三相双buck并网逆变器电流过零畸变的抑制方法与流程

本发明属于电能变换技术领域，特别涉及了三相双buck并网逆变器电流过零畸变的抑制方法。

背景技术：

当今社会，能源需求量大，无污染、可再生的新能源发电以及电能的回收利用得到了广泛的关注，而三相并网逆变器是新能源发电及电能回收利用的重要设备，对其关键技术的研究是当今电力电子领域的热点，其中并网电流的波形质量尤为重要。传统三相桥式逆变器结构简单，具有较高的效率，但是存在桥臂功率管的直通问题，可靠性较低。为避免直通问题需要在桥臂上下功率管的驱动信号中加入死区时间，从而引入了大量的低频谐波，影响并网电流的波形质量。现有的死区补偿方法增加了控制系统的复杂度。三相双buck并网逆变器上下桥臂功率管之间通过电感相连，避免了直通问题，可靠性大为提高，因此具有重要的研究意义。

现有的双buck并网逆变器的控制方式有滞环控制，矢量模式单周期控制和spwm及svpwm控制。对三相双buck逆变器每相分别进行滞环控制，避免了三相的相互影响，但是开关频率的不固定使得滤波器难以优化设计。矢量模式单周期控制，降低了开关损耗，但需要在每个区间建立单周控制模型，实现较为复杂。而spwm以及svpwm控制又分为全周期控制和半周期控制。全周期控制为每相桥臂的两个功率管互补导通，桥臂侧每个滤波电感流过一个工频周期的电流，由于双buck的结构，会带来额外的损耗，导致效率低，而半周期控制桥臂侧每个滤波电感仅流过半个工频周期的电流，减少了损耗，但是会带来并网电流过零畸变的问题。

半周期控制下，每相桥臂的两个功率管交替工作，在电流过零处切换，而在切换瞬间，由于功率管开关造成的逆变器侧电感电流纹波方向在过零处会发生改变，导致并网电流的过零畸变。目前，解决双buck并网逆变器过零畸变的方法有采用多路双buck并网逆变器输入并联、输出级联的方式使电流纹波相互抵消，从而消除过零畸变，但是此方法仅适用于输入直流源独立的级联型拓扑。还有一种方法是采用纹波电流负反馈法，对纹波分量进行负反馈以补偿电流过零处的脉动量，但是该方法对系统的稳定性造成了影响，有些时候需要额外加入主动阻尼控制，增加了控制的复杂性。因此，抑制三相双buck并网逆变器的过零畸变问题仍具有重要研究意义。

技术实现要素：

为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供三相双buck并网逆变器电流过零畸变的抑制方法。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

三相双buck并网逆变器电流过零畸变的抑制方法，包括以下步骤：

(1)采集电网电压和并网电流；

(2)电网电压坐标变换到两相同步旋转坐标系，通过软件锁相环得到电网电压的瞬时相位θ；

(3)并网电流坐标变换到两相同步旋转坐标系，再与基准信号相减得到误差信号，误差信号经过pi控制器后坐标变换到三相坐标系，得到三相调制波；

(4)根据逆变器侧电感电流纹波的最大值得出电流畸变的区间，计算三相占空比补偿函数并叠加到三相调制波中，得到最终的三相调制波；

(5)根据电网电压的瞬时相位θ判断电流正负半周期，从而得到控制上、下桥臂功率管的半周期驱动信号。

进一步地，在步骤(4)中，所述逆变器侧电感电流纹波的最大值的计算公式如下：

上式中，δimax为逆变器侧电感电流纹波的最大值，udc为直流母线电压，lr为各相桥臂侧电感，m为调制比，t为开关周期。

进一步地，在步骤(4)中，所述电流畸变区间的计算公式如下：

上式中，θdis为电流畸变区间，im为并网相电流的峰值。

进一步地，在步骤(4)中，三相占空比补偿函数如下：

上式中，uamodd、ubmodd和ucmodd分别为a、b、c三相的占空比补偿函数。

进一步地，对占空比补偿函数进行线性化处理：

上式中，uamodd’、ubmodd’、ucmodd’分别为a、b、c三相线性化的占空比补偿函数。

进一步地，所述最终的三相调制波如下：

上式中，uamodn、ubmodn和ucmodn分别为a、b、c三相最终的调制波，uamod、ubmod和ucmod分别为a、b、c三相未加占空比补偿时的调制波。

进一步地，由电网电压的瞬时相位θ判断电流正负半周期，对于a相，当-π/2<θ<π/2，即a相电流大于零时，a相上桥臂功率管在驱动信号下开始工作，而下桥臂功率管由于驱动信号被屏蔽处于关断状态；当θ<-π/2或θ>π/2时，即a相电流小于零，a相下桥臂功率管开始工作，而上桥臂功率管处于关断状态；对于b相，当θ>π/6或θ<-5π/6，即b相电流大于零，b相上桥臂功率管开始工作，而下桥臂功率管处于关断状态，当-5π/6<θ<π/6时，即b相电流小于零，b相下桥臂功率管开始工作，而上桥臂功率管处于关断状态；对于c相，当θ>5π/6或θ<-π/6，即c相电流大于零，c相上桥臂功率管开始工作，而下桥臂功率管处于关断状态，当-π/6<θ<5π/6时，c相电流小于零，c相下桥臂功率管开始工作，而上桥臂功率管处于关断状态。

采用上述技术方案带来的有益效果：

本发明通过加入占空比补偿函数，使电感电流纹波在过零前后的断续区间内逐渐减小至零，平均值趋于正弦。该控制方法简单，没有增加额外的器件和损耗，且没有对系统的稳定性造成影响，有效地消除了电流的过零畸变，减小并网电流thd。

附图说明

图1为本发明涉及的三相双buck并网逆变器拓扑图；

图2为本发明涉及的三相双buck并网逆变器的a相电流过零畸变示意图；

图3为本发明涉及的三相双buck并网逆变器的理想调制波波形图；

图4为本发明设计的控制框图；

图5(a)、5(b)分别为未加入占空比补偿与加入占空比补偿的控制方法的三相双buck并网逆变器的仿真波形图；

图6(a)、6(b)分别为分别为未加入占空比补偿与加入占空比补偿的控制方法的三相双buck并网逆变器的实验波形图。

附图中的主要符号说明：udc：直流母线电压；ua-uc：三相电网电压；o：交流侧中点；s1～s6：第一至第六功率管；vd1～vd6：第一至第六快恢复二极管；la1、la2：a相桥臂侧滤波电感；lb1、lb2：b相桥臂侧滤波电感；lc1、lc2：c相桥臂侧滤波电感；lag-lcg：三相网侧滤波电感；ca-cc：三相滤波电容；ia：a相并网电流；iar1：流过电感la1的电流；iar2：流过电感la2的电流；iar：a相桥臂侧电感电流；ugs1、ugs2：a相桥臂功率管驱动信号；uxmod：x可为a、b、c，表示未加入占空比补偿的三相调制波；uxmodd’：xx可为a、b、c，表示三相占空比补偿函数；uamod：未加入占空比补偿的a相调制波；uamodn：加入占空比补偿后a相调制波。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

图1为本发明研究的三相双buck并网逆变器的拓扑结构。该拓扑同一桥臂的上下功率管之间不再直接相连，而是通过两个电感相连，无需为避免桥臂直通而加入死区。但是，通常为了减小损耗，对双buck拓扑的控制为半周期控制，从而造成的并网电流过零畸变现象如图2所示。当并网电流为δimax/2时纹波电流已到零，而此时下管仍关断，导致电感电流没有反向通路，所以呈现断续状态。设a相桥臂侧电感la1＝la2＝lr，a相电网电压为ua＝umcosθ，其中um为电网相电压的峰值，a相并网电流为ia＝imcosθ，其中im为并网相电流的峰值，调制比为m，t为开关周期。由于网侧电感lag上的电压较小，可以忽略不计。此时可以得到纹波电流最大值δimax为：

其中，uon为交流侧中点对直流侧中点的电压。

根据上式可以求得断续区间大小θdis为：

为使并网电流在断续区也满足正弦规律变化，即a相桥臂侧电感电流平均值满足：

上式中don为断续区s1开通的占空比，doff为s1关断的占空比，δion为电感电流纹波在一个周期内的上升值，δioff为电感电流纹波在一个周期内的下降值。

根据桥臂侧电感电流的上升和下降阶段，有：

其中

将式(4)和(5)结合，可得：

根据上式可以得到断续区间内的a相理论占空比函数uamodd的表达式：

同理，b相电压为umcos(θ-2π/3)，电流为imcos(θ-2π/3)，c相电压umcos(θ+2π/3)，电流为imcos(θ+2π/3)，且lb1＝lb2＝lc1＝lc2＝lr，因此可以得到b、c相在断续区间内的理论占空比函数ubmodd和ucmodd的表达式为：

其中uamodd～ucmodd的范围为0～1，所以补偿后三相调制波uamodn、ubmodn、ucmodn分别为

其中uamod、ubmod和ucmod分别为a、b、c相未加占空比补偿时的调制波函数。

通过上式的理论推导得出了理想补偿的调制波函数，图3给出了补偿后的a相非线性调制波的波形。但是由于系统采用数字控制，上式计算复杂，不易通过软件实现，本发明进而采用线性化的方式，对上式进行简化和整合，分别得到三相线性化的占空比补偿函数uamodd’、ubmodd’、ucmodd’为：

加入线性化的占空比补偿函数后，最终的三相调制波为：

由于补偿区间相对于整个工频周期所占比重很小，所以断续区的线性调制波与非线性调制波差别很小，且由于数字控制中零阶保持器的存在，简化后的调制波所带来的误差可忽略不计。

图4给出了整个系统的控制框图。根据锁相环得到的电网电压的角度θ结合式(11)～(13)来计算相应的补偿占空比函数uxmodd’，再与pi控制器的输出经坐标变换后得到的各相uxmod相加，得到最终的调制波，与载波交截，驱动功率管导通。该方法简单，易于数字实现且不会影响系统的稳定性。

图5(a)和5(b)分别给出了未加入占空比补偿与加入占空比补偿的控制方法的三相双buck并网逆变器的仿真波形图。图5(b)与图5(a)相比，加入占空比补偿后的a相调制波uamodn在过零处均发生了改变，并网电流的过零畸变问题得到了很大的改善。

图6(a)和6(b)则分别给出了未加入占空比补偿与加入占空比补偿的控制方法的三相双buck并网逆变器的实验波形图。未加入占空比补偿时，电流thd为5.4％，不满足并网电流要求，而加入占空比补偿后，电流thd为2.9％，从图6(b)中可以看出，采用占空比补偿控制后并网电流的过零畸变得到了抑制，并网电流质量得到了提高，验证了该方法的有效性。

实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。