（电工理论与新技术专业论文）基于三维空间矢量调制的三相四桥臂逆变器研究.pdf

t h er e s e a r c ho nt h r e e - p h a s ef o u r - l e gi n v e r t e r b a s e do n3 d s v m a b s t r a c t g e n e r a l l y , t h et r a d i t i o n a lt h r e e - p h a s et h r e e - l e gi n v e r t e r sa l eu s e d 谢d e l yw i t h t h r e ep h a s eb a l a n c e dl o a d s b u t , w h e nt h et h r e ep h a s el o a d sa r eu n b a l a n c e do r n o n l i n e a r , t h r e ep h a s ev o l t a g e o u t p u t sc a nn o tb es y m m e t r i c a l t l l i sp a p e rp r e s e n t sa t h r e e - p h a s ef o u r - l e gi n v e r t e r t h et h r e e - p h a s ef o u r - l e gi n v e r t e rc a ns u p p l yam i d p o i n t t ot h et h r e ep h a s eu n b a l m a c e dl o a d s rc a l lc o n t r o lt h ez e r os e q u e n c ev o l t a g e sa n d c u r r e n t s ，s ot h et h r e e p h a s ef o u r - l e gi n v e r t e ro u t p u t st h r e ep h a s es y m m e t r i c a lv o l t a g e s u s i n gs y m m e t r i c a lc o m p o n e n t s ，t h i sp a p e ra n a l y s i s e ss t e a d ys t a t eo f t h r e e - p h a s e f o u r - l e gi n v e r t e r 1 1 鹏e - d i m e n s i o n a ls p a c ev e c t o rm o d u l a t i o ns c h e m e 。t h a th a sh i 匝 d cv o l t a g eu t i l i z a t i o na n dc a r tr e s e ti nal o wd i s t o r t i o n , i sp r o p o s e df o rt h r e e p h a s e f o u r - l e gi n v e r t e r n 圮a l g o r i t h mo ft h r e e d i m e n s i o n a ls p a c ev e c t o rm o d u l a t i o ni s d e p i c ti nd e t a i l t h e nt h em a t h e m a t i cm o d e lo ft h r e e p h a s ef o u r - l e gi n v e r t e ri se s t a b l i s h e di nt w o d i f f e r e n te o o r d i n a t e s b a s e do nc o m p a l i s o no ft h r e e - p h a s ef o u r - l e gi n v e r t e rc o n t r o l s t r a t e g i e s , t h i sp a p e ri n t r o d u c e san o v e lc o n t r o l l e ri nt h r e e - p h a s ef o u r - l e gi n v e r t e r u n d e re l o c k w i s ea n da n t i c l o c k w i s er o t a t i n gs y n c h r o n o u sf l a m e 田1 ep o s i t i v e s e q u e n c e n e g a t i v es e q u e n c ea n d z e r os e q u e n c ec o m p o n e n t sa r ee e n t r o h e d i n d e p e n d e n t l y 1 1 圮c o n t r o ls t r a t e g ya c c o m p l i s h e st h ed e c o u p l i n go ft h et h r e e - p h a s e f o u r 1 e gi n v e r t e r u s i i l gm a t l a bs o f b u v a l e 。t h es i m u l a t i o no f s y s t e mc o n t r o ls t r a t e g y v a l i d a t e sc o n s i s t e n c yw i t ht h e o r ya n a l y s i su n d e ro d e n1 0 0 pa n dc l o s e dl o o p 1 1 1 e c o n t r o ls t r a t e g yi s 岛a s i b 王e f i n a l l y , t h ee x p e r i m e n t s a l e c o m p l e t e du s i n g t h e1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d i g i t a l c o n t r o l l e r n l et h r e e p h a s ef o u r - l e g gi n v e r t e rc a d o u t p u tt h r e e - p h a s eb a l a n c e da c v o l t a g eu n d e rt h eu n b a l a n t e dl o a dc o n d i t i o n s t h ec o n t r o ls t m t e g yi sv e r i f i e d k y e w o r d s ：t h r e e - p h a s ef o u r - l e g ；i n v e r t e r ；3 d - s v p w m ；u n b a l a n c e dl o a d s ；d e c o u p l e 插图清单 图2 一l 单相逆变器拓扑结构5 图2 - 2 三相逆变器拓扑结构6 图2 3 逆变器分类图7 图2 4 三相三线逆变器7 图2 5 三相逆变器等效电路7 图2 - 6 独立三单相逆变器拓扑结构8 图2 7 带分裂电容的三相四线逆变器9 图2 8 带a y 0 变压器的三相逆变器1 0 图2 - 9 带n f t 的三相逆变器l o 图2 1 0 三相四桥臂逆变器1 1 图2 1 l 三相四桥臂整流器1 2 图2 1 2 三相四桥臂有源滤波器1 2 图2 1 3 小型分布式发电系统1 3 图3 1 应用于三相系统的两种坐标系一1 5 图3 2 二维空间矢量图，1 6 图3 3 电压矢量选取图1 7 图3 - 4 三相三桥臂逆变器不对称负载相电压仿真波形1 9 图3 5 对称分量向量示意图2 0 图3 6 任一桥臂电路图。2 2 图3 7 三相四桥臂逆变器的稳态平均等效模型2 3 图3 8 三相四桥臂逆变器的稳态平均等效模型分解2 4 图3 - 9 对称负载电压空间矢量轨迹。2 8 图3 1 0 不对称负载电压空间矢量轨迹2 8 图3 1 1 三相四桥臂逆变器的三维空间矢量图3 1 图3 1 2 三维空间矢量在筇平面投影图3 2 图3 1 3 三棱柱1 的四面体划分3 3 图3 1 4 开关选择顺序图3 8 图4 1 坐标变换关系图。4 3 图4 2 三相四桥臂逆变器的砌模型4 5 图4 3 三相四桥臂逆变器的大信号等效电路4 6 图4 - 4 离线计算型控制原理框图。4 8 图4 5 在线计算型控制原理框图4 8 图4 - 6 三相三桥臂逆变器。4 9 图4 7 最大误差电流调节原理框图5 l 图4 8 基于最大误差电流的双环调节原理框图5 2 图4 9 基于正序、负序和零序分量的双环控制原理框图5 3 图4 1 0 三相四桥臂逆变器解耦后的d 、q 、0 通道电路模型。s 6 图4 1 l 三相四桥臂逆变器双环解耦控制框图5 7 图4 1 2 开环实物仿真模型5 9 图4 1 3 逆变器开关函数仿真模型6 0 图4 1 4 驱动信号调制波形6 0 图4 1 5 平衡负载三相输出相电压仿真波形6 1 图4 1 6 不平衡负载三相负载电压仿真波形6 1 图4 1 7 闭环平衡电阻负载仿真波形6 2 图4 1 8 闭环不平衡电阻负载仿真波形6 2 图4 1 9 闭环一相空载仿真波形6 2 图4 - 2 0 闭环两相空载仿真波形6 3 图4 2 1 闭环三相带载与空载互切仿真波形6 3 图4 - 2 2 三相混合负载仿真波形。 图4 2 3 三相负载突变仿真波形6 4 图4 2 4 直流侧波动三相负载电压仿真波形6 5 图5 - 1 系统工作原理框图 图5 - 2t p s 7 3 3 3 工作原理图6 9 图5 - 3i g b t 驱动电路原理图7 0 图5 - 4 交流电压采样电路原理图 图5 5 主程序流程框图7 2 图5 6 中断服务程序流程框图。7 3 图5 7 三维空间矢量调制程序流程框图7 4 图5 8 比较匹配图7 4 图5 9 系统主电路与控制电路实物图7 6 图5 1 0 四个桥臂上管的p w m 信号7 6 图5 1 1 四个桥臂上管的调制波信号7 7 图5 1 2 开环平衡负载实验波形7 7 图5 1 3 开环不平衡负载实验波形7 8 图5 1 4 电流环指令突变实验7 9 图5 1 5 电流环负载突变实验7 9 图5 1 6 双环平衡负载实验8 0 图5 1 7 双环不平衡负载实验8 0 图5 1 8 双环三相空载输出电压波形8 0 图5 1 9 双环电压指令突变实验8 1 图5 2 0 双环负载突变实验波形8 l 图5 - 2 1 直流电压突变负载电压波形 啪 表格清单 表3 - l 扇区确定表1 7 表3 - 2 二维空间矢量调制占空比计算矩阵表。1 8 表3 3 三相四桥臂逆变器开关状态表。2 9 表3 - 4 三维空间矢量图划分表3 6 表3 5 三维空间矢量调制占空比计算矩阵表3 6 i x 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盒筵王些太堂 或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己 在论文中作了明确的说明并表示谢意。 靴论文作者签字烃锣辨醐：呷年期扣日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金匿王些太堂 有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。允许论文被查阅或借 阅本人授权 金匿王些去堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名缓玉痧 签字日期：硼年s 月弓。日 | 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期；沙哆年，月弘日 电话 邮编： 1 1 前言 第一章绪论 电源系统在目前人类的生产生活中已经成为不可缺少的一部分，各种电气 设备都离不开电源。绝大部分的电力都是由发电厂发出的工频交流电，而用电 设备对电源的要求则各不相同，有直流电源，有交流电源，有变频电源等等， 它们的幅值、频率、稳定度及变化方式都不尽相同。随着各行业控制技术的发 展和对操作性能要求的提高，这就要求对发电厂发出的交流电进行电力电子变 换，以得到满足电气设备所需要的电源。逆变电源是将直流电能变成交流电能 的电源设备【l 】【2 l ，在生产实践中，特别是在交流调速和大功率交流场合下，常 要求将工频交流电转换成其他形式的交流电，以实现交流调速，为负载提供中、 高频交流电，为电子计算机和其他一些重要的设备提供不间断电源，应急电源 等 3 1 。逆变技术在新能源如太阳能发电，风力发电方面都是非常关键的一个环 节。逆变器可以灵活地调节输出电压、电流的大小和频率，可以将蓄电池中的 直流电能转换成交流电能或其他形式的直流电能，逆变器工作的频率高，调节 周期短，可以使得电源设备动态响应快，控制往能好，可靠性商。逆变技术已 经成为电力电子技术中至关重要的一门技术。随着电力电子功率器件的不断发 展，提高了电压和电流等级，实现了高频化，使得逆变器也进一步小型化，可 以用于高压大功率场合，逆变器的性能和效率进一步提高【4 】i “。 在电力电子功率器件开关频率不断提高的情况下，逆变器逐步向高频化方 向发展，逆变器的的调制技术也不断发展和完善【2 】【3 1 ( 4 1 【5 】。逆变器的调制技术 主要有两种：一种是通过多个逆变器输出方波来按照一定规律叠加，用得到的 阶梯波来拟合正弦波输出，调制简单，但谐波含量较大；另一种调制技术就是 脉宽调制技术( p w m ) ，从一开始的正弦波脉宽调制技术( s p w m ) 到后来 的空间矢量调制技术( s v p w m ) ，减小了谐波含量，逆变器的性能也得到大 幅度提高。脉宽调制技术( p w m ) 已经成为目前的主流，并且随着计算机和 微电子业的发展，调制技术在实现手段上也由原来的模拟电路实现过渡到数字 实现。 逆变器分为单相逆变器和三相逆变器，单相逆变器在小功率场合应用广 泛，在大功率场合不能满足要求，且在电机控制和交流调速场合，均要求三相 交流供电。三相逆变器得到了很广泛的应用。三相逆变器的最主要的目的就是 控制输出三相电压的对称性，包括相位和幅值对称。在三相对称负载情况下， 三相逆变器可以输出很完美的三相对称电压，满足用电设备的需求【6 】。 1 2 课题研究背景及意义 前文已述，在三相对称负载情况下，三相逆变器可以输出很完美的三相对 l 称电压，但是在实际的生产生活中，在大部分交流电源系统中，三相负载都是 不对称的，还有很多是非线性负载，而且有可能负载是不断变化的，这对普通 的三相逆变器来说，就很难输出三相对称的电压f 6 】【7 】【8 1 9 1 。从拓扑结构就能推 出这不可能实现，需要引出一个中线通路，即三相四线输出，以供零序分量通 过，使负载电压对称，提高带负载能力【8 】【9 1 。为了引出中线来提供中点电流通 路，通常采用以下两种拓扑结构【1 0 】f 1 1 】：分裂电容式逆变拓扑相当于三个独立 的三相半桥逆变器，电路结构和控制相对简单，但需要较大容量的电容，直流 电压利用率低，分裂电容电压需妾进行均压控制【1 2 儿1 3 】；为了增加一个电流通 道，也可以在输出端加一个中点形成变压器，但体积和重量会大大增加。此外 还可以采用三个单相桥结构代替三相桥结构，使用三套独立的控制电路，使三 相电路完全独立，但其缺点就是要使用3 个单相变压器，功率开关管过多，开关 损耗大，且控制一致性难以实现l l o 】。本文采用在传统三相桥拓扑的基础上增 加一个桥臂得到的三相四桥臂逆变器【1 5 h 1 6 】【1 7 】，拓扑结构简单，且具备三相四 线输出的特点，具有很好的调压功能。 脉宽调制技术【3 儿5 】是当今主流的调制方法，也是应用最广泛的一种调制技 术。脉宽调制技术的发展同时也促进了电路拓扑结构的优化和革新，脉宽调制 的控制策略也不断丰富和完善，脉宽调制技术的实现手段也完成了从原来的模 拟电路到数字化方法实现的过渡，这些也促进了脉宽调制技术被更广泛的应 用。本文结合传统二维空间矢量脉宽调制技术的特点e 1 8 f 1 9 】，采用一种三维空 间矢量脉宽调制技术【1 5 】【2 0 】【2 1 1 ，很方便地实现了对三相四桥臂逆变器的调制， 且提高了直流电压利用率。 在控制策略方面，有采用在线计算调制波控制【2 们，滞环电流控制【1 6 】，等 效p w m 控制 2 2 1 1 2 3 等等，本文采用双环结构，结合同步旋转坐标系对直流量进 行p i 调节器控制，以满足输出电压对称，并且具有良好的跟踪性能和抗扰动性。 三相四桥臂逆变器拓扑结构简单，结合一定的控制策略实现闭环稳定控 制，在带不平衡负载和非线性负载以及变化负载场合下具有非常好的特性，此 外还可用于三相四线的有源滤波场合【2 4 1 ，在风力发电和太阳能发电等分布式 发电系统中可以提供带中线的三相输出，也可得到推广 2 5 1 。三相四桥臂逆变 器的应用前景非常广。 1 3 本文主要研究内容 三相四桥臂逆变器具有很多优点，且应用前景也非常广，本文的研究内容 主要为基于三维空间矢量调制的三相四桥臂逆变器控制。内容包括： 1 三相四桥臂逆变器拓扑结构的提出及其工作原理； 2 对三相四桥臂逆变器进行了稳态分析，并对三维空间矢量调制技术 进行了详细分析和推导； 3 建立了三相四桥臂逆变器的数学模型，分析了三相四桥臂逆变器的 2 常用控制策略，并提出本文所采用的基于双坐标变换的双环控制策略， 利用m a t l a b 软件分别对开环和闭环等多种情况进行了仿真； 4 采用t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的d s p 芯片作为控制器，采用汇编 语言编写了系统软件。对三相四桥臂逆变器系统进行了硬件设计，完 成了样机平台搭建，通过实验调试，在不平衡负载下对控制策略进行 了验证。 3 第二章不平衡负载逆变器研究 2 1 逆变器概述 所谓逆变器，就是是将直流变成交流的装置，逆变是整流的逆向过程。逆 变器主要是通过半导体功率器件( 如s c r ，g t o ，g t r ，m o s f e t ，i g b t 以及 i p m 模块等) 的开通和关断作用，把直流变换成交流。由于是通过半导体功率 开关器件的开通和关断来实现电能转换的，转换效率比较高，但转换输出的波 形却很差，含有很多谐波分量，需要用滤波器滤掉高频成分才能得到正弦波交 流电。 2 1 1 逆变器发展 逆交器的原理早在1 9 3 1 年就在文献中提到过。1 9 4 8 年，美国西屋 ( w e s t i n g h o u s e ) 电气公司用汞弧整流器制成了3 0 0 0 h z 的感应加热用逆变器。 1 9 4 7 年，第一只晶体管诞生，固态电力电子学随之诞生。1 9 5 6 年，第一只晶闸 管问世，这也标志着电力电子学的诞生，并开始进入传统发展时代。逆变电源 出现子电力电子技术飞速发展的2 0 世纪6 0 年代，在这个时代逆变器继整流器之 后开始发展。逆变电源的发展是和电力电子功率器件的发展紧密联系在一起 的，电力电子器件的发展带动着逆变器的发展。首先出现的是s c r 电压型逆变 器；1 9 6 1 年，w m c m u r r a y 与b d b e d f o r d 提出了改进型s c r 强迫换向逆变器， 为s c r 逆变器的发展奠定了基础。由于s c r 是没有自关断能力的器件，必须通 过增加换流电路来强迫其关断，这就限制了逆变器大发展。随后，就产生了一 大批可控器件，如电力晶体管( g t r ) ，可关断晶闸管( g t o ) 等。自关断器 件在逆变器中的应用也大大提高了逆变器的性能。1 9 6 0 年以后，人们注意到逆 变器波形的重要性，并开始展开研究。1 9 6 2 年，a k e r n i c k 提出了“谐波中和 消除法”，即后来常用的“多重叠加法” 5 1 ( 2 6 ) ，这也标志着正弦波逆变器的诞 生。1 9 6 3 年，f g t u r n b u l l 提出了“消除特定谐波法”，为后来的优化p w m 法 奠定了基础【5 】。 2 0 世纪7 0 年代后期，电力晶体管( g t r ) ，可关断晶闸管( g t o ) 等自关 断器件相继实用化。8 0 年代以来，电力电子技术与微电子技术相结合，产生了 各种如金属氧化物场效应晶体管( m o s f e t ) 、绝缘栅双极型晶体管( i g b t ， i g c t ) 、静电感应晶体管( s i t ) 、静电感应晶闸管( s i t h ) 、场控晶闸管( m c t ) 等一系列高频全控器件，使得电力电子技术进入了高频化时代。由于开关频率 的提高，使得逆变器输出的低次谐波频率较高，逆变器性能也大大提高，且降 低了输出滤波器的尺寸。 逆变器的飞速发展，也促进了脉宽调制波形改善技术的发展。1 9 6 4 年，由 a s c h o n u a g 和h s t e r n m l e r 提出的把通信系统调制技术应用到逆交技术中的正 4 弦波脉宽调制技术【2 7 j ( s i n u s o i d a p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n 。简称s p w m ) 。由于 当时的开关器件速度慢，因而并未得到推广。直到1 9 7 5 年才由b r i s t o l 大学的 s r b o w e s 等把s p w m 技术正式应用到逆变器中，使得逆变器的性能得到了大 幅提升，并得到了广泛的应用和发展。此后，各种不同的p w m 技术相继出现， 调制技术不断发展和完善，相继出现了三次谐波注入p w m ，空间矢量调制技 术等。空间矢量调制技术( s p a c ev e c t o rm o d u l a t i o n ，简称s v m ) ，源于三相交 流调速控制中磁通为圆的思想，利用电压矢量轨迹跟踪磁链轨迹以控制电机， 后来s v m 也应用到逆变器的控制上，s v m 相比于一般的s p w m 来说，直流电压 利用率可以提高1 5 ，且具有较小的谐波脉动，易于数字化实现，在目前三相 逆变器中的应用日益广泛t 2 s l 。 逆变器的发展主要分为两个阶段：第一阶段为1 9 5 6 1 9 8 0 年的传统发展阶 段，此阶段的特点是开关器件的速度不高，逆变器工作的开关频率也比较低， 波形改善主要以多重叠加方法为主【5 】【2 6 1 ，体积较大，逆变效率低，正弦波逆变 器慢慢出现。第二阶段为1 9 8 0 年以后的高频化阶段，此阶段的特点是逆变器的 开关频率较高，波形改善主要以脉宽调制技术( p w m ) 为主，逆变器体积减 小，效率提高，正弦波逆变器技术发展日趋完善和成熟【1 l 【2 1 。 2 1 2 逆交器的分类 逆变器的主电路按相数可分为单相和三相，也有少数多相逆变器。单相逆 变器主要在小功率场合应用较多，在高压大功率场合单相逆变器已不能满足容 量需求，三相逆变器常用于大功率场合。单相又可分为半桥、全桥和带中心抽 头变压器的结构；三相逆变器也可以分为半桥和全桥结构【l 】。单相逆变器如图 2 1 所示。单相半桥相对于全桥来说，结构简单，功率器件只是全桥的一半， 成本低，适用于小功率场合。在相同的交流侧电路参数下，要获得相同的交流 电流、电流控制特性，半桥所需的直流电压是全桥的两倍，对功率器件的耐压 要求也提高。 ( a ) 半桥( b ) 全桥 图2 - l 单相逆变器拓扑结构 三相逆变器的半桥和全桥拓扑结构如图2 - 2 所示。在三相系统中，三相半 桥比较适用于三相平衡系统，负载不平衡时系统会发生故障。而三相全桥结构 相当于3 个单相全桥，通过耦合变压器形成带中点的三相输出，虽然可以抑制 不平衡负载，但结构较为复杂，所需的功率器件也比三相半桥多一倍。 ( a ) 半桥( b ) 全桥 图2 - 2 三相逆变器拓扑结构 根据直流侧和交流侧的波形，逆变器又可分为电压源型逆变器和电流源型 逆变器 2 9 1 。 电压源型逆变器的特点是： 1 直流电源是恒压源，直流侧并联有较大的直流滤波电容； 2 负载功率因数发生变化时，交流输出电压波形不变，交流电压与负载 无关； 3 输出电流的相位随着负载的功率因数变化而变化。 电流源型逆变器的特点是： 1 直流电源是恒流源，直流侧串联有较大的直流滤波电感； 2 负载功率因数发生变化时，交流输出电流波形不变，交流电流与负载 无关； 3 输出电压的相位随着负载的功率因数变化而变化。 除了上述分类方法外，还有将软开关技术运用到逆变器中，将直流侧与谐 振网络结合起来，形成谐振直流环的逆交器拓扑结构。 逆变器的分类大概如下。 6 厂电压型 按支流储能形式分关 l 电流型 ，单相 按输出相数分类 三相 l 皇；j 目 f 碗开关调制 按p w m 开关调制分炎 l 歙开关调制 f 半桥电路 按桥路结构分类 0 ，则b = 2 ，否b = o ； 3 ) 若3 + “口 、 l 1 x kv 斟刮 砌l d ， 歹 。稍小 七o c 十i 5 图4 3 三相四桥臂逆变器的大信号等效电路 结合零序分量的特点，通过坐标变换的公式可以发现，零序分量通过同步 旋转坐标系的变换为零，即在d 、q 通道中不含零序分量，因而可以采用不旋 转的变换【4 7 】，且控制零序分量的0 通道与系统的d 、q 通道不存在交叉耦合， 因而对零序最可以单独进行变换和调节。 4 2 三相四桥臂逆变器的控制策略研究 前文分析了三相四桥臂逆变器在三相静止a b c 坐标系下的数学模型并在 此基础上建立了同步旋转砌0 坐标系下的数学模型，这为三相四桥臂逆变器的 控制策略选择和控制系统设计奠定了基础。 在三相四桥臂逆变器中，无论是在对称负载，还是在不对称负载情况下， 输出三相对称正弦波电压是关键，输出电压的波形质量是三相四桥臂逆变器的 一个关键指标。普通的开环控制在静态条件下可以输出比较好的电压波形，但 是在不对称负载条件下，尤其是非线性负载，以及负载动态变化情况下，开环 控制很难得到很好的输出电压采用闭环控制是十分必要的，不仅能获得很好 的稳态性能，还具有良好的动态特性。 在传统的三相三桥臂逆变器的各种闭环控制方案中，包括单电压环控制 1 4 8 ，电压电流双环控制【4 5 】【48 1 ，无差拍控制【4 9 】以及重复控制技术1 5 0 】等，都各有 特点，对于提高系统的稳态和动态性能，改善输出电压波形质量都起到了一定 的效果。单电压环控制仅使用一个电压环，对反馈电压进行采样，与给定值比 + 。 + 0 较的误差经过调节器调节后来产生驱动信号，虽然可以达到闭环效果，但是对 电流的跟踪效果比较差，响应速度慢，从而影响到输出电压的波形质量；无差 拍控制是根据系统方程及状态反馈实时计算出本节拍所需要的输出，当拍计算 当拍输出。其突出的优点是动态相应快。但其所要求的模型必须相当精确，且 对处理器的要求相当高，需配合状态观测器，在复杂的三相四桥臂逆变器系统， 应用性大大降低；重复控制是一种基于周期的控制，利用负载扰动的周期性规 律，“记忆”扰动发生的位置，有针对性地逐步修善输出波形，在稳态条件下 获得很好的电压输出波形，是通过对误差的周期性补偿，实现稳态无静差的效 果，由于自身缺陷，控制上有一个输出周期的延迟，因而动态响应效果比较差， 控制实现也比较负载。电压电流双环控制是在单电压环的基础上增加了电流内 环，电压外环的调节器输出作为电流内环的给定，与电感电流反馈进行比较， 经过调节器调节后来产生驱动信号，这样加快了系统对电感电流的跟踪性，也 实现了电压的稳定输出，并且对改善电流和电压波形有很好的效果 以上是对三相三桥臂逆变器闭环控制策略的一个概述。三相四桥臂逆变器 的控制策略是在三桥臂逆变器控制策略的基础上，根据三相四桥臂逆变器的特 点，形成的新的控制思想。以下将介绍几种适合三相四桥臂逆变器系统的常用 的控制策略，分析各自的特点，并且给出本文所采用的控制策略。 4 2 1 基于计算型控制 由第三章中第三节中的三维空间矢量稳态合成矢量分析可知，在三相四桥 臂逆变器系统中，为了得到对称的三相稳态输出负载电压，可以根据对系统稳 态平均等效模型分析，得到如式( 3 - 2 9 ) 、( 3 - 3 0 ) 和( 3 - 3 1 ) 所示的三个桥 臂的稳态输出电压。换句话说，只要逆变器能够输出如上述三个式子所示的桥 臂电压，就可以得到相对应的负载条件下的三相对称负载电压。因此可以根据 具体电路的参数和所需输出的三相负载电压，通过数学计算得到桥臂输出电 压，以此来控制开关管的开通和关断，得到所需要的三相对称负载输出电压， 这就是基于计算型控制的控制思想【2 。基于计算型控制的控制策略分为离线 计算型控制和在线计算型控制两种控制方法。 4 2 。1 。1 离线计算型控制 所谓离线式【5 1 】1 5 2 ，就是在对逆变器进行控制之前，负载的具体倩况已经 确定。首先根据上一章中的式( 3 - 2 9 ) 、( 3 - 3 0 ) 和( 3 - 3 1 ) ，计算出所需要 的电压指令，然后利用式( 3 - 3 2 ) 转换到三维空间q 钐坐标系下的电压指令， 这样就可以利用三维空间矢量调制来实现四个桥臂开关管的导通和关断，获得 理想的三相负载输出电压。只要负载不发生变化，电压合成矢量就不会发生变 化。为了能够抑制直流侧电压波动，直流电压发生变化时，三相负载电压保持 不变，可以对三相负载电压进行采样，与给定值比较，进行p i 调节，并结合直 4 7 流电压的采样值，以调节输出占空比，来线性放大或缩小三相指令电压，从而 稳定实际的三相负载输出电压。离线计算型控制的原理如图4 - 4 所示。 离线计算型控制在确定了负载状况以后，直接采用数学计算来获得电压指 令，节省了大量的时间，并且容易实现。但如果负载状况事先不知道，或者三 相负载发生变化的时候，将无法确定所需的合成矢量轨迹，因此不能进行很好 的控制。在实际运用时，当接不同的负载时，需要对算法进行重新定义，以及 获得新的合成矢量轨迹，这样就给三相四桥臂的应用用带来很大不便。 图4 4 离线计算型控制原理框图 4 212 在线计算型控制 为了克服离线计算型控制策略无法适应负载变化场合的缺点，提出了一种 在线计算型控制策略2 0 l 【s 1 1 【5 3 1 。原理如图4 5 所示。 三相给定负载电压以表格形式存于d s p 的存储器中，通过对三相负载电流 的实时采样，利用式( 3 - 2 9 ) 、( 3 - 3 0 ) 和( 3 - 3 1 ) ，结合直流母线电压值， 计算出所需要的电压指令，然后利用式( 3 - 3 2 ) 转换到三维空间面吵坐标系下 的电压指令，就可以通过三维空间矢量调制算法来产生功率开关管的p w m 驱 动信号。当负载发生变化的时候，d s p 可以实时地根据变化的电流值来计算每 相参考电压矢量的大小，从而控制每相输出电压。 图4 - 5 在线计算型控制原理框图 基于计算型的控制策略比较简单，实现起来也比较容易可以获得比较好 4 8 的稳态输出电压。无论是离线计算型控制，还是在线计算型控制，都是属于开 环计算的控制思想，系统的动态响应和跟踪性能比较差。同时这一控制策略也 存在着其他一些缺点，对于离线计算型控制，负载必须确定，且不能发生变化， 负载物理参数必须准确，由于在实际情况下，负载的参数是不确定的，并且是 随着环境的变化而存在差异，这就会给控制带来误差。在线计算型控制虽然是 实时采样，但是还要通过比较获得电压和电流的精确的相位差值，这给实际应 用带来了局限。基于计算型的控制可以获得比较好的稳态性能，但是在负载扰 动等情况下，很难保持良好的动态跟踪性能。 4 2 2 中性点独立控制 在三相三桥臂逆变器中，如下图4 6 所示。 n 图4 6 三相三桥臂逆变器 设负载中点n 与直流电源中性点o ：l i a j 电压为o 。对于任意一个桥臂，有 下式。 = 争 一等 ( 上管导通，下管关断) ( f = a ，b ，c ) ( 下管导通，上管关断) 由电路原理可得： ， lu 口n 2u40 一“月0 ub 2ub0 一un0 【uc 2 “c0 一甜 0 由于在对称负载下，三相三桥臂逆变器输出电压对称，可得： “4 月+ u6 n + “c 月= 0 结合式( 2 - 3 ) 和( 2 - 4 ) 可以得到中点电压； “月o = ( “口o + “6o+uc o ) ( 4 2 9 ) ( 4 3 0 ) ( 4 3 1 ) ( 4 3 2 ) 对于每一个三相输出，即每一种开关状态，中点对地电压”。o 都有一个唯 一确定的电压可见，在对称负载条件下，三相逆变器任意确定开关状态下的 中点电压及其对应各相电压都是确定的，即逆变器的开关状态与中点电压具 有一一对应的关系。普通三相逆变器在三相负载对称情况下每一相的工作电压 是由各相对地电压( u 。o ，u b o ，u c o ) 与中点对地电压( u 。o ) 确定的，与另外两 相无关。 上述结论可以应用到负载不对称情况下。如果能够实现第四桥臂引入后， 三相四桥臂逆变器与普通三相三桥臂逆变器对应的a ，b ，c 三个桥臂依然按 对称负载时的开关规律工作，同时根据三个桥臂的某一状态在对称负载情况 下对应的中点电压来控制第四桥臂工作，在不对称负载情况下实现前三桥臂 开关状态与中点电压的一一对应，从而控制中点电压，也即控制第四桥臂，使各 相负载的工作与对称时各相负载的工作情况相同，任意一相负载工作时，其它 两相负载对该相没有影响，各相工作仅由该相负载决定，这样就可以实现不对称 负载情况下三相四桥臂逆变器的解耦控制。这就是三相四桥臂逆变器的中性点 独立控制的思想和原理 2 2 2 3 1 在普通三相逆变器主电路中引入第四桥臂，构成三相四桥臂逆变器，加入 各相滤波环节l 和c 后，三相四桥臂逆交器拓扑如第二章中的图2 1 0 所示。对照 图2 1 0 ，设三相不对称星形负载中点为n ，直流电压中性点为0 。核心思想是控 制其星形负载中点电压u 柚，实现相电压之间的解耦。前三个桥臂口，b ，c 与 三相三桥臂逆变器带对称负载情况时一样，按照普通的二维空间矢量调制控制， 保证相电压按对称负载情况下的规律变化，第四桥臂则根据对称情况下在前三 个桥臂的开关状态下中点n 的电位即u o ，采用“伏秒平衡”原则来进行控制， 使“_ o 按照对称情况下的规律与前三个桥臂的输出电压( o ，o ，o ) 相 对应，这样得到的负载输出电压“。，“ 。，“。也与负载对称情况下一样，为标 准正弦波输出，三相电压完全解祸。 采用中性点独立控制策略主要实现对第四桥臂的控制，a ，b ，c 三个桥 臂可以使用三相三桥臂逆变器的双环控制系统来控制，根据前三个桥臂的开关 状态来控制第四桥臂的开关状态，控制方式比较简单，缺点是精度不高，前三 个桥臂与第四桥臂比较独立，且第四桥臂在每个开关周期内的开关模式不容易 确定，电压利用率比较低，开关损耗也很大。 4 2 3 最大误差电流调节 最大误差电流调节( m a x i m u me r r o rc u r r e n tr e g u l a t o r ，m e c r ) 的方案是 一种基于滞环电流控制( h y s t e r s i sc u r r e n tp u l s em o d u l a t i o n ) p 】l ”】的双环控制 策略，即外环为电压环，内环用电流滞环调节簸略来控制开关管。不同于三相 三桥臂逆变器，三相四桥臂逆变器具体采用的是最大误差电流调节，在采样点 上，即在每个采样周期内，计算出三相滤波电感电流与对应相的电流给定信号 相比，计算出各相电流误差的绝对值，以电流误差绝对值最大的那相开关模态 为基准，来控制第四桥臂的开关状态，其他相的开关模态如果与基准相的一样， 就取该开关的模态，如果不一样，就让它选择自然续流的状态，以满足最大误 差电流的那一相1 6 1 。这就是确定第四桥臂以及其他三个桥臂的导通与关断的 原理。最大误差电流控制的控制原理如图4 7 所示。 r -世 译- 。 廿 _ r - 丹 码 - 蚓绝搿较 器 图4 7 最大误差电流调节原理框图 假设每个桥臂的开关状态如下式所示： ll ( 上管导通，下管关断) s = ，、 i u( 下管导通，上管关断) 最大误差电流控制的具体原理就是前三个桥臂的开关状态，根据滞环电流 控制原理，当误差电流为正且超出滞环宽度时则需要加正相电压以增大电流， 此时该相桥臂下一个开关周期的开关状态应选s = l ，且第四桥臂下一个开关周 期的开关状态为j = 0 ；当误差电流为负且超出滞环宽度时则需要加负相电压 以增大电流，此时该相桥臂下一个开关周期的开关状态应选j = o ，且第四桥 臂下一个开关周期的开关状态为j = l ；若误差电流绝对值小于滞环宽度时，则 开关状态保持不变【3 1 当三相要求的第四桥臂的开关状态不同时，第四桥臂的 开关状态的选择要满足误差电流绝对值最大的一相的要求，与之矛盾的其他 相，开关状态保持为续流状态。 图4 8 基于最大误差电流的双环调节原理框图 在三相四桥臂逆变器系统中，可以利用双环控制系统，电流内环采用最大 误差电流调节，电压外环采用p i 调节，控制原理如图4 8 所示电压外环普遍 采用p i 调节器，由于是对交流电压量进行p i 调节，由于负载等的变化，会引起 输出电压的变化，不能实现输出交流电压的无静差调节为了消除由于负载等 变化引起的电压静差，这里采用负载电流和参考电容电流前馈的策略垆”，与 电压环调节器的输出一起作为电流调节器的给定信号，如图4 6 中的虚线所示。 由自动控制理论知识可知，采用负载电流前馈的策略使得电压调节器的特性与 负载特性无关，应而可以得到比较好的输出电压。 基于最大误差电流调节的双环控制方案由于控制原理简单，并且实现了电 压电流的双环控制，可以达到比较好的控制效果，在四桥臂逆变器的控制中有 一定的优势。这种方法的缺点是电压外环采用的是对交流量瞬时值进行p i 调 节，虽然引入了前馈的控制策略，也很难实现无静差调节，存在一定的误差。 在内环调节时，必须要用微处理器实时地计算出误差信号的绝对值，再对绝对 值的大小进行比较，这样必须引入模拟电路，这就增加了控制电路的复杂程度， 并且微处理器的运行时间也会增加，由于采用的最大误差电流调节是基于滞环 电流控制的一种调节方案。因此也具有开关频率不确定的缺点，与滞环宽度有 关，这样给输出交流滤波器的设计也带来了困难。此外由于系统是双环控制， 本身消耗的时间就很多，在加上内环的模拟电路控制，又使得执行时间大大增 加，这也就限制了系统开关频率的提高，使得逆交器的性能受到限制。 4 2 4 基于正序、负序、零序分量的