改進前后逆變器并聯系統電壓及功率對比圖

圖5(a)是傳統逆變器并聯系統穩態運行時逆變器輸出電壓頻譜，圖5(b)是系統有功環流引起負荷分擔差值；圖5(c)是采用均分零矢量法的逆變器并聯系統各逆變器輸出電壓頻譜，圖5(d)是系統因有功環流引起負荷分擔差值。需要說明的是圖5(a)和圖5(c)中，頻率為50 Hz的工頻量其幅值遠遠高于其余諧波，為了便于比較分析，所以沒必要完全描繪出來。可見，傳統控制方法得到的輸出電壓諧波畸變率為0.33%，采用均分零矢量法之后系統整體有所改善，系統輸出電壓諧波畸變率下降到0.18%。逆變器并聯系統因有功環流會導致系統處于穩態時逆變器之間有功功率分擔存在差異，不能均分負荷，相位超前的逆變器承擔更多的負荷。采用均分零矢量的方法之后系統有功環流引起的負荷分擔差值有所減小，由之前的10 W左右波動降到0 W左右波動。可見各逆變器輸出電能質量有所提高，環流引起有功功率差降到更低。

3 總結

SVPWM調制過程中零矢量作用會導致矢量追蹤過程中實際電壓矢量和理想電壓是兩存在相角偏差，增大有功環流。本人通過把零矢量作用時間均勻插入到非零矢量中，從而縮短每一次零矢量的作用時間，減小相角誤差，一定程度上減少逆變器并聯系統中有功環流，仿真證明了該方法的有效性。

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《鋰離子電池原理與關鍵技術》

本書是《化學電源技術叢書》的一個分冊。書中介紹了鋰元素的物理化學性質，鋰離子電池的基本概念與組裝技術，正極材料的微觀組成與電化學性能，負極材料、電解液、電極材料的研究方法以及鋰離子電池的應用與展望。本書匯集了國內外研究者的最新科技成果與相關技術，體現了鋰離子電池當今發展和研究的趨勢，是化學、物理、材料等學科的基礎理論研究與應用技術的前沿集成反映。

本書適合于高等學校、科研院所、相關企業從事化學電源研發的科研人員、管理工作者和生產技術人員等，同時可作為相關專業的師生學習參考用書。

Researches on circulating-current restraining in parallel inverter system

The deviation between the actual vector and the reference vector was caused by the null vector's participation,when adopting the SVPWM.Not only the harmonic was brought to the output voltage,but also massive active power circulating current was created in the parallel inverter system.It was crucial to diminish the effect of null vector.After analyzing the effect of null vector in SVPWM,the effect of null vector on active power circulating current was told about,then a method that divides the action time of null vector equally was given so as to diminish the deviation between the actual vector and the reference vector.The simulation results show that the proposed method is effective in the parallel operation system．

parallel inverter;harmonic;SVPWM;null vector;circulating current

TM 464

A

1002-087 X(2015)10-2244-03

2015-03-12

楊富松(1987—)，男，重慶市人，碩士生，主要研究方向為電力系統繼電保護與控制；導師：陳皓(1962—)，男，四川省人，碩士生導師，主要研究方向為電力系統微機保護與控制，Email：haochen06@163.com。