光伏發電的核心技術是逆變技術。在單相逆變器中，為了防止逆變橋上下兩個功率開關管直通，通常需要在功率管工作期間加入一段固定死區時間^[4-6]。固定死區時間會帶來輸出電壓幅值和相位的偏差，隨著開關管頻率的提高，誤差累積效應會導致輸出電壓波形的畸變^[7]。

本文首先通過分析單相SVPWM（空間電壓矢量脈寬調制）原理，建立起單相SVPWM 的調制波波形，然后采用干擾觀測器估計出補償電壓并換算成開關管導通時間作為死區時間加入調制波中有效矢量組的導通時間中。實驗結果表明該策略可以使單相逆變器輸出電壓畸變率降低，輸出波形更優的正弦波。

1   單相SVPWM原理及實現

單相空間矢量調制技術主要是由三相空間矢量調制技術推導而來。在三相逆變器中將6 個功率開關管組成的3 組橋臂定義為開關函數 ，其中S_i =1 代表每相上橋臂導通，下橋臂關斷，而S_i = 0 則代表每相上橋臂關斷，下橋臂導通。總共有8 組基本電壓矢量組，基于伏秒平衡的原理可以計算出8 組基本電壓矢量組合形成標準的圓形旋轉矢量磁鏈所需要功率開關管導通時間。基于三相SVPWM 技術的思想，以下進行單相SVPWM 的詳細推導。

如圖1所示單相逆變電路，其中a、b 兩點的輸出電壓用U_ab表示，則交流側輸出電壓矢量可表示為

采用“1”代表功率開關管的導通，“0”代表功率開關管的關斷。通過對S1、S2、S3、S4 的開通與關斷進行組合分析可得單相逆變電路中共有4 種開關狀態，與之相對應的輸出電壓矢量如表1 所示。

由表1 可知，分別有兩種有效狀態矢量v₁、v₂和兩種零狀態矢量v₀、v₃。根據空間矢量調制原理，通過將4 個離散矢量合成輸出矢量U_ab ，其中U_ab 有0、U_PN 、?U_PN 三個數值。以自然基e₁、e₂ 為基建立二維正交坐標系可得U_ab 如圖2 所示。

圖2 單相SVPWM在自然基下的表示圖

根據圖2 可知，狀態矢量v₁、v₂都在y = ?x所在的直線上，取e₁、e₂作為基底，則矢量u 可表示為

取正交基為

由矩陣變換原理可得變換矩陣為

則轉換至α—β 坐標系下有

如圖3 所示。

假設單相電壓的有效值為U_φ ，則單相電壓矢量可表示為

即

轉換至α—β 坐標下則有

由4 組離散矢量組擬合出期望的輸出電壓矢量。

設定T為逆變器的載波周期，T₁為有效矢量作用的時間，T₀為零矢量作用的時間，由伏秒平衡的原理可得

（1）當0≤wt≤π，取v₂ ，則可得

（2）當0≤wt≤π，取v₃ ，則可得

其中M 為調制比，大小為

由式可得一個調制周期內4 個開關管控制信號的通斷時間長短，如圖4 所示。

圖4 單相SVPWM開關管導通時間

2   死區在線補償原理

為了避免上下橋臂直通帶來極大的短路電流，通常會對上下橋臂加入死區時間進行延遲導通，如圖5 所示。

圖5 加入死區的開關管導通時間

加入死區后，雖然能夠防止各種非理想狀況導致同一橋臂上下開關管直通，但上述死區加入會導致輸出波形幅值的降低，產生嚴重的波形畸變。

考慮干擾電壓下的系統電壓方程在旋轉坐標系下表達式為

一般認為當干擾電壓與補償電壓相等時，則可消除死區的影響。由于系統的采樣周期一般很小，屬于微秒級別，故可以認為在一個采樣周期內，系統的干擾電壓基本保持不變，即

則當前周期的干擾電壓值可用上個周期干擾電壓值來進行估測，由式（12）可得

由式（15）所設計系統死區在線補償原理圖如圖7所示。

3   實驗與結果分析

本節中，基于TMS320F28335 的實驗平臺搭建了2 kW 實驗樣機，通過對TMS320F28335 的事件管理器進行設置，設置為連續增減計數模式，則可以產生對稱的PWM 波形，可將死區補償值直接加入比較寄存器CMPR 中進行修改PWM 脈沖寬度，達到補償效果，其中后級 LC濾波電路中L = 0.7 mH，C = 0.15 μF。

圖8 是未進行補償的實驗波形，圖9 是進行死區補償后的電壓波形。

圖8 未進行死區補償的電壓波形

圖9 進行死區補償后的電壓波形

通過圖8、圖9 的對比可以觀察出采用死區補償算法后的電壓紋波得到明顯降低，逆變器輸出電壓具有良好的正弦波效果。

將上述逆變器輸出電壓波形圖片導進Matlab 進行傅里葉變換分析得到圖10 所示的波形，加入死區補償算法后逆變器電壓輸出畸變率只有3.16%，相比沒有加入死區補償算法7.14%，降低了將近4%，表明加入死區補償算法后有效降低了死區效應對整個系統的影響。

4   結論

本文首先通過對單相電壓空間矢量法原理和產生方式進行闡述，推導出單相SVPWM 各開關管的導通時序圖，針對傳統死區時間的加入導致輸出電壓波形畸變，采用了干擾觀測器對非線性干擾等因素進行在線估測并轉化為死區時間作為補償。實驗結果表明該方法可以有效抑制由逆變器一系列外在非線性因素導致的電壓波形畸變，改善了電壓的波形，提高了系統運行的穩定性。

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（本文來源于《電子產品世界》雜志2022年2月期）