单相变频逆变器直流分量抑制策略研究

袁丽坚

摘要：针对单相变频逆变器输出电压中直流分量问题，相关研究人员提出了一种输出电流反馈控制的直流分量抑制策略，即在常规电感电流内环输出电压外环的基础上，通过对逆变器输出电流进行反馈控制，增加逆变器直流回路阻抗，抑制直流分量产生。文章就此通过仿真及实验验证了所提策略能有效抑制逆变器输出电压中的直流分量，具体内容供大家参考和借鉴。

关键词：单相；变频逆变器；直流分量；抑制策略

前言

传统单相电流源型逆变器在PWM过程中，直流侧储能电感电流在一个开关周期内通常被视为恒定，忽略了储能电感的充放电过程，导致储能电感电流出现断续或持续增加的问题。为此，就需要研究人员采取合适的单相变频逆变器直流分量抑制策略，从而保证单相变频逆变器稳定运行。

1变频逆变器直流分量等效回路

如图1为单相LC型全桥逆变器拓扑结构。对直流分量而言，电容隔直通交，可视为开路，电感隔交通直，可视为短路，因此稳态下直流电流分量等效回路如图2。逆变过程中，由于参考信号直流偏置、采样传感器零点漂移、驱动信号不一致及开关器件特性差异等原因，会在ui中叠加一定量的直流电压分量。由图2可知，该直流电压作用在很小的电感内阻上，会在直流回路中产生较大的直流电流，该直流电流作用在逆变器输出负载上，产生较大直流电压，从而增加输出电压中直流分量。

Um为直流输入电压；V1-V4为MOSFET；L，C为输出滤波器；R为负载；r为电感内阻；W为逆变桥输出电压；iL、i0、iC分别为电感电流、输出电流及电容电流。

由于产生直流分量的因素较多且不确定，而且通常较难从源头上抑制，因此为有效避免逆变器的直流注入，可通过增大逆变器的直流回路阻抗来抑制直流分量的产生。

2直流分量产生的原因分析

2.1非线性直流分量产生的原因

光伏并网算法的完成需要实时采样并网电流、电网电压等正弦量，然而采样所用到的霍尔电流电压互感器、后级的模拟放大电路都存在一定的非线性特性，输出与输入信号之间的关系不是一条具有固定斜率的直线。对于输入的正弦波形，输入信号幅度不同时，放大倍数会不同，这将导致所测量的正弦波形发生畸变，从而产生直流分量。

2.2偏移型直流分量产生的原因

单相变频逆变器控制电路中一般都需要测量电网电压、电流等参数，所用测量元器件往往存在输入失调的问题，导致了所测量的正弦波形整体向上或者向下偏移。结果是：由于测量产生的直流分量将被带入到逆变器的控制算法中，将引起控制器的误差，最终使逆变器的并网电流中含有直流分量。

3直流分量抑制策略

3.1策略分析

图3为常规双闭环控制框图，内环为电感电流环，其作用为增加系统阻尼，抑制LC滤波器谐振尖峰，外环为输出电压环，其作用为实现电压跟踪控制。为增加逆变器直流输出阻抗，在图3基础上并联直流分量抑制环路，其控制框图如图4所示。

该环路的目的是增加系统直流分量增益，使输出电流中直流分量为零。故其控制器ui（s）选择为在直流分量处具有无穷大增益的积分控制器：

式中：Ki2为积分控制器的积分系数。

对加入直流抑制支路前后ui进行分析。则未加直流抑制时ui1为：

加入直流抑制之后的ui2则为：

将上面的两个式子进行对比分析，可以知道：直流分量抑制支路的效果可等效为在ui输出端串联阻值为Hi0Gi（s）GV（S）KPWM的虚拟电阻R1，其对直流分量的等效回路见图5。R1的大小主要受积分控制器影响，其在交流频率处阻值有限，但在直流分量处无穷大。因此，加入直流抑制支路实际上是在逆变器输出电压端串联了一个无穷大直流电阻，从而抑制了直流分量产生。

3.2仿真研究

为了验证理论分析和控制方案的正确性，在Matlab/Simulink环境下进行时域仿真研究。系统参数设置：电网电压380V/50Hz，直流母线电压700V，系统开关频率16kHz，滤波电感6mH，并网电流幅值10A，虚拟电容值500μF，在a相参考电流中加入1A直流，仿真结果如图6所示。

通过图中的对比情况，我们可以知道常规双闭环控制不能有效抑制支路分量，输出电压有效值220V中仍含有5.2%-6.84%的直流分量。而所提直流分量抑制策略能有效将输出电压中直流分量抑制到0.2%以下，且未使输出电压性能变差，验证了所提直流分量抑制策略的有效性。同时在逆变器频率要求大范围变化的情况下，该策略仍适用，有很好的适应性。

结束语

文章中提出一种简单有效的偏移型直流抑制算法，其具有简单、快速、有效、实用等特点。根据实际工程应用提出的电流环补偿方法只需要占用少量的芯片资源而无需增加额外的硬件设施，可以广泛的用于数字化的控制算法中。同时对非线性的直流注入做了具体分析，并定量地给出了元器件的非线性对直流注入的影响，为测量元器件的选择提供了非线性指标的参考。仿真结果表明，基于无差拍控制基础上的电流补偿环节可以有效地抑制直流电流的注入。

参考文献：

[1]侯西正.基于有源阻尼的单相变频逆变器控制策略研究[D].哈尔滨工业大学，2014.

[2]苗軼如，刘和平，王华斌，王蒙蒙.单相电流源型逆变器储能电感电流优化调制及控制策略[J].电工技术学报，2018，33（06）：1227-1237.