一种电流型并网逆变器的拓扑和控制方法_吴春华

2007年8 月电工技术学报Vol.22 No.8 第22卷第8期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Aug. 2007
一种电流型并网逆变器的拓扑和控制方法
吴春华崔开涌陈国呈陈卫民肖鹏张翼
（上海大学自动化系，上海市电站自动化技术重点实验室上海 200072）摘要提出一种基于导抗变换器的单相和三相电流型并网逆变器主电路拓扑结构及三角波-三角波脉冲宽度调制模式，详细分析了该主电路的工作原理及控制策略，推导了导抗变换器及三角波-三角波调制模式的输出特性，仿真和实验结果验证了本方案的正确性。

由于本逆变器采用高频电感和高频变压器替代了传统电流型逆变器中的工频电感和工频变压器，具有控制简单，成本低，体积小，效率高等优点，并网电流不受电网电压影响，可以实现高功率因数电流源并网逆变。

提出的三相并网逆变方案，相比于传统三相并网逆变器，具有系统冗余性好，抗电网波动能力强等优点。

关键词：逆变器并网电流型导抗变换器
中图分类号：TM464
A Current Source Grid-Connected Inverter Topology and
Its Control Method
Wu Chunhua Cui Kaiyong Chen Guochen Chen Weimin Xiao Peng Zhang Yi
（Shanghai University, Shanghai Key Lab of Power Station Automation Technology
Shanghai 200072 China）
Abstract The topologies of single-phase and three-phase current source grid-connected inverter and triangle-triangle pulse width modulation method are proposed based on immittance converter.
Control strategy and waveform characteristic of the inverter is analyzed. The validity and feasibility are proved by simulation and experimental results. High-frequency inductor and high-frequency transformer in the novel inverter replace the power frequency inductor and power frequency transformer in the traditional inverter. The novel inverter has the advantages of simple control, low cost, small volume and low power loss. At the same time, grid current is not influenced by grid voltage and high power factor is achieved. Compared with the traditional three-phase grid-connected inverter, the system redundancy is better and the capability of deal with grid fluctuation is stronger than before.
Keywords：Inverter, grid-connected, current source, immittance converter
1引言
并网逆变器一般有电压型和电流型两大类[1-2]，其中电压型最受关注，这主要是因为电压型逆变器中储能元件电容与电流型逆变器中储能元件电感相比，储能效率和储能器件体积、价格等都具有明显的优势，从而制约了电流型并网逆变器的应用和研究。

文献[3]提出了一种利用导抗变换器实现的电流型并网逆变器，该拓扑利用导抗变换器的电压源－电流源变换特性，方便地将电压源变换为电流源，并采用高频变压器替代了传统电流型并网逆变器中的工频变压器，具有系统体积小、控制简单、抑制谐波能力强等优点，但也存在功率晶体管数目较多，器件的开关损耗和导通损耗较高，从而影响系统效率；文献[3]提出的正弦波−正弦波调制方法（载波和调制波均为正弦波）算法复杂，由于一般单片机不能产生正弦载波，故不利于系统数字化，影响了该方法的推广。

本文在深入分析了导抗变换器原理的基础上[4-8]，
教育部博士学科点专项基金(20060280018)，上海市科委登山计划项目基金(06DZ12211)资助项目。

收稿日期 2007-01-29 改稿日期 2007-04-08
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提出了一种新的电流型并网逆变器主电路拓扑和三角波-三角波调制方法（载波和调制波均为三角波），不但算法简单，便于单片机实现，而且在电网电压严重畸变时仍能实现正弦电流并网。

本拓扑不但可以降低系统成本，实现装置小型化，而且还减少了能量传递过程中的功率损耗，能进一步提高系统效率，相比于传统三相并网逆变器，具有系统冗余性好，抗电网波动能力强等优点。

2 主电路结构
图1所示为本文提出的单相电流型并网逆变器系统拓扑结构。

图中由L 1、L 2、C 3三个元件组成了导抗变换器，其中L 1=L 2=L ，其四端子表达式为
2
2122
121j (2)j 1u u LC L LC i i C
LC ωωωωω⎡⎤−−⎡⎤⎡⎤
=⎢⎥⎢⎥⎢⎥−⎣⎦⎣⎦
⎢⎥⎣⎦ （1） 当高频逆变器角频率等于谐振角频率，即ω=
1）简化为[4]
0120120
j j/0Z u u Z i i ⎡⎤⎡⎤⎡⎤
=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦
⎣⎦ （2）
其中，0Z =2）可以看出， 导抗变换器输入电压u 1与输出电流i 2成正比，即电流i 2不受负载影响，只与电压u 1有关。

同理，输入电流与输出电压成正比。

因此，导抗变换器可以实现电压源到电流源、电流源到电压源的变换。

图1 单相电流型并网逆变器系统拓扑图 Fig.1 Main circuit of single-phase grid-connected
inverter
如图1所示，由光伏电池阵列、燃料电池、风力发电及其他各种方法获取的直流电压经过导抗变换器电压源−电流源变换，将输入电压源变换为电流源，再经过上述拓扑变换后并入电网，实现电流源并网。

为了保证导抗变换器正常工作，必须保证高频逆变器载波频率等于导抗变换器谐振频率。

图2为三相电流型并网逆变器的系统拓扑。

三相电流型并网逆变器的工作原理和控制方法类似于单相电流型并网逆变器，每一相通过一个导抗变换器实现电压源−电流源变换，将电能分别以电流源形式并入三相电网。

本方法相比于传统三相并网逆变器，具有如下特点：系统中任意一相都是一个独
立的子系统，不受其他相影响，即使在某一相或某两相损坏的情况下，剩余相也能正常运行，增加了系统的冗余性；在三相电网不平衡情况下，本方法也能提供稳定的三相电流，增加系统抗电网波动能力；初看起来本方案使用的导抗变换器和变压器有3套，但是每相承受的功率容量只有系统总功率的1/3，这样可以选用较小容量的器件，有利于高频电感和变压器的制作和生产。

图2 三相电流型并网逆变器系统拓扑图 Fig.2 Main circuit of three-phase grid-connected
inverter
3 控制方法
表1为图1中各部分波形及计算公式，式中
D 为PWM 占空比，ωS 为导抗变换器谐振频率，ωu 为电网u 相频率。

根据导抗变换器的特性，可以从高频逆变器输出电压推导出并网电流。

具体步骤为：
（1）A 点的PWM 输出电压用傅里叶级数展开，推导得到A 点电压表达式。

其中sin 项表示各谐波的振幅，cos 项表示开关频率ωs 的奇数倍成分。

（2）导抗变换器是一种特殊的带通滤波器，只允许谐振频率通过，将m =1代人A 点电压表达式中，并且由式（2）可知，B 点电流是A 点电压的1/Z 0倍，得到B 点电流，实现了电压源到电流源变换。

（3）假设中心抽头变压器变比为1:n ，经变压器升压后，C 点电流下降1/n ，当电网电压在正半周时，VT 3开通，正向谐振电流流过C ；当电网电压负半周时，VT 4开通，负向谐振电流流过C ′。

（4）电网正半周时，开关管VT 3导通，二极管VD 1和VD 3自然换流，得到D 点电流。

（5）电网负半周时，开关管VT 4导通，二极管VD 2和VD 4自然换流，得到D ′点电流。

（6）由D 点和D ′点电流组合得到E 点电流。

（7）低通滤波器滤除各次谐波成分，对E 点 电流进行积分，
2
S
2
1
2
cos d t t ωππ−=π
π
∫，得到F 点电流。

因此，馈送到电网的电流与输入直流电压E d
和占空比有关，与电网电压无关，实现了电流型并网。

第22卷第8期吴春华等一种电流型并网逆变器的拓扑和控制方法 9
表1各部分波形及计算公式
Tab.1 Waveformes and computing formula
导抗变换器（电压源－电流源变换）
系统中各点电压波形与电网电压有关，因此，可以从电网电压推导出电流，具体步骤为：（8）假设电网电压有效值为e，频率为ωu，得到F点电压表达式。

（9）E点电压与电网电压相同。

（10）D点电压经过工频逆变器调制，将电网
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电压负半周反相。

（11）D ′点电压经过工频逆变器调制，将电网电压正半周反相。

（12）由于二极管VD 1～VD 4的自然换流，C 点电压波形为幅值为正弦包络线矩形波。

（13）B 点电压为C 点电压经过变压器变换，幅值变为原来的1/n 倍。

（14）导抗变换器滤除谐振频率以外的成分，实现电压源－电流源变换，并且输入电流是输出电压的1/Z 0倍，得到A 点电流。

传统逆变器一般采用三角载波与正弦调制波调制生成PWM 信号，根据平均对称规则采样法可以计算得到脉冲宽度D 为
sin D M θ= （3） 式中 M ——调制深度
θ ——正弦调制波当前运行角度
当M ＝1时，将式（3）代入步骤（7）中的电流表达式，得
d F 2
8sin sin 2E I nZ θπ⎛⎞
=
⎜⎟⎝⎠π （4） 显然，I F 与θ 之间不满足正弦关系，I F 里含有很大谐波成分，不符合并网要求。

因此，常规的PWM 调制方式并不适合本文提出的系统拓扑。

文献[3]提出了正弦波-正弦波调制方法，即载波和调制波都是正弦波，经过计算可得采用此调制方法得到的脉冲宽度为
1S T
2sin u D U −⎛⎞
=
⎜⎟π⎝⎠
（5） 式中，u S ＝U S sin θ 为正弦调制波，U T 为正弦载波幅值，将式（5）代入步骤（7）中的电流表达式，得
d S
F 20T
8sin E U I nZ U θ=
π （6）
采用文献[3]的调制方法虽然解决了正弦电流并网的要求，但是，一般单片机不能产生正弦载波，此调制方法并不利于数字化实现，制约了此方案推广应用。

本文提出一种三角波－三角波调制策略，即调制波和载波都是三角波时（见图3），假设三角调制波为u s =[U S /(π/2)]ω t ，根据三角形相似，可得脉宽为
2
D t ω=π
（7）
将式（7）代入步骤（7）的电流表达式，得
d F 20
8sin E
I t nZ ω=π （8）
因此，采用三角波－三角波调制方法同样可以
生成正弦电流，而且算法简单，便于单片机实现。

本文采用图3a 所示的三角波-三角波调制方法生成驱动信号驱动高频逆变器，经过导抗变换器生成正弦包络线高频电流，如图3b 所示。

图3 三角形-三角形调制策略示意图 Fig.3 The control strategy for triangle-triangle
modulation
为了实现单位功率因数并网，必须保证并网电流与电网电压的同频同相，通过检测电网电压过零点，控制工频逆变器中上下桥臂的功率开关器件即可实现。

当检测到电网电压由负变正过零信号时，关断VT 4开关管，同时开通VT 3开关管；相反，当检测到电网电压由正变负过零信号时，关断VT 3开关管，同时开通VT 4开关管。

采用类似的方法对三相并网逆变器进行控制，即可实现三相电流型并网发电，此处不再详述。

4 仿真和实验结果
本文利用Matlab 仿真平台进行了仿真研究，相关参数如下：E d =220V ，e =220V ，L 1=L 2=40µF ，C 3=1.6µH ，1:n =1:2.5，L 3=600µH ，C 4=2µF ，f S =20kHz 。

限于篇幅，单相仿真的各有关波形全部略去。

三相并网逆变器仿真参数与单相并网逆变器参数相同。

图4为三相并网仿真波形。

其中图4a 为R 相电网电压和三相并网电流波形，图中R 相电压波峰正对准R 相电流波峰，R 、S 、T 三相电流依次滞后120°，实现了三相单位功率因数并网；图4b 为在t =122ms 时刻，三相电网峰值相电压分别从310V 突降到250V 时并网电流波形，图中三相并网电流前后幅值没有变化，证明了导抗变换器的输出特性；图4c 为三相电网不平衡时的仿真波形，其中R 相峰值电压为310V 、S 相峰值电压为250V 、T 相峰
第22卷第8期吴春华等一种电流型并网逆变器的拓扑和控制方法 11
值电压为280V，图中三相并网电流保持平衡，说明了本方案具有较强的抗电网波动能力；图4d为R 相逆变器故障时仿真波形，图中其余两相能够正常并网发电，说明了本方案具有很强的冗余性。

图4 三相并网仿真波形
Fig.4 Simulation waveforms of three-phase
grid-connected
为了验证以上方案，本文进一步制作了一台3kW单相并网逆变器实验样机，在此平台上进行了实验研究。

实验参数为：E d=220V，e=220V，L1=L2 =40µF，C3=1.6µH，1:n=1:2，L3=600µH，C4=2µF，f S=20kHz。

图5为单相并网实验波形。

其中图5a为电网电压和并网电流波形，可以看出电网电压存在一定的畸变（这是电网质量问题，与本实验无关），但是并网电流不受电网影响，仍然保持正弦性；图5b为并网电流谐波特性，其中最大的3次谐波与基波之差为−31.88dB，即3次谐波是基波的2.55%；图5c中，在t=300ms时刻，电网峰值电压由310V降为250V，图中并网电流保持恒定，说明了上述理论分析的正确性。

图5 单相并网实验波形
Fig.5 Experimental waveforms of single-phase
grid-connected
5结论
本文在分析了导抗变换器的基础上，对文献[3]提出的单相电流型并网逆变器拓扑结构进行了改进，并提出了三相电流型并网逆变器主电路拓扑及三角波-三角波调制新方法，对其工作模式、控制原理作了分析并进行仿真和实验研究。

仿真和实验结果证明了本拓扑结构和控制方法的正确性。

本方案具有结构简单，控制方便，成本低，体积小，效率高等特点，同时并网电流不受电网电压影响，可以实现高功率因数电流源并网。

提出的三相并网方案，具有系统冗余性好，抗电网波动能力强等优点。

12 电工技术学报 2007年8月
致谢：本文承上海市教委重点科研基金（062203）、上海市重点学科建设基金（T0103）、台达电力电子科教发展基金（DRE02006017）、上海大学研究创新基金资助，特此致谢。

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作者简介
吴春华男，1978年生，博士研究生，研究方向为逆变技术、电
机驱动。

崔开涌男，1983年生，硕士研究生，研究方向为电力电子与电
力传动。