并網(wǎng)逆變器死區(qū)效應(yīng)消去補(bǔ)償方法研究

賈學(xué)瑞，粟時(shí)平，劉桂英，呂 超，張 意

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并網(wǎng)逆變器死區(qū)效應(yīng)消去補(bǔ)償方法研究

賈學(xué)瑞，粟時(shí)平，劉桂英，呂 超，張 意

(智能電網(wǎng)運(yùn)行與控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(長沙理工大學(xué))，湖南 長沙 410004)

針對并網(wǎng)逆變器死區(qū)效應(yīng)問題，在充分分析并網(wǎng)逆變器工作特點(diǎn)及零電流箝位現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，提出了一種新穎的逆變器死區(qū)效應(yīng)消去補(bǔ)償方法。該方法在非過零區(qū)域依據(jù)并網(wǎng)電流的方向選擇有效開關(guān)管，屏蔽無效開關(guān)，在過零區(qū)域根據(jù)并網(wǎng)電流的大小進(jìn)行前饋補(bǔ)償。與傳統(tǒng)死區(qū)消去和補(bǔ)償方法相比，該方法充分考慮了零電流箝位現(xiàn)象，能夠更好地抑制電流過零處逆變器輸出電壓波形畸變，有效消除了死區(qū)效應(yīng)的影響，降低輸出電壓諧波含量，從而改善并網(wǎng)電流質(zhì)量。利用Matlab/Simulink仿真軟件進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果證明了逆變器死區(qū)效應(yīng)消去補(bǔ)償方法的有效性和正確性。

并網(wǎng)逆變器；死區(qū)效應(yīng)；零電流箝位；消去；補(bǔ)償

0 引言

分布式并網(wǎng)發(fā)電是可再生能源利用的主要方式之一[1]。并網(wǎng)逆變器是分布式電源與電網(wǎng)的接口裝置[2]，它將分布式電源產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)換為電網(wǎng)可以接受的電能。因此，逆變器并網(wǎng)已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)[3]。但是并網(wǎng)發(fā)電會(huì)產(chǎn)生諧波污染，降低電能質(zhì)量。理想狀況下，并網(wǎng)逆變器輸出電流包含開關(guān)頻次及其整數(shù)倍的諧波，這部分高次諧波可以通過濾波器濾除[4]。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，開關(guān)器件存在開通延遲和關(guān)斷延遲，為了防止同一橋臂的“直通”現(xiàn)象，通常將開通信號延遲一個(gè)死區(qū)時(shí)間后發(fā)出，這將導(dǎo)致輸出電壓畸變，基波電壓減小，造成并網(wǎng)電流諧波含量增大。由于分布式電源容量所占比例不斷擴(kuò)大，逆變器諧波電流會(huì)對多逆變器系統(tǒng)與電網(wǎng)在公共連接點(diǎn)處形成的分布式阻抗網(wǎng)絡(luò)激勵(lì)而使其發(fā)生交互作用，這對系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成了潛在威脅[5]。近年來，逆變器死區(qū)效應(yīng)問題得到了廣泛的研究并提出了不同方法。這些方法主要包括：脈沖寬度調(diào)整法[6-7]、死區(qū)時(shí)間補(bǔ)償方法[7-10]、死區(qū)時(shí)間消去方法[11-13]。脈沖寬度調(diào)整法，實(shí)現(xiàn)起來較為復(fù)雜，會(huì)占用控制器大量計(jì)算資源。對于死區(qū)時(shí)間補(bǔ)償方法，由于死區(qū)效應(yīng)和開關(guān)器件都具有非線性的特點(diǎn)，這類補(bǔ)償方法很難完全消除死區(qū)效應(yīng)。死區(qū)消去方法，其主要特征是將一相橋臂分解為兩個(gè)部分，每一部分包括一個(gè)可控開關(guān)管及一個(gè)二極管，根據(jù)電流極性選擇工作部分。因此，死區(qū)消去策略的主要問題是準(zhǔn)確獲得電流極性及開關(guān)狀態(tài)。然而，由于紋波電流和采樣精度、采樣延時(shí)的影響，逆變器在過零區(qū)域電流極性很難準(zhǔn)確檢測。其中文獻(xiàn)[11]提出了一種采用檢測二極管導(dǎo)通狀態(tài)判斷電流極性，進(jìn)行死區(qū)時(shí)間插入的方法，但是該方法需要增加額外硬件電路投資。文獻(xiàn)[12]提出了一種通過電流空間矢量所在的區(qū)域判斷相電流極性，插入無效死區(qū)時(shí)間的方法，但并未考慮零電流箝位現(xiàn)象。文獻(xiàn)[13]提出了一種并網(wǎng)逆變器死區(qū)效應(yīng)消去補(bǔ)償方法，該方法未能充分考慮零電流箝位現(xiàn)象，在過零區(qū)域的每個(gè)載波周期均補(bǔ)償一個(gè)死區(qū)時(shí)間的誤差電壓，補(bǔ)償不夠準(zhǔn)確。在電機(jī)控制中，文獻(xiàn)[14]提出了一種設(shè)置夾斷區(qū)間，在過零區(qū)域和非過零區(qū)域分別進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒?，但是該方法將過零區(qū)域完全采用線性補(bǔ)償，補(bǔ)償不夠準(zhǔn)確。

針對逆變器設(shè)定死區(qū)時(shí)間產(chǎn)生的死區(qū)效應(yīng)問題，本文在詳細(xì)分析逆變器死區(qū)效應(yīng)及零電流箝位現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，提出了一種逆變器死區(qū)效應(yīng)消去補(bǔ)償方法。該方法采用并網(wǎng)電流定向，為降低開關(guān)損耗，在非過零區(qū)域屏蔽無效開關(guān)，無需插入死區(qū)時(shí)間；將過零區(qū)域分為線性補(bǔ)償區(qū)域及無誤差區(qū)域，僅在線性區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)償，從而更好地減小死區(qū)效應(yīng)的影響。所提方法無需增加硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)簡單方便，較好地消去死區(qū)效應(yīng)影響并在Matlab/Simulink軟件中進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，仿結(jié)果證明所提方法是有效的。

1 ?并網(wǎng)逆變器死區(qū)效應(yīng)分析

理想情況下，逆變器同一橋臂的上下開關(guān)管總是互補(bǔ)開通關(guān)斷，由于開關(guān)器件的非理想特性，器件的開通和關(guān)斷都需要一定的時(shí)間，且一般關(guān)斷時(shí)間大于開通時(shí)間。為了防止同一橋臂兩個(gè)開關(guān)管直通現(xiàn)象，通常在上下開關(guān)控制信號之間插入死區(qū)時(shí)間如圖1。陰影部分為逆變器死區(qū)時(shí)間。

圖1 插入死區(qū)時(shí)間的控制序列

為了表述方便，以單相并網(wǎng)逆變器為例說明死區(qū)效應(yīng)的影響。

單相并網(wǎng)逆變器的主電路如圖2所示，主要包括濾波電感12，濾波電容，開關(guān)器件T1—T4，反并聯(lián)二極管VD1—VD4。V為直流側(cè)電壓，1為機(jī)側(cè)電流，2為網(wǎng)側(cè)電流，u為電網(wǎng)電壓。

圖2 單相光伏并網(wǎng)逆變器主電路圖

設(shè)定電流1流向電網(wǎng)側(cè)為正，流向逆變器側(cè)為負(fù)。圖3(a)所示1>0時(shí)，在死區(qū)時(shí)間內(nèi)電流通過二極管VD2、VD3續(xù)流，輸出電壓被箝位在-V；圖3(b)所示1<0時(shí)在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，電流通過VD1、VD4續(xù)流，輸出電壓被箝位在V。圖3中14、23表示T1、T4和T2、T3的理想控制信號，表示逆變器理想輸出電壓；14R、23R表示T1、T4和T2、T3的實(shí)際控制信號，R表示逆變器實(shí)際輸出電壓，Δ表示逆變器一個(gè)載波周期T輸出誤差電壓。

圖3 死區(qū)時(shí)間對逆變器輸出電壓的影響

以上分析表明輸出誤差電壓Δ取決于電流1的方向，誤差電壓為

(2)

從以上分析可以看出,誤差電壓呈周期方波特性，將導(dǎo)致逆變器輸出電壓畸變，基波幅值跌落，從而影響并網(wǎng)電流質(zhì)量。

2 ?并網(wǎng)逆變器零電流箝位現(xiàn)象分析

逆變器工作過程中，理想情況下，在電流過零點(diǎn)附近，電感電流隨開關(guān)占空比的減小而逐漸減小到0，電流在過零點(diǎn)附近不會(huì)出現(xiàn)零電流箝位現(xiàn)象。由于死區(qū)時(shí)間的插入，在過零點(diǎn)附近，當(dāng)dTdT>d才會(huì)退出零電流區(qū)域，這種現(xiàn)象就是零電流箝位現(xiàn)象。由于零電流箝位現(xiàn)象的存在，致使在過零區(qū)域逆變器輸出誤差電壓不再是幅值為2V，持續(xù)時(shí)間為d的方波電壓。因此，為了更好地消去死區(qū)效應(yīng)的影響，需要考慮零電流箝位現(xiàn)象，以下為零電流箝位現(xiàn)象的詳細(xì)分析。

在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，所有開關(guān)管均關(guān)斷，電感電流通過二極管續(xù)流。為討論零電流箝位現(xiàn)象，首先應(yīng)分析二極管續(xù)流模式，所有的二極管續(xù)流包含三種模式[15]，如圖4所示。

圖4 死區(qū)時(shí)間內(nèi)二極管工作模式

模式1，電感電流為正，二極管VD2VD3導(dǎo)通續(xù)流，此時(shí)逆變器橋臂輸出電壓為-V。

模式2，電感電流為負(fù)，二極管VD1VD4導(dǎo)通續(xù)流，此時(shí)逆變器橋臂輸出電壓為V。

模式3，電感電流為零。此時(shí)逆變器橋臂輸出電壓為0。

圖5 零電流箝位現(xiàn)象分析

圖5以電感電流由負(fù)向正變化為例，對零電流箝位現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)的分析。從圖中可以看出，開關(guān)管有7種工作模式，零電流箝位現(xiàn)象出現(xiàn)在B、C，E、F模式中。

圖中A，實(shí)際電感電流為負(fù)，不存在零電流箝位現(xiàn)象，逆變器橋臂輸出誤差電壓e的幅值為2 V，持續(xù)時(shí)間為d。

圖中B，實(shí)際電感電流為負(fù)，存在零電流箝位現(xiàn)象，逆變器橋臂輸出誤差電壓e由兩部分組成，其中一部分是幅值為2V，持續(xù)時(shí)間為d-t的誤差量；另一部分是幅值為V，持續(xù)時(shí)間為t的誤差量。

圖中C，實(shí)際電流為負(fù)，存在零電流箝位現(xiàn)象，逆變器橋臂輸出誤差電壓e的幅值為V，持續(xù)時(shí)間為t。

圖中D，實(shí)際電感電流過零區(qū)域，不存在零電流箝位現(xiàn)象，逆變器橋臂輸出誤差電壓為零。

圖中E，實(shí)際電感電流為正，存在零電流箝位現(xiàn)象，逆變器輸出誤差電壓e的幅值為-V，持續(xù)時(shí)間為t。

圖中F，實(shí)際輸出電壓為正，存在零電流箝位現(xiàn)象，逆變器輸出誤差電壓e由兩部分組成，其中一部分是幅值為-2 V，持續(xù)時(shí)間為d-t的誤差量；另一部分是幅值為-V，持續(xù)時(shí)間為t的誤差量。

圖中G，實(shí)際輸出電壓為正，不存在零電流箝位現(xiàn)象，逆變器輸出誤差電壓e的幅值為-2V，持續(xù)時(shí)間為d。

如上分析，所有可能的電壓誤差如表1所示。

表1 死區(qū)電壓誤差

3 ?逆變器死區(qū)消去補(bǔ)償方法

如圖6所示逆變器一相橋臂示意圖，當(dāng)1＞0時(shí)，在TP開通階段，電感電流流過TP；在TP關(guān)斷階段，電感電流通過DN續(xù)流。而在整個(gè)開關(guān)周期開關(guān)管TN和DP均無電流流過。因此，開關(guān)管TN和二極管DP可以屏蔽，此時(shí)單橋臂可以等效為P型開關(guān)單元(如圖6)，在單相并網(wǎng)逆變器中，相當(dāng)于T2、T3(控制信號相同)為無效開關(guān)管。同理，當(dāng)1＜0時(shí)，在TN開通階段，電感電流流過TN；在TN關(guān)斷階段，電感電流通過DP續(xù)流。而在整個(gè)開關(guān)周期開關(guān)管TN和DP均無電流流過。因此，開關(guān)管TN和二極管DP可以屏蔽，此時(shí)單橋臂可以等效為N型開關(guān)單元(如圖6)，在單相并網(wǎng)逆變器中，相當(dāng)于T1、T4(控制信號相同)為無效開關(guān)管。實(shí)際上單相橋臂根據(jù)電流方向的不同，可以拆分成P型開關(guān)單元和N型開關(guān)單元，由于每個(gè)橋臂均由一個(gè)開關(guān)管和一個(gè)二極管組成，因此只要屏蔽相應(yīng)的無效開關(guān)管，則死區(qū)效應(yīng)可以被完全消除。

圖6 等效橋臂分解單元結(jié)構(gòu)

然而由于電感紋波電流的影響以及采樣精度和采樣延時(shí)等原因，在過零區(qū)域電感電流方向難以準(zhǔn)確測量，因此上述方法不再適用。結(jié)合圖5在A、G模式下，采用屏蔽無效開關(guān)的方法，可以較好地消去死區(qū)效應(yīng)的影響；B、C和E、F模式下，則采用前饋補(bǔ)償方式消去死區(qū)效應(yīng)的影響；D模式插入死區(qū)時(shí)間不影響逆變器輸出電壓，不需要進(jìn)行補(bǔ)償。

由以上分析可知，確定逆變器不同的運(yùn)行模式并采用相應(yīng)的消去補(bǔ)償方法可以較好地消除死區(qū)效應(yīng)，得到以下消去補(bǔ)償策略。

(5)

在E、F模式下，電感電流的取值范圍為Δ-δ<1<Δ，補(bǔ)償?shù)碾妷簽?/p>

因此，整個(gè)控制策略流程圖如圖7所示。圖中ref為占空比參數(shù)，com為補(bǔ)償量。com計(jì)算如下所示。

(7)

4 ?仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文所提的控制方法，以圖1所示主電路建立仿真模型，其中濾波電感1=0.6 mH，2=0.15 mH，濾波電容=10 μF，直流電壓360 V，電網(wǎng)電壓220 V，開關(guān)頻率10 kHz，采用雙極性調(diào)制，死區(qū)時(shí)間設(shè)為2 μs。仿真波形如圖8所示。

圖8(a)分別為逆變器插入2 μs死區(qū)時(shí)間，從圖中可以看出，插入死區(qū)時(shí)間后，并網(wǎng)電流波形發(fā)生明顯的畸變，并網(wǎng)電流畸變率=3.39%。

圖8(b)采用文獻(xiàn)[14]所提方法并網(wǎng)電流的波形圖，此時(shí)并網(wǎng)電流總諧波畸變率反而升高(= 4.26%)。這是由于過零區(qū)域中無誤差區(qū)域的誤補(bǔ)償電壓，導(dǎo)致含LCL濾波器的阻抗網(wǎng)絡(luò)發(fā)生諧振，使得并網(wǎng)電流總諧波畸變率升高。

5 ?結(jié)論

本文通過詳細(xì)分析并網(wǎng)逆變器橋臂工作特點(diǎn)及零電流箝位現(xiàn)象，提出了一種新穎的并網(wǎng)逆變器死區(qū)效應(yīng)消去補(bǔ)償方法。與傳統(tǒng)方法相比，該方法能充分考慮零電流箝位現(xiàn)象，更好地消除逆變器死區(qū)效應(yīng)的影響，降低并網(wǎng)電流總諧波畸變率，且方法簡單不需要增加額外的硬件設(shè)備。

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(編輯 周金梅)

A novel strategy of dead-time elimination and compensation for grid-tied inverters

JIA Xuerui, SU Shiping, LIU Guiying, Lü Chao, ZHANG Yi

(Hunan Province Key Laboratory of Smart Grids Operation and Control (Changsha University of Science and Technology), Changsha 410004, China )

A novel dead-time elimination and compensation method based on full analysis of the feature of the grid-tied inverter and zero-current clamping phenomenon is presented to eliminate the dead-time effect of grid-tied inverter. The effective switch transistor is chosen according to the direction of grid current in the non-zero current zone and the control strategy is feed-forward compensation in the zero current zone. In comparison with traditional dead-time elimination and compensation methods, the proposed method can better restrain the output distortion in the zero current zone, effectively eliminate the dead-zone effect, reduce THD, and thereby improve grid-connected current quality due to full consideration of zero-current clamping phenomenon. The Matlab/Simulink simulation results demonstrate the effectiveness and validity of the proposed method.

grid-tied inverter; dead-time effect; zero-current clamping; elimination; compensation

10.7667/PSPC150870

2015-05-24；

2015-11-27

賈學(xué)瑞(1989-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榉植际诫娫床⒕W(wǎng)技術(shù)；E-mail:?1606040986@qq.com 粟時(shí)平(1963-)，男，出站博士后，教授，主要研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電，電力系統(tǒng)電能質(zhì)量治理；E-mail: suship@ 126.com 劉桂英(1964-)，女，副教授，主要研究方向?yàn)榉植际诫娫床⒕W(wǎng)發(fā)電，電能質(zhì)量監(jiān)控及無功補(bǔ)償。