逆變器輸出直流分量檢測與抑制方法*

王 博

(西安鐵路職業技術學院牽引動力學院，西安710026)

在逆變器類產品的交流輸出中，由于種種原因總會含有相當成份的直流分量，這會增大逆變器及負載的損耗，縮短器件及導線的壽命，使變電站內變壓器因直流偏磁而使得磁芯飽和，引發變壓器著火等后果，嚴重危害電網可靠性。 國家標準規定非并網的逆變器類產品，交流輸出的直流分量應小于±100 mV。 因此，消除或抑制非并網的逆變器輸出直流偏置電壓是有關逆變器產品開發研究的主要課題。

一般來講，逆變器交流輸出的直流分量產生的原因有多種:開關管的工作特性差異導致的不對稱；驅動信號不一致導致的不對稱；傳感器、運放及A/D 轉換器等檢測電路誤差或零漂引起的不對稱[1-2]。 在工程應用中，對于逆變器交流輸出直流分量的抑制分為兩部分:首先利用檢測電路對交流輸出的直流分量進行采集，然后將采集到的直流偏置電壓引入閉環控制系統內，調整輸出SPWM 信號脈寬，從而減小或消除直流偏置[3-5]。

在現有的逆變器產品中有關直流分量的抑制，由于受直流分量的檢測精度的限制，抑制效果不理想，尤其是逆變器系統在共模干擾較大的電路拓撲結構中，直流分量檢測電路抗干擾能力較弱，精度更加難以保證。 另外，在控制系統中沒有設置特定的直流偏置電壓調節器，即使系統能夠檢測到偏置電壓，而控制系統無法抑制偏置電壓。

針對逆變器直流偏置電壓檢測精度、抗干擾能力、控制系統抑制方法等問題，提出了一種精準的交流電壓直流分量檢測電路及抑制方法，而且該電路具有良好的抗共模干擾的能力，可明顯改善直流偏置電壓的抑制效果及抗干擾能力，從而提升逆變器的輸出性能。

1 電壓直流分量檢測電路

逆變器是一個進行功率變換的系統，其內部時刻都有較大的di/dt、du/dt 發生，因此它是一個電磁干擾較為復雜嚴重的系統。 當系統中開關器件高頻工作時，就會有較大的差模或共模的干擾信號產生[6-7]。 傳統的直流分量檢測電路未考慮共模干擾發生時信號采集電路的可靠性及精度，因此直流分量檢測及處理就會受到嚴重的影響。

為了在強電磁干擾下精確采集直流偏置電壓，首先，通過低通濾波器對交流電壓信號中直流偏置電壓進行提取，再對直流偏置電壓的信號進行阻抗匹配及隔離調理，然后，對直流偏置電壓的信號進行調理及放大[8-12]。

1.1 低通濾波電路

圖1 所示的電路利用兩組相似的低通濾波模塊I 和II 實現直流偏置電壓的提取。 對于第I 組來講，交流電壓一般較高，處于系統的一次側，而檢測端屬于二次側，除了進行低通濾波處理之外還需要進行電壓衰減。 對于低通濾波器截止頻率的設置，主要考慮濾除工頻交流50 Hz 的信號，且不能對所采集的直流偏置電壓產生衰減，根據香農采樣定理相關理論，應選擇小于5 Hz 的截止頻率。 另外，直流偏置電壓的采集在逆變器控制系統中處于最外環，調節的響應時間可以稍長些，最重要的是確保采集的精度，因此應盡量選擇較低頻率的濾波參數來保證精度。

圖1 精準的直流分量采集電路

根據具體被測量，設置R1、R2為200 kΩ 電阻，C1為2 μF 瓷片電容組成第Ⅰ組濾波器，其截止頻率由式(1)可計算得到為0.2 Hz。 第Ⅱ組濾波器參數與第Ⅰ組類似，R3、R4為200 kΩ 電阻，C2為2 μF瓷片電容，截止頻率為0.2 Hz。

D1、D2為齊納二極管，主要作用是在逆變器交流輸出停電或開機瞬間還未形成交變信號，其直流分量非常大，對濾波后信號進行鉗位，防止電壓過高損壞后級元件。 R5、R6配合后級電路，對直流成份進行衰減或阻抗匹配。

1.2 電壓跟隨電路

電壓跟隨電路是直流分量采集電路的核心部分，也是與常規電路區別較大的部分。 電路由兩個集成運算放大器組成，如圖1 中U1、U2，每個獨立的運算放大器連接成電壓跟隨器的形式，兩組完全對稱。 眾所周知，電壓跟隨器是一種常見的信號調理電路，它的特點是具有極高的輸入阻抗與極低的輸出阻抗。 極高的輸入阻抗是指跟隨器輸入與后端電路等效阻抗極高，從某種程度上講輸入側與后端電路相當于隔離，當前端調理電路或者測試點發生異常的振蕩、干擾、畸變時，后端受到的影響極小。 極低的輸出阻抗使得微弱的直流偏置電壓信號得以放大，調理后具有一定強度，因而具有相當的抗干擾的能力。 兩組完全對稱的差分形式的跟隨器不僅可以提取正、負的直流偏置電壓，而且當系統受到共模源干擾時，該檢測電路可以進行有效的抑制，因此該電路具有明顯的抗共模干擾的能力。

電路中R7、R9與R8、R10兩組電阻網絡是對進入電壓跟隨器的信號進行衰減及阻抗匹配，這兩個電阻網絡連接方式相同，C3、C4可對信號進行必要的高頻濾波。

1.3 直流偏置電壓的調理放大

從高壓的交流電壓中經過兩級的低通濾波電路與差分電壓跟隨電路可以提取出較為精準的直流偏置電壓，該電壓信號一般幅值較小，難以被控制器的A/D 轉換器精確識別，因此需要將其進行調理放大至合適的范圍。

調理放大電路采用集成運算放大器連接成差分的形式，也可有效防止共模干擾，確保信號在進入A/D 轉換器前不失真。 由于直流偏置電壓有正向也有負向，數字控制器一般采用單向正電源供電，其A/D 口所能識別的也是正向電壓，為此，需要將有可能發生的負向偏置電壓進行調理。 工程上常采用控制器供電一半電壓進行上拉，如圖1 中Vref，將其變換為零到滿量程的所能識別的信號，圖1 中R11、R13即為Vref上拉的分壓電阻。 R12、R14與U3為反饋放大電路，對直流偏置信號進行比例放大處理，C5的作用是在比例放大的同時，對調理電路增加積分環節，從而減小誤差，增強電路的采集精度。 R15與C6構成低通濾波器，對調理電路的輸出信號在進入控制器的A/D 轉換器前進行低通濾波處理，消除線路中的高頻噪聲。

2 直流分量補償策略

2.1 逆變器總體控制方案

逆變器的控制目標是在穩態和瞬態確保標準的正弦輸出，即要求有較高的穩態精度和良好的動態性能。 穩態精度參數包含總諧波畸變率THDu、相位與幅值的靜態誤差；動態性能指在逆變器輸入側或負載側等外界擾動下輸出波形畸變率。 為滿足逆變器的穩態和動態性能，控制方法起著關鍵作用[13-16]。 目前，逆變器控制方式可分為兩類，有效值控制與瞬時值控制。 有效值控制是以輸出電壓有效值作為反饋控制量，保證額定的輸出電壓有效值，但在負載突變時的動態響應很慢，在非線性負載下電壓畸變很嚴重。 瞬時值控制是以輸出電壓瞬時值作為反饋量，實現對輸出交流電壓瞬時值的調整，可以實現較快的動態響應，較低的諧波畸變[17-20]。

在本文的逆變器實驗平臺中，為實現最佳的輸出性能，結合兩種控制方法的優勢，采用混合的控制方案，即周期的有效值控制來保證穩態誤差，瞬時值控制來實現動態性能。 直流分量的調節一般是經過若干工頻周期內進行，動態響應較慢，但穩態精度要求較高，因此，直流分量控制器處于混合控制的最外環。

2.2 直流分量抑制策略

逆變器輸出交流電壓直流分量補償的方式一般有兩種:一種是采用電壓霍爾傳感器或其他硬件電路檢測逆變輸出的直流偏置電壓，根據檢測到的交流電壓直流分量調節逆變器參考正弦波來消除逆變器輸出電壓中的直流分量；另一種是采用電流霍爾傳感器檢測濾波電感的直流電流，根據采樣到的直流電流和直流電壓的比例關系調節逆變器參考正弦波來消除逆變器輸出電壓中的直流分量[2]。

本文采用第一種方式，即由圖1 電路獲得的交流輸出電壓的直流分量，經過控制系統的直流調節器調整得到直流電壓反饋量，該直流電壓反饋量疊加到正弦基準波，最后經電壓、電流雙閉環控制器調節控制逆變器輸出電壓直流分量為零。

圖2 為10 kVA 的逆變器實驗平臺中逆變部分直流分量抑制原理示意圖。 直流分量采集點為逆變器交流輸出，然后經過高壓電壓衰減與低通濾波、差分式電壓跟隨與隔離調理、差分放大后得到直流偏置電壓ΔUDC，并將其送入直流分量控制器內進行調節。 圖3 給出了逆變器部分系統多環路控制示意圖，其中KIp與KIi為電流內環控制器的比例與積分系數，KI為電流環反饋系數；KVp與KVi為瞬時電壓外環控制器的比例與積分系數，KV為電壓環反饋系數；KDCp與KDCi為直流分量抑制環控制器的比例與積分系數，GDC為直流抑制環反饋增益；KPWM為逆變器PWM 調節器增益；L 為濾波電感量，r 為其等效內阻，C 為濾波電容。

圖2 逆變器直流分量抑制原理圖

圖3 逆變器多環控制系統框圖(含直流抑制環)

逆變器內層控制環為輸出濾波電感電流反饋的電流環，為確保逆變器輸出具有較高的動態響應及可靠的過流保護功能，采用比例、積分調節。 外層控制環為瞬時電壓環，為保證逆變器交流輸出電壓為純正的正弦波與較低的總諧波畸變率(THDu)而采用比例、積分調節。 虛線部分為直流分量抑制環，其反饋作用點位置為逆變器瞬時電壓環信號給定端，為使輸出交流電壓直流分量滿足在±100 mV 以內的標準，采用比例、積分進行調節。 由硬件電路采集獲得的直流偏置電壓ΔUDC與直流分量基準(一般為0)進行比較產生直流分量誤差量，經直流分量控制器中比例、積分環節調整。

3 實驗驗證

為了驗證文章所述的精準的直流分量采集電路及直流分量抑制方法的科學性，在10 kVA 的逆變器平臺上進行相應實驗。 為驗證直流分量采集電路的精確度及抗干擾性，采用文章所述的精準采集電路與常規采集電路兩種類型分別進行測試，并將逆變器系統接地與配電安全地分為連接與斷開兩種情況。

實驗結果如圖4、圖5 所示，從圖中可以看出，文章所述的精準的直流分量采集電路與常規采集電路相比，采用相同的抑制方法，最終的直流分量要遠小于常規電路，逆變器系統接地，直流分量可以控制在20 mV 以內；不接地則可以控制在30 mV 內，均滿足國家標準。 常規電路在系統接地情況下，可控制在50 mV 內，一旦系統不接地，就會超標達210 mV 左右，不滿足國家標準。 逆變器系統接地后對于內部的一些較大的di/dt、du/dt 可通過共模泄放回路導入安全大地，相應的直流偏置電壓也會減小。

圖4 交流電壓與直流偏置電壓波形

圖5 不同條件的直流偏置電壓測試結果

4 結論

常用的逆變器交流輸出直流分量檢測電路采集精度較差，尤其是在強電磁干擾的逆變器系統或受到外界共模電子干擾，其檢測精度及工作穩定性無法保證。 文章所述的精準的直流分量采集電路可以精確采集直流偏置電壓，并將該偏置電壓引入控制系統的算法中進行處理，對對稱的逆變器系統進行反方向的偏置控制，從根本上消除交流信號的直流偏置，防止由于該直流偏置而引起的諸多問題。 同時，該采集電路根據共模干擾源發生的機理，從根本上消除或者盡可能減小共模干擾，因此，具有一定的抗共模干擾的能力。 從實驗結果可以看出，文章所述的精準直流分量檢測電路與常規電路相比具有明顯的優勢；相應的抑制方法與策略也可以達到系統要求，滿足國家標準對于直流偏置電壓的要求。 因此，檢測電路與抑制方法科學、可行。