提高弱電網(wǎng)下三相三電平拓撲結(jié)構(gòu)直流母線電壓利用率的研究

李宏 李冰

摘 要：在逆變器的研究中，直流母線的高低直接影響了產(chǎn)品的轉(zhuǎn)換效率。降低直流母線電壓，提高直流母線電壓利用率，是提高機器性能的關鍵因素之一。標準電網(wǎng)下，空間矢量和注入三次諧波的SPWM都可以提高三相機的直流母線電壓利用率。但是，在弱電網(wǎng)條件下，電網(wǎng)電壓變化較大，為保證逆變器穩(wěn)定工作，通常會按照預期最高電網(wǎng)電壓設置直流母線電壓，造成在電網(wǎng)電壓較低時，“實際”直流母線電壓利用率偏低。筆者研究出一種實時隨動的直流母線電壓控制策略，在電網(wǎng)電壓低時，能有效降低母線電壓，提高“實際”直流母線電壓利用率；同時，當電網(wǎng)電壓變化時，可以及時調(diào)整直流母線電壓，保證逆變器穩(wěn)定運行。

關鍵詞：太陽能、逆變器、弱電網(wǎng)、直流母線電壓利用率

0 引言

能源是社會發(fā)展和經(jīng)濟建設不可或缺的資源。隨著全球現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，能源危機和環(huán)境污染等一系列的問題日益突出。太陽能作為取之不盡、用之不竭、分布廣泛、無污染的新能源，與風能、潮汐能、地熱能等其他新能源相比，具有更廣闊的發(fā)展前景，更受到各方研究人員的青睞。

光伏逆變器作為太陽能發(fā)電系統(tǒng)的核心組成部分，其轉(zhuǎn)換效率是影響太陽能利用率的關鍵。影響光伏逆變器轉(zhuǎn)化效率的因素較多，直流母線電壓利用率就是其中一個重要的因素。目前，強電網(wǎng)交流電壓不變情況的研究已經(jīng)較為成熟。但是都沒有提及弱電網(wǎng)下電網(wǎng)變化時，直流母線電壓的控制策略。

1.并網(wǎng)控制策略

在光伏逆變器的并網(wǎng)控制策略中，常用的方法主要有以下三種：

1.1 普通SPWM策略。在控制系統(tǒng)中，該策略是一種比較成熟的、使用較廣泛的PWM法。理論上，沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。三相三電平拓撲結(jié)構(gòu)中，SPWM策略就是以該結(jié)論為理論基礎，把拓撲結(jié)構(gòu)看做3個獨立的結(jié)構(gòu)。用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化，和正弦波等效的PWM波形，控制逆變電路中開關器件的通斷，使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應區(qū)間內(nèi)的面積相等，從而輸出正弦波形。

SPWM的方便比較簡單，容易掌握；但是其缺點是直流母線電壓利用率低，所以在比較注重效率的光伏逆變器上，采用該策略的廠家越來越少。

1.2空間矢量（SVPWM）。該策略最初是應用在電動機控制上，控制實現(xiàn)的基本原理是通過測量和控制異步電動機定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對異步電動機的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進行控制，從而達到控制異步電動機轉(zhuǎn)矩的目的。

空間矢量控制是將異步電動機的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場的電流分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量分別加以控制，并同時控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢量，所以稱這種控制方式稱為矢量控制方式。

空間矢量方法是將系統(tǒng)看做一個整體，三相之間相互配合合成一個旋轉(zhuǎn)的矢量，最大脈寬時刻不在每一相電壓的峰值處。

該策略可以提高直流母線電壓利用率，各學者對該策略研究的較為充分。但是，空間矢量有多個扇區(qū)，每個扇區(qū)計算方不同，所以，程序?qū)崿F(xiàn)較為復雜。

1.3注入三次諧波的SPWM。該策略是一種比較先進的控制策略。通過對空間矢量深入研究發(fā)現(xiàn)，SVPWM可以看做是注入特定零序的SPWM。進一步研究發(fā)現(xiàn)，在SPWM上出入3次正弦諧波，可以達到和空間矢量相同的效果。即可以提高直流母線電壓的利用率，又可以減少算法的難度。

筆者設計的產(chǎn)品采用注入三次諧波的SPWM，本文下面的分析研究也是基于注入三次諧波的SPWM。

2.弱電網(wǎng)下直流母線電壓的控制。

我國的電網(wǎng)電壓標準是220V/50H。但是在某些電網(wǎng)末端，因為用電負載功率變動，電網(wǎng)電壓會出現(xiàn)較大波動，即所謂的弱電網(wǎng)。為保證電網(wǎng)電壓升高或突變時，逆變器可以正常運行，不會因過調(diào)制而失控或停機，傳統(tǒng)的辦法是把母線電壓提高，按照設計預期的最高電網(wǎng)電壓設計。但是這樣間接犧牲了直流母線電壓的利用率。

為提高交流電壓較低時，“實際”直流母線電壓的利用率，筆者設計了一種母線電壓隨動的控制策略。

首先，筆者采用交流電壓反推法，即，實時采樣電網(wǎng)電壓，反推需求的母線電壓。該方法計算較多，并且實際需要的母線電壓受并網(wǎng)電流及PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)影響，需要預留的電壓余量較大。

然后，筆者采用調(diào)制度控制法，即，把最大調(diào)制度標幺化為“1”，實時調(diào)節(jié)直流母線電壓，使調(diào)制度為“0.95”。本方法在電壓緩慢變化時可以正常工作，但是當電網(wǎng)電壓劇烈變化時會出現(xiàn)母線震蕩。

為此，筆者又對該方法進行改進。當調(diào)制度>“0.96”時，使：給定直流母線電壓=實際母線電壓+ 5V；當調(diào)制度<“0.93”并且持續(xù)200ms后，使：給定直流母線電壓=實際母線電壓-1V；

3.驗證

筆者將新策略的程序升級到20kw的機器上，交流輸出接交流源，模擬電網(wǎng)電壓變化。測試結(jié)果顯示，采用新的控制策略后，交流電壓較低時，直流母線電壓能明顯降低。電網(wǎng)波動時，機器運行正常，無停機現(xiàn)象發(fā)生。

經(jīng)用戶同意，筆者又把河北某機加工廠廠區(qū)中的5臺逆變器升級為該程序，經(jīng)1個月持續(xù)觀察，無論是電網(wǎng)電壓高低，還是工廠內(nèi)電動機啟停時的電網(wǎng)波動，機器都可以正常工作，并且比老程序機器的電壓平均低30V-40V。

4.結(jié)論

本文首先簡要介紹了3種常用的并網(wǎng)控制策略，并分析了3中控制策略的控制難易程度，以及每種策略的直流母線電壓利用率。通過分析弱電網(wǎng)下的電網(wǎng)工況，在基于注入三次諧波SPWM控制策略下，研究出了一種直流母線電壓隨動的母線控制策略。（理論上，該策略也可以應用在空間矢量策略和普通SPWM策略下，但因時間關系，筆者并未實際驗證。）經(jīng)模擬測試和實際現(xiàn)場應用證實，該策略在電網(wǎng)電壓較低時，能夠進一步降低直流母線電壓，進而提高“實際”直流母線電壓利用率。