基于單相SVPWM的可變死區(qū)算法

光伏發(fā)電的核心技術(shù)是逆變技術(shù)。在單相逆變器中，為了防止逆變橋上下兩個功率開關(guān)管直通，通常需要在功率管工作期間加入一段固定死區(qū)時間^[4-6]。固定死區(qū)時間會帶來輸出電壓幅值和相位的偏差，隨著開關(guān)管頻率的提高，誤差累積效應(yīng)會導致輸出電壓波形的畸變^[7]。

本文首先通過分析單相SVPWM（空間電壓矢量脈寬調(diào)制）原理，建立起單相SVPWM 的調(diào)制波波形，然后采用干擾觀測器估計出補償電壓并換算成開關(guān)管導通時間作為死區(qū)時間加入調(diào)制波中有效矢量組的導通時間中。實驗結(jié)果表明該策略可以使單相逆變器輸出電壓畸變率降低，輸出波形更優(yōu)的正弦波。

1   單相SVPWM原理及實現(xiàn)

單相空間矢量調(diào)制技術(shù)主要是由三相空間矢量調(diào)制技術(shù)推導而來。在三相逆變器中將6 個功率開關(guān)管組成的3 組橋臂定義為開關(guān)函數(shù) ，其中S_i =1 代表每相上橋臂導通，下橋臂關(guān)斷，而S_i = 0 則代表每相上橋臂關(guān)斷，下橋臂導通。總共有8 組基本電壓矢量組，基于伏秒平衡的原理可以計算出8 組基本電壓矢量組合形成標準的圓形旋轉(zhuǎn)矢量磁鏈所需要功率開關(guān)管導通時間。基于三相SVPWM 技術(shù)的思想，以下進行單相SVPWM 的詳細推導。

如圖1所示單相逆變電路，其中a、b 兩點的輸出電壓用U_ab表示，則交流側(cè)輸出電壓矢量可表示為

采用“1”代表功率開關(guān)管的導通，“0”代表功率開關(guān)管的關(guān)斷。通過對S1、S2、S3、S4 的開通與關(guān)斷進行組合分析可得單相逆變電路中共有4 種開關(guān)狀態(tài)，與之相對應(yīng)的輸出電壓矢量如表1 所示。

由表1 可知，分別有兩種有效狀態(tài)矢量v₁、v₂和兩種零狀態(tài)矢量v₀、v₃。根據(jù)空間矢量調(diào)制原理，通過將4 個離散矢量合成輸出矢量U_ab ，其中U_ab 有0、U_PN 、?U_PN 三個數(shù)值。以自然基e₁、e₂ 為基建立二維正交坐標系可得U_ab 如圖2 所示。

圖2 單相SVPWM在自然基下的表示圖

根據(jù)圖2 可知，狀態(tài)矢量v₁、v₂都在y = ?x所在的直線上，取e₁、e₂作為基底，則矢量u 可表示為

取正交基為

由矩陣變換原理可得變換矩陣為

則轉(zhuǎn)換至α—β 坐標系下有

如圖3 所示。

假設(shè)單相電壓的有效值為U_φ ，則單相電壓矢量可表示為

即

轉(zhuǎn)換至α—β 坐標下則有

由4 組離散矢量組擬合出期望的輸出電壓矢量。

設(shè)定T為逆變器的載波周期，T₁為有效矢量作用的時間，T₀為零矢量作用的時間，由伏秒平衡的原理可得

（1）當0≤wt≤π，取v₂ ，則可得

（2）當0≤wt≤π，取v₃ ，則可得

其中M 為調(diào)制比，大小為

由式可得一個調(diào)制周期內(nèi)4 個開關(guān)管控制信號的通斷時間長短，如圖4 所示。

圖4 單相SVPWM開關(guān)管導通時間

2   死區(qū)在線補償原理

為了避免上下橋臂直通帶來極大的短路電流，通常會對上下橋臂加入死區(qū)時間進行延遲導通，如圖5 所示。

圖5 加入死區(qū)的開關(guān)管導通時間

加入死區(qū)后，雖然能夠防止各種非理想狀況導致同一橋臂上下開關(guān)管直通，但上述死區(qū)加入會導致輸出波形幅值的降低，產(chǎn)生嚴重的波形畸變。

考慮干擾電壓下的系統(tǒng)電壓方程在旋轉(zhuǎn)坐標系下表達式為

一般認為當干擾電壓與補償電壓相等時，則可消除死區(qū)的影響。由于系統(tǒng)的采樣周期一般很小，屬于微秒級別，故可以認為在一個采樣周期內(nèi)，系統(tǒng)的干擾電壓基本保持不變，即

則當前周期的干擾電壓值可用上個周期干擾電壓值來進行估測，由式（12）可得

由式（15）所設(shè)計系統(tǒng)死區(qū)在線補償原理圖如圖7所示。

3   實驗與結(jié)果分析

本節(jié)中，基于TMS320F28335 的實驗平臺搭建了2 kW 實驗樣機，通過對TMS320F28335 的事件管理器進行設(shè)置，設(shè)置為連續(xù)增減計數(shù)模式，則可以產(chǎn)生對稱的PWM 波形，可將死區(qū)補償值直接加入比較寄存器CMPR 中進行修改PWM 脈沖寬度，達到補償效果，其中后級 LC濾波電路中L = 0.7 mH，C = 0.15 μF。

圖8 是未進行補償?shù)膶嶒灢ㄐ危瑘D9 是進行死區(qū)補償后的電壓波形。

圖8 未進行死區(qū)補償?shù)碾妷翰ㄐ?/em>

圖9 進行死區(qū)補償后的電壓波形

通過圖8、圖9 的對比可以觀察出采用死區(qū)補償算法后的電壓紋波得到明顯降低，逆變器輸出電壓具有良好的正弦波效果。

將上述逆變器輸出電壓波形圖片導進Matlab 進行傅里葉變換分析得到圖10 所示的波形，加入死區(qū)補償算法后逆變器電壓輸出畸變率只有3.16%，相比沒有加入死區(qū)補償算法7.14%，降低了將近4%，表明加入死區(qū)補償算法后有效降低了死區(qū)效應(yīng)對整個系統(tǒng)的影響。

4   結(jié)論

本文首先通過對單相電壓空間矢量法原理和產(chǎn)生方式進行闡述，推導出單相SVPWM 各開關(guān)管的導通時序圖，針對傳統(tǒng)死區(qū)時間的加入導致輸出電壓波形畸變，采用了干擾觀測器對非線性干擾等因素進行在線估測并轉(zhuǎn)化為死區(qū)時間作為補償。實驗結(jié)果表明該方法可以有效抑制由逆變器一系列外在非線性因素導致的電壓波形畸變，改善了電壓的波形，提高了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

參考文獻

[1] 方剛,楊勇,盧進軍,等.三相光伏并網(wǎng)逆變器電網(wǎng)高阻抗諧振抑制方法[J].電力自動化設(shè)備,2018,38(2):109-116.

[2] 吳汪平,楚皓翔,解大,等.PI控制器參數(shù)對并網(wǎng)永磁直驅(qū)型風力發(fā)電系統(tǒng)機網(wǎng)相互作用的影響[J].電力自動化設(shè)備,2017,37(10):21-28.

[3] Liu Xing, Wang Dan, Peng Zhouhua. Cascade-free fuzzy finite-control-set model predictive control for nested neutral point-clamped converters with low switching frequency[J].IEEE Transactions on Control Systems Technology,2019,27(5):2237-2244.

[4] 齊昕,王沖,周曉敏.一種低硬件資源消耗快速SVPWM算法[J].電機與控制學報,2014,18(4):32.

[5] 易龍強,戴瑜興.SVPWM技術(shù)在單相逆變電源中的應(yīng)用[J].電工技術(shù)學報,2007,22(9):116-117.

[6] 張陽.微電網(wǎng)SPWM單相并網(wǎng)逆變器控制技術(shù)研究[D].沈陽:沈陽工業(yè)大學,2014.

[7] 楊曉東,王崇林,史麗萍,等.級聯(lián)型逆變器的統(tǒng) 一SVPWM方法[J].電工技術(shù)學報,2014,29(6):145-147.

[8] 劉和平,董治平,邱彬彬,等.一種低壓電動汽車用 逆變器非線性因素的新型補償方法[J].電機與控制 學報,2020,24(9):30-38.

[9] 韓坤,孫曉,劉秉,等.一種永磁同步電機矢量控制SVPWM死區(qū)效應(yīng)在線補償方法[J].中國電機工程學 報,2018,38(2):620-627.

[10] 吳春,齊蓉.PWM 電壓源逆變器非線性因素迭代學習補償[J].中國電機工程學報,2015,35(3):702-709.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年2月期）