三相三电平并网逆变器无死区SPWM控制研究_王勇

第31卷第21期中国电机工程学报V ol.31 No.21 Jul.25, 201170 2011年7月25日Proceedings of the CSEE ©2011 Chin.Soc.for Elec.Eng.文章编号：0258-8013 (2011) 21-0070-06 中图分类号：TM 85 文献标志码：A 学科分类号：470⋅40三相三电平并网逆变器无死区SPWM控制研究王勇1，高宁2，罗悦华2，蔡旭2(1.电力传输与功率变换控制教育部重点实验室(上海交通大学)，上海市闵行区 200240；2. 上海交通大学风力发电研究中心，上海市闵行区 200240)SPWM Research for Dead-time Elimination ina Three-phase Three-level Grid-connected InverterWANG Yong1, GAO Ning2, LUO Yuehua2, CAI Xu2(1. Key Laboratory of Control of Power Transmission and Conversion(Shanghai Jiaotong University), Ministry of Education,Minhang District, Shanghai 200240, China; 2. Wind Power Research Center of Shanghai Jiaotong University,Minhang District, Shanghai 200240, China)ABSTRACT: This paper investigated the dead-time compensation and elimination scheme of voltage source inverter, and problems during its implementation. Then, a novel sine pulse width modulation (SPWM) scheme for dead-time elimination in a grid-connected inverter was proposed. To apply the new scheme to the three-phase three-level grid-connected inverter, first the split phase control is used to reach the grid current and modulation function decoupling. Then the decoupled modulation functions are used for the dead-time elimination scheme. The new method does not rely on the hardware current detection circuit as the conventional ways do, the availability and the simplicity are verified by the experiment.KEY WORDS: dead-time elimination; inverter; three phase; split phase control摘要：深入研究当前电压型逆变器的死区补偿或无死区正弦脉宽调制(sine pulse width modulation，SPWM)策略，并分析它们存在的问题。

在此基础上，提出基于调制函数的并网逆变器无死区SPWM控制策略。

为在三相三电平逆变器中应用这种策略，首先采用分相控制达到三相并网电流、调制函数的解耦，然后利用解耦的并网电流调制函数进行无死区SPWM控制。

实验证明，这种控制策略简单有效，保证了无死区调制策略的可靠性，并摆脱了传统方法对于硬件检测电路的依赖。

关键词：无死区；逆变器；三相；分相控制0 引言通常，电压型逆变器的桥臂功率管具有互补的驱动信号，而在互补的两路信号间必须插入死区。

死区的设置必然使得逆变器的输出谐波含量增大。

同时，它也降低了直流电压利用率，以及逆变器的效率等[1-7]。

文献[8-11]研究了如何补偿逆变器的死区效应，然而，补偿并没有从根本上解决问题。

文献[12]提出了一种无死区的正弦脉宽调制(sine pulse width modulation，SPWM)方法。

它的原理是，在电流正负半周内，同一桥臂对管事实上只有一个功率管与对管的并联二极管导通电流，所以可以禁止实际不导通电流的功率管驱动信号，让其一直处于关断状态，则对管之间不用再设置死区，实现无死区SPWM调制。

但是它需要通过精确检测负载电流的方向来决定功率管导通与否。

文献[12]通过附加硬件检测电路判断功率管并联二极管是否导通来检测电流方向，然而，硬件检测电路带来了不可靠性、复杂性。

更重要的问题是，由于开关造成的高频纹波电流成分的存在，使得逆变器输出电流在过零点附近反复穿越过零点，检测输出电路将出现高频振荡。

同时，由于数字控制本身存在至少一个控制周期的延时，则在过零点附近，当控制器输出功率管导通信号时，负载电流可能已经改变方向，导致检测失败。

本文在详细分析上述问题后，提出电压型并网逆变器的无死区调制策略。

在电流纹波不会过零的大部分基波周期内采用无死区调制，而在过零点附近，由于纹波电流可能过零，所以采用由无死区调制策略切换到死区补偿SPWM调制策略。

并提出基于并网电流调制函数的可靠切换方法，摆脱了对于硬件检测电路的依赖。

在新型的调制策略下，只有当负载电流处于过零点附近很小的区域内，控制第21期 王勇等：三相三电平并网逆变器无死区SPWM 控制研究 71器需要设置死区，从而有效地改善了逆变器的死区效应，提高了逆变器的输出电能质量。

然而在三相并网逆变器中，由于并网电流、调制函数具有耦合性，上述的无死区控制策略并不能直接应用。

为了将上述控制策略应用在三相三电平并网逆变器中，首先，本文采用分相控制达到逆变器三相并网电流调制函数的解耦。

在分相控制下，每个桥臂相当于一个独立的单相逆变器。

然后在每个三电平桥臂中采用上述的无死区调制策略。

实验证明，这种新型的控制策略是简单有效的。

1 电压型逆变器无死区控制策略及其问题文献[12]以单相全桥逆变器为例，提出了电压型逆变器无死区控制策略。

其原理是通过附加硬件检测电路判断功率管并联二极管是否导通来检测电流方向。

从而禁止实际并不导通的功率管的驱动信号，死区时间也就无需插入。

其它的无死区控制策略也都是通过硬件检测电路，在获取电流方向和功率管导通信息的基础上实现的。

引言中已经提到了这种方法具有易受干扰、不可靠性。

最重要的问题是它无法避免高频电流纹波造成的检测失败。

本文通过一个三相两电平逆变器实验验证了高频电流纹波的影响。

实验电路及关键参数如图1所示。

图1 高频电流纹波测试电路Fig. 1 High frequency ripple current test circuit在开关频率为4 kHz 时的三相电流实验波形如图2所示。

图2中，因开关造成的并网电流的高频纹波成分可以计算为DCbus grid grid sw()u u Di Lf −Δ=(1)I a I b I c (200m A /格)t (5 ms/格)图2 高频纹波电流测试实现结果Fig. 2 Test waveforms of high frequency ripple currents式中，DCbus U 、grid U 、L 、sw f 分别为逆变器输入直 流电压、电网电压、输出滤波电感以及开关频率。

由图2和式(1)可知，当输出滤波电感较小，开关频率较低时，输出电流的纹波尤其严重。

纹波电流可以在一个开关周期内反复穿越过零点，从而导致硬件检测电路失败。

2 三相三电平并网逆变器的分相控制与无死区SPWM 控制本文研究了如何在三相三电平并网逆变器中实现可靠高效的无死区控制策略。

首先，如图3所示，不同于独立的电压型逆变器，并网逆变器中，控制器首先得到电网的相位信号sin ϕ，然后与指令电流幅值I amp 的乘积作为电流控制器的输入，电流控制器另一个输入信号为电网实际电流I grid 。

电流控制器输出即为调制函数m 或占空比函数D 。

在不考虑滤波器的影响时，并网电流I grid 与调制函数m 相位相同。

所以，调制函数包含了并网电流的相位信息。

图3 并网逆变器调制函数与电网电压相位关系 Fig. 3 Phase relation between modulationfunction and grid voltage并网电流与它的纹波满足式(2)时，表示并网电流不会过零，可以采用无死区控制；反之，并网电流在一个开关周期内可能过零，无死区控制并不可靠，需要插入死区并进行补偿。

同时，调制函数m 可以作为死区补偿的极性判断依据。

grid DCbus grid grid sw()22i u u DI Lf Δ−>=(2)要在三相三电平并网逆变器中运用上述的控制思想，首先需要将整体控制下互相耦合的三相电流或调制函数解耦。

本文采用分相控制达到三相并网电流及调制函数的解耦，图4描述了一个三相三电平光伏并网逆变器的分相控制策略。

72 中 国 电 机 工 程 学 报第31卷图4 三相三电平并网逆变器拓扑及控制器设计 Fig. 4 Grid-connected three phase three level invertertopology and split phase controller design图4中：MPPT 为最大功率跟踪(maximum power point tracking ，MPPT)模块；DPLL 为数字锁相环(digital phase-locked loop ，DPLL)；PR 为并网电流比例谐振(proportion resonance ，PR)控制模块； agird U 、agrid I 、aamp I 、a m 、acommand U 分别为a 相电 网电压、a 相电网电流、a 相并网电流参考、a 相调制函数、a 相电压参考。

图4系统由Boost 变换器和三电平逆变器组成两级并网逆变器。

Boost 变换器实现最大功率跟踪控制。

三电平逆变器由a 、b 、c 3个桥臂组成。

在本文的分相控制策略中，它们被看作3个独立的单相逆变器，每个单相逆变器具有各自独立的双环控制器，所以，可以用a 相的控制器来说明，如图5所示。