采用垂直多载波调制技术的并网逆变器

胡雪峰， 龚春英， 陈新

(1．南京航空航天大学江苏省新能源发电与电能变换重点实验室，江苏南京210016;2．安徽工业大学电力电子与运动控制省重点实验室，安徽马鞍山243002)

0 引言

随着开发和利用新能源的快速发展，全桥并网逆变器系统的研究得到了许多学者的重视，其中为了避免开关器件“直通”，需要在同一桥臂的两个互补开关管的驱动信号中设置一定的死区时间，而死区时间的设置会使逆变器输出波形产生畸变，增加入网电流的谐波含量，降低直流电压利用率，即“死区效应”。为改善输出电压和电流波形，诸多学者采取了多种方法［1－6］，也收到了一定的效果，归纳起来主要有基于平均值等效理论的补偿方案，即将电压伏秒误差在一个周期内进行平均，然后直接加到指令电压上。另一类是基于脉冲补偿的方法，即直接对输出的PWM脉宽进行修正。

本文首先详细分析了全桥逆变器由开关延时造成“死区效应”的产生机理，在此基础上，提出一种基于垂直分层多载波调制技术的PWM调制策略，这种策略由三个相位相同，垂直移幅的载波构成，根据桥臂电流的方向来判断应由哪一个载波和调制波相比较以产生对应的开关信号，这样只要用软件调整垂直载波的距离就可设置桥臂上下开关的死区时间，以避免逆变桥臂的直通现象，同时又不产生桥臂输出电压偏差，即无“死区效应”发生。这种方法原理清晰，思路明确，特别适合于用数字控制器实现。

1 并网逆变器产生死区效应的机理分析

可再生能源并网发电逆变器系统如图1所示，其中1为输出电流i有效值给定，2为实际输出电流有效值，3为电网电压锁相环，4为PI控制器1，5为PI控制器2，6为三角载波信号发生器，7为垂直分层多载波SPWM调制及驱动器。系统直流侧电压由可再生能源如光伏电池，燃料电池等提供，能量流具有单向性，逆变桥输出通过T型滤波器和并网开关连接到电网上，其等效电路如图2所示。

图1 可再生能源并网逆变器系统Fig．1 system of grid-inverter for renewable energy

图2 网侧单相T型滤波器等效电路Fig．2 single phase Equivalent circuit of T filter

由于电网容量可以看作无穷大，即网侧电压基本不变，且是不可控制量，因此并网逆变器输出通常采用高频脉宽调制下的电流控制，此方法必然会导致馈网电流中含有大量开关频率及其整数倍附近的高次谐波［7－11］。图2中的T型滤波器可以对此高次谐波进行极大的衰减，但是，为防止桥臂直通而设置的开关管延时产生的“死区效应”使桥臂电压不再是标准的SPWM波，进而足以使馈网电流波形发生畸变，因此研究如何消除或降低“死区效应”，以减少并网逆变器进网电流中的低次谐波含量极为重要。

为了方便于定量分析由“死区效应”引起的桥臂输出电压偏差，首先做如下假设:①各开关的开通压降为零，关断电流为零;②各开关管能瞬时开通和关断;③忽略输出电流的纹波。图3(a)为并网逆变器一相桥臂的输出等效电路。由于一般功率管(MOSFET或IGBT)的开通时间要快于关断时间，所以为了确保两只管子不会同时导通，通常在开关管开通前加入足够的死区时间td，其间两只管子都处于关断状态，此时桥臂输出似乎处于悬浮状态，然而由于滤波电感的存在，输出电流将会通过相应的二极管续流，所以死区对并网逆变电源桥臂输出电压的影响取决于桥臂电流的实际方向。如果规定流出桥臂的电流方向为正，反之为负，由图3可以看出每个工频周期内由延时开通时间引起的桥臂偏差电压脉冲数N与开关频率有关，可表示为

fc为载波频率，f为并网逆变器输出电流频率。

在每半个周期由死区引起的等效偏差电压ΔVAO可表示为

其中:Td为通常的开关延时时间;T为电网电压周期;Tc为载波周期;Tc为载波周期;fs为开关频率。

图3 桥臂输出电压和驱动信号之间的关系Fig．3 Relation between output voltage and gate sign

显然，开关延时直接造成了并网逆变器桥臂输出电压低次谐波含量的增加，从而引起馈网电流低次谐波含量的升高。针对这一问题，文献［1－2］采取桥臂输出电压偏差直接补偿的方法，取得了一定的效果，文献［3－4］直接利用桥臂电压偏差伏秒平衡的原理进行了相应控制量的补偿，也有效改善了由开关“死区效应”带来的不利影响。本文提出一基于多载波垂直分层的新型PWM调制策略，这种调制策略既能灵活设置开关延时时间，又不产生桥臂输出电压偏差，从而避免PWM调制过程中引起进网电流低次谐波含量的增加，即具有设置开关延时和避免“死区效应”的双重功能。

2 垂直分层多载波SPWM调制策略原理分析

如果采用双极性调制，结合图3可以看出当桥臂输出电流为正时，只有T1，T3管的开通延时将产生负输出电压偏差;当桥臂输出电流为负时，T2，T4管的开通延时将产生正输出电压偏差，其余情况无偏差电压产生，即理论上不会产生“死区效应”。本文考虑若把载波信号C分别向上，向下垂直移动一定的距离Δh，得到C+和C－信号，则可同时把C，C+和C－信号作为载波，即垂直分层多载波。只要在不同的条件下选择相应的载波信号和调制波交接得到开关的驱动信号即可，如图4(a)，(b)所示。假设三角载波的顶角为θ，Δh是两个三角载波的垂直位移。则T1或T2管提前关断和延时开通的时间，即为设置的开关死区时间td，由下列两式决定td。即

图4 多载波PWM策略原理示意图Fig．4 proposed composite PWM strategy

2.1 垂直分层多载波SPWM的调制模型分析

图1中开关驱动信号uTi为二值逻辑函数［6］，假设:

式中:ωc为载波频率;φc为载波初相角;Jn()为 n阶贝塞尔函数，即

这与理想双极性调制时的表达式是一致的，即使用垂直分层多载波PWM调制策略产生的桥臂输出电压同样是标准的SPWM波形。

3 垂直分层多载波PWM策略在并网逆变器中应用的仿真分析

为了验证理论分析的正确性和有效性，本文首先对各种情况进行了对比仿真研究，仿真参数如下:直流输入电压Vdc=400 V，额定功率为1 kW，网侧相电压有效值Vac=220 V，开关频率fs=10 kHz，开关管的开通延时时间 td=3 μs，L1=3 mH，L2=1 mH，C=2.2 μF，仿真结果如图(5)，(6)，(7)所示。红色曲线为电压，为了能清晰地看出并网电流与电网电压的相位关系，仿真中的网压统一归一化到10 V。蓝色曲线为实际馈网电流。从仿真波形中看出，带开关延时的常规PWM调制时馈网电流波形谐波含量较大，达到4.67%;所提垂直分层多载波PWM调制策略和无开关延时下电流波形基本一致，其谐波含量比较低，只有0.68%，与理论分析相吻合。

图5 不同PWM策略下馈网电流仿真波形Fig．5 Simulation waveform of grid current with different PWM method

4 试验验证

根据上述仿真参数，制作了一台1KW的试验样机，通过自藕变压器与电网连接，对上述理论分析进行了试验研究，试验结果如图(8)，图(9)所示。图8为td=3 μs时，电网电压(实际电网电压存在一定的畸变)与并网电流的稳态波形，用谐波分析仪实测电流的THD为9.7%，PF为0.981。图9为本文所提基于垂直分层多载波调制策略下电网电压(实际电网电压存在一定的畸变)与并网电流的稳态波形，用谐波分析仪实测电流的THD为2.8%，PF为0.992。从试验结果可以看出，采用垂直多载波PWM调制策略能有效地把设置开关死区时间和避免“死区效应”同时进行，把该方法应用在并网逆变器中能明显抑制馈网电流中的谐波含量，提高并网逆变器馈网电流的波形质量。

图8 常规PWM下(td=3 μs)馈网电流实验波形Fig．8 Experimental waveform when td=3 μs under conventional PWM

图9 本文PWM策略下馈网电流试验波形Fig．9 Experimental waveform under proposed PWM strategy

5 结语

针对单相并网逆变器，从PWM调制策略上，提出了一种新型无“死区效应”的垂直分层载波PWM调制技术，这种调制策略一方面能设置开关延时，另一方面又避免了“死区效应”的产生。仿真和试验结果都证明了垂直分层多载波调制策略的有效性，能明显降低并网电流的谐波含量，在实际应用中具有一定的价值。

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