光伏并網(wǎng)逆變器死區(qū)效應(yīng)研究

曹 雷，張建成

(華北電力大學(xué)電力工程系，河北 保定 071003）

光伏并網(wǎng)逆變器死區(qū)效應(yīng)研究

曹 雷，張建成

(華北電力大學(xué)電力工程系，河北 保定 071003）

0 引言

能源危機(jī)和環(huán)境問題的出現(xiàn)，以及光伏產(chǎn)業(yè)技術(shù)的日趨成熟，促使光伏發(fā)電技術(shù)得到了大規(guī)模的發(fā)展，光伏并網(wǎng)成為未來發(fā)展的趨勢。隨著各種高性能SPWM技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中扮演重要角色的逆變器的控制問題越來越重要，而死區(qū)的控制以及對(duì)電壓波形的影響問題是其中關(guān)鍵問題之一[1-5]。

任何電力電子開關(guān)器件都有一定的固有開通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間，在具有直流母線的橋式逆變器中，在一個(gè)開關(guān)器件沒有完全關(guān)斷之前另一個(gè)開關(guān)器件已經(jīng)導(dǎo)通，這樣就相當(dāng)于兩個(gè)開關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通而造成直流母線短路。因此，必須保證有一段時(shí)間的延遲，該延遲時(shí)間即稱為死區(qū)時(shí)間。這短暫的微秒級(jí)的死區(qū)會(huì)導(dǎo)致逆變器的輸出波形畸變，如逆變器輸出電壓的基波值減小，諧波含量增加，低次諧波的抑制難度增大等。因此人們研究了許多基于對(duì)死區(qū)效應(yīng)的補(bǔ)償方法。通過加入這些補(bǔ)償措施確實(shí)可以補(bǔ)償電壓下降，獲得較理想的電壓波形。但是補(bǔ)償?shù)男Ч胶?，就意味著所需要的算法越?fù)雜。此外，在實(shí)際中死區(qū)補(bǔ)償并不適用于高頻應(yīng)用領(lǐng)域即開關(guān)頻率為幾十或幾百千赫茲的領(lǐng)域。故設(shè)置死區(qū)時(shí)間是逆變器正常工作中必不可少的環(huán)節(jié)，任何控制策略都應(yīng)該考慮死區(qū)時(shí)間的影響[6-9]。

本文以三相橋式逆變器為研究對(duì)象，從死區(qū)效應(yīng)的機(jī)理出發(fā)，深入分析并研究了死區(qū)時(shí)間對(duì)逆變器正弦輸出電壓的影響。對(duì)光伏三相并網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)研究，充分說明了合適死區(qū)時(shí)間的選擇對(duì)逆變器正常工作的重要性。

1 死區(qū)效應(yīng)分析

電壓型橋式逆變系統(tǒng)的主電路如圖1所示，圖中V(i)為功率開關(guān)元件，Vd(i)為續(xù)流二極管。圖2(a)給出了開關(guān)死區(qū)效應(yīng)示意圖，圖2(b)給出了控制死區(qū)效應(yīng)示意圖。

圖1 橋式逆變器主電路

如圖2(a)所示，當(dāng)電流大于零時(shí)，相對(duì)于理想電壓波形，開關(guān)死區(qū)效應(yīng)產(chǎn)生一系列誤差電壓脈沖。在V1器件工作的一個(gè)周期內(nèi)，開關(guān)死區(qū)效應(yīng)產(chǎn)生了兩個(gè)誤差電壓脈沖，一個(gè)是寬度為Ton（開通時(shí)間）、幅值為Ud的負(fù)脈沖，另一個(gè)是寬度為Toff（關(guān)斷時(shí)間）、幅值為Ud的正脈沖。此時(shí)相對(duì)于理想電壓波形，實(shí)際輸出電壓的正向脈沖寬度增加了Toff-Ton，而實(shí)際輸出電壓的反向脈沖寬度減少了Toff-Ton。同理，當(dāng)電流小于零時(shí)，可以得出相反的結(jié)論。

如圖2(b)所示，當(dāng)電流大于零時(shí)，相對(duì)于理想電壓波形，控制死區(qū)效應(yīng)產(chǎn)生一系列誤差電壓脈沖。在V1器件工作的一個(gè)周期內(nèi)，控制死區(qū)效應(yīng)產(chǎn)生了一個(gè)是寬度為Td（控制死區(qū)時(shí)間）、幅值為Ud的負(fù)脈。此時(shí)相對(duì)于理想電壓波形，實(shí)際輸出電壓的正向脈沖寬度減少了Td，而實(shí)際輸出電壓的反向脈沖寬度增加了Td。同理，當(dāng)電流小于零時(shí)，可以得出相反的結(jié)論。

圖2 死區(qū)效應(yīng)示意圖

一般情況下，Toff-Ton的值很小，而Td較大。因此，與控制死區(qū)效應(yīng)相比開關(guān)死區(qū)效應(yīng)的影響非常小，在分析、計(jì)算中往往忽略開關(guān)死區(qū)效應(yīng)，只考慮控制死區(qū)效應(yīng)。通常所說的死區(qū)一般就是指控制死區(qū)[10]。

2 死區(qū)對(duì)輸出電壓的影響

盡管死區(qū)造成的單個(gè)誤差電壓脈沖不足以影響整個(gè)系統(tǒng)的性能，但其累積效應(yīng)足以使逆變器的輸電電壓波形發(fā)生畸變。在高載波頻率的SPWM逆變器中，這種畸變是不容忽視的。為便于對(duì)死區(qū)效應(yīng)作定量分析，現(xiàn)假定如下：忽略開關(guān)器件的反向存儲(chǔ)時(shí)間；系統(tǒng)有足夠大的載波比；誤差電壓脈沖呈等間距分布；忽略脈沖重疊現(xiàn)象；逆變器輸出電流波形接近正弦。基于上述假設(shè)條件就可以采用正負(fù)半周誤差電壓法對(duì)其進(jìn)行分析[11-12]。

設(shè)在一個(gè)開關(guān)周期Tc內(nèi)的開關(guān)死區(qū)時(shí)間角為δ，則

當(dāng)逆變器輸出電流處于正半周期時(shí)，誤差電壓Δup為

而載波電壓uc和理想輸出電壓ur為

式中，ω0為理想輸出電壓角頻率。

由公式（4）和（5）可以解得

同理，當(dāng)逆變器輸出電流處于負(fù)半周時(shí)，誤差電壓為Δun

可見，誤差電壓與逆變器輸出電流的極性有關(guān)，即誤差電壓的極性始終與電流極性相反。

下面主要就誤差電壓的基波分量進(jìn)行分析，圖3為基波電壓的相量圖，u1為實(shí)際中的基波電壓，ur1為理想基波電壓，Δu1為誤差基波電壓。顯然，實(shí)際基波電壓為理想基波電壓和誤差基波電壓的疊加。在圖中應(yīng)用三角形余弦定理，可得

對(duì)公式(9)進(jìn)行求解可得

圖3 基波電壓相量圖

通過以上分析，可以得到誤差基波電壓為

設(shè)畸變指數(shù)為m，則根據(jù)公式(5)和(11)得

將公式(12)代入公式(10)，化簡可得

圖4(a)中，曲線為產(chǎn)u1/ur1在Td=10μs、φ=60°時(shí)隨載波頻率fc的變化規(guī)律。載波頻率越大，基波電壓下降越大，死區(qū)效應(yīng)越嚴(yán)重。

圖4(b)中，曲線為u1/ur1在fc=10kHz、φ=60°時(shí)隨死區(qū)時(shí)間Td的變化規(guī)律。死區(qū)時(shí)間越大，基波電壓下降越大，死區(qū)效應(yīng)越嚴(yán)重。

圖4(c)中，曲線為u1/ur1在fc=10kHz，Td=10μs時(shí)隨功率因數(shù)角φ的變化規(guī)律。功率因數(shù)角越小，基波電壓下降越大，死區(qū)效應(yīng)越嚴(yán)重。

綜上，死區(qū)時(shí)間對(duì)基波電壓的影響可概括如下：即功率因數(shù)角φ越小，載波頻率fc和死區(qū)時(shí)間Td越大，死區(qū)對(duì)基波電壓的影響就越大。

圖4 基波仿真曲線

3 死區(qū)的仿真實(shí)驗(yàn)研究

3.1 仿真研究

一般死區(qū)的設(shè)置方法有2種：一種是提前Δt/2關(guān)斷，延遲Δt/2開通，稱為雙邊對(duì)稱設(shè)置；另一種是按時(shí)關(guān)斷，延遲Δt開通，稱為單邊不對(duì)稱設(shè)置。這2種方法的實(shí)現(xiàn)方式不同，但總的延遲時(shí)間是一樣的。本文采用雙邊對(duì)稱設(shè)置方式，對(duì)三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，具體實(shí)現(xiàn)電路如下圖5所示[13-14]。

圖5 死區(qū)實(shí)現(xiàn)電路

三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)具體仿真參數(shù)如下：直流母線電壓Udc=300V、濾波電感L=10mH、濾波電容C=0.5μF、工頻變壓器采用Y-Y接法，其變比為120/380V。當(dāng)死區(qū)時(shí)間Td、載波頻率fc取不同值時(shí)逆變器輸出線電壓Uab及其波頻仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 波頻仿真圖

圖6(a)～(c)給出了載波頻率fc=9600Hz、死區(qū)時(shí)間Td分別為0μs、10μs、20μs時(shí)逆變器輸出線電壓Uab及其波頻圖。從圖中可以看出，死區(qū)時(shí)間越大，死區(qū)對(duì)電壓的影響就越大，電壓的諧波成分亦越大。

圖6(d)給出了載波頻率fc=4800Hz、死區(qū)時(shí)間Td=10μs時(shí)逆變器輸出線電壓Uab及其波頻圖。通過比較圖(b)和(d)可以看出，載波頻率越大，死區(qū)對(duì)電壓的影響就越大，電壓的諧波成分亦越大，進(jìn)而驗(yàn)證了理論分析的正確性。

3.2 實(shí)驗(yàn)研究

本文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)如下：直流母線電壓Udc=100V，載波頻率fc=9600Hz，占空比1，三相全橋逆變器，工頻變壓器采用Δ-Y聯(lián)接，變比為6.0，實(shí)驗(yàn)的Fluck萬用表測試波形如圖7所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)波形

圖7(a)給出了直流母線電壓波形，圖(b)和(c)給出了死區(qū)時(shí)間Td=10μs時(shí)逆變器輸出線電壓及其諧波含量，從圖中可以看出此時(shí)線電壓的有效值為53.6V，諧波總畸變率THD=4.0%。

圖7（d）和（e）給出了死區(qū)時(shí)間=20μs時(shí)逆變器輸出線電壓及其諧波含量，從圖中可以看出此時(shí)線電壓的有效值為40.0V，諧波總畸變率THD=7.5%。

可見，死區(qū)時(shí)間越大，死區(qū)對(duì)電壓的影響就越大，不僅降低了基波的幅值，而且增加了諧波含量，進(jìn)而驗(yàn)證了理論分析和仿真研究的正確性。

4 結(jié)論

本文研究了死區(qū)對(duì)光伏并網(wǎng)逆變器輸出電壓的影響，得到以下結(jié)論。

1）死區(qū)效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致逆變器輸出電壓發(fā)生畸變，不僅使輸出電壓的基波值減小，而且會(huì)使其相位發(fā)生變化。

2）死區(qū)效應(yīng)與功率因數(shù)角φ、載波頻率fc和死區(qū)時(shí)間Td有關(guān)，即功率因數(shù)角φ越小，載波頻率fc和死區(qū)時(shí)間Td越大，死區(qū)效應(yīng)越嚴(yán)重。

3）死區(qū)效應(yīng)的存在增加了系統(tǒng)的諧波含量,增加了低次諧波的抑制難度，打破了SPWM并網(wǎng)逆變器隨著載波頻率增大，低次諧波含量減小的理論。

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Research on the Dead-Time Effect in the Photovoltaic Inverter

CAO Lei,ZHANG Jian-cheng
（Dept.of Electrical Engineering,North China Electric Power University,Baoding 071003,Hebei Province,China）

In the photovoltaic inverter,a few microseconds of dead-time must be inserted in the switching signals to prevent a short circuit.The longer the dead-time is,the photovoltaic inverter works more safely.However,with the dead-time increasing,the output voltage waveform of the inverter will be distorted more severely,and the load and the grid will be impacted as well.Therefore,it is necessary to conduct an in-depth investigation on the dead-time.The current paper firstly renders a theoretical analysis on the deadtime,followed by exploring the effects of the dead-time in the inverter on the output voltage.Finally,it presents the simulation study on the dead-time effect on the grid-connected system.

photovoltaicinverter;dead-timeeffect;fundamental voltage;carrier frequency;power factor;harmonic content

在并網(wǎng)逆變器中，為防止同一橋臂上的上下兩個(gè)器件發(fā)生直通現(xiàn)象，必須注入微秒級(jí)的死區(qū)時(shí)間。死區(qū)時(shí)間越長，并網(wǎng)逆變器的工作越安全，但逆變器輸出的電壓波形質(zhì)量會(huì)變差，同時(shí)對(duì)負(fù)載及電網(wǎng)造成不同程度的影響。因此有必要對(duì)死區(qū)效應(yīng)進(jìn)行深入研究。本文對(duì)死區(qū)效應(yīng)進(jìn)行了理論分析，研究了并網(wǎng)逆變器中死區(qū)時(shí)間對(duì)輸出電壓的影響，最后對(duì)并網(wǎng)系統(tǒng)的死區(qū)效應(yīng)進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)研究。

并網(wǎng)逆變器；死區(qū)效應(yīng)；基波電壓；載波頻率；功率因數(shù)；諧波含量

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（50677018）。

1674-3814（2010）09-0048-06

TM615

A

2010-05-17。

曹 雷(1985—)，男，山東棗莊人，碩士研究生，研究方向?yàn)樘柲芄夥⒕W(wǎng)技術(shù)；

張建成(1964—)，男，河北深縣人，教授，研究方向?yàn)樾滦蛢?chǔ)能技術(shù)、電能質(zhì)量控制技術(shù)、可再生能源發(fā)電控制技術(shù)等。

（編輯 徐花榮）