基于SVPWM控制策略的并网逆变器研究

张 谦， 朱海云， 王双红

(1.中原工学院, 郑州 450007； 2.郑州职业技术学院， 郑州 450121)

基于SVPWM控制策略的并网逆变器研究

张 谦1， 朱海云2， 王双红1

(1.中原工学院, 郑州 450007； 2.郑州职业技术学院， 郑州 450121)

为解决逆变器并网谐波畸变率较大的问题，根据三相逆变器工作原理，构建了三相静止坐标系下的数学模型。利用三相逆变器的空间电压矢量调制技术，给出了交流侧电感参数选取原则，进而分析变压器二次侧不同连接方式以及直流偏磁对并网谐波畸变率的影响，并提出了改善方法。在Matlab/Simulink环境下对三相逆变器的空间矢量调制策略进行仿真验证，搭建基于DSP控制的三相逆变器实验样机，并进行了并网实验。实验和仿真结果表明，该补偿方法与控制策略是可行的。

逆变器；交流侧电感；直流偏磁

分布式发电系统(如风电、光电等)新能源及直流电池储能技术可缓解电网“峰电”紧张、应对电网中断或大面积停电等突发事故[1-2]。并网逆变器是分布式发电系统的重要组成部分，其电路结构、并网类型及控制方法直接影响分布式发电系统的供电质量。陈灼对逆变器采用正弦脉宽调制(SPWM)控制策略，虽然取得了较好的控制效果，但SPWM会导致直流侧电压利用率降低[3]。刘刚等研究的逆变器并网效果良好，但是在并网变压器二次侧采用星形连接方式，忽略了因此造成的三次谐波对网侧电流波形的影响[4]。

本研究根据常用三相逆变器的电路结构建立数学模型，采用电压空间矢量(SVPWM)调制控制策略，提高直流电压的利用率；在控制系统中引入交流电流反馈环节，结合SVPWM控制方法，进行逆变器交流侧滤波电感参数选取；在变压器二次侧采用三角形连接并网，消除系统三次谐波，并且在控制系统中引入直流偏磁量反馈，使网侧电流谐波含量大幅度降低，跟踪电网电压效果良好；基于Matlab/Simulink仿真和搭建的样机，对所述控制策略和参数选取进行验证。

1 三相逆变器通用数学模型

并网逆变器的主电路拓扑结构(见图1)，由直流电源、三相逆变桥、LC滤波电路、并网变压器及交流接触器构成。图1中：vdc表示直流电压；ia、ib、ic表示逆变器交流侧电流；ea、eb、ec表示电网电动势；L、C分别表示交流侧滤波电感、电容；R表示交流侧负载。在该电路中，6个功率开关管组成了3 对开关状态对称的桥臂。

图1 三相并网逆变器拓扑结构

6个开关管的状态采用开关函数Sj(j=a,b,c)来描述：当Sj=1(j=a,b,c)时，上桥臂导通，下桥臂关断；当Sj=0(j=a,b,c)时，下桥臂导通，上桥臂关断。

由此可得该逆变器在abc坐标系下的数学模型[5]：

(1)

(2)

(3)

根据控制策略的需要，式(1)-式(3)经过坐标变换，变换到两相旋转的dq坐标系中，则有如下模型：

(4)

(5)

2 控制策略分析

图2 并网逆变器控制策略框图

系统中引起直流偏磁的主要原因有：并网变压器磁路饱和；交流侧三相电路不对称以及滤波电感饱和；霍尔采集电路误差；功率开关上桥、下桥臂不对称；软件中设置了PWM死区时间；硬件电路器件存在的温漂现象等。其中：变压器磁路饱和引起的直流偏磁可以利用变压器二次侧的三角形连接消除；交流侧三相电路不对称及滤波电感饱和等原因引起的直流偏磁，可在数据处理之前减去各相中实测的直流偏磁量来消除，从而达到优化系统控制的目的。

SVPWM控制策略的原理是，利用图1中6个功率开关管的开关状态和各种不同状态的组合，实现对系统的空间电压矢量控制，加上对开关管开关频率的调整，保证电压空间矢量运行为近似圆形的轨迹，以实现小的交流侧电流输出谐波含量和高的直流电压利用率。 6个功率开关管组合成8种状态，形成基本电压空间矢量。根据其相位角的特点，分别命名为O000、U0、U60、U120、U180、U240、U300、O111。其中，O000、O111为零矢量。利用6个非零的基本电压空间矢量的线性时间组合可得到更多的开关状态，以获得实际工作中数据处理所需要的圆形旋转磁场。在每个TPWM周期，改变相邻的基本矢量作用时间，可保证所合成的新的电压空间矢量幅值都相等。只要保证TPWM足够小，电压空间矢量的轨迹即为近似圆形的多边形。

3 交流侧滤波电路电感参数选取

滤波电路中电感值直接影响系统网侧电流的谐波含量。因此，在三相并网逆变器的交流侧滤波电感选取中，需要考虑两方面的问题：一方面，满足稳态时交流侧的矢量关系，可保证系统有较高的功率因数；另一方面，满足暂态电流的跟踪指标，即要求电感的选取值既能保证电流快速跟踪，又能抑制谐波电流对电路性能的影响。可根据文献[6]-[8]对电感参数的计算来确定滤波电感的范围，当满足稳态电路指标时，逆变器交流侧电感取值上限为：

(6)

式中：φ为相角；ω为角频率；Em为电网的相电压峰值；Im为变流器交流侧电流峰值；Vm为变流器交流侧电压峰值。当满足暂态电流的跟踪指标时，电感的下限为：

(7)

式中：Ts是一个PWM周期；Δimax是最大的允许电流波动量。根据式(6)和式(7)确定的电感范围，本研究最终选取的交流侧滤波电感值为6 mH。

4 仿真实验

为验证基于SVPWM的并网逆变器的控制性能，根据图1和图2，在Matlab/Simulink仿真平台上建立了控制系统仿真模型，进行系统仿真。

图3所示的仿真实验模型电路由三相交流电源、LC交流滤波电路、三相功率开关管模块和直流电源构成。

仿真参数设置如下：三相交流输入相电压有效值为220 V；频率为50 Hz；滤波电感L=6 mH；电容C=47 uF；仿真时间为0.5 s。

图4所示为网侧电流跟踪电压的效果。其中，幅值大的信号是电网电压信号，幅值小的信号是网侧电流信号。

图5所示为网侧电流信号的谐波分析。由图4和图5可以看出，系统具有较好的电流跟踪电网电压效果，并网电流谐波畸变率为1.02%。

图6所示为实验样机的网侧电流跟踪电网电压波形。其中：幅值较大的为电网电压信号，电压为10 V/格；幅值较小的是网侧电流信号，电流为1 A/格。

图5 网侧电流信号的谐波分析

图6 实验样机的网侧电流跟踪电网电压波形

图7所示为实验样机的网侧电流谐波分析。在该系统中，并网变压器的二次侧采用三角形连接方式，变比为380/36，容量为300 VA，交流侧滤波电感为6 mH。

图7 实验样机的网侧电流谐波分析

由图6和图7可以看出，逆变器并网后交流侧电流与电网电压同步，电流谐波畸变率为4.77%，符合国家标准。另外，在并网变压器二次侧磁路连接方式的选择上，当变压器的铁心磁路达到饱和时，激磁电流中除了含有基波分量，还含有一定的三次谐波。二次绕组为星形连接时，三次谐波分量不能流通，造成网侧电流三次谐波含量较大。当变压器的二次侧为三角形连接方式时，三相的三次谐波电动势会在闭合的三角形回路内产生三次谐波环流，可很好地抑制并网后网侧电流的三次谐波含量。

5 结 语

本文从交流侧滤波电感的选取、变压器二次绕组的磁路连接方式及系统直流偏磁等方面，研究了基于SVPWM控制策略的并网逆变器，得出了如下结论：①在满足暂稳态电路指标要求的情况下，电感值越大，交流侧滤波效果越好；②变压器二次绕组采用三角形连接方式，能大大降低三次谐波电流对整个系统的影响，抑制谐波含量；③引入系统直流偏磁分量的调节，能够净化并网后电流的直流分量。本文通过仿真验证了理论分析的可行性，实验样机的实验结果进一步证明了理论分析的正确性。

[1] 张步涵，曾杰，毛承雄,等.电池储能系统在改善并网风电场电能质量和稳定性中的应用[J]. 电网技术, 2006,30(15):54-58.

[2] Veme S A, Valla M I. Active Power Filter for Medium Voltage Networks with Predictive Current Control[J]. Electric Power Systems Research ,2010,80(12):1543-1551.

[3] 陈灼.三相SPWM逆变器恒压恒频控制策略[J].电气技术,2010(12):24-27.

[4] 刘刚，梁燕，胡四全，等.电池储能系统双向PCS的研制[J].电力电子技术，2010,44(10):12-14.

[5] 李大虎，石新春.三相电压型PWM整流器及其控制策略的仿真[J].大功率变流技术，2010(3):19-23.

[6] 巫付专，万健如，沈虹.基于不同电流跟踪方式APF连接电感选取与设计[J]. 电力电子技术,2009,43(8):7-9.

[7] 汪江其，王群京，李国丽，等. 基于 SPWM / SVPWM 调制策略的逆变器效率研究[J].电气传动,2013,43(1):39-43.

[8] Rim C T, Hu D Y, Cho G H. Transformers as Equivalent Circuits for Swithes: General Proofs and D-Q Transformation Based Analyses[J].IEEE Transactions on Industry Applications,1990,26(4):777-785.

(责任编辑：王长通)

Research of Grid Inverter Based on SVPWM Control Strategy

ZHANG Qian1， ZHU Hai-yun2, WANG Shuang-hong1

(1. Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 450007； 2. Zhengzhou Technical College, Zhengzhou 450121, China)

In order to reduce the total harmonic distortion of grid inverter, the study establishes its mathematical model in the three-phase static coordinate system and studys the SVPWM modulation technology used in the three-phase inverter, according to the working principle of three-phase inverter. Also it gives the inductance parameter selection principle under this kind of control technology, analyzes the different connection of the transformer secondary side and DC magnetic biasing influence on total harmonic distortion, and the improved method is proposed. A three-phase inverter used SVPWM modulation strategy under the Matlab/Simulink environment is simulated, a three-phase inverter experimental prototype based on DSP control is built, and the grid experiment is carried out. The experimental and simulation results show the feasibility of the research methods and control strategies.

inverter; AC inductance; DC magnetic biasing

2016-09-21

张谦(1957-)，男，河南平顶山人，教授，硕士，主要研究方向为智能控制理论的工程应用、智能信息处理、计算机控制技术。

1671-6906(2017)01-0019-04

TM306；TP181

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2017.01.004