單相變頻逆變器直流分量抑制策略研究

袁麗堅

摘要：針對單相變頻逆變器輸出電壓中直流分量問題，相關研究人員提出了一種輸出電流反饋控制的直流分量抑制策略，即在常規電感電流內環輸出電壓外環的基礎上，通過對逆變器輸出電流進行反饋控制，增加逆變器直流回路阻抗，抑制直流分量產生。文章就此通過仿真及實驗驗證了所提策略能有效抑制逆變器輸出電壓中的直流分量，具體內容供大家參考和借鑒。

關鍵詞：單相；變頻逆變器；直流分量；抑制策略

前言

傳統單相電流源型逆變器在PWM過程中，直流側儲能電感電流在一個開關周期內通常被視為恒定，忽略了儲能電感的充放電過程，導致儲能電感電流出現斷續或持續增加的問題。為此，就需要研究人員采取合適的單相變頻逆變器直流分量抑制策略，從而保證單相變頻逆變器穩定運行。

1變頻逆變器直流分量等效回路

如圖1為單相LC型全橋逆變器拓撲結構。對直流分量而言，電容隔直通交，可視為開路，電感隔交通直，可視為短路，因此穩態下直流電流分量等效回路如圖2。逆變過程中，由于參考信號直流偏置、采樣傳感器零點漂移、驅動信號不一致及開關器件特性差異等原因，會在ui中疊加一定量的直流電壓分量。由圖2可知，該直流電壓作用在很小的電感內阻上，會在直流回路中產生較大的直流電流，該直流電流作用在逆變器輸出負載上，產生較大直流電壓，從而增加輸出電壓中直流分量。

Um為直流輸入電壓；V1-V4為MOSFET；L，C為輸出濾波器；R為負載；r為電感內阻；W為逆變橋輸出電壓；iL、i0、iC分別為電感電流、輸出電流及電容電流。

由于產生直流分量的因素較多且不確定，而且通常較難從源頭上抑制，因此為有效避免逆變器的直流注入，可通過增大逆變器的直流回路阻抗來抑制直流分量的產生。

2直流分量產生的原因分析

2.1非線性直流分量產生的原因

光伏并網算法的完成需要實時采樣并網電流、電網電壓等正弦量，然而采樣所用到的霍爾電流電壓互感器、后級的模擬放大電路都存在一定的非線性特性，輸出與輸入信號之間的關系不是一條具有固定斜率的直線。對于輸入的正弦波形，輸入信號幅度不同時，放大倍數會不同，這將導致所測量的正弦波形發生畸變，從而產生直流分量。

2.2偏移型直流分量產生的原因

單相變頻逆變器控制電路中一般都需要測量電網電壓、電流等參數，所用測量元器件往往存在輸入失調的問題，導致了所測量的正弦波形整體向上或者向下偏移。結果是：由于測量產生的直流分量將被帶入到逆變器的控制算法中，將引起控制器的誤差，最終使逆變器的并網電流中含有直流分量。

3直流分量抑制策略

3.1策略分析

圖3為常規雙閉環控制框圖，內環為電感電流環，其作用為增加系統阻尼，抑制LC濾波器諧振尖峰，外環為輸出電壓環，其作用為實現電壓跟蹤控制。為增加逆變器直流輸出阻抗，在圖3基礎上并聯直流分量抑制環路，其控制框圖如圖4所示。

該環路的目的是增加系統直流分量增益，使輸出電流中直流分量為零。故其控制器ui（s）選擇為在直流分量處具有無窮大增益的積分控制器：

式中：Ki2為積分控制器的積分系數。

對加入直流抑制支路前后ui進行分析。則未加直流抑制時ui1為：

加入直流抑制之后的ui2則為：

將上面的兩個式子進行對比分析，可以知道：直流分量抑制支路的效果可等效為在ui輸出端串聯阻值為Hi0Gi（s）GV（S）KPWM的虛擬電阻R1，其對直流分量的等效回路見圖5。R1的大小主要受積分控制器影響，其在交流頻率處阻值有限，但在直流分量處無窮大。因此，加入直流抑制支路實際上是在逆變器輸出電壓端串聯了一個無窮大直流電阻，從而抑制了直流分量產生。

3.2仿真研究

為了驗證理論分析和控制方案的正確性，在Matlab/Simulink環境下進行時域仿真研究。系統參數設置：電網電壓380V/50Hz，直流母線電壓700V，系統開關頻率16kHz，濾波電感6mH，并網電流幅值10A，虛擬電容值500μF，在a相參考電流中加入1A直流，仿真結果如圖6所示。

通過圖中的對比情況，我們可以知道常規雙閉環控制不能有效抑制支路分量，輸出電壓有效值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將輸出電壓中直流分量抑制到0.2%以下，且未使輸出電壓性能變差，驗證了所提直流分量抑制策略的有效性。同時在逆變器頻率要求大范圍變化的情況下，該策略仍適用，有很好的適應性。

結束語

文章中提出一種簡單有效的偏移型直流抑制算法，其具有簡單、快速、有效、實用等特點。根據實際工程應用提出的電流環補償方法只需要占用少量的芯片資源而無需增加額外的硬件設施，可以廣泛的用于數字化的控制算法中。同時對非線性的直流注入做了具體分析，并定量地給出了元器件的非線性對直流注入的影響，為測量元器件的選擇提供了非線性指標的參考。仿真結果表明，基于無差拍控制基礎上的電流補償環節可以有效地抑制直流電流的注入。

參考文獻：

[1]侯西正.基于有源阻尼的單相變頻逆變器控制策略研究[D].哈爾濱工業大學，2014.

[2]苗軼如，劉和平，王華斌，王蒙蒙.單相電流源型逆變器儲能電感電流優化調制及控制策略[J].電工技術學報，2018，33（06）：1227-1237.