空间矢量脉宽调制技术的三相储能逆变器的研制

岑国英，张 志，吴育宁，钟咏锴，范乾烜，张森磊

（东莞理工学院，广东 东莞 523808）

1 三相储能逆变器的拓扑结构及其工作原理

近年来，分布式发电逐渐占领集中式发电的部分市场份额。与传统集中式发电相比，分布式发电的优点为发电效率高、利用的能源种类多、经济性高、环保性好。而限制分布式发电快速占领市场的最大难题在于其间歇性发电特性，储能逆变器是确保持续供电的首选解决方案。

综合考虑各种影响因素，本设计的主电路拓扑选用三相两电平逆变电路拓扑。由图1可知，三相两电平逆变电路有3个桥臂，每个桥臂由2个开关管组成，同一桥臂的2个开关管不能同时导通，否则会导致直流电源短路。理想情况下，同一桥臂的2个开关管的开关状态是互补的，即当1个开关管导通时，另1个开关管也同时关断。当同一桥臂开关管为互补前提条件时，6个开关管可以组成8种排列组合，即三相桥式电路的开关状态共有8种，公式为

式中：Sx为单极二值逻辑函数。开关管的8种工作模式如表1所示。

表1 三相储能逆变器开关管工作状态

通过不同开关状态的排列组合，即可使三相储能逆变器输出三相对称正弦波形。如图1所示，以直流侧电源电压的1/2为参考电平，逆变电路导通顺序为 VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6。由电路可以推出线电压均为矩形波，相位差120°，幅值为Ud。相电压均为6阶梯形波，幅值为。

图1 三相两电平逆变电路拓扑

输出线电压的傅里叶表达式为

输出相电压的傅里叶表达式为

输出线电压有效值为

输出相电压有效值为

2 系统硬件结构的整体设计

系统硬件结构的整体设计如图2所示，主拓扑使用三相储能拓扑结构，主体逆变桥由6个功率开关管构成，交流侧三相电感选用5 mH电感，直流侧并联稳压电容。负载使用水泥电阻，该电阻在工作的同时迅速散热，对于高温具有较高的抗性。辅助电源输入电压为直流24 V，可产生控制系统所需的各种电压，为主控电路、显示电路、驱动电路和采样电路供电。主控电路的芯片为TMS320F28035，该芯片通过采样电路采集所需的电压电流数据，然后对所采集的数据进行处理和运算。算出各个桥臂的开关管导通时间后，输出相应的驱动信号，该驱动信号通过驱动电路放大后控制开关管，从而完成硬件电路的控制。

图2 系统硬件结构框图

2.1 DSP主控电路的设计

主控电路包含LM1117-3.3 V电压转换电路，可将辅助电源的5 V转换为3.3 V，进而为芯片供电。10 MHz晶振构成的振荡电路与芯片内部的锁相环电路进行倍频和分频后为芯片工作提供60 MHz的主时钟。芯片内部产生的脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）信号带负载能力较差。为了增强驱动信号的强度，在主控电路和驱动电路之间增加了非门芯片ULN2003。该芯片还可以起到隔离作用，为主控芯片额外提供一层保护。

2.2 辅助电源的设计

在三相储能逆变器系统中，不同的电路模块需要不同的电源电压。例如，采样电路需要正负12 V电源电压，驱动电路需要具有一定幅度的高频方波信号。若是分别用独立电源为每个电路供电，会使设计变得复杂，实用性大大降低。为了解决这个问题，本设计将各个电源电压转换电路集中到一起，统一为系统各个模块供电。辅助电源板输入24 V直流电压，输出正负12 V和正5 V电压以及高频方波信号。

该辅助电源采用的是带变压器隔离的反激电路拓扑，分为原边电路、副边电路、主控电路和反馈电路。原边和副边电路如图3所示，当开关管导通时，一次侧电路电动势上正下负，二次侧电路电动势上负下正，二极管关断，输出电压由电容C提供，变压器储能；当开关管关断时，一次侧电路电动势上负下正，二次侧电路电动势上正下负，二极管导通，反激电路同时为负载和电容C供电。

图3 反激拓扑

在反馈电路中，采集变压器副边的输出电压作为反馈输入，将其与给定的12 V作比较，当副边的输出电压变化时，TL2845输出的PWM波也会改变，从而稳定输出电压。

3 三相储能逆变器的双闭环控制策略

本文采用的调制方式为空间矢量脉冲宽度调制（Space Vector Pules Width Modlation，SVPWM），SVPWM 调制方式运用了平均值等效的原理，也就是在1个开关周期内将各个基本电压矢量结合起来，用这个平均值来等效给定参考电压矢量。在某一时刻，理论电压矢量会旋转到一个可知的位置，这时可以利用其所在区域的2个相邻非零矢量和1个零矢量在时间上的不同组合得到。每个电压矢量的作用时间可以在同一时刻作用，也可以在1个开关周期内分多次作用。这样通过对相关矢量的选择和对它们作用时间的控制，就可以精确地跟踪到参考电压矢量，在空间形成准圆形旋转磁场，从而获得标准的正弦输出波形。该控制方法开关损耗较小，动态响应快，且电压利用率可高达100%。

本研究的电压电流双闭环控制策略如图4所示。控制系统先是采集AB相和BC相的线电压，然后计算求得空间电压矢量在三相静止坐标系下投影到实轴和虚轴的数值，进而转化为两相旋转坐标系下的电压矢量。电压外环将给定的电压矢量与输出电压的电压矢量进行比较，并通过PI控制器将输出电压矢量调整至给定的电压矢量。电压环的PI控制器输出值又再次作为电流环的给定值，与电感电流矢量作比较，通过电流环的PI控制器后输出电压矢量，作为SVPWM模块的输入空间电压矢量，计算得到各个开关管的占空比并产生相应的PWM波，通过驱动电路驱动三相储能电路的开关管，从而得到正弦输出电压。

图4 系统双闭环控制策略

4 三相电压型逆变器的MATLAB仿真与实验波形分析

本研究的三相储能系统的仿真模型如图5所示，具体元器件参数为：直流侧电压源电压为24 V，交流侧输出线电压有效值为18 V，3个电感均为5 mH，三角形连接的3个电容均为100 μF，星型连接的负载电阻均为10 Ω。

图5 系统仿真模型

图6 交流侧输出线电压波形

改变负载可以改变输出电流的大小，图7为当带1 A负载时，输出电流有效值的波形图。故可推出仿真的三相储能逆变器可以带0～1 A负载。

图7 逆变器带1A负载时电流有效值波形

仿真实验结果为三相储能逆变器成功将24 V直流电压逆变成线电压有效值为18 V的正弦波电压，可以带0～1 A负载。通过仿真和实验输出波形的分析，验证了本方案的正确性和可行性。

5 结 论

本文以TMS320F28035作为系统的主控制芯片，展开了一个采用空间矢量脉宽调制技术的三相储能逆变器的研制，以下为本文主要研究内容：（1）分析三相储能逆变器的拓扑结构及其工作原理；（2）介绍系统硬件结构的整体设计；（3）分析基于电压电流双闭环控制的控制策略；（4）通过MATLAB仿真验证本方案的正确性与可行性。