袁麗堅(jiān)

摘要：針對(duì)單相變頻逆變器輸出電壓中直流分量問(wèn)題，相關(guān)研究人員提出了一種輸出電流反饋控制的直流分量抑制策略，即在常規(guī)電感電流內(nèi)環(huán)輸出電壓外環(huán)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)逆變器輸出電流進(jìn)行反饋控制，增加逆變器直流回路阻抗，抑制直流分量產(chǎn)生。文章就此通過(guò)仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提策略能有效抑制逆變器輸出電壓中的直流分量，具體內(nèi)容供大家參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)蜗?；變頻逆變器；直流分量；抑制策略

前言

傳統(tǒng)單相電流源型逆變器在PWM過(guò)程中，直流側(cè)儲(chǔ)能電感電流在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)通常被視為恒定，忽略了儲(chǔ)能電感的充放電過(guò)程，導(dǎo)致儲(chǔ)能電感電流出現(xiàn)斷續(xù)或持續(xù)增加的問(wèn)題。為此，就需要研究人員采取合適的單相變頻逆變器直流分量抑制策略，從而保證單相變頻逆變器穩(wěn)定運(yùn)行。

1變頻逆變器直流分量等效回路

如圖1為單相LC型全橋逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。對(duì)直流分量而言，電容隔直通交，可視為開(kāi)路，電感隔交通直，可視為短路，因此穩(wěn)態(tài)下直流電流分量等效回路如圖2。逆變過(guò)程中，由于參考信號(hào)直流偏置、采樣傳感器零點(diǎn)漂移、驅(qū)動(dòng)信號(hào)不一致及開(kāi)關(guān)器件特性差異等原因，會(huì)在ui中疊加一定量的直流電壓分量。由圖2可知，該直流電壓作用在很小的電感內(nèi)阻上，會(huì)在直流回路中產(chǎn)生較大的直流電流，該直流電流作用在逆變器輸出負(fù)載上，產(chǎn)生較大直流電壓，從而增加輸出電壓中直流分量。

Um為直流輸入電壓；V1-V4為MOSFET；L，C為輸出濾波器；R為負(fù)載；r為電感內(nèi)阻；W為逆變橋輸出電壓；iL、i0、iC分別為電感電流、輸出電流及電容電流。

由于產(chǎn)生直流分量的因素較多且不確定，而且通常較難從源頭上抑制，因此為有效避免逆變器的直流注入，可通過(guò)增大逆變器的直流回路阻抗來(lái)抑制直流分量的產(chǎn)生。

2直流分量產(chǎn)生的原因分析

2.1非線性直流分量產(chǎn)生的原因

光伏并網(wǎng)算法的完成需要實(shí)時(shí)采樣并網(wǎng)電流、電網(wǎng)電壓等正弦量，然而采樣所用到的霍爾電流電壓互感器、后級(jí)的模擬放大電路都存在一定的非線性特性，輸出與輸入信號(hào)之間的關(guān)系不是一條具有固定斜率的直線。對(duì)于輸入的正弦波形，輸入信號(hào)幅度不同時(shí)，放大倍數(shù)會(huì)不同，這將導(dǎo)致所測(cè)量的正弦波形發(fā)生畸變，從而產(chǎn)生直流分量。

2.2偏移型直流分量產(chǎn)生的原因

單相變頻逆變器控制電路中一般都需要測(cè)量電網(wǎng)電壓、電流等參數(shù)，所用測(cè)量元器件往往存在輸入失調(diào)的問(wèn)題，導(dǎo)致了所測(cè)量的正弦波形整體向上或者向下偏移。結(jié)果是：由于測(cè)量產(chǎn)生的直流分量將被帶入到逆變器的控制算法中，將引起控制器的誤差，最終使逆變器的并網(wǎng)電流中含有直流分量。

3直流分量抑制策略

3.1策略分析

圖3為常規(guī)雙閉環(huán)控制框圖，內(nèi)環(huán)為電感電流環(huán)，其作用為增加系統(tǒng)阻尼，抑制LC濾波器諧振尖峰，外環(huán)為輸出電壓環(huán)，其作用為實(shí)現(xiàn)電壓跟蹤控制。為增加逆變器直流輸出阻抗，在圖3基礎(chǔ)上并聯(lián)直流分量抑制環(huán)路，其控制框圖如圖4所示。

該環(huán)路的目的是增加系統(tǒng)直流分量增益，使輸出電流中直流分量為零。故其控制器ui（s）選擇為在直流分量處具有無(wú)窮大增益的積分控制器：

式中：Ki2為積分控制器的積分系數(shù)。

對(duì)加入直流抑制支路前后ui進(jìn)行分析。則未加直流抑制時(shí)ui1為：

加入直流抑制之后的ui2則為：

將上面的兩個(gè)式子進(jìn)行對(duì)比分析，可以知道：直流分量抑制支路的效果可等效為在ui輸出端串聯(lián)阻值為Hi0Gi（s）GV（S）KPWM的虛擬電阻R1，其對(duì)直流分量的等效回路見(jiàn)圖5。R1的大小主要受積分控制器影響，其在交流頻率處阻值有限，但在直流分量處無(wú)窮大。因此，加入直流抑制支路實(shí)際上是在逆變器輸出電壓端串聯(lián)了一個(gè)無(wú)窮大直流電阻，從而抑制了直流分量產(chǎn)生。

3.2仿真研究

為了驗(yàn)證理論分析和控制方案的正確性，在Matlab/Simulink環(huán)境下進(jìn)行時(shí)域仿真研究。系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置：電網(wǎng)電壓380V/50Hz，直流母線電壓700V，系統(tǒng)開(kāi)關(guān)頻率16kHz，濾波電感6mH，并網(wǎng)電流幅值10A，虛擬電容值500μF，在a相參考電流中加入1A直流，仿真結(jié)果如圖6所示。

通過(guò)圖中的對(duì)比情況，我們可以知道常規(guī)雙閉環(huán)控制不能有效抑制支路分量，輸出電壓有效值220V中仍含有5.2%-6.84%的直流分量。而所提直流分量抑制策略能有效將輸出電壓中直流分量抑制到0.2%以下，且未使輸出電壓性能變差，驗(yàn)證了所提直流分量抑制策略的有效性。同時(shí)在逆變器頻率要求大范圍變化的情況下，該策略仍適用，有很好的適應(yīng)性。

結(jié)束語(yǔ)

文章中提出一種簡(jiǎn)單有效的偏移型直流抑制算法，其具有簡(jiǎn)單、快速、有效、實(shí)用等特點(diǎn)。根據(jù)實(shí)際工程應(yīng)用提出的電流環(huán)補(bǔ)償方法只需要占用少量的芯片資源而無(wú)需增加額外的硬件設(shè)施，可以廣泛的用于數(shù)字化的控制算法中。同時(shí)對(duì)非線性的直流注入做了具體分析，并定量地給出了元器件的非線性對(duì)直流注入的影響，為測(cè)量元器件的選擇提供了非線性指標(biāo)的參考。仿真結(jié)果表明，基于無(wú)差拍控制基礎(chǔ)上的電流補(bǔ)償環(huán)節(jié)可以有效地抑制直流電流的注入。

參考文獻(xiàn)：

[1]侯西正.基于有源阻尼的單相變頻逆變器控制策略研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2014.

[2]苗軼如，劉和平，王華斌，王蒙蒙.單相電流源型逆變器儲(chǔ)能電感電流優(yōu)化調(diào)制及控制策略[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2018，33（06）：1227-1237.