第２８卷第１期 ２０１７年２月 中原工学院学报 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＺＨＯＮＧＹＵＡＮ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ０Ｆ ＴＥＣＨＮ０Ｌ０ＧＹ Ｖｏ１．２８ Ｎｏ．１ Ｆｅｂ．，２０１７ 文章编号：１６７１—６９０６（２０１７）Ｏｌ一００１９—０４ 基于ＳＶＰＷＭ控制策略的并网逆变器研究 张谦 ，朱海云 ，王双红 （１．中原工学院，郑州４５０００７；２．郑州职业技术学院，郑州４５０１２１） 摘 要： 为解决逆变器并网谐波畸变率较大的问题，根据三相逆变器工作原理，构建了三相静止坐标系下的数学模型。利用 三相逆变器的空间电压矢量调制技术，给出了交流侧电感参数选取原则，进而分析变压器二次侧不同连接方式以及直流偏磁对 并网谐波畸变率的影响，并提出了改善方法。在Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ环境下对三相逆变器的空间矢量调制策略进行仿真验证，搭 建基于ＤＳＰ控制的三相逆变器实验样机，并进行了并网实验。实验和仿真结果表明，该补偿方法与控制策略是可行的。 关键词： 逆变器；交流侧电感；直流偏磁 文献标志码：Ａ ＤＯＩ：ｌＯ．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１—６９０６．２０１７．０１．００４ 中圈分类号：ＴＭ３０６；ＴＰ１８１ 分布式发电系统（如风电、光电等）新能源及直流 电池储能技术可缓解电网“峰电”紧张、应对电网中断 或大面积停电等突发事故＿】 ］。并网逆变器是分布式 发电系统的重要组成部分，其电路结构、并网类型及控 电源、三相逆变桥、ＬＣ滤波电路、并网变压器及交流 接触器构成。图１中： 表示直流电压；ｉ 、ｉ 、ｉ 表示 逆变器交流侧电流； 、ｅ 、ｅ 表示电网电动势；Ｌ、Ｃ分 别表示交流侧滤波电感、电容；Ｒ表示交流侧负载。在 该电路中，６个功率开关管组成了３对开关状态对称 的桥臂。 制方法直接影响分布式发电系统的供电质量。陈灼对 逆变器采用正弦脉宽调制（ＳＰｗＭ）控制策略，虽然取 得了较好的控制效果，但ＳＰＷＭ会导致直流侧电压利 用率降低＿３］。等研究的逆变器并网效果良好，但 是在并网变压器二次侧采用星形连接方式，忽略了因 此造成的三次谐波对网侧电流波形的影响 ］。 本研究根据常用三相逆变器的电路结构建立数学 模型，采用电压空间矢量（ＳＶＰＷＭ）调制控制策略，提 高直流电压的利用率；在控制系统中引入交流电流反 馈环节，结合ＳＶＰＷＭ控制方法，进行逆变器交流侧 滤波电感参数选取；在变压器二次侧采用三角形连接 并网，消除系统三次谐波，并且在控制系统中引入直流 偏磁量反馈，使网侧电流谐波含量大幅度降低，跟踪电 网电压效果良好；基于Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真和搭建 的样机，对所述控制策略和参数选取进行验证。 图１ 三相并网逆变器拓扑结构 １ 三相逆变器通用数学模型 并网逆变器的主电路拓扑结构（见图１），由直流 ６个开关管的状态采用开关函数Ｓ （ —ｎ，ｂ，ｃ）来 描述：当Ｓ，一１（ 一ｎ，ｂ，ｃ）时，上桥臂导通，下桥臂关 断；当Ｓ 一ｏ（ｊ—ｎ，ｂ，ｃ）时，下桥臂导通，上桥臂关断。 由此可得该逆变器在ａｂｃ坐标系下的数学模型 ： Ｌ ｄｉａ怕 ＿（５一 。（１） 收稿日期：２０１６—０９～２１ 作者简介：张谦（１９５７一），男，河南平顶山人，教授，硕士，主要研究方向为智能控制理论的工程应用、智能信息处理、计算机控制 技术。 ・ ２Ｏ・ Ｌ ｄｉｂ中原工学院学报 ２（）ｌ７年 第２８卷 Ｉ１Ⅷ＂￣￣ 一（ｓ 一 （２） 网逆变器控制框图如图２所示。 经过ＰＩ调节器变 为电流有功分量的给定值 。采集 、 、 和ｉ…ｉ Ｌ ｄｉ， （ｓ 一 （３） ｉ 经过三相静止到两相旋转的坐标变换，转换成有功 分量ｉ 和无功分量ｉ。。 、ｉ 分别与 、 做比较后 送人ＰＩ调节器，经ＰＩ调节器输出，进入解耦环节，在 根据控制策略的需要，式（１）一式（３）经过坐标变 换，变换到两相旋转的ｄｑ坐标系中，则有如下模型： 解耦环节的输出端再做比较，得到电压直流分量 。 、 Ｌ等一 一Ｒｉ 一ｓ ｄ‘＋ Ｌ Ｌ ｄｉ，ｔ— 一（４） （５） 和 再经过坐标变换，得到两相静止坐标系 下的 和 。分量，在 上减去系统直流偏磁分量‘Ｕ Ｒｉ 一ｓｑ＇Ｕ ｄｃ－－（ＤＬ 后，同 一起送入ＳＶＰＷＭ控制策略的扇区判断等 环节，产生脉宽调制（ＰＷＭ）波，控制功率开关管的开 关状态及开关时间，进而达到系统控制的目的。 ２ 控制策略分析 根据式（４）和式（５），采用ＳＶＰｗＭ控制策略的并 ０ 图２ 并网逆变器控制策略框图 系统中引起直流偏磁的主要原因有：并网变压器 Ｕ６０、Ｕ ）、Ｕ ）、【， ，、【，∞（ 、０…。其中，０ …０…为零欠 量。利用６个非零的基本电压空间矢量的线性时问组 磁路饱和；交流侧三相电路不对称以及滤波电感饱和； 霍尔采集电路误差；功率开关上桥、下桥臂不对称；软 件中设置了ＰＷＭ死区时间；硬件电路器件存在的温 漂现象等。其中：变压器磁路饱和引起的直流偏磁可 合可得到更多的开关状态，以获得实际工作中数据处 理所需要的圆形旋转磁场。在每个 周期，改变相 邻的基本矢量作用时间，可保证所合成的新的电压空 问矢量幅值都相等。只要保证Ｔ 足够小，电压空问 矢量的轨迹即为近似圆形的多边形。 以利用变压器二次侧的三角形连接消除；交流侧三相 电路不对称及滤波电感饱和等原因引起的直流偏磁， 可在数据处理之前减去各相中实测的直流偏磁量来消 除，从而达到优化系统控制的目的。 ＳＶＰＷＭ控制策略的原理是，利用图１中６个功 ３ 交流侧滤波电路电感参数选取 滤波电路中电感值直接影响系统网侧电流的喈波 率开关管的开关状态和各种不同状态的组合，实现对 系统的空间电压矢量控制，加上对开关管开关频率的 调整，保证电压空间矢量运行为近似圆形的轨迹，以实 现小的交流侧电流输出谐波含量和高的直流电压利用 率。６个功率开关管组合成８种状态，形成基本电压空 间矢量。根据其相位角的特点，分别命名为（）¨ …【，。、 含量。因此，在三相并网逆变器的交流侧滤波电感选 取中，需要考虑两方面的问题：一方面，满足稳态时交 流侧的矢量关系，可保证系统有较高的功率【大Ｊ数；另一 方面，满足暂态电流的跟踪指标，即要求电感的选取值 既能保汪电流快速跟踪，又能抑制谐波电流对电路性 １ 张、兼，等：基于ＳＶＩ ｗＭ控制策略的ｊｆ网逆变器研充 能的影响。 ，Ｊ‘ 掘文献［６］一Ｆ８］对电感参数的汁算来 确定滤波电感的池 ，当满足稳态电路指标时。逆变器 交流ｆ【Ｊ！Ｉｊ电感取ｆｉ， 为： ｓｉｎ。。 ＋ Ｊ… 波动 。根据式（６）平¨式（７）确定的电感范旧．本研充 最终选取的交流侧滤波｝Ｕ感值为６ ｍＨ Ｅ ．．ｓｉｌ ＋ ￡ （６） ４ 仿真实验 为验 毖丁ＳＶＰＷＭ的并网逆变 的控制性能． 式巾： 为ｆｆｉ厂ｆｊ； 为角频率；Ｆ 为电网的卡Ｈ电 峰 值；Ｉ 为： 变流 交流侧电流峰ｆｆｆ；Ｖ 为变流器交流侧 根据 １和 ２，在Ｍａｔｌ￣ｔ１）／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿ｒｆ 台Ｌ建寺 ＿ｒ控制系统仿真模型．进仃系统仿真。 ３所示的仿真实验模型电路ｍ 卡ｆＩ交流电源、 峰值。 １满址暂态电流的跟踪指标时．电感的Ｆ ㈩ ＬＣ交流滤波电路、二十ｆｆ功率开关管模块和Ｉ ：流电源 构成。 ｒ｝Ｉ．７、 足・个ＰＷＭ删期；，ｈｉ 足最大的允｝，ｌ：电流 图３仿真实验模型电路 仿真参数没 １ ：二卡¨交流输入卡Ｈ电 彳『效值 ９９０ Ｖ；频 为５０ Ｈｚ；滤波电感』 一６ ｍＨ；电容 （、＝ｉ ７ ｕＦ；仿 【ｉ！＝ｆＪｌ『问为０．５ ｓ。 Ｉ＊－Ｉ １所，Ｊ 为 侧电流跟踪电Ｊ１ 的效果。 流ｆｉ 。 。幅 ｆｆｆ大的信弓‘ 电 电 信号．幅仉小的信号是网侧电 ５所，Ｊ：为网侧电流信 的潴波分析。由 １和 ５町以看¨｛．系统具有较好的电流跟踪电网电 效 ，并网电流 波畸变率为１．０２，ｆＯ／。＇ 图６昕爪为实验样机的 侧电流跟踪电网电压波 图ｌ 网侧电流跟踪电压效果 ∞芑∞Ｅｍ ｃ３ ｊｏ邑 ＿ 。其中：幅值较 足的为电刚电压信号。电压为１懈 。 ０ Ｖ 格 嚆值较小的是『舣］ 】电流信号，电流为１ Ａ／格。 ＝工 —— ———＇ —— 。— 。 ——１—’— 。— 。— 竺—］ｊ’。——‘‘—＿－— ＿１ ｌ 图ｆ 实验样机的网侧电流跟踪电网电压波形 验样机的网侧电流谐波分析。 该 荨的二二次侧采用 角肜连接方式，变 勺３００ ＶＡ，交流侧滤波电感为６ ｍＨ。 图 实验样机的网侧电流谐波分析 叮以看ｆｆＪ，逆变器并网后交流侧电 ．电流谐波畸变率为４．７７ ，符合 在并网变压器一 次侧磁路连接方式 器的铁心磁路达到饱和时．激磁电流 中除ｊ’含有基波分量．还含有一定的三次凿波。二次 绕组为星形连接时，三次谐波分量不能流通，造成网侧 电流！次潴波含量较大。当变压器的二次侧为三角形 连接厅式时．ｊ相的二次谐波电动势会在闭合的三角 形ＩｕＪ路内产生』次谐波环流．【Ｊ丁很好地抑制并网后ｐ６０ 侧电流的二次谐波含最。 结 本文从交流侧滤波电感的选取、变压器二次绕 的磁路连接方式及系统直流偏磁等方面．研究了基＝ ＳＶＰＷＭ控制策略的并网逆变器。得出＿ｒ如下结论 ①住？蔺ｌ足暂稳态电路指标要求的情况下．Ｉ乜感值越大 交流侧滤波效果越好；②变压器二次绕组采用三角 连接疗式，能大大降低三次谐波电流对整个系统的 响，抑制谐波含量；③引入系统直流偏磁分量的调节 能够净化并网后电流的直流分量。本文通过仿真验Ｉ Ｊ 理论分析的叮行性，实验样机的实验结果进一步ｉ 明ｒ理论分析的正确性。 参考文献： １］ 张步涵．曾杰，毛承雄． 场电能质量和稳定性牛 Ｅ（１ ５）：５１—５８． 永 ２ Ｖｅｍｅ Ｓ Ａ．Ｖａｌｌａ Ｍ Ｉ．Ａ ａｇｅ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ ｗｉｔｈ Ｐｒｅｄ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ３ Ｉ 陈灼．三相ＳＰＷＭ 蛮 （责任编辑：王长通 （下转第４（）酉 ＂４０・ ・中原工学院学报 ２Ｏ１７年 第２８卷 Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｐｕｌｓｅ Ｌａｓｅｒ Ｃｕｒｒｅｎｔ ａｎｄ Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ ｏｎ Ｗｅｌｄｉｎｇ ｏｆ Ｃｏｐｐｅｒ Ｓｈｅｅｔ ，ＷＡＮＧ Ｐａｎ—ｄｏｎｇ ＺＨＡＮＧ Ｗｅｎ—ｙｏｎｇ ．ＭＥＩ Ｊｕｎ—ｇｅ ＣＨＥＮ Ｙａ—ｗｅｉ，Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ ４５０００７； （１．Ｚｈｏｎｇｙｕａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ ２．Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ Ｋｅｈｕｉ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃ Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ ４５０００１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｐｕｌｓｅｄ ｌａｓｅｒ ｗｅｌｄｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｎｄ ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ ｏｎ ｔｈｅ ｗｅｌｄ ｆｏｒｍｉｎｇ ｏｆ ０．５ ｍｍ ｃｏｐ— Ｐｅｒ ｓｈｅｅｔ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ＸＲ－－ＡＷ３ＯＯ ｐｕｌｓｅｄ ｌａｓｅｒ ｄｅｖｉｃｅ．Ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｄｅｆｏｃｕｓ－－２ ｍｍ，ｗｅｌｄｉｎｇ ｓｐｅｅｄ ８０ ｍｍ｜ｍｉｎ，ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ６ Ｈｚ ａｎｄ ａｒｇｏｎ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｔｈｅ ｌａｓｅｒ ｗｅｌｄｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｎｄ ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ ｐａ— ｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｈｉｇｈ ｑｕａｌｉｔｙ ｗｅｌｄｓ ａｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ２００～２１５ Ａ，４．０～４．５ ｍｓ ｂｙ ｏｂｓｅｒｖｉｎｇ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏ— ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｗｅｌｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｕｌｓｅｄ ｌａｓｅｒ ｗｅｌｄｉｎｇ；ｃｏｐｐｅｒ；ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｃｕｒｒｅｎｔ ａｎｄ ｌａｓｅｒ ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ （上接第２２页） Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ｇｒｉｄ Ｉｎｖｅｒｔｅｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＳＶＰＷＭ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｔｒａｔｅｇｙ ＺＨＡＮＧ Ｑｉａｎ ，ＺＨＵ Ｈａｉ—ｙｕｎ ，ＷＡＮＧ Ｓｈｕａｎｇ—ｈｏｎｇ （１．Ｚｈｏｎｇｙｕａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ ４５０００７； ２．Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ ４５０１２１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｔｏｔａｌ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ｏｆ ｇｒｉｄ ｉｎｖｅｒｔｅｒ，ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｓ ｉｔｓ ｍａｔｈ— ｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｉｎ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ ｓｔａｔｉｃ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｓｔｕｄｙｓ ｔｈｅ ＳＶＰＷＭ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ．Ａｌｓｏ ｉｔ ｇｉｖｅｓ ｔｈｅ ｉｎｄｕｃｔ— ａｎｃｅ Ｄａｒａｍｅｔｅｒ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｕｎｄｅｒ ｔｈｉｓ ｋｉｎｄ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｓｉｄｅ ａｎｄ ＤＣ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｂｉａｓｉｎｇ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｔｏｔａｌ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ，ａｎｄ ｔｈｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ． Ａ ｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｕｓｅｄ ＳＶＰＷＭ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｎ１ｕｌｉｎｋ ｅｎ ｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｉｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ，ａ ｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＤＳＰ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｓ ｂｕｉｌｔ，ａｎｄ ｔｈｅ ｇｒｉｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｉｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏ１ ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｉｎｖｅｒｔｅｒ；ＡＣ ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ；ＤＣ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｂｉａｓｉｎｇ
