提高弱電網下三相三電平拓撲結構直流母線電壓利用率的研究

李宏 李冰

摘 要：在逆變器的研究中，直流母線的高低直接影響了產品的轉換效率。降低直流母線電壓，提高直流母線電壓利用率，是提高機器性能的關鍵因素之一。標準電網下，空間矢量和注入三次諧波的SPWM都可以提高三相機的直流母線電壓利用率。但是，在弱電網條件下，電網電壓變化較大，為保證逆變器穩定工作，通常會按照預期最高電網電壓設置直流母線電壓，造成在電網電壓較低時，“實際”直流母線電壓利用率偏低。筆者研究出一種實時隨動的直流母線電壓控制策略，在電網電壓低時，能有效降低母線電壓，提高“實際”直流母線電壓利用率；同時，當電網電壓變化時，可以及時調整直流母線電壓，保證逆變器穩定運行。

關鍵詞：太陽能、逆變器、弱電網、直流母線電壓利用率

0 引言

能源是社會發展和經濟建設不可或缺的資源。隨著全球現代工業的發展，能源危機和環境污染等一系列的問題日益突出。太陽能作為取之不盡、用之不竭、分布廣泛、無污染的新能源，與風能、潮汐能、地熱能等其他新能源相比，具有更廣闊的發展前景，更受到各方研究人員的青睞。

光伏逆變器作為太陽能發電系統的核心組成部分，其轉換效率是影響太陽能利用率的關鍵。影響光伏逆變器轉化效率的因素較多，直流母線電壓利用率就是其中一個重要的因素。目前，強電網交流電壓不變情況的研究已經較為成熟。但是都沒有提及弱電網下電網變化時，直流母線電壓的控制策略。

1.并網控制策略

在光伏逆變器的并網控制策略中，常用的方法主要有以下三種：

1.1 普通SPWM策略。在控制系統中，該策略是一種比較成熟的、使用較廣泛的PWM法。理論上，沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時，其效果基本相同。三相三電平拓撲結構中，SPWM策略就是以該結論為理論基礎，把拓撲結構看做3個獨立的結構。用脈沖寬度按正弦規律變化，和正弦波等效的PWM波形，控制逆變電路中開關器件的通斷，使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應區間內的面積相等，從而輸出正弦波形。

SPWM的方便比較簡單，容易掌握；但是其缺點是直流母線電壓利用率低，所以在比較注重效率的光伏逆變器上，采用該策略的廠家越來越少。

1.2空間矢量（SVPWM）。該策略最初是應用在電動機控制上，控制實現的基本原理是通過測量和控制異步電動機定子電流矢量，根據磁場定向原理分別對異步電動機的勵磁電流和轉矩電流進行控制，從而達到控制異步電動機轉矩的目的。

空間矢量控制是將異步電動機的定子電流矢量分解為產生磁場的電流分量和產生轉矩的電流分量分別加以控制，并同時控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢量，所以稱這種控制方式稱為矢量控制方式。

空間矢量方法是將系統看做一個整體，三相之間相互配合合成一個旋轉的矢量，最大脈寬時刻不在每一相電壓的峰值處。

該策略可以提高直流母線電壓利用率，各學者對該策略研究的較為充分。但是，空間矢量有多個扇區，每個扇區計算方不同，所以，程序實現較為復雜。

1.3注入三次諧波的SPWM。該策略是一種比較先進的控制策略。通過對空間矢量深入研究發現，SVPWM可以看做是注入特定零序的SPWM。進一步研究發現，在SPWM上出入3次正弦諧波，可以達到和空間矢量相同的效果。即可以提高直流母線電壓的利用率，又可以減少算法的難度。

筆者設計的產品采用注入三次諧波的SPWM，本文下面的分析研究也是基于注入三次諧波的SPWM。

2.弱電網下直流母線電壓的控制。

我國的電網電壓標準是220V/50H。但是在某些電網末端，因為用電負載功率變動，電網電壓會出現較大波動，即所謂的弱電網。為保證電網電壓升高或突變時，逆變器可以正常運行，不會因過調制而失控或停機，傳統的辦法是把母線電壓提高，按照設計預期的最高電網電壓設計。但是這樣間接犧牲了直流母線電壓的利用率。

為提高交流電壓較低時，“實際”直流母線電壓的利用率，筆者設計了一種母線電壓隨動的控制策略。

首先，筆者采用交流電壓反推法，即，實時采樣電網電壓，反推需求的母線電壓。該方法計算較多，并且實際需要的母線電壓受并網電流及PI調節器的參數影響，需要預留的電壓余量較大。

然后，筆者采用調制度控制法，即，把最大調制度標幺化為“1”，實時調節直流母線電壓，使調制度為“0.95”。本方法在電壓緩慢變化時可以正常工作，但是當電網電壓劇烈變化時會出現母線震蕩。

為此，筆者又對該方法進行改進。當調制度>“0.96”時，使：給定直流母線電壓=實際母線電壓+ 5V；當調制度<“0.93”并且持續200ms后，使：給定直流母線電壓=實際母線電壓-1V；

3.驗證

筆者將新策略的程序升級到20kw的機器上，交流輸出接交流源，模擬電網電壓變化。測試結果顯示，采用新的控制策略后，交流電壓較低時，直流母線電壓能明顯降低。電網波動時，機器運行正常，無停機現象發生。

經用戶同意，筆者又把河北某機加工廠廠區中的5臺逆變器升級為該程序，經1個月持續觀察，無論是電網電壓高低，還是工廠內電動機啟停時的電網波動，機器都可以正常工作，并且比老程序機器的電壓平均低30V-40V。

4.結論

本文首先簡要介紹了3種常用的并網控制策略，并分析了3中控制策略的控制難易程度，以及每種策略的直流母線電壓利用率。通過分析弱電網下的電網工況，在基于注入三次諧波SPWM控制策略下，研究出了一種直流母線電壓隨動的母線控制策略。（理論上，該策略也可以應用在空間矢量策略和普通SPWM策略下，但因時間關系，筆者并未實際驗證。）經模擬測試和實際現場應用證實，該策略在電網電壓較低時，能夠進一步降低直流母線電壓，進而提高“實際”直流母線電壓利用率。