逆變器輸出直流分量檢測(cè)與抑制方法*

王 博

(西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院牽引動(dòng)力學(xué)院，西安710026)

在逆變器類(lèi)產(chǎn)品的交流輸出中，由于種種原因總會(huì)含有相當(dāng)成份的直流分量，這會(huì)增大逆變器及負(fù)載的損耗，縮短器件及導(dǎo)線(xiàn)的壽命，使變電站內(nèi)變壓器因直流偏磁而使得磁芯飽和，引發(fā)變壓器著火等后果，嚴(yán)重危害電網(wǎng)可靠性。 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定非并網(wǎng)的逆變器類(lèi)產(chǎn)品，交流輸出的直流分量應(yīng)小于±100 mV。 因此，消除或抑制非并網(wǎng)的逆變器輸出直流偏置電壓是有關(guān)逆變器產(chǎn)品開(kāi)發(fā)研究的主要課題。

一般來(lái)講，逆變器交流輸出的直流分量產(chǎn)生的原因有多種:開(kāi)關(guān)管的工作特性差異導(dǎo)致的不對(duì)稱(chēng)；驅(qū)動(dòng)信號(hào)不一致導(dǎo)致的不對(duì)稱(chēng)；傳感器、運(yùn)放及A/D 轉(zhuǎn)換器等檢測(cè)電路誤差或零漂引起的不對(duì)稱(chēng)[1-2]。 在工程應(yīng)用中，對(duì)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(cè)電路對(duì)交流輸出的直流分量進(jìn)行采集，然后將采集到的直流偏置電壓引入閉環(huán)控制系統(tǒng)內(nèi)，調(diào)整輸出SPWM 信號(hào)脈寬，從而減小或消除直流偏置[3-5]。

在現(xiàn)有的逆變器產(chǎn)品中有關(guān)直流分量的抑制，由于受直流分量的檢測(cè)精度的限制，抑制效果不理想，尤其是逆變器系統(tǒng)在共模干擾較大的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，直流分量檢測(cè)電路抗干擾能力較弱，精度更加難以保證。 另外，在控制系統(tǒng)中沒(méi)有設(shè)置特定的直流偏置電壓調(diào)節(jié)器，即使系統(tǒng)能夠檢測(cè)到偏置電壓，而控制系統(tǒng)無(wú)法抑制偏置電壓。

針對(duì)逆變器直流偏置電壓檢測(cè)精度、抗干擾能力、控制系統(tǒng)抑制方法等問(wèn)題，提出了一種精準(zhǔn)的交流電壓直流分量檢測(cè)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(cè)電路

逆變器是一個(gè)進(jìn)行功率變換的系統(tǒng)，其內(nèi)部時(shí)刻都有較大的di/dt、du/dt 發(fā)生，因此它是一個(gè)電磁干擾較為復(fù)雜嚴(yán)重的系統(tǒng)。 當(dāng)系統(tǒng)中開(kāi)關(guān)器件高頻工作時(shí)，就會(huì)有較大的差?；蚬材５母蓴_信號(hào)產(chǎn)生[6-7]。 傳統(tǒng)的直流分量檢測(cè)電路未考慮共模干擾發(fā)生時(shí)信號(hào)采集電路的可靠性及精度，因此直流分量檢測(cè)及處理就會(huì)受到嚴(yán)重的影響。

為了在強(qiáng)電磁干擾下精確采集直流偏置電壓，首先，通過(guò)低通濾波器對(duì)交流電壓信號(hào)中直流偏置電壓進(jìn)行提取，再對(duì)直流偏置電壓的信號(hào)進(jìn)行阻抗匹配及隔離調(diào)理，然后，對(duì)直流偏置電壓的信號(hào)進(jìn)行調(diào)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(shí)現(xiàn)直流偏置電壓的提取。 對(duì)于第I 組來(lái)講，交流電壓一般較高，處于系統(tǒng)的一次側(cè)，而檢測(cè)端屬于二次側(cè)，除了進(jìn)行低通濾波處理之外還需要進(jìn)行電壓衰減。 對(duì)于低通濾波器截止頻率的設(shè)置，主要考慮濾除工頻交流50 Hz 的信號(hào)，且不能對(duì)所采集的直流偏置電壓產(chǎn)生衰減，根據(jù)香農(nóng)采樣定理相關(guān)理論，應(yīng)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(tǒng)中處于最外環(huán)，調(diào)節(jié)的響應(yīng)時(shí)間可以稍長(zhǎng)些，最重要的是確保采集的精度，因此應(yīng)盡量選擇較低頻率的濾波參數(shù)來(lái)保證精度。

圖1 精準(zhǔn)的直流分量采集電路

根據(jù)具體被測(cè)量，設(shè)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(jì)算得到為0.2 Hz。 第Ⅱ組濾波器參數(shù)與第Ⅰ組類(lèi)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(kāi)機(jī)瞬間還未形成交變信號(hào)，其直流分量非常大，對(duì)濾波后信號(hào)進(jìn)行鉗位，防止電壓過(guò)高損壞后級(jí)元件。 R5、R6配合后級(jí)電路，對(duì)直流成份進(jìn)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(guī)電路區(qū)別較大的部分。 電路由兩個(gè)集成運(yùn)算放大器組成，如圖1 中U1、U2，每個(gè)獨(dú)立的運(yùn)算放大器連接成電壓跟隨器的形式，兩組完全對(duì)稱(chēng)。 眾所周知，電壓跟隨器是一種常見(jiàn)的信號(hào)調(diào)理電路，它的特點(diǎn)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(cè)與后端電路相當(dāng)于隔離，當(dāng)前端調(diào)理電路或者測(cè)試點(diǎn)發(fā)生異常的振蕩、干擾、畸變時(shí)，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(hào)得以放大，調(diào)理后具有一定強(qiáng)度，因而具有相當(dāng)?shù)目垢蓴_的能力。 兩組完全對(duì)稱(chēng)的差分形式的跟隨器不僅可以提取正、負(fù)的直流偏置電壓，而且當(dāng)系統(tǒng)受到共模源干擾時(shí)，該檢測(cè)電路可以進(jìn)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(wǎng)絡(luò)是對(duì)進(jìn)入電壓跟隨器的信號(hào)進(jìn)行衰減及阻抗匹配，這兩個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò)連接方式相同，C3、C4可對(duì)信號(hào)進(jìn)行必要的高頻濾波。

1.3 直流偏置電壓的調(diào)理放大

從高壓的交流電壓中經(jīng)過(guò)兩級(jí)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(zhǔn)的直流偏置電壓，該電壓信號(hào)一般幅值較小，難以被控制器的A/D 轉(zhuǎn)換器精確識(shí)別，因此需要將其進(jìn)行調(diào)理放大至合適的范圍。

調(diào)理放大電路采用集成運(yùn)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(hào)在進(jìn)入A/D 轉(zhuǎn)換器前不失真。 由于直流偏置電壓有正向也有負(fù)向，數(shù)字控制器一般采用單向正電源供電，其A/D 口所能識(shí)別的也是正向電壓，為此，需要將有可能發(fā)生的負(fù)向偏置電壓進(jìn)行調(diào)理。 工程上常采用控制器供電一半電壓進(jìn)行上拉，如圖1 中Vref，將其變換為零到滿(mǎn)量程的所能識(shí)別的信號(hào)，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(duì)直流偏置信號(hào)進(jìn)行比例放大處理，C5的作用是在比例放大的同時(shí)，對(duì)調(diào)理電路增加積分環(huán)節(jié)，從而減小誤差，增強(qiáng)電路的采集精度。 R15與C6構(gòu)成低通濾波器，對(duì)調(diào)理電路的輸出信號(hào)在進(jìn)入控制器的A/D 轉(zhuǎn)換器前進(jìn)行低通濾波處理，消除線(xiàn)路中的高頻噪聲。

2 直流分量補(bǔ)償策略

2.1 逆變器總體控制方案

逆變器的控制目標(biāo)是在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)確保標(biāo)準(zhǔn)的正弦輸出，即要求有較高的穩(wěn)態(tài)精度和良好的動(dòng)態(tài)性能。 穩(wěn)態(tài)精度參數(shù)包含總諧波畸變率THDu、相位與幅值的靜態(tài)誤差；動(dòng)態(tài)性能指在逆變器輸入側(cè)或負(fù)載側(cè)等外界擾動(dòng)下輸出波形畸變率。 為滿(mǎn)足逆變器的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，控制方法起著關(guān)鍵作用[13-16]。 目前，逆變器控制方式可分為兩類(lèi)，有效值控制與瞬時(shí)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(fù)載突變時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)很慢，在非線(xiàn)性負(fù)載下電壓畸變很?chē)?yán)重。 瞬時(shí)值控制是以輸出電壓瞬時(shí)值作為反饋量，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出交流電壓瞬時(shí)值的調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，較低的諧波畸變[17-20]。

在本文的逆變器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，為實(shí)現(xiàn)最佳的輸出性能，結(jié)合兩種控制方法的優(yōu)勢(shì)，采用混合的控制方案，即周期的有效值控制來(lái)保證穩(wěn)態(tài)誤差，瞬時(shí)值控制來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)性能。 直流分量的調(diào)節(jié)一般是經(jīng)過(guò)若干工頻周期內(nèi)進(jìn)行，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢，但穩(wěn)態(tài)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(huán)。

2.2 直流分量抑制策略

逆變器輸出交流電壓直流分量補(bǔ)償?shù)姆绞揭话阌袃煞N:一種是采用電壓霍爾傳感器或其他硬件電路檢測(cè)逆變輸出的直流偏置電壓，根據(jù)檢測(cè)到的交流電壓直流分量調(diào)節(jié)逆變器參考正弦波來(lái)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(cè)濾波電感的直流電流，根據(jù)采樣到的直流電流和直流電壓的比例關(guān)系調(diào)節(jié)逆變器參考正弦波來(lái)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(jīng)過(guò)控制系統(tǒng)的直流調(diào)節(jié)器調(diào)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(zhǔn)波，最后經(jīng)電壓、電流雙閉環(huán)控制器調(diào)節(jié)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)中逆變部分直流分量抑制原理示意圖。 直流分量采集點(diǎn)為逆變器交流輸出，然后經(jīng)過(guò)高壓電壓衰減與低通濾波、差分式電壓跟隨與隔離調(diào)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(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。 圖3 給出了逆變器部分系統(tǒng)多環(huán)路控制示意圖，其中KIp與KIi為電流內(nèi)環(huán)控制器的比例與積分系數(shù)，KI為電流環(huán)反饋系數(shù)；KVp與KVi為瞬時(shí)電壓外環(huán)控制器的比例與積分系數(shù)，KV為電壓環(huán)反饋系數(shù)；KDCp與KDCi為直流分量抑制環(huán)控制器的比例與積分系數(shù)，GDC為直流抑制環(huán)反饋增益；KPWM為逆變器PWM 調(diào)節(jié)器增益；L 為濾波電感量，r 為其等效內(nèi)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(huán)控制系統(tǒng)框圖(含直流抑制環(huán))

逆變器內(nèi)層控制環(huán)為輸出濾波電感電流反饋的電流環(huán)，為確保逆變器輸出具有較高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及可靠的過(guò)流保護(hù)功能，采用比例、積分調(diào)節(jié)。 外層控制環(huán)為瞬時(shí)電壓環(huán)，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(diào)節(jié)。 虛線(xiàn)部分為直流分量抑制環(huán)，其反饋?zhàn)饔命c(diǎn)位置為逆變器瞬時(shí)電壓環(huán)信號(hào)給定端，為使輸出交流電壓直流分量滿(mǎn)足在±100 mV 以?xún)?nèi)的標(biāo)準(zhǔn)，采用比例、積分進(jìn)行調(diào)節(jié)。 由硬件電路采集獲得的直流偏置電壓ΔUDC與直流分量基準(zhǔn)(一般為0)進(jìn)行比較產(chǎn)生直流分量誤差量，經(jīng)直流分量控制器中比例、積分環(huán)節(jié)調(diào)整。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證文章所述的精準(zhǔn)的直流分量采集電路及直流分量抑制方法的科學(xué)性，在10 kVA 的逆變器平臺(tái)上進(jìn)行相應(yīng)實(shí)驗(yàn)。 為驗(yàn)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(zhǔn)采集電路與常規(guī)采集電路兩種類(lèi)型分別進(jìn)行測(cè)試，并將逆變器系統(tǒng)接地與配電安全地分為連接與斷開(kāi)兩種情況。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4、圖5 所示，從圖中可以看出，文章所述的精準(zhǔn)的直流分量采集電路與常規(guī)采集電路相比，采用相同的抑制方法，最終的直流分量要遠(yuǎn)小于常規(guī)電路，逆變器系統(tǒng)接地，直流分量可以控制在20 mV 以?xún)?nèi)；不接地則可以控制在30 mV 內(nèi)，均滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。 常規(guī)電路在系統(tǒng)接地情況下，可控制在50 mV 內(nèi)，一旦系統(tǒng)不接地，就會(huì)超標(biāo)達(dá)210 mV 左右，不滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。 逆變器系統(tǒng)接地后對(duì)于內(nèi)部的一些較大的di/dt、du/dt 可通過(guò)共模泄放回路導(dǎo)入安全大地，相應(yīng)的直流偏置電壓也會(huì)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(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

常用的逆變器交流輸出直流分量檢測(cè)電路采集精度較差，尤其是在強(qiáng)電磁干擾的逆變器系統(tǒng)或受到外界共模電子干擾，其檢測(cè)精度及工作穩(wěn)定性無(wú)法保證。 文章所述的精準(zhǔn)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(tǒng)的算法中進(jìn)行處理，對(duì)對(duì)稱(chēng)的逆變器系統(tǒng)進(jìn)行反方向的偏置控制，從根本上消除交流信號(hào)的直流偏置，防止由于該直流偏置而引起的諸多問(wèn)題。 同時(shí)，該采集電路根據(jù)共模干擾源發(fā)生的機(jī)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(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，文章所述的精準(zhǔn)直流分量檢測(cè)電路與常規(guī)電路相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)；相應(yīng)的抑制方法與策略也可以達(dá)到系統(tǒng)要求，滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于直流偏置電壓的要求。 因此，檢測(cè)電路與抑制方法科學(xué)、可行。