基于单相SVPWM的可变死区算法

发表时间：2024-08-03 05:11:04 来源：100扣边非标门

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　　：针对单相逆变器固定死区时间注入调制波导致输出电压谐波畸变率较高等问题，本文提出一种将可变死区时间注入单相SVPWM调制波有效矢量组的方法。该方法将一系列非线性因素等扰动因素看成扰动电压，采用干扰观测器对扰动电压进行估算补偿，并将估算补偿电压换算成死区时间，补偿到SVPWM调制波有效矢量组导通区间。实验证明该方法相比传统固定死区时间注入调制波，能够减少逆变器输出电压畸变率，提高电能质量。

　　光伏发电的核心技术是逆变技术。在单相逆变器中，为避免逆变桥上下两个功率开关管直通，常常要在功率管工作期间加入一段固定死区时间[4-6]。固定死区时间会带来输出电压幅值和相位的偏差，随开关管频率的提高，误差累积效应会导致输出电压波形的畸变[7]。

　　本文首先通过一系列分析单相SVPWM（空间电压矢量脉宽调制）原理，建立起单相SVPWM的调制波波形，然后采用干扰观测器估计出补偿电压并换算成开关管导通时间作为死区时间加入调制波中有效矢量组的导通时间中。实验根据结果得出该策略可以使单相逆变器输出电压畸变率降低，输出波形更优的正弦波。

　　单相空间矢量调制技术主要是由三相空间矢量调制技术推导而来。在三相逆变器中将6 个功率开关管组成的3 组桥臂定义为开关函数

　　= 0 则代表每相上桥臂关断，下桥臂导通。总共有8 组基本电压矢量组，基于伏秒平衡的原理可以计算出8 组基本电压矢量组合形成标准的圆形旋转矢量磁链所需要功率开关管导通时间。基于三相SVPWM 技术的思想，以下进行单相SVPWM 的详细推导。

　　如图1所示单相逆变电路，其中a、b 两点的输出电压用Uab表示，则交流侧输出电压矢量可表示为

　　采用“1”代表功率开关管的导通，“0”代表功率开关管的关断。通过对S1、S2、S3、S4 的开通与关断进行组合分析可得单相逆变电路有4 种开关状态，与之相对应的输出电压矢量如表1 所示。

　　由表1 可知，分别有两种有效状态矢量v1、v2和两种零状态矢量v0、v3。根据空间矢量调制原理，通过将4 个离散矢量合成输出矢量Uab，其中Uab有0、UPN、−UPN三个数值。以自然基e1、e2为基建立二维正交坐标系可得Uab如图2 所示。

　　根据图2 可知，状态矢量v1、v2都在y= −x所在的直线作为基底，则矢量u可表示为取正交基为

　　由式可得一个调制周期内4 个开关管控制信号的通断时间长短，如图4 所示。

　　为了避免上下桥臂直通带来极大的短路电流，通常会对上下桥臂加入死区时间进行延迟导通，如图5 所示。

　　加入死区后，虽然能预防各种非理想状况导致同一桥臂上下开关管直通，但上述死区加入会导致输出波形幅值的降低，产生严重的波形畸变。

　　则当前周期的干扰电压值可用上个周期干扰电压值来进行估测，由式（12）可得

　　本节中，基于TMS320F28335 的实验平台搭建了2 kW 实验样机，通过对TMS320F28335 的事件管理器进行设置，设置为连续增减计数模式，则可以产生对称的PWM 波形，可将死区补偿值直接加入比较寄存器CMPR 中做修改PWM 脉冲宽度，达到补偿效果，其中后级 LC滤波电路中

　　通过图8、图9 的对比可以观察出采用死区补偿算法后的电压纹波得到明显降低，逆变器输出电压拥有非常良好的正弦波效果。

　　将上述逆变器输出电压波形图片导进Matlab 进行傅里叶变换分析得到图10 所示的波形，加入死区补偿算法后逆变器电压输出畸变率只有3.16%，相比没有加入死区补偿算法7.14%，降低了将近4%，表明加入死区补偿算法后大大降低了死区效应对总系统的影响。

　　本文首先通过对单相电压空间矢量法原理和产生方式来进行阐述，推导出单相SVPWM 各开关管的导通时序图，针对传统死区时间的加入导致输出电压波形畸变，采用了干扰观测器对非线性干扰等因素进行在线估测并转化为死区时间作为补偿。实验根据结果得出该办法能够有效抑制由逆变器一系列外在非线性因素导致的电压波形畸变，改善了电压的波形，提高了系统运行的稳定性。

　　[1] 方刚,杨勇,卢进军,等.三相光伏并网逆变器电网高阻抗谐振抑制方法[J].电力自动化设备,2018,38(2):109-116.

　　[6] 张阳.微电网SPWM单相并网逆变器控制技术探讨研究[D].沈阳:沈阳工业大学,2014.