提高弱电网下三相三电平拓扑结构直流母线电压利用率的研究

李宏 李冰

摘 要：在逆变器的研究中，直流母线的高低直接影响了产品的转换效率。降低直流母线电压，提高直流母线电压利用率，是提高机器性能的关键因素之一。标准电网下，空间矢量和注入三次谐波的SPWM都可以提高三相机的直流母线电压利用率。但是，在弱电网条件下，电网电压变化较大，为保证逆变器稳定工作，通常会按照预期最高电网电压设置直流母线电压，造成在电网电压较低时，“实际”直流母线电压利用率偏低。笔者研究出一种实时随动的直流母线电压控制策略，在电网电压低时，能有效降低母线电压，提高“实际”直流母线电压利用率；同时，当电网电压变化时，可以及时调整直流母线电压，保证逆变器稳定运行。

关键词：太阳能、逆变器、弱电网、直流母线电压利用率

0 引言

能源是社会发展和经济建设不可或缺的资源。随着全球现代工业的发展，能源危机和环境污染等一系列的问题日益突出。太阳能作为取之不尽、用之不竭、分布广泛、无污染的新能源，与风能、潮汐能、地热能等其他新能源相比，具有更广阔的发展前景，更受到各方研究人员的青睐。

光伏逆变器作为太阳能发电系统的核心组成部分，其转换效率是影响太阳能利用率的关键。影响光伏逆变器转化效率的因素较多，直流母线电压利用率就是其中一个重要的因素。目前，强电网交流电压不变情况的研究已经较为成熟。但是都没有提及弱电网下电网变化时，直流母线电压的控制策略。

1.并网控制策略

在光伏逆变器的并网控制策略中，常用的方法主要有以下三种：

1.1 普通SPWM策略。在控制系统中，该策略是一种比较成熟的、使用较广泛的PWM法。理论上，冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。三相三电平拓扑结构中，SPWM策略就是以该结论为理论基础，把拓扑结构看做3个独立的结构。用脉冲宽度按正弦规律变化，和正弦波等效的PWM波形，控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，从而输出正弦波形。

SPWM的方便比较简单，容易掌握；但是其缺点是直流母线电压利用率低，所以在比较注重效率的光伏逆变器上，采用该策略的厂家越来越少。

1.2空间矢量（SVPWM）。该策略最初是应用在电动机控制上，控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。

空间矢量控制是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量和产生转矩的电流分量分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。

空间矢量方法是将系统看做一个整体，三相之间相互配合合成一个旋转的矢量，最大脉宽时刻不在每一相电压的峰值处。

该策略可以提高直流母线电压利用率，各学者对该策略研究的较为充分。但是，空间矢量有多个扇区，每个扇区计算方不同，所以，程序实现较为复杂。

1.3注入三次谐波的SPWM。该策略是一种比较先进的控制策略。通过对空间矢量深入研究发现，SVPWM可以看做是注入特定零序的SPWM。进一步研究发现，在SPWM上出入3次正弦谐波，可以达到和空间矢量相同的效果。即可以提高直流母线电压的利用率，又可以减少算法的难度。

笔者设计的产品采用注入三次谐波的SPWM，本文下面的分析研究也是基于注入三次谐波的SPWM。

2.弱电网下直流母线电压的控制。

我国的电网电压标准是220V/50H。但是在某些电网末端，因为用电负载功率变动，电网电压会出现较大波动，即所谓的弱电网。为保证电网电压升高或突变时，逆变器可以正常运行，不会因过调制而失控或停机，传统的办法是把母线电压提高，按照设计预期的最高电网电压设计。但是这样间接牺牲了直流母线电压的利用率。

为提高交流电压较低时，“实际”直流母线电压的利用率，笔者设计了一种母线电压随动的控制策略。

首先，笔者采用交流电压反推法，即，实时采样电网电压，反推需求的母线电压。该方法计算较多，并且实际需要的母线电压受并网电流及PI调节器的参数影响，需要预留的电压余量较大。

然后，笔者采用调制度控制法，即，把最大调制度标幺化为“1”，实时调节直流母线电压，使调制度为“0.95”。本方法在电压缓慢变化时可以正常工作，但是当电网电压剧烈变化时会出现母线震荡。

为此，笔者又对该方法进行改进。当调制度>“0.96”时，使：给定直流母线电压=实际母线电压+ 5V；当调制度<“0.93”并且持续200ms后，使：给定直流母线电压=实际母线电压-1V；

3.验证

笔者将新策略的程序升级到20kw的机器上，交流输出接交流源，模拟电网电压变化。测试结果顯示，采用新的控制策略后，交流电压较低时，直流母线电压能明显降低。电网波动时，机器运行正常，无停机现象发生。

经用户同意，笔者又把河北某机加工厂厂区中的5台逆变器升级为该程序，经1个月持续观察，无论是电网电压高低，还是工厂内电动机启停时的电网波动，机器都可以正常工作，并且比老程序机器的电压平均低30V-40V。

4.结论

本文首先简要介绍了3种常用的并网控制策略，并分析了3中控制策略的控制难易程度，以及每种策略的直流母线电压利用率。通过分析弱电网下的电网工况，在基于注入三次谐波SPWM控制策略下，研究出了一种直流母线电压随动的母线控制策略。（理论上，该策略也可以应用在空间矢量策略和普通SPWM策略下，但因时间关系，笔者并未实际验证。）经模拟测试和实际现场应用证实，该策略在电网电压较低时，能够进一步降低直流母线电压，进而提高“实际”直流母线电压利用率。