摘要：針對(duì)電力設(shè)備檢修中單一等級(jí)驗(yàn)電器存在的安全隱患以及成本較高等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種能夠適配多電壓等級(jí)負(fù)載的智能逆變器。對(duì)智能逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行了詳細(xì)介紹，提出了正弦波脈寬調(diào)制（sinusoidal pulse width modulation，SPWM）策略研究，并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證該調(diào)制策略的可靠性和有效性。結(jié)果表明，采用SPWM策略進(jìn)行優(yōu)化的智能逆變器在系統(tǒng)中能夠?qū)崿F(xiàn)高效、穩(wěn)定的電能轉(zhuǎn)換，且在動(dòng)態(tài)響應(yīng)上表現(xiàn)優(yōu)異，為未來(lái)的新能源發(fā)展提供了重要參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：多電壓等級(jí)負(fù)載；智能逆變器；正弦波脈寬調(diào)制

中圖分類(lèi)號(hào)：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

隨著全球能源需求的快速增長(zhǎng)，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)面臨越來(lái)越多的挑戰(zhàn)，特別是在適配不同電壓等級(jí)負(fù)載時(shí)，其靈活性較低?，F(xiàn)代社會(huì)對(duì)電氣設(shè)備和電能質(zhì)量的高標(biāo)準(zhǔn)要求，促使研究人員不斷尋求新技術(shù)來(lái)優(yōu)化電力系統(tǒng)。傳統(tǒng)逆變器在電力系統(tǒng)中發(fā)揮了重要作用，但其在適配多電壓等級(jí)負(fù)載時(shí)具有一定的局限性，無(wú)法滿足日益復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境與多樣化的負(fù)載需求。在這一背景下，智能逆變器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化顯得尤為關(guān)鍵。

1 智能逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理

近年來(lái)，智能逆變器以其可靠性高和壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)在光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電和超導(dǎo)儲(chǔ)能等領(lǐng)域得到了越來(lái)越多的關(guān)注。在光伏發(fā)電領(lǐng)域，為了使智能逆變器能夠適應(yīng)寬范圍變化的輸入電壓，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的前級(jí)電路需要具備較強(qiáng)的單級(jí)升降壓能力。但是，現(xiàn)有的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多利用直流旁路開(kāi)關(guān)強(qiáng)行切斷共?；芈穪?lái)抑制漏電流，這會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)損耗增加，并且影響光伏電池本身的壽命。因此，綜合考慮后選用輸入電源電流與輸出負(fù)載電流均連續(xù)且具備單級(jí)升降壓能力的前級(jí)電路作為智能逆變器的前級(jí)部分。

1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

與傳統(tǒng)的電壓源和電流源逆變器相比，本文設(shè)計(jì)的電路拓?fù)渲绷鳝h(huán)節(jié)元件數(shù)較多，電路更復(fù)雜，但它具有較高的調(diào)壓自由度，能夠靈活地進(jìn)行升降壓操作，適用于輸出電壓大幅變化的場(chǎng)景[1]。

智能逆變器的前級(jí)直流電路和后級(jí)橋式逆變電路分別采用了不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，整體可視為Cuk斬波電路元器件和三相逆變橋電路元器件的集成。為抑制漏電流，對(duì)前級(jí)直流電路中的傳統(tǒng)Cuk斬波電路進(jìn)行對(duì)偶設(shè)計(jì)，在其前端增設(shè)一對(duì)鉗位電容C1-1、C1-2和一對(duì)直流側(cè)對(duì)稱儲(chǔ)能電感L1-1、L1-2，將鉗位電容中心點(diǎn)與濾波電容Ca、Cb、Cc的中心點(diǎn)相連接即構(gòu)成了拓?fù)涞那凹?jí)電路[2]。電路在穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，儲(chǔ)能電感在每個(gè)工作周期內(nèi)的充放電能量相同，電流二倍頻脈動(dòng)顯著減小。后級(jí)橋式逆變電路在傳統(tǒng)三相電流型逆變器的基礎(chǔ)上增設(shè)了一個(gè)開(kāi)關(guān)，由7個(gè)橋臂開(kāi)關(guān)管S1至S7和7個(gè)二極管D1至D7分別串、并聯(lián)構(gòu)成H7型結(jié)構(gòu)。其中，每個(gè)二極管都能為橋臂開(kāi)關(guān)管提供可靠的反向電壓、電流阻斷能力，在發(fā)生短路故障時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的保護(hù)，并幫助橋臂開(kāi)關(guān)管充分發(fā)揮其優(yōu)良性能[3]。

1.2 工作原理

在不同的調(diào)制方法下對(duì)智能逆變器進(jìn)行分析，并比較其仿真結(jié)果的優(yōu)劣。智能逆變器在不同的調(diào)制策略下均可處于工作狀態(tài)，其共有3個(gè)工作模態(tài)[4]，具體模態(tài)如下。

工作模態(tài)Ⅰ：該階段智能逆變器的開(kāi)關(guān)管S1、S2導(dǎo)通，其余開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，此時(shí)電源Udc和直流側(cè)對(duì)稱儲(chǔ)能電感L1-1、L1-2、L2-1、L2-2同時(shí)對(duì)儲(chǔ)能電容C2-1、C2-2進(jìn)行充電，而直流電感L3-1、L3-2則處于放電狀態(tài)，直流側(cè)電感電流IL3流經(jīng)開(kāi)關(guān)管S2、S3與二極管D2、D3，對(duì)B相和C相負(fù)載進(jìn)行放電[5]。

工作模態(tài)Ⅱ：在工作模態(tài)Ⅰ的基礎(chǔ)上關(guān)閉開(kāi)關(guān)管S2，此時(shí)電源Udc對(duì)儲(chǔ)能電感L1-1、L1-2、L2-1、L2-2進(jìn)行充電，儲(chǔ)能電容C2-1、C2-2處于放電狀態(tài)，電感對(duì)電容的能量具有緩沖作用，直流側(cè)電感電流IL3流經(jīng)開(kāi)關(guān)管S2、S3與二極管D2、D3，對(duì)B相和C相負(fù)載進(jìn)行放電。

工作模態(tài)Ⅲ：在工作模態(tài)Ⅱ的基礎(chǔ)上導(dǎo)通開(kāi)關(guān)管S7，儲(chǔ)能電感L1-1、L1-2、L2-1、L2-2仍由電源Udc通過(guò)S7所在回路進(jìn)行充電，而儲(chǔ)能電容C2-1、C2-2通過(guò)開(kāi)關(guān)管S6、S7所在回路對(duì)儲(chǔ)能電感L3-1、L3-2進(jìn)行充電，輸出電流由濾波電容和濾波電感共同提供。此時(shí)，開(kāi)關(guān)管S6關(guān)斷，S7導(dǎo)通，電路整體處于零矢量工作狀態(tài)，橋式電路上開(kāi)關(guān)管的通斷在零電流狀態(tài)下切換，這不僅產(chǎn)生的損耗較小，而且開(kāi)關(guān)管狀態(tài)變化對(duì)該階段逆變器的整體工作狀態(tài)也無(wú)影響。

2 SPWM策略研究

在智能逆變電路的調(diào)制策略中應(yīng)用最廣泛的是正弦波脈寬調(diào)制（sinusoidal pulse width modulation，SPWM）方法和空間矢量脈寬調(diào)制（space vector pulse width modulation，SVPWM）方法。傳統(tǒng)的SPWM方法具有數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)單、頻譜特性好且易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，但是其直流側(cè)電能利用率低，會(huì)產(chǎn)生較大的開(kāi)關(guān)損耗，從而影響系統(tǒng)的工作效率。SVPWM方法具有開(kāi)關(guān)損耗小、直流利用效率高等優(yōu)點(diǎn)，但其實(shí)現(xiàn)方式是基于αβ坐標(biāo)系下的空間矢量調(diào)制，其計(jì)算過(guò)程較為復(fù)雜。未來(lái)，在上述調(diào)制方法的基礎(chǔ)上可利用調(diào)制波或載波幅值可調(diào)技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的拓展延伸。

根據(jù)智能逆變器的拓?fù)涮攸c(diǎn)，將得到的二值邏輯開(kāi)關(guān)信號(hào)通過(guò)邏輯變換轉(zhuǎn)變?yōu)槿颠壿嬮_(kāi)關(guān)信號(hào)，假設(shè)兩個(gè)調(diào)制信號(hào)分別為H1（t）和H2（t），二者相差2/3π，具體計(jì)算公式如下：

式中，Mm為調(diào)制波幅值，ωm為調(diào)制波角頻率，t為時(shí)間，φm為調(diào)制波相位。其中，調(diào)制波幅值應(yīng)小于或等于載波幅值。

SPWM信號(hào)的傅里葉表達(dá)式如下：

F（t）=Ck cos（ωt+φk）。" " " " " " " " " " " " " " （2）

式中，F(xiàn)（t）為傅里葉表達(dá)函數(shù)，Ck 為濾波電容容值，ω為傅里葉角頻率，φk為傅里葉調(diào)制波相位。

僅當(dāng)ω = ωm時(shí)，Ck = 2Mm /π且φk = φm，其他情況下Ck = 0，這進(jìn)一步證實(shí)了在二值邏輯SPWM信號(hào)調(diào)制時(shí)，信號(hào)僅被線性放大，無(wú)相移出現(xiàn)。三值邏輯信號(hào)Y（t）計(jì)算公式如下：

Y（t） = 0.5［F1（t）-F2（t）］。" " " " " " " " " " " （3）

式中，F(xiàn)1（t）為調(diào)制信號(hào)1的傅里葉表達(dá)函數(shù)，

F2（t）為調(diào)制信號(hào)2的傅里葉表達(dá)函數(shù)。

從三相調(diào)制波（Sm1，Sm2，Sm3）到（Sma，Smb，Smc）解耦處理的矩陣表達(dá)式如下：

。" " " " " " " " " " " " " " " " " （4）

式中，（Sma，Smb，Smc）為解耦后的三相調(diào)制波矩陣。

經(jīng)過(guò)解耦處理后，逆變器可看作3個(gè)獨(dú)立的線性放大器，其輸出和輸入調(diào)制波呈線性關(guān)系，但需要注意的是，在（Sm1，Sm2，Sm3）設(shè)置過(guò)程中，不可進(jìn)入過(guò)調(diào)區(qū)，其幅值最大值為，故電流型逆變器的交流增益最大值為/2。

為了清晰地顯示SPWM信號(hào)之間的關(guān)系，使調(diào)制波頻率保持不變，將三角載波頻率調(diào)整為

300 Hz，隨后將三相正弦調(diào)制波與降低頻率后的三相載波進(jìn)行比較，得到單工頻周期內(nèi)各扇區(qū)不同開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。經(jīng)過(guò)一系列變換后得到的三值邏輯信號(hào)能夠確定逆變橋上每個(gè)開(kāi)關(guān)管的狀態(tài)：S8至S14表示每個(gè)開(kāi)關(guān)管的通斷狀態(tài)，高電平代表開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，低電平代表開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，3個(gè)三值邏輯信號(hào)值之和可確定開(kāi)關(guān)管S7的狀態(tài)，若和為0，則開(kāi)關(guān)管S7導(dǎo)通；反之則開(kāi)關(guān)管S7關(guān)斷。

3 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖1展示了SPWM策略下逆變器后級(jí)橋式電路開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形。由圖1可知，在一個(gè)周期內(nèi)，三相橋臂開(kāi)關(guān)管存在多種開(kāi)關(guān)狀態(tài)組合。其中，同側(cè)3個(gè)開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形間存在120°的相移，而同一橋臂的上下開(kāi)關(guān)管在工頻周期內(nèi)則交替導(dǎo)通，以實(shí)現(xiàn)橋臂的正常工作。7個(gè)開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形與分析一致，證明SPWM策略仿真設(shè)計(jì)正確。在實(shí)現(xiàn)相同功能的情況下，SPWM策略下開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)切換次數(shù)減少了一半，這極大地降低了系統(tǒng)損耗和系統(tǒng)成本，延長(zhǎng)了開(kāi)關(guān)管的壽命。

4 結(jié)論

本文提出了一種適配多電壓等級(jí)負(fù)載的智能逆變器總體方案，并提出了SPWM策略，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證該調(diào)制策略的可靠性和有效性。結(jié)果表明，采用SPWM策略進(jìn)行優(yōu)化的智能逆變器在系統(tǒng)中能夠?qū)崿F(xiàn)高效、穩(wěn)定的電能轉(zhuǎn)換，且在動(dòng)態(tài)響應(yīng)上表現(xiàn)優(yōu)異。本文提出的設(shè)計(jì)理念和優(yōu)化方案，由于實(shí)驗(yàn)條件受限，未能進(jìn)行三相電流型 Cuk逆變器大功率場(chǎng)合的實(shí)驗(yàn)，也未能進(jìn)行對(duì)逆變器的并網(wǎng)研究，后續(xù)可進(jìn)一步通過(guò)鎖相環(huán)等進(jìn)行并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)的分析，研究其在大功率并網(wǎng)場(chǎng)合下的穩(wěn)定性與漏電流抑制能力。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉惠聰，彭佳盛，梁曉銳，等. 計(jì)及分布式電源并網(wǎng)逆變器控制策略的配電網(wǎng)彈性提升方法[J]. 廣東電力，2024，37（8）：45-53.

[2] 雷澤. 用于配電網(wǎng)故障識(shí)別的特征頻率電壓源型逆變器控制策略研究[D]. 西安：西安理工大學(xué)，2024.

[3] 吳艷林，左鑫，楊倩，等. 分布式能源接入交流微網(wǎng)的單相逆變器功率智能分配策略設(shè)計(jì)[J]. 人工智能科學(xué)與工程，2024（2）：27-39.

[4] 柴方陽(yáng). 基于T型三電平的三相光伏并網(wǎng)逆變器控制策略研究[D]. 北京：北方工業(yè)大學(xué)，2024.

[5] 張野. PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)逆變器IGBT與電流傳感器綜合故障診斷方法研究[D]. 長(zhǎng)春：長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)，2024.