基于虛擬阻抗的逆變器死區補償及諧波電流抑制分析

陳 杰 章新穎 閆震宇 韋 徵 陳 新

基于虛擬阻抗的逆變器死區補償及諧波電流抑制分析

陳 杰1章新穎1閆震宇1韋 徵2陳 新1

（1. 南京航空航天大學江蘇省新能源發電與電能變換重點實驗室 南京 211106 2. 國電南瑞科技股份有限公司 南京 211106）

并網逆變器作為可再生能源發電系統與大電網之間的關鍵接口，在控制模式及電能質量方面有著較高的要求。間接電流控制逆變器既有較快的電流響應，也可實現并/離網模式的平滑轉換。該文以并網逆變器為研究對象，對開關體器件死區效應產生的諧波電流以及電網電壓背景諧波造成的并網電流畸變問題進行分析。進而提出虛擬并聯陷波阻抗、串聯諧振阻抗的改進控制策略，有效抑制了因上述兩個問題引起的諧波電流，顯著改善了并網電流質量。仿真及實驗驗證了所提方法的有效性。

間接電流控制逆變器 死區補償 電壓背景諧波 虛擬阻抗

0 引言

近年來，為應對能源危機與環境問題，基于可再生能源的分布式發電技術得到了廣泛的研究與規模化應用。電力電子并網逆變裝置作為可再生能源與電網的關鍵接口，直接影響乃至決定并網系統的性能（如電能質量、動態特性以及穩定性能等），成為當前國內外的研究熱點之一[1-2]。

微電網作為今后分布式發電的有效接入方式，其逆變器控制策略主要有主從控制[3-4]和對等控制[5-6]兩種。主從控制在孤島時采用/控制，可以提供電壓和頻率支撐，表現為電壓控制型逆變器（Voltage Controlled Inverter, VCI）；并網時切換為/控制模式，通過直接調節并網電流，實現快速的功率調節，表現為電流控制型逆變器（Current Controlled Inverter, CCI）。主從控制可對并網電流的變化快速做出響應，但并/離網轉換時，需要在兩種控制模式之間強制切換，極易引起電流沖擊，甚至可能引發內部環路振蕩。而對等控制則可以避免控制模式切換，直接利用下垂控制模擬同步發電機的慣性阻尼外特性，實現電網的一次調頻調壓。但是，該控制策略為有差調節，且調節能力受儲能模塊限制。因此，為了保證逆變器并網/孤島模式的平滑切換，且同時具備并網功率的快速調節能力。文獻[7-10]提出了一種間接電流控制逆變器（Indirect Current Controlled Inverter, ICCI），采用電流外環與電壓內環控制并額外引入一條輸出電壓前饋支路疊加至內電壓環指令，使其并網時表現為CCI特性，離網時無需大幅改變控制，可斷開電流外環利用自身電壓環保證本地負載的電壓支撐，實現平滑切換。

對并網逆變器而言，除了對并網/孤島雙模式運行的要求外，電能質量更是衡量其工作性能的重要指標之一。根據分布式發電系統運行準則，逆變器并網電流的總諧波畸變率（Total Harmonic Distortion, THD）應不超過5%。而對于電力電子裝置，由于受到開關管電導調制效應和關斷電流拖尾等自身特性影響[11]，為避免運行時出現橋臂直通短路，在驅動信號中一般設置死區，進行保護。受死區時間影響，橋臂輸出電壓將含有大量的低頻奇數次諧波[12]，進而造成并網電流畸變，直接影響到并網質量。

此外，微電網系統通常不能認為是無窮大電網，且可再生能源發電系統常出現在離負荷中心較遠的區域，需要經過較長距離線路進行電能輸送，線路阻抗往往較大。而實際電網中的不平衡、非線性負載會產生對應的諧波電流，進而通過線路阻抗產生諧波壓降，使得公共耦合點（Point of Common Coupling, PCC）存在電壓背景諧波[13-14]。此時，若逆變器側的等效輸出串聯阻抗再表現出低阻抗，則電網中的背景諧波可能會激勵出較大的諧波電流，影響逆變器正常運行。

根據上述分析可知，死區效應和電網電壓背景諧波都可能對并網電流造成不利影響，增大總諧波含量，甚至影響系統正常運行。因此，本文將主要針對這兩個問題展開研究。首先，簡要介紹了逆變器的間接電流控制策略；在此基礎上，對逆變器的死區效應及背景電壓諧波的影響機理進行深入分析，并給出并聯、串聯虛擬阻抗的解決方案，同時給出具體的補償器設計；最后，利用仿真及實驗對理論部分進行驗證。

1 間接電流控制

ICCI控制如圖1所示。圖1a給出了ICCI的主電路結構。圖中，dc為三相全橋逆變器直流側電壓；逆變器橋臂輸出端采用LCL型濾波器結構，f為逆變器側濾波電感，f為濾波電容，w為網側電感；為了避免振蕩，在電容支路加入了阻尼電阻c，g為電網阻抗，load為負載。oabc、gabc分別為輸出電壓及電網電壓；abc及gabc分別為三相電容電流和并網電流。

圖1 ICCI控制

不難看出，ICCI在孤島/并網兩種模式之間切換時，僅僅是電壓環的給定值發生了變化，而整個電壓電流內環的結構卻保持不變，即電壓環始終參與工作，從而保證了逆變器輸出可以平滑過渡。

2 死區效應分析及抑制方法

2.1 死區效應

由于逆變器橋臂開關管存在電導調制效應和關斷時電流拖尾，為避免運行時出現橋臂直通短路，通常會在橋臂上下開關管的互補驅動信號中加入死區時間。以A相為例，圖2給出了A相橋臂電流路徑。

圖2 A相橋臂電流路徑

由上下橋臂開關管開通狀態及A相電流流向，可將逆變器分為四個工作狀態。當A＞0、A＜0時，驅動信號與橋臂中點電壓關系如圖3所示。

圖3 驅動信號與橋臂中點電壓關系

圖3a中，s為逆變器開關周期，d為死區時間，A為橋臂中點電壓，dt為中點偏離電壓。當橋臂輸出電流A＞0，在0～1階段，開關管Q1導通，橋臂輸出電流經過Q1，橋臂中點電壓A=dc。1時刻，Q1關斷，橋臂輸出電流通過反并聯二極管VD2，A=0。A＞0，由于橋臂輸出電流不經過Q2，Q2的死區時間對橋臂中點電壓沒有影響。在3時刻，Q2關斷，但Q1由于死區時間直至4時刻導通，期間橋臂輸出電流經二極管VD2流出，因此3～4期間A=0，中點電壓發生偏離，dt=dc，一個開關周期內偏離一次，脈寬為d。

當橋臂輸出電流A＜0時，如圖3b所示，與上述情況類似，Q1死區時間對橋臂中點電壓沒有影響，在3時刻，Q1關斷，但Q2由于死區時間直至4時刻導通，期間橋臂輸出電流經二極管VD1流出，因此3～4期間A=0，中點電壓發生偏離，dt=-dc。

故而，可以得到每個工頻周期內中點偏離電壓如圖4所示，對偏離電壓做傅里葉分析[15]，得到諧波幅值dt的表達式為

式中，n為諧波次數。可以發現，Vdt的諧波均為奇數次諧波，其幅值隨著諧波次數的升高而減小。由于并網逆變器輸出采用星形聯結且三相平衡，因此偏離電壓中3次諧波抵消，只包含5次及以上奇數頻次諧波，以5、7次諧波含量居多。

而對于ICCI，LCL濾波器在低頻處的整體阻抗幅值不高，且電容f支路較電感f和w支路而言呈現更大的阻抗，因此，低頻次諧波電壓將在電路中產生諧波電流，且大部分注入電網，造成并網電流的畸變。可見有必要改進現有的控制策略，以抑制THD。

2.2 死區效應電流諧波抑制

ICCI仍屬于電流控制型逆變器。因此，根據諾頓等效電路原理，可將其等效為圖5中電流源s與輸出阻抗o并聯的形式。

圖5 并網ICCI系統等效電路

為防止逆變器橋臂產生的5、7次諧波電壓經濾波器而產生并網諧波電流，其中一種方法是在逆變器的輸出阻抗o兩端，通過控制構造出一個或多個并聯虛擬阻抗[16-18]，加入并聯虛擬阻抗的并網ICCI等效電路如圖6所示。所構造的虛擬阻抗在特定的諧波頻率處的阻抗值很低（即陷波器），間接使得并網電流支路相對阻抗減小，從而給逆變器因死區而產生的諧波電流提供新的通路，避免此部分諧波電流注入電網。圖6中，5、7分別為5、7次諧波對應的陷波器虛擬阻抗。

圖6 加入并聯虛擬陷波阻抗的并網ICCI等效電路

根據圖1和圖6，可得圖7所示加入并聯虛擬阻抗后的ICCI控制框圖。由于虛擬阻抗需通過控制環路實現，故而將該圖進行等效變換如圖8所示，使得虛擬部分的信號施加在調節器輸入或輸出端。

H()的表達式為

陷波器虛擬阻抗的表達式為

式中，為比例系數；為品質因數；為諧振角頻率。

圖7 加入并聯虛擬陷波器阻抗的并網ICCI控制框圖

圖8 加入并聯虛擬陷波器阻抗的并網ICCI等效控制框圖

由于陷波器阻抗與逆變器輸出阻抗使用并聯方式，為不改變陷波器諧振頻率以外頻段的逆變器阻抗特性，需要陷波器在其余頻段表現為開路，因此應取較大值，然而過大會導致諧振頻率處陷波器阻抗較高從而無法為諧波電壓提供有效回路；品質因數值較大時陷波器在諧振頻率處阻抗較低，但作用頻帶較寬，會使附近頻段的阻抗幅值均降低，因此，參數、選取均需折中考慮，這里取=100，=2 000。

3 電網背景諧波的抑制

在第2節中，為了抑制死區效應引入了并聯虛擬陷波器阻抗，可以為逆變器自身產生的諧波電流提供旁路。但是，當電網電壓環境不理想即存在諧波成分時，該虛擬阻抗也為背景諧波提供了低增益通路，將使得諧波電流被明顯放大，影響電能質量。

因此，本節將進一步提出特定次串聯虛擬阻抗方法對上述問題進行優化。可以看到，若在圖6基礎上，再在并網側構造串聯諧振阻抗，則可以抑制電網電壓諧波的影響。同時發現，若此時去除并聯虛擬陷波器支路，雖然無法給逆變器提供必要的諧波旁路，但是因為逆變器在特定次諧波處的輸出阻抗可以顯著增加，也能夠迫使逆變器因死區效應而產生的諧波電流得到大幅衰減。故而，為了降低控制復雜度，可以僅采用串聯虛擬諧振阻抗的方法，其并網ICCI等效控制框圖如圖9所示。此時，圖7可以改進為加入串聯虛擬諧振阻抗的并網ICCI控制框圖如圖10所示，經過簡單的變換，進一步得到加入串聯虛擬諧振阻抗的并網ICCI等效控制框圖如圖11所示。

圖9 加入串聯虛擬諧振阻抗的并網ICCI等效電路

圖10 加入串聯虛擬諧振阻抗的并網ICCI控制框圖

圖11 加入串聯虛擬諧振阻抗的并網ICCI等效控制框圖

由圖11可知，為了構造虛擬串聯諧振阻抗，需要在原有的控制框圖基礎上，增加并網電流前饋支路，通過與阻抗函數相乘獲得電壓，并反向疊加到o()上實現串聯的效果。需要說明的是，這里采取的串聯虛擬阻抗正好與陷波器阻抗幅相特性相反，即在5、7次諧波頻率處表現為高阻，從直接提高并網電流支路阻抗幅值的角度迫使諧波電流減小。如此，不僅可以解決由于死區帶來的內部諧波電流問題，還可以避免由于電壓背景諧波造成的交互諧波電流問題，從而改善電流畸變，提高電能質量。

4 仿真驗證及分析

為了對以上分析結果進行驗證，本節在Matlab中建立了15kV·A的間接電流控制逆變器仿真模型，針對死區效應及電壓背景諧波問題對并聯/串聯虛擬阻抗法分別進行仿真。模型參數見表1。

4.1 ICCI并/離網雙模式運行驗證

為對間接電流控制并網逆變器并網/孤島雙模式運行能力進行檢測，在仿真中設置ICCI模式切換運行。圖12為ICCI并/離網運行全過程中的并網電流、輸出電壓及電網電壓波形，仿真時長1s。系統在0.1s釋放并網控制信號，進入并網預同步階段；0.27s并網開關閉合，并網狀態下運行；0.8s切換為離網運行。

表1 15kV·A ICCI主要參數

Tab.1 System parameters of 15kV·A ICCI

由圖12可以看到，系統在并/離網瞬間電流均無明顯沖擊，且系統動態特性良好，在一個工頻周期內即可進入穩態運行，表明ICCI具備很好的雙模式平滑切換運行的能力。

4.2 陷波器死區補償驗證

加并聯虛擬陷波器阻抗前的ICCI并網電流如圖13所示。根據第3節中的分析，在間接電流控制并網逆變器仿真模型中設置2ms的橋臂驅動信號死區時間，此時的并網電流波形如圖13a所示。可以看到，電流出現了明顯畸變。圖13b給出的快速傅里葉變換（Fast Fourier Transformation, FFT）分析顯示，基波的3倍頻在三相平衡時可以相互抵消，故電流諧波次數為5, 7, 11, 13, …。其中，又以 5、7次諧波含量最高，是造成并網電流波形畸變的主要頻次諧波，THD達到5.81%，超過5%的基本要求。

加入并聯虛擬陷波阻抗后，并網電流的波形及傅里葉分析結果如圖14所示。可以看到，低次諧波含量明顯減少，電流波形正弦度明顯提高，THD降為2.99%，從而驗證了該方法在補償死區效應問題上的有效性。

圖14 加并聯虛擬陷波器阻抗后的ICCI并網電流

此時，為了分析并聯虛擬陷波器阻抗在存在電壓背景諧波時的效果，向電網電壓中注入幅值為6.22V（2%），3.11V（1%）的5、7次諧波電壓模擬非理想電網條件。得到加入并聯虛擬阻抗前后的并網電流波形分別如圖15和圖16所示。

顯然，當電路中同時存在死區時間及電壓背景諧波影響時，并網電流的畸變程度較高，THD達到10.06%。而在加入并聯虛擬陷波器阻抗后，不僅沒有改善并網電流的諧波情況，反而加重了5、7次諧波的影響，THD上升至25.47%。即并聯虛擬阻抗法雖然對死區效應帶來的諧波電流有正面抑制作用，但只在電網電壓條件理想時有效，在有電壓背景諧波的情況下會進一步惡化并網電流波形。

圖15 電網電壓諧波背景下的ICCI并網電流

圖16 含背景諧波時加入并聯虛擬陷波阻抗的并網電流

4.3 含背景諧波時的串聯阻抗方法驗證

與4.2節中同樣在電網電壓中注入幅值為6.22V（2%），3.11V（1%）的5、7次諧波電壓，將控制環路改為僅僅加入虛擬串聯諧振阻抗，此時的并網電流波形如圖17所示。對比僅僅加入并聯虛擬阻抗的效果，電流THD從原來的10.06%降為1.79%，得到了明顯的改善。說明串聯虛擬諧振阻抗確實可以同時對死區效應及電網電壓諧波起到很好的抑制作用。

圖17 含背景諧波時加入串聯虛擬諧波阻抗的并網電流

5 實驗驗證及分析

為了進一步驗證上述分析的有效性，搭建了一臺15kV·A ICCI硬件平臺。系統參數與仿真一致，已在表1中給出。

5.1 并/離網雙模式運行驗證

對ICCI開展了并/離網切換動態實驗，實驗條件同仿真，如圖18所示。圖18a為ICCI并網電流及輸出電壓在離網-并網-離網過程中的波形。圖18b和圖18c分別給出了ICCI在并網和離網切換瞬間的并網電流、輸出電壓波形。可以看到，ICCI在模式切換過程中輸出電壓保持穩定，未出現任何突變或振蕩。輸出電流也未見明顯沖擊（并網瞬間由于網側電感的存在及預同步模塊并網條件判定限制會存在小幅的沖擊電流，電流調節過程受到控制器動態性能影響，此處為100ms），很好地實現了平滑過渡。

5.2 死區補償及背景諧波影響抑制驗證

上文理論分析及仿真都表明虛擬串聯諧振阻抗不僅可以對死區效應進行補償，還可以抑制電網電壓背景諧波的影響。此處，在實驗平臺中設置同樣的死區時間及背景諧波，得到僅僅加入串聯虛擬阻抗前后的并網電流波形對比如圖19和圖20所示。

可以看到，實驗結果與仿真及理論一致，在采用串聯虛擬阻抗的條件下的電流波形得到了明顯改善，THD由8.19%降為2.34%，進一步證明了該方法的有效性。

6 結論

本文針對并網逆變器并網質量問題，以間接電流控制逆變器為對象著重分析了死區設置及電網電壓背景諧波對逆變器并網電流造成的影響。為了抑制電流諧波，分別提出了并聯虛擬陷波器和串聯虛擬阻抗的方法并進行對比。最終發現，并聯虛擬阻抗法雖然可以補償死區效應，但在電網非理想時會放大電壓諧波的影響進一步惡化并網電流質量，而串聯虛擬阻抗法則可以同時對死區及電網電壓諧波的影響進行抑制。最后，通過仿真及實驗對理論研究的正確性及可行性進行了驗證。

圖20 電網電壓含背景諧波時加入串聯虛擬阻抗后的ICCI并網電流實驗波形

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Dead-Time Effect and Background Grid-Voltage Harmonic Suppression Methods for Inverters with Virtual Impedance Control

11121

（1. Jiangsu Key Laboratory of New Energy Generation and Power Conversion Nanjing University of Aeronautics & Astronautics Nanjing 211106 China 2. NARI Group Corporation/State Grid Electric Power Research Institute Nanjing 211106 China）

Grid-connected inverters, as the interface between distributed energy and large power grids, have high requirements in terms of control structure and power quality. Inverters with indirect- current-control has fast power response and can realize the smooth transfer between grid-connected and stand-alone modes. In this paper, the grid-connected current distortion caused by the dead-time effect of the semiconductor devices and the grid-voltage background harmonics are analyzed. Furthermore, specific solutions by adding virtual parallel and series impedance are given to improve the power quality. Simulation and experiments verify the effectiveness of the proposed method.

Indirect-current-controlled inverter (ICCI), dead-time compensation, grid-voltage background harmonics, virtual impedance

TM315

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.200073

國家自然科學基金面上項目（51777095）和南瑞集團科技項目“大規模新能源發電建模、硬件在環平臺構建及源網協同控制技術”資助。

2020-01-16

2020-03-05

陳 杰 男，1982年生，博士，副教授，研究方向為新能源發電和功率電子變換技術。E-mail: chen_jie@nuaa.edu.cn（通信作者）

章新穎 女，1996年生，碩士研究生，研究方向為并網逆變器控制及阻抗分析。E-mail: zhangxinying_99@163.com

（編輯 崔文靜）