逆变器并联系统环流抑制的研究

杨富松，陈 皓

(四川大学电气信息学院，四川成都610065)

逆变器并联系统环流抑制的研究

杨富松，陈 皓

(四川大学电气信息学院，四川成都610065)

在SVPWM调制过程中，零矢量的作用会引起实际电压矢量与理想电压矢量之间相角的偏差，从而导致逆变器输出侧存在电压谐波，对于输出电压精度有一定的影响。而在逆变器并联系统中，较小的输出电压相角误差能够引起较大的有功环流，因此要尽量减小零矢量作用效果从而减少环流。首先探讨了零矢量作用对SVPWM调制的影响，然后分析了均分零矢量的法对逆变器并联系统有功环流抑制作用，仿真证明此方法输出谐波更小，对逆变器并联系统的有功环流有一定的抑制效果。

逆变器并联；谐波；空间矢量脉宽调制；零矢量；环流

由于能源危机和环境问题的日益突显，学者们提出了微电网的概念。微电网是结合了微型电源、负荷和控制装置的一种电网形式，其中微型电源包括含有电力电子接口的微型燃气轮机、风力发电、光伏发电、燃料电池等分布式电源和储能装置等[1]。基于分布式能源的微电网技术将是解决电能供应的一条有效途径，可分为交流为电网和直流微电网[2]。直流微电网以直流配电的形式，通过直流母线很好地将各种分布式电源融合起来并加以协调控制，同时又能将直流电直接输送给对电能质量要求高的直流负荷。并网逆变器将直流电能转化为交流电能，是可再生能源与交流电网之间的必要接口[3]。为增大功率，提高系统的灵活性、可靠性，单个逆变器的容量已经不能满足要求。采用更高容量的功率器件价格成本太高。同时使负载不平衡，从而损害整个系统的性能。环流实际上是各台逆变器输出电压的幅值跟相位存在偏差而产生的[4]。抑制环流是逆变器并联系统的核心问题，而在SVPWM调制过程中因零矢量的加入，导致非零矢量追踪给定电压矢量过程中产生一定的幅值偏差和相角偏差，引入有功和无功环流[5]。虽然采用双环控制对电压瞬时值调整有一定的效果，但是由于输出阻抗和并机阻抗比较小，这种反馈的作用还是存在一定的局限性[6-7]。

对于SVPWM的调制优化有诸多方法，如单一零矢量法、交叉零矢量法、因子表法，但是这些方法主要从降低开关损耗的方面考虑了零矢量分配方案的优化，对变流装置所产生的谐波输出及对公共电网造成的污染的考虑并不全面[8]。有实验研究已经表明[9]，此类优化策略在线性调制范围内，所产生的调制电压包含的谐波比准优化的矢量分配要大，对于向公共电网吸收或回馈电能，尤其是回馈电能的变流装置而言这是不理想的。文献[10]提出一种零序脉冲零矢量控制方法基于电压空间矢量调制的随机脉冲位置PWM方法，通过随机改变零矢量的位置，实现了两种低开关损耗PWM模式之间的随机切换，可以在减小噪声的同时减少开关损耗。文献[11]提出均衡调整零矢量占空比从而减少零序环流的方法，但此方法只在存在零序环流通路的系统中适用，在分布式网络中存在一定的局限性。

本文在分析了并网逆变器并联运行时环流危害的基础上，说明逆变器并联系统中减少因零矢量作用引起的追踪电压矢量相位误差的必要性，然后阐述了通过均分零矢量作用时间来减小相位误差相对值，从而减少逆变器输出相电压谐波环流，仿真验证此方法在输出电能质量和抑制系统环流上有一定效果。

1 均分零矢量技术的理论研究

空间矢量脉宽调制(SVPWM)是把三相变流器的端部电压状态在复平面上综合为空间电压矢量，并通过不同的开关状态形成八个空间矢量，利用这八个空间矢量来逼近电压矢量圆，从而形成SVPWM波。它能在较低的开关频率下获得较好的谐波抑制效果和比SPWM更高的电压利用率。同时SVPWM调制技术还有一个优点，即易于实现数字和实时控制[9]。

在SVPWM调制过程中，根据开关损耗最小原则，为了保证扇区切换的时候都只有一个开关管动作，可以得到某一个扇区的开关顺序图，如图1所示。

图1 载波周期内开关顺序图

零电压矢量最基本的作用是调节实际电压矢量多边形在每一个载波周期的平均角速度，使之与理想电压矢量的旋转角速度相等。图1按照最小开关损耗开关作用顺序，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，图2是实际电压矢量追踪理想电压矢量的时间和相角轨迹图。

图2 实际电压矢量追踪理想电压矢量轨迹图

在无互联线逆变器并联系统中，为了保证逆变器之间相互独立，现有研究基本都是每个逆变单元都采用PQ下垂控制，当频率因负荷增大而变低时，载波周期将变大。工作电压矢量的幅值只与逆变器的输入直流电压值有关[4]，在载波比不变的情况下保持恒转矩调节，即在转矩不变的情况下，实际电压矢量的旋转角速度也不变，因此非零矢量的作用时间也不变，故频率降低时零电压矢量的作用时间将增大，实际电压矢量轨迹与理想电压矢量之间相位误差的相对值也将随之增大。

由伏秒平衡定则：

可得：

即SVPWM逆变器的电压控制是通过控制开关器件的占空比来实现的，占空比与导通时刻在开关周期中的位置无关。然而，导通位置的改变却影响着输出电压的频谱分布。如果在导通时间不变的前提下，合适地变化导通位置，可以在基波分量不变的情况下使逆变器输出一个宽而均匀的连续频谱，从而有效地抑制幅值较大的谐波分量。也就是说，如果将零矢量作用时间均匀插入到非零矢量作用时间里，仍能追踪理想电压矢量。但这样非零矢量走走停停的次数将变得更加频繁，此时矢量追踪过程中产生的相位误差的幅值将减小，而且其各次谐波成分的频率将增大。由SVPWM电压源逆变器输出相电压的谐波规律可知，此时相位误差所引起的谐波频率将升高，低次谐波将会减少，提高电压输出精度。为保证控制的有效及简单性，均分零矢量时应遵循在每个控制周期内零矢量和非零矢量的作用时间都不变。

图3 开关作用顺序图

图4 矢量追踪轨迹图

在SVPWM调制过程中因零矢量的参与导致了一定的相角偏差，而且每一次零矢量作用时间越长，产生的相角偏差越大，采用均分零矢量的方法，把零矢量每一次作用的时间缩短，就能减少因零矢量作用导致的相角偏差，从而减少有功环流，增大各逆变器对负荷的均分度。

2 仿真验证

搭建了两台逆变器并联系统，系统中各逆变器均采用PQ下垂控制，给定参数如下：输出电抗=0.1 mH，直流侧电压dc=700 V，n=50 Hz，下垂系数=0.000 1，=0.005，滤波电感=0.25 mH，滤波电容=40 μF，负载=8 kW，载频为5 kHz，均分段数=6。当系统处于稳态时得到如图5所示结果。

图5 改进前后逆变器并联系统电压及功率对比图

图5(a)是传统逆变器并联系统稳态运行时逆变器输出电压频谱，图5(b)是系统有功环流引起负荷分担差值；图5(c)是采用均分零矢量法的逆变器并联系统各逆变器输出电压频谱，图5(d)是系统因有功环流引起负荷分担差值。需要说明的是图5(a)和图5(c)中，频率为50 Hz的工频量其幅值远远高于其余谐波，为了便于比较分析，所以没必要完全描绘出来。可见，传统控制方法得到的输出电压谐波畸变率为0.33%，采用均分零矢量法之后系统整体有所改善，系统输出电压谐波畸变率下降到0.18%。逆变器并联系统因有功环流会导致系统处于稳态时逆变器之间有功功率分担存在差异，不能均分负荷，相位超前的逆变器承担更多的负荷。采用均分零矢量的方法之后系统有功环流引起的负荷分担差值有所减小，由之前的10 W左右波动降到0 W左右波动。可见各逆变器输出电能质量有所提高，环流引起有功功率差降到更低。

3 总结

SVPWM调制过程中零矢量作用会导致矢量追踪过程中实际电压矢量和理想电压是两存在相角偏差，增大有功环流。本人通过把零矢量作用时间均匀插入到非零矢量中，从而缩短每一次零矢量的作用时间，减小相角误差，一定程度上减少逆变器并联系统中有功环流，仿真证明了该方法的有效性。

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《锂离子电池原理与关键技术》

本书是《化学电源技术丛书》的一个分册。书中介绍了锂元素的物理化学性质，锂离子电池的基本概念与组装技术，正极材料的微观组成与电化学性能，负极材料、电解液、电极材料的研究方法以及锂离子电池的应用与展望。本书汇集了国内外研究者的最新科技成果与相关技术，体现了锂离子电池当今发展和研究的趋势，是化学、物理、材料等学科的基础理论研究与应用技术的前沿集成反映。

本书适合于高等学校、科研院所、相关企业从事化学电源研发的科研人员、管理工作者和生产技术人员等，同时可作为相关专业的师生学习参考用书。

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

杨富松(1987—)，男，重庆市人，硕士生，主要研究方向为电力系统继电保护与控制；导师：陈皓(1962—)，男，四川省人，硕士生导师，主要研究方向为电力系统微机保护与控制，Email：haochen06@163.com。