《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種三相四橋臂逆變器的新型控制方案
2018年電子技術(shù)應(yīng)用第2期
孫靈芳,李知遠(yuǎn),,紀(jì)慧超
東北電力大學(xué) 自動(dòng)化工程學(xué)院,,吉林 吉林132012
摘要: 針對(duì)在不平衡或非線性負(fù)載條件下,,普通的三相三橋臂逆變器無(wú)法產(chǎn)生三相對(duì)稱(chēng)電壓,,基于Simulink仿真平臺(tái),,提出了三相四橋臂逆變器的新型閉環(huán)控制設(shè)計(jì)方案,。此方案逆變器的前三橋臂采用空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM),,第四橋臂采用跟蹤前三相電流信號(hào)的電流滯環(huán)調(diào)制(CHBM),,相對(duì)于傳統(tǒng)的四橋臂一體化的SVPWM調(diào)制,,控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,易于分析,。仿真結(jié)果表明:與普通逆變器相比,,采用本文控制方案的四橋臂逆變器輸出的波形更加平滑,不僅增強(qiáng)了系統(tǒng)帶不平衡負(fù)載的能力,,而且改善了逆變系統(tǒng)的效率和總諧波失真(THD),。
中圖分類(lèi)號(hào): TM464
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.171996
中文引用格式: 孫靈芳,李知遠(yuǎn),,紀(jì)慧超. 一種三相四橋臂逆變器的新型控制方案[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2018,,44(2):127-130,134.
英文引用格式: Sun Lingfang,,Li Zhiyuan,,Ji Huichao. A new control scheme for three-phase four-leg inverter[J]. Application of Electronic Technique,2018,,44(2):127-130,,134.

A new control scheme for three-phase four-leg inverter
Sun Lingfang,Li Zhiyuan,,Ji Huichao
School of Automation Engineering,,Northeast Electric Power University,Jilin 132012,,China
Abstract: In the unbalanced or non-linear load conditions, the ordinary three-phase three-leg inverter can not produce three-phase symmetrical voltage, based on the Simulink simulation platform, this paper presents a new closed-loop control design scheme for three-phase four-leg inverter. In this scheme, the first three arms of the inverter adopt space vector pulse width modulation(SVPWM), the fourth bridge uses the current hysteresis loop modulation(CHBM) to track three-phase current signal. Compared with the traditional four-leg integrated SVPWM modulation, the control system is simple and easy to analyze. The simulation results show that compared with the ordinary inverter, the waveform of the four-leg inverter with the control scheme is smoother, which not only enhances the ability of the system with unbalanced load, but also improves the inverter system efficiency and total harmonic distortion(THD).
Key words : three-phase four-leg inverter,;double closed-loop;SVPWM,;CHBM,;modulation

0 引言

    隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展,逆變器廣泛應(yīng)用于電力電子設(shè)備當(dāng)中,,而傳統(tǒng)的逆變器在不平衡負(fù)載或非線性負(fù)載條件下會(huì)產(chǎn)生不平衡的三相電壓,。為了解決這個(gè)問(wèn)題,許多學(xué)者提出了一系列拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),,如模塊化三相逆變器,、帶中間變壓器的三相逆變器、分電容逆變器和三相四橋臂逆變器,。其中,,三相四橋臂逆變器能夠在非線性負(fù)載條件下輸出三相對(duì)稱(chēng)電壓,其第四橋臂直接控制中性點(diǎn)電流,,具有控制簡(jiǎn)單,,電壓利用率高,無(wú)需大容量電容器等優(yōu)點(diǎn),,日益受到了人們的青睞[1-3],,逆變器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。針對(duì)傳統(tǒng)的正弦脈寬調(diào)制(SPWM)方案低效率和高電壓諧波等缺點(diǎn),,本文擬提出一種SVPWM調(diào)制[4]電流滯環(huán)調(diào)制[5]相結(jié)合的新型閉環(huán)控制方案,,這種方案完全不同于其他方案,前三橋臂采用空間矢量調(diào)制,,第四橋臂單獨(dú)采用電流滯環(huán)調(diào)制,;不僅具備空間矢量調(diào)制低開(kāi)關(guān)損耗和低電壓總諧波失真的優(yōu)點(diǎn),還兼具電流滯環(huán)調(diào)制快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)、易于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)及魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),。

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1 逆變器控制新方案

    逆變器控制新方案如圖2所示,,逆變器輸出電壓Vabc與參考電壓Vref進(jìn)行比較,通過(guò)電壓外環(huán)PI控制器,,其輸出參考電流dy3-t2-x1.gif與電感電流ILabc進(jìn)行比較,,通過(guò)電流內(nèi)環(huán)PI控制器得到直流電壓矢量udq,再經(jīng)過(guò)前三橋臂SVPWM調(diào)制得到前三橋臂的開(kāi)關(guān)管調(diào)制信號(hào),;第四橋臂采用跟蹤前三相電流信號(hào)的電流滯環(huán)調(diào)制得到其開(kāi)關(guān)管的調(diào)制信號(hào),。同時(shí),本文采取了鎖相環(huán)技術(shù),,來(lái)減小電壓諧波畸變對(duì)檢測(cè)負(fù)載電壓角度θ的影響,。

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2 前三橋臂調(diào)制方案

2.1 前三橋臂的雙閉環(huán)解耦控制

    本文采用負(fù)載電壓控制策略,外環(huán)的電壓輸出信號(hào)被指定為內(nèi)環(huán)電流參考信號(hào),,用于控制輸出電流,,從而改善控制對(duì)象,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的三相逆變輸出,。為了便于分析,,應(yīng)先建立四橋臂逆變器在abc坐標(biāo)下的平均電路模型[6],如圖3所示,。

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    根據(jù)電路模型可知

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其中ud,,uq,,iLd,,iLq,dd,,dq是同步坐標(biāo)系中的輸出電壓,、電感電流和占空比。相對(duì)于傳統(tǒng)的四橋臂一體化的SVPWM調(diào)制,,新方案使控制信號(hào)模型由三維空間分布變?yōu)槎S空間分布,,這有利于控制方案的算法簡(jiǎn)化。為了使PI調(diào)節(jié)器更加穩(wěn)定,,需設(shè)計(jì)解耦控制器消除式中的耦合分量,,由式(4)變換得:

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    在式(7)中,d軸負(fù)載電流ILd的微分方程中不包含q軸分量,,對(duì)于q軸負(fù)載電流ILq,,也同樣實(shí)現(xiàn)了解耦控制。又由式(6)可知,,直流電壓矢量udq再經(jīng)過(guò)dq/αβ轉(zhuǎn)換將得到內(nèi)循環(huán)的輸出,,最終通過(guò)SVPWM調(diào)制獲得前三橋臂開(kāi)關(guān)管的切換狀態(tài)信號(hào)。

2.2 前三橋臂SVPWM調(diào)制

    為了實(shí)現(xiàn)前三橋臂SVPWM實(shí)時(shí)調(diào)制,應(yīng)該清楚參考電壓矢量Uref扇區(qū)所在方位[7],,Uref以轉(zhuǎn)角頻率ω逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),,其電壓空間矢量如圖4所示。

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    當(dāng)確定Uref的扇區(qū)時(shí),,需要計(jì)算扇區(qū)邊界上的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)向量和無(wú)效零向量的作用時(shí)間[8],。全部扇區(qū)的作用時(shí)間t1、t2如表1所示,。

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    基于表1所得的各扇區(qū)基本矢量作用時(shí)間t1,、t2,使用七段SVPWM調(diào)制[9]得到所需的脈沖寬度調(diào)制波形,。

3 第四橋臂電流滯環(huán)調(diào)制方案

    電流跟蹤調(diào)制[10]是第四橋臂調(diào)制方案的關(guān)鍵,,電流跟蹤調(diào)制通常采用電流滯環(huán)調(diào)制。電流滯環(huán)調(diào)制是一種動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速,、模型設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,、調(diào)制精度高且具有良好魯棒性的調(diào)制方式;所以第四橋臂采用電流滯環(huán)調(diào)制方案,。由平均電路模型推導(dǎo)得:

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式中Vz為負(fù)載零序電壓,。

    由式(8)可以得出,只需要控制電流iLn,,使其能滿(mǎn)足iLn=-(iLa+iLb+iLc),,便可以校正零序電壓失真,由此提出如圖5所示的第四橋臂電流跟蹤調(diào)制方案,。

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    通過(guò)電流滯環(huán)調(diào)制方案使每個(gè)電流調(diào)制器直接產(chǎn)生開(kāi)關(guān)信號(hào),,以此來(lái)調(diào)制由S7、S8開(kāi)關(guān)管構(gòu)成的第四開(kāi)關(guān)橋臂,。

4 實(shí)驗(yàn)仿真

    為了驗(yàn)證新方案的正確性,,對(duì)其進(jìn)行了Simulink仿真分析,實(shí)驗(yàn)參數(shù):逆變器前級(jí)頻率10 kHz,,濾波電感5 mH,,濾波電容10 μF;逆變器輸出電壓頻率50 Hz,,額定電壓220 V,,額定功率6 kW;滯環(huán)環(huán)寬ΔI設(shè)定為0.3 A,。實(shí)際應(yīng)用中的不平衡負(fù)載一般指阻抗不平衡,,由此設(shè)定A、B和C三相的負(fù)載分別為額定負(fù)載20 Ω,、額定負(fù)載20 Ω和不平衡負(fù)載40 Ω,。

    實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,,在不平衡負(fù)載的條件下,普通的三相三橋臂逆變器輸出的三相電壓正弦波形明顯不平衡,,其逆變器的電壓波形和電流波形如圖6所示,。在相同條件下,采用了新控制方案的三相四橋臂逆變器輸出了三相對(duì)稱(chēng)正弦電壓,,其電壓波形和電流波形如圖7所示,,C相峰值電流為A、B兩相峰值電流的1/2,,各相峰值電壓為A相220.59 V,、B相220.61 V、C相220.96 V,,電壓偏差均小于0.5 V,;電壓畸變率(THD)均小于5%。

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    圖8(a)是前三橋臂調(diào)制信號(hào)波形,,波形為鞍馬波,,還包含了電感電流反饋的鋸齒波;第四橋臂調(diào)制方案能夠有效消除零序電壓,,其調(diào)制信號(hào)波形如圖8(b)所示,。

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    逆變器輸出電壓諧波分析結(jié)果如圖9所示,據(jù)圖9可知,,在不平衡負(fù)載條件下,,采用新控制方案的三相四橋臂逆變器輸出電壓的總諧波失真僅為3.31%,而普通逆變器輸出電壓的總諧波失真高達(dá)18.79%,。結(jié)果表明,,本文提出的逆變器控制方案減小了逆變系統(tǒng)的電壓總諧波失真。

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5 結(jié)論

    本文提出了一種三相四橋臂逆變器前三橋臂SVPWM調(diào)制和第四橋臂電流滯環(huán)調(diào)制相結(jié)合的新型控制方案,,并實(shí)現(xiàn)了逆變器的雙閉環(huán)解耦控制,,控制算法相對(duì)簡(jiǎn)單,實(shí)際計(jì)算量?。辉诓黄胶庳?fù)載條件下,,采用新控制方案的四橋臂逆變器輸出的三相電壓波形更接近正弦波,,總諧波失真率和諧波分量均顯著下降,極大地提高了逆變系統(tǒng)的條件適應(yīng)性,。

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作者信息:

孫靈芳,,李知遠(yuǎn),紀(jì)慧超

(東北電力大學(xué) 自動(dòng)化工程學(xué)院,,吉林 吉林132012)

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