楊富松，陳 皓

(四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川成都610065)

逆變器并聯(lián)系統(tǒng)環(huán)流抑制的研究

楊富松，陳 皓

(四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川成都610065)

在SVPWM調(diào)制過程中，零矢量的作用會引起實際電壓矢量與理想電壓矢量之間相角的偏差，從而導(dǎo)致逆變器輸出側(cè)存在電壓諧波，對于輸出電壓精度有一定的影響。而在逆變器并聯(lián)系統(tǒng)中，較小的輸出電壓相角誤差能夠引起較大的有功環(huán)流，因此要盡量減小零矢量作用效果從而減少環(huán)流。首先探討了零矢量作用對SVPWM調(diào)制的影響，然后分析了均分零矢量的法對逆變器并聯(lián)系統(tǒng)有功環(huán)流抑制作用，仿真證明此方法輸出諧波更小，對逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的有功環(huán)流有一定的抑制效果。

逆變器并聯(lián)；諧波；空間矢量脈寬調(diào)制；零矢量；環(huán)流

由于能源危機(jī)和環(huán)境問題的日益突顯，學(xué)者們提出了微電網(wǎng)的概念。微電網(wǎng)是結(jié)合了微型電源、負(fù)荷和控制裝置的一種電網(wǎng)形式，其中微型電源包括含有電力電子接口的微型燃?xì)廨啓C(jī)、風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、燃料電池等分布式電源和儲能裝置等[1]?；诜植际侥茉吹奈㈦娋W(wǎng)技術(shù)將是解決電能供應(yīng)的一條有效途徑，可分為交流為電網(wǎng)和直流微電網(wǎng)[2]。直流微電網(wǎng)以直流配電的形式，通過直流母線很好地將各種分布式電源融合起來并加以協(xié)調(diào)控制，同時又能將直流電直接輸送給對電能質(zhì)量要求高的直流負(fù)荷。并網(wǎng)逆變器將直流電能轉(zhuǎn)化為交流電能，是可再生能源與交流電網(wǎng)之間的必要接口[3]。為增大功率，提高系統(tǒng)的靈活性、可靠性，單個逆變器的容量已經(jīng)不能滿足要求。采用更高容量的功率器件價格成本太高。同時使負(fù)載不平衡，從而損害整個系統(tǒng)的性能。環(huán)流實際上是各臺逆變器輸出電壓的幅值跟相位存在偏差而產(chǎn)生的[4]。抑制環(huán)流是逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的核心問題，而在SVPWM調(diào)制過程中因零矢量的加入，導(dǎo)致非零矢量追蹤給定電壓矢量過程中產(chǎn)生一定的幅值偏差和相角偏差，引入有功和無功環(huán)流[5]。雖然采用雙環(huán)控制對電壓瞬時值調(diào)整有一定的效果，但是由于輸出阻抗和并機(jī)阻抗比較小，這種反饋的作用還是存在一定的局限性[6-7]。

對于SVPWM的調(diào)制優(yōu)化有諸多方法，如單一零矢量法、交叉零矢量法、因子表法，但是這些方法主要從降低開關(guān)損耗的方面考慮了零矢量分配方案的優(yōu)化，對變流裝置所產(chǎn)生的諧波輸出及對公共電網(wǎng)造成的污染的考慮并不全面[8]。有實驗研究已經(jīng)表明[9]，此類優(yōu)化策略在線性調(diào)制范圍內(nèi)，所產(chǎn)生的調(diào)制電壓包含的諧波比準(zhǔn)優(yōu)化的矢量分配要大，對于向公共電網(wǎng)吸收或回饋電能，尤其是回饋電能的變流裝置而言這是不理想的。文獻(xiàn)[10]提出一種零序脈沖零矢量控制方法基于電壓空間矢量調(diào)制的隨機(jī)脈沖位置PWM方法，通過隨機(jī)改變零矢量的位置，實現(xiàn)了兩種低開關(guān)損耗PWM模式之間的隨機(jī)切換，可以在減小噪聲的同時減少開關(guān)損耗。文獻(xiàn)[11]提出均衡調(diào)整零矢量占空比從而減少零序環(huán)流的方法，但此方法只在存在零序環(huán)流通路的系統(tǒng)中適用，在分布式網(wǎng)絡(luò)中存在一定的局限性。

本文在分析了并網(wǎng)逆變器并聯(lián)運行時環(huán)流危害的基礎(chǔ)上，說明逆變器并聯(lián)系統(tǒng)中減少因零矢量作用引起的追蹤電壓矢量相位誤差的必要性，然后闡述了通過均分零矢量作用時間來減小相位誤差相對值，從而減少逆變器輸出相電壓諧波環(huán)流，仿真驗證此方法在輸出電能質(zhì)量和抑制系統(tǒng)環(huán)流上有一定效果。

1 均分零矢量技術(shù)的理論研究

空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)是把三相變流器的端部電壓狀態(tài)在復(fù)平面上綜合為空間電壓矢量，并通過不同的開關(guān)狀態(tài)形成八個空間矢量，利用這八個空間矢量來逼近電壓矢量圓，從而形成SVPWM波。它能在較低的開關(guān)頻率下獲得較好的諧波抑制效果和比SPWM更高的電壓利用率。同時SVPWM調(diào)制技術(shù)還有一個優(yōu)點，即易于實現(xiàn)數(shù)字和實時控制[9]。

在SVPWM調(diào)制過程中，根據(jù)開關(guān)損耗最小原則，為了保證扇區(qū)切換的時候都只有一個開關(guān)管動作，可以得到某一個扇區(qū)的開關(guān)順序圖，如圖1所示。

圖1 載波周期內(nèi)開關(guān)順序圖

零電壓矢量最基本的作用是調(diào)節(jié)實際電壓矢量多邊形在每一個載波周期的平均角速度，使之與理想電壓矢量的旋轉(zhuǎn)角速度相等。圖1按照最小開關(guān)損耗開關(guān)作用順序，先是零矢量0(000)作用0/4，再是1(100)矢量作用1/2，再是2(110)矢量作用2/2，再是7(111)矢量作用0/2，再是2(110)矢量作用2/2，再是1(100)矢量作用1/2，最后0(000)矢量作用0/4，圖2是實際電壓矢量追蹤理想電壓矢量的時間和相角軌跡圖。

圖2 實際電壓矢量追蹤理想電壓矢量軌跡圖

在無互聯(lián)線逆變器并聯(lián)系統(tǒng)中，為了保證逆變器之間相互獨立，現(xiàn)有研究基本都是每個逆變單元都采用PQ下垂控制，當(dāng)頻率因負(fù)荷增大而變低時，載波周期將變大。工作電壓矢量的幅值只與逆變器的輸入直流電壓值有關(guān)[4]，在載波比不變的情況下保持恒轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)，即在轉(zhuǎn)矩不變的情況下，實際電壓矢量的旋轉(zhuǎn)角速度也不變，因此非零矢量的作用時間也不變，故頻率降低時零電壓矢量的作用時間將增大，實際電壓矢量軌跡與理想電壓矢量之間相位誤差的相對值也將隨之增大。

由伏秒平衡定則：

可得：

即SVPWM逆變器的電壓控制是通過控制開關(guān)器件的占空比來實現(xiàn)的，占空比與導(dǎo)通時刻在開關(guān)周期中的位置無關(guān)。然而，導(dǎo)通位置的改變卻影響著輸出電壓的頻譜分布。如果在導(dǎo)通時間不變的前提下，合適地變化導(dǎo)通位置，可以在基波分量不變的情況下使逆變器輸出一個寬而均勻的連續(xù)頻譜，從而有效地抑制幅值較大的諧波分量。也就是說，如果將零矢量作用時間均勻插入到非零矢量作用時間里，仍能追蹤理想電壓矢量。但這樣非零矢量走走停停的次數(shù)將變得更加頻繁，此時矢量追蹤過程中產(chǎn)生的相位誤差的幅值將減小，而且其各次諧波成分的頻率將增大。由SVPWM電壓源逆變器輸出相電壓的諧波規(guī)律可知，此時相位誤差所引起的諧波頻率將升高，低次諧波將會減少，提高電壓輸出精度。為保證控制的有效及簡單性，均分零矢量時應(yīng)遵循在每個控制周期內(nèi)零矢量和非零矢量的作用時間都不變。

圖3 開關(guān)作用順序圖

圖4 矢量追蹤軌跡圖

在SVPWM調(diào)制過程中因零矢量的參與導(dǎo)致了一定的相角偏差，而且每一次零矢量作用時間越長，產(chǎn)生的相角偏差越大，采用均分零矢量的方法，把零矢量每一次作用的時間縮短，就能減少因零矢量作用導(dǎo)致的相角偏差，從而減少有功環(huán)流，增大各逆變器對負(fù)荷的均分度。

2 仿真驗證

搭建了兩臺逆變器并聯(lián)系統(tǒng)，系統(tǒng)中各逆變器均采用PQ下垂控制，給定參數(shù)如下：輸出電抗=0.1 mH，直流側(cè)電壓dc=700 V，n=50 Hz，下垂系數(shù)=0.000 1，=0.005，濾波電感=0.25 mH，濾波電容=40 μF，負(fù)載=8 kW，載頻為5 kHz，均分段數(shù)=6。當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時得到如圖5所示結(jié)果。

圖5 改進(jìn)前后逆變器并聯(lián)系統(tǒng)電壓及功率對比圖

圖5(a)是傳統(tǒng)逆變器并聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時逆變器輸出電壓頻譜，圖5(b)是系統(tǒng)有功環(huán)流引起負(fù)荷分擔(dān)差值；圖5(c)是采用均分零矢量法的逆變器并聯(lián)系統(tǒng)各逆變器輸出電壓頻譜，圖5(d)是系統(tǒng)因有功環(huán)流引起負(fù)荷分擔(dān)差值。需要說明的是圖5(a)和圖5(c)中，頻率為50 Hz的工頻量其幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其余諧波，為了便于比較分析，所以沒必要完全描繪出來?？梢?，傳統(tǒng)控制方法得到的輸出電壓諧波畸變率為0.33%，采用均分零矢量法之后系統(tǒng)整體有所改善，系統(tǒng)輸出電壓諧波畸變率下降到0.18%。逆變器并聯(lián)系統(tǒng)因有功環(huán)流會導(dǎo)致系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時逆變器之間有功功率分擔(dān)存在差異，不能均分負(fù)荷，相位超前的逆變器承擔(dān)更多的負(fù)荷。采用均分零矢量的方法之后系統(tǒng)有功環(huán)流引起的負(fù)荷分擔(dān)差值有所減小，由之前的10 W左右波動降到0 W左右波動?？梢姼髂孀兤鬏敵鲭娔苜|(zhì)量有所提高，環(huán)流引起有功功率差降到更低。

3 總結(jié)

SVPWM調(diào)制過程中零矢量作用會導(dǎo)致矢量追蹤過程中實際電壓矢量和理想電壓是兩存在相角偏差，增大有功環(huán)流。本人通過把零矢量作用時間均勻插入到非零矢量中，從而縮短每一次零矢量的作用時間，減小相角誤差，一定程度上減少逆變器并聯(lián)系統(tǒng)中有功環(huán)流，仿真證明了該方法的有效性。

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《鋰離子電池原理與關(guān)鍵技術(shù)》

本書是《化學(xué)電源技術(shù)叢書》的一個分冊。書中介紹了鋰元素的物理化學(xué)性質(zhì)，鋰離子電池的基本概念與組裝技術(shù)，正極材料的微觀組成與電化學(xué)性能，負(fù)極材料、電解液、電極材料的研究方法以及鋰離子電池的應(yīng)用與展望。本書匯集了國內(nèi)外研究者的最新科技成果與相關(guān)技術(shù)，體現(xiàn)了鋰離子電池當(dāng)今發(fā)展和研究的趨勢，是化學(xué)、物理、材料等學(xué)科的基礎(chǔ)理論研究與應(yīng)用技術(shù)的前沿集成反映。

本書適合于高等學(xué)校、科研院所、相關(guān)企業(yè)從事化學(xué)電源研發(fā)的科研人員、管理工作者和生產(chǎn)技術(shù)人員等，同時可作為相關(guān)專業(yè)的師生學(xué)習(xí)參考用書。

Researches on circulating-current restraining in parallel inverter system

The deviation between the actual vector and the reference vector was caused by the null vector's participation,when adopting the SVPWM.Not only the harmonic was brought to the output voltage,but also massive active power circulating current was created in the parallel inverter system.It was crucial to diminish the effect of null vector.After analyzing the effect of null vector in SVPWM,the effect of null vector on active power circulating current was told about,then a method that divides the action time of null vector equally was given so as to diminish the deviation between the actual vector and the reference vector.The simulation results show that the proposed method is effective in the parallel operation system．

parallel inverter;harmonic;SVPWM;null vector;circulating current

TM 464

A

1002-087 X(2015)10-2244-03

2015-03-12

楊富松(1987—)，男，重慶市人，碩士生，主要研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護(hù)與控制；導(dǎo)師：陳皓(1962—)，男，四川省人，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為電力系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)與控制，Email：haochen06@163.com。