光伏并网逆变器死区效应研究

曹 雷，张建成

(华北电力大学电力工程系，河北 保定 071003）

光伏并网逆变器死区效应研究

曹 雷，张建成

(华北电力大学电力工程系，河北 保定 071003）

0 引言

能源危机和环境问题的出现，以及光伏产业技术的日趋成熟，促使光伏发电技术得到了大规模的发展，光伏并网成为未来发展的趋势。随着各种高性能SPWM技术的不断涌现，在光伏并网系统中扮演重要角色的逆变器的控制问题越来越重要，而死区的控制以及对电压波形的影响问题是其中关键问题之一[1-5]。

任何电力电子开关器件都有一定的固有开通时间和关断时间，在具有直流母线的桥式逆变器中，在一个开关器件没有完全关断之前另一个开关器件已经导通，这样就相当于两个开关器件同时导通而造成直流母线短路。因此，必须保证有一段时间的延迟，该延迟时间即称为死区时间。这短暂的微秒级的死区会导致逆变器的输出波形畸变，如逆变器输出电压的基波值减小，谐波含量增加，低次谐波的抑制难度增大等。因此人们研究了许多基于对死区效应的补偿方法。通过加入这些补偿措施确实可以补偿电压下降，获得较理想的电压波形。但是补偿的效果越好，就意味着所需要的算法越复杂。此外，在实际中死区补偿并不适用于高频应用领域即开关频率为几十或几百千赫兹的领域。故设置死区时间是逆变器正常工作中必不可少的环节，任何控制策略都应该考虑死区时间的影响[6-9]。

本文以三相桥式逆变器为研究对象，从死区效应的机理出发，深入分析并研究了死区时间对逆变器正弦输出电压的影响。对光伏三相并网系统进行了仿真实验研究，充分说明了合适死区时间的选择对逆变器正常工作的重要性。

1 死区效应分析

电压型桥式逆变系统的主电路如图1所示，图中V(i)为功率开关元件，Vd(i)为续流二极管。图2(a)给出了开关死区效应示意图，图2(b)给出了控制死区效应示意图。

图1 桥式逆变器主电路

如图2(a)所示，当电流大于零时，相对于理想电压波形，开关死区效应产生一系列误差电压脉冲。在V1器件工作的一个周期内，开关死区效应产生了两个误差电压脉冲，一个是宽度为Ton（开通时间）、幅值为Ud的负脉冲，另一个是宽度为Toff（关断时间）、幅值为Ud的正脉冲。此时相对于理想电压波形，实际输出电压的正向脉冲宽度增加了Toff-Ton，而实际输出电压的反向脉冲宽度减少了Toff-Ton。同理，当电流小于零时，可以得出相反的结论。

如图2(b)所示，当电流大于零时，相对于理想电压波形，控制死区效应产生一系列误差电压脉冲。在V1器件工作的一个周期内，控制死区效应产生了一个是宽度为Td（控制死区时间）、幅值为Ud的负脉。此时相对于理想电压波形，实际输出电压的正向脉冲宽度减少了Td，而实际输出电压的反向脉冲宽度增加了Td。同理，当电流小于零时，可以得出相反的结论。

图2 死区效应示意图

一般情况下，Toff-Ton的值很小，而Td较大。因此，与控制死区效应相比开关死区效应的影响非常小，在分析、计算中往往忽略开关死区效应，只考虑控制死区效应。通常所说的死区一般就是指控制死区[10]。

2 死区对输出电压的影响

尽管死区造成的单个误差电压脉冲不足以影响整个系统的性能，但其累积效应足以使逆变器的输电电压波形发生畸变。在高载波频率的SPWM逆变器中，这种畸变是不容忽视的。为便于对死区效应作定量分析，现假定如下：忽略开关器件的反向存储时间；系统有足够大的载波比；误差电压脉冲呈等间距分布；忽略脉冲重叠现象；逆变器输出电流波形接近正弦。基于上述假设条件就可以采用正负半周误差电压法对其进行分析[11-12]。

设在一个开关周期Tc内的开关死区时间角为δ，则

当逆变器输出电流处于正半周期时，误差电压Δup为

而载波电压uc和理想输出电压ur为

式中，ω0为理想输出电压角频率。

由公式（4）和（5）可以解得

同理，当逆变器输出电流处于负半周时，误差电压为Δun

可见，误差电压与逆变器输出电流的极性有关，即误差电压的极性始终与电流极性相反。

下面主要就误差电压的基波分量进行分析，图3为基波电压的相量图，u1为实际中的基波电压，ur1为理想基波电压，Δu1为误差基波电压。显然，实际基波电压为理想基波电压和误差基波电压的叠加。在图中应用三角形余弦定理，可得

对公式(9)进行求解可得

图3 基波电压相量图

通过以上分析，可以得到误差基波电压为

设畸变指数为m，则根据公式(5)和(11)得

将公式(12)代入公式(10)，化简可得

图4(a)中，曲线为产u1/ur1在Td=10μs、φ=60°时随载波频率fc的变化规律。载波频率越大，基波电压下降越大，死区效应越严重。

图4(b)中，曲线为u1/ur1在fc=10kHz、φ=60°时随死区时间Td的变化规律。死区时间越大，基波电压下降越大，死区效应越严重。

图4(c)中，曲线为u1/ur1在fc=10kHz，Td=10μs时随功率因数角φ的变化规律。功率因数角越小，基波电压下降越大，死区效应越严重。

综上，死区时间对基波电压的影响可概括如下：即功率因数角φ越小，载波频率fc和死区时间Td越大，死区对基波电压的影响就越大。

图4 基波仿真曲线

3 死区的仿真实验研究

3.1 仿真研究

一般死区的设置方法有2种：一种是提前Δt/2关断，延迟Δt/2开通，称为双边对称设置；另一种是按时关断，延迟Δt开通，称为单边不对称设置。这2种方法的实现方式不同，但总的延迟时间是一样的。本文采用双边对称设置方式，对三相光伏并网系统进行了仿真，具体实现电路如下图5所示[13-14]。

图5 死区实现电路

三相光伏并网系统具体仿真参数如下：直流母线电压Udc=300V、滤波电感L=10mH、滤波电容C=0.5μF、工频变压器采用Y-Y接法，其变比为120/380V。当死区时间Td、载波频率fc取不同值时逆变器输出线电压Uab及其波频仿真结果如图6所示。

图6 波频仿真图

图6(a)～(c)给出了载波频率fc=9600Hz、死区时间Td分别为0μs、10μs、20μs时逆变器输出线电压Uab及其波频图。从图中可以看出，死区时间越大，死区对电压的影响就越大，电压的谐波成分亦越大。

图6(d)给出了载波频率fc=4800Hz、死区时间Td=10μs时逆变器输出线电压Uab及其波频图。通过比较图(b)和(d)可以看出，载波频率越大，死区对电压的影响就越大，电压的谐波成分亦越大，进而验证了理论分析的正确性。

3.2 实验研究

本文设计的实验系统参数如下：直流母线电压Udc=100V，载波频率fc=9600Hz，占空比1，三相全桥逆变器，工频变压器采用Δ-Y联接，变比为6.0，实验的Fluck万用表测试波形如图7所示。

图7 实验波形

图7(a)给出了直流母线电压波形，图(b)和(c)给出了死区时间Td=10μs时逆变器输出线电压及其谐波含量，从图中可以看出此时线电压的有效值为53.6V，谐波总畸变率THD=4.0%。

图7（d）和（e）给出了死区时间=20μs时逆变器输出线电压及其谐波含量，从图中可以看出此时线电压的有效值为40.0V，谐波总畸变率THD=7.5%。

可见，死区时间越大，死区对电压的影响就越大，不仅降低了基波的幅值，而且增加了谐波含量，进而验证了理论分析和仿真研究的正确性。

4 结论

本文研究了死区对光伏并网逆变器输出电压的影响，得到以下结论。

1）死区效应会导致逆变器输出电压发生畸变，不仅使输出电压的基波值减小，而且会使其相位发生变化。

2）死区效应与功率因数角φ、载波频率fc和死区时间Td有关，即功率因数角φ越小，载波频率fc和死区时间Td越大，死区效应越严重。

3）死区效应的存在增加了系统的谐波含量,增加了低次谐波的抑制难度，打破了SPWM并网逆变器随着载波频率增大，低次谐波含量减小的理论。

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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

在并网逆变器中，为防止同一桥臂上的上下两个器件发生直通现象，必须注入微秒级的死区时间。死区时间越长，并网逆变器的工作越安全，但逆变器输出的电压波形质量会变差，同时对负载及电网造成不同程度的影响。因此有必要对死区效应进行深入研究。本文对死区效应进行了理论分析，研究了并网逆变器中死区时间对输出电压的影响，最后对并网系统的死区效应进行了仿真实验研究。

并网逆变器；死区效应；基波电压；载波频率；功率因数；谐波含量

国家自然科学基金资助项目（50677018）。

1674-3814（2010）09-0048-06

TM615

A

2010-05-17。

曹 雷(1985—)，男，山东枣庄人，硕士研究生，研究方向为太阳能光伏并网技术；

张建成(1964—)，男，河北深县人，教授，研究方向为新型储能技术、电能质量控制技术、可再生能源发电控制技术等。

（编辑 徐花荣）