空間矢量脈寬調制技術的三相儲能逆變器的研制

岑國英，張 志，吳育寧，鐘詠鍇，范乾烜，張森磊

（東莞理工學院，廣東 東莞 523808）

1 三相儲能逆變器的拓撲結構及其工作原理

近年來，分布式發(fā)電逐漸占領集中式發(fā)電的部分市場份額。與傳統(tǒng)集中式發(fā)電相比，分布式發(fā)電的優(yōu)點為發(fā)電效率高、利用的能源種類多、經濟性高、環(huán)保性好。而限制分布式發(fā)電快速占領市場的最大難題在于其間歇性發(fā)電特性，儲能逆變器是確保持續(xù)供電的首選解決方案。

綜合考慮各種影響因素，本設計的主電路拓撲選用三相兩電平逆變電路拓撲。由圖1可知，三相兩電平逆變電路有3個橋臂，每個橋臂由2個開關管組成，同一橋臂的2個開關管不能同時導通，否則會導致直流電源短路。理想情況下，同一橋臂的2個開關管的開關狀態(tài)是互補的，即當1個開關管導通時，另1個開關管也同時關斷。當同一橋臂開關管為互補前提條件時，6個開關管可以組成8種排列組合，即三相橋式電路的開關狀態(tài)共有8種，公式為

式中：Sx為單極二值邏輯函數。開關管的8種工作模式如表1所示。

表1 三相儲能逆變器開關管工作狀態(tài)

通過不同開關狀態(tài)的排列組合，即可使三相儲能逆變器輸出三相對稱正弦波形。如圖1所示，以直流側電源電壓的1/2為參考電平，逆變電路導通順序為 VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6。由電路可以推出線電壓均為矩形波，相位差120°，幅值為Ud。相電壓均為6階梯形波，幅值為。

圖1 三相兩電平逆變電路拓撲

輸出線電壓的傅里葉表達式為

輸出相電壓的傅里葉表達式為

輸出線電壓有效值為

輸出相電壓有效值為

2 系統(tǒng)硬件結構的整體設計

系統(tǒng)硬件結構的整體設計如圖2所示，主拓撲使用三相儲能拓撲結構，主體逆變橋由6個功率開關管構成，交流側三相電感選用5 mH電感，直流側并聯(lián)穩(wěn)壓電容。負載使用水泥電阻，該電阻在工作的同時迅速散熱，對于高溫具有較高的抗性。輔助電源輸入電壓為直流24 V，可產生控制系統(tǒng)所需的各種電壓，為主控電路、顯示電路、驅動電路和采樣電路供電。主控電路的芯片為TMS320F28035，該芯片通過采樣電路采集所需的電壓電流數據，然后對所采集的數據進行處理和運算。算出各個橋臂的開關管導通時間后，輸出相應的驅動信號，該驅動信號通過驅動電路放大后控制開關管，從而完成硬件電路的控制。

圖2 系統(tǒng)硬件結構框圖

2.1 DSP主控電路的設計

主控電路包含LM1117-3.3 V電壓轉換電路，可將輔助電源的5 V轉換為3.3 V，進而為芯片供電。10 MHz晶振構成的振蕩電路與芯片內部的鎖相環(huán)電路進行倍頻和分頻后為芯片工作提供60 MHz的主時鐘。芯片內部產生的脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）信號帶負載能力較差。為了增強驅動信號的強度，在主控電路和驅動電路之間增加了非門芯片ULN2003。該芯片還可以起到隔離作用，為主控芯片額外提供一層保護。

2.2 輔助電源的設計

在三相儲能逆變器系統(tǒng)中，不同的電路模塊需要不同的電源電壓。例如，采樣電路需要正負12 V電源電壓，驅動電路需要具有一定幅度的高頻方波信號。若是分別用獨立電源為每個電路供電，會使設計變得復雜，實用性大大降低。為了解決這個問題，本設計將各個電源電壓轉換電路集中到一起，統(tǒng)一為系統(tǒng)各個模塊供電。輔助電源板輸入24 V直流電壓，輸出正負12 V和正5 V電壓以及高頻方波信號。

該輔助電源采用的是帶變壓器隔離的反激電路拓撲，分為原邊電路、副邊電路、主控電路和反饋電路。原邊和副邊電路如圖3所示，當開關管導通時，一次側電路電動勢上正下負，二次側電路電動勢上負下正，二極管關斷，輸出電壓由電容C提供，變壓器儲能；當開關管關斷時，一次側電路電動勢上負下正，二次側電路電動勢上正下負，二極管導通，反激電路同時為負載和電容C供電。

圖3 反激拓撲

在反饋電路中，采集變壓器副邊的輸出電壓作為反饋輸入，將其與給定的12 V作比較，當副邊的輸出電壓變化時，TL2845輸出的PWM波也會改變，從而穩(wěn)定輸出電壓。

3 三相儲能逆變器的雙閉環(huán)控制策略

本文采用的調制方式為空間矢量脈沖寬度調制（Space Vector Pules Width Modlation，SVPWM），SVPWM 調制方式運用了平均值等效的原理，也就是在1個開關周期內將各個基本電壓矢量結合起來，用這個平均值來等效給定參考電壓矢量。在某一時刻，理論電壓矢量會旋轉到一個可知的位置，這時可以利用其所在區(qū)域的2個相鄰非零矢量和1個零矢量在時間上的不同組合得到。每個電壓矢量的作用時間可以在同一時刻作用，也可以在1個開關周期內分多次作用。這樣通過對相關矢量的選擇和對它們作用時間的控制，就可以精確地跟蹤到參考電壓矢量，在空間形成準圓形旋轉磁場，從而獲得標準的正弦輸出波形。該控制方法開關損耗較小，動態(tài)響應快，且電壓利用率可高達100%。

本研究的電壓電流雙閉環(huán)控制策略如圖4所示。控制系統(tǒng)先是采集AB相和BC相的線電壓，然后計算求得空間電壓矢量在三相靜止坐標系下投影到實軸和虛軸的數值，進而轉化為兩相旋轉坐標系下的電壓矢量。電壓外環(huán)將給定的電壓矢量與輸出電壓的電壓矢量進行比較，并通過PI控制器將輸出電壓矢量調整至給定的電壓矢量。電壓環(huán)的PI控制器輸出值又再次作為電流環(huán)的給定值，與電感電流矢量作比較，通過電流環(huán)的PI控制器后輸出電壓矢量，作為SVPWM模塊的輸入空間電壓矢量，計算得到各個開關管的占空比并產生相應的PWM波，通過驅動電路驅動三相儲能電路的開關管，從而得到正弦輸出電壓。

圖4 系統(tǒng)雙閉環(huán)控制策略

4 三相電壓型逆變器的MATLAB仿真與實驗波形分析

本研究的三相儲能系統(tǒng)的仿真模型如圖5所示，具體元器件參數為：直流側電壓源電壓為24 V，交流側輸出線電壓有效值為18 V，3個電感均為5 mH，三角形連接的3個電容均為100 μF，星型連接的負載電阻均為10 Ω。

圖5 系統(tǒng)仿真模型

圖6 交流側輸出線電壓波形

改變負載可以改變輸出電流的大小，圖7為當帶1 A負載時，輸出電流有效值的波形圖。故可推出仿真的三相儲能逆變器可以帶0～1 A負載。

圖7 逆變器帶1A負載時電流有效值波形

仿真實驗結果為三相儲能逆變器成功將24 V直流電壓逆變成線電壓有效值為18 V的正弦波電壓，可以帶0～1 A負載。通過仿真和實驗輸出波形的分析，驗證了本方案的正確性和可行性。

5 結 論

本文以TMS320F28035作為系統(tǒng)的主控制芯片，展開了一個采用空間矢量脈寬調制技術的三相儲能逆變器的研制，以下為本文主要研究內容：（1）分析三相儲能逆變器的拓撲結構及其工作原理；（2）介紹系統(tǒng)硬件結構的整體設計；（3）分析基于電壓電流雙閉環(huán)控制的控制策略；（4）通過MATLAB仿真驗證本方案的正確性與可行性。