一种新的分布式供电三相逆变器的控制研究

・分布式电源・　低压电器（２０１１Ｎｏ．５）　一种新的分布式供电三相　逆变器的控制研究术　张晓勇，　王　军，　张广军，　王　英，　李　川　（西华大学电气信息学院，四川成都６１００３９）　摘要：针对不平衡和非线性负载采用了一种三相四桥臂拓扑结构，并提出了一　张晓勇（１９８６一），　男，硕上研究生，研　究方向为电能质量　种内模原理和空问矢量相结合的控制策略。建立ｒ三相四桥臂逆变器在空问矢量静止　坐标系下的数学模型，通过分析四桥臂逆变器的拧＝制规律，将逆变器进行解耦控制。该　方法与其他控制方法相比应用方便、参数整定灵活；仿真和试验验证了该控制方案的『Ｆ　确性与可行性。　关键词：分布式供电；三相逆变器；控制　检测与控制。　中图分类号：ＴＭ　４６４文献标志码：Ａ文章编号：１００１—５５３１（２０１１）０５４３０２３—０５　Ａ　Ｎｅｗ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｃｈｅｍｅ　ｆｏｒ　Ｔｈｒｅｅ．ｐｈａｓｅ　Ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ｏｆ　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　Ｐｏｗｅｒ　ＺＨＡＮＧ　Ｘｉａｏｙｏｎｇ，　ＷＡＮＧ　Ｊｕｎ，ＺＨＡＮＧ　Ｇｕａｎｇｊｕｎ，　ＷＡＮＧ　Ｙｉｎｇ，ＬＩ　Ｃｈｕａｎ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉｈｕａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　６　１　００３９，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ　ｆｏｕｒ—ｌｅｇ　ｔｏｐｏｌｏｇｙ　ｗａｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｆｏｒ　ｕｎｂａｌａｎｃｅｄ　ａｎｄ　ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　ｌｏａｄｓ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ａ　ｎｏ—　ｖｅｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｃｈｅｍｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｍｏｄｅｌ　ａｎｄ　ＳＶＭ　ｗａｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ｗａｓ　ｂｕｉｌｔ　ｉｎ　ｔｈｅ“ｐ　ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗｈｏｌｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗａｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ｂｙ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｌａｗ　ｆｆ１ｒ　ｆｏｕｒ—ｌｅｇ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ．Ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｗａｓ　ｓｉｍｐｌｅ　ａｎｄ　ｆｌｅｘｉｂｌｅ．Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｖｅｒｉｉｅｄ　ｔｆｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｃｈｅｍｅ　ｃｏｕｌｄ　ｗｏｒｋ　ｗｅｌｌ　ｗｉｔｈ　ｆａｓｔ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ，ｈｉｇｈｌｙ　ａｃｃｕｒａｔｅ　ｓｔｅａｄｙ　ｏｕｔｐｕｔ　ａｎｄ　ｌｅｓｓ　ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｐｏｗｅｒ；ｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ；ｃｏｎｔｒｏｌ　０　引　言　分布式发电技术可以较好地利用可再生能源　发电，并提高发电的效率。凶此，作为公用电网供　电的补充，具有较大的发展潜力，特别是对于偏远　地区，分布式发电系统更是具有独特的优点，不但　系统经常产生三相不平衡，影响供电质量¨Ｊ。三　相四线逆变器通过中线提供零序电流通路，具有　了带不平衡负载的能力，在微型燃机发电、太阳能　发电　（光伏电池、光热发电）、风力发电、生物质　能发电等领域广泛使用　Ｊ。传统的三相四线变　换器的拓扑形式有组合式逆变器、工频变压器隔　可以避免远距离送电网络建设的巨大费用，而且　可以提供可靠的绿色电力。　离的三相四线逆变器、分裂电容三相四线逆变器　等，其缺点已被大多数学者认可　ｊ。三相四桥臂　虽然，分布式发电技术有上述优点，但建立真　正经济可靠、供电质量优良的分布式发电系统还　有一系列技术难题需要解决。如在整个供电系统　逆变器具有电路形式简单、体积小、电压利用率高　等优点，在实际中具有广阔的应用前景。　然而，三相四桥臂逆变器的控制比较复杂。　目前常用的控制方法有：电流滞环控制　ｊ、中性　点控制　Ｊ、正序负序零序控制　、ＰＩ控制　ｊ、特定　中，既有三相负载又有单相负载，既有线性负载又　有非线性负载，这些复杂用电设备的使用，使供电　王军（１９６６一），女，教授，博士研究生，研究方向为电能质量分析，电力电子技术，智能电器。　基金项日：四川省重点学科基金资助项目（ＳＺＤ０５０３－０９－０）；四川省教育厅重点项目基金资助项目（０７ＺＡ１０８，　张广军（１９７９一），男，硕士研究生，研究方向为电力电子技术在电力系统中的应用研究。　０９ＺＡ１　１２）　２３～　低压电器（２０１１Ｎｏ．５）　谐波消除法　Ｊ、滑模控制法Ｈ。。和最优控制　等。　这些控制方法在一定的程度上解决了带三相不平　衡负载的问题，但会带来另外一些缺点，如控制算　法复杂、输出负载的电流谐波含量大，从而一定程　度上限制了这种逆变器的应用。针对以上问题，　提出了一种基于内模原理与空间矢量相结合的控　制方法。分析逆变器电路工作特点，四桥臂逆变　器的前三个桥臂和第四桥臂的控制解耦分离，前　三桥引入内模控制，可以防止电压畸变，使逆变器　输出的三相电压更加精准；第四桥采用对　分量　进行控制，主要用来抑制大的不平衡分量和谐波　分量。与其他控制方法相比，该方法具有很强的　鲁棒性，仿真和试验也验证了所提出方法的正确　性　１　四桥臂逆变器电路分析　三相四桥臂逆变器的主电路拓扑结构如图１　所示、　、　、　为滤波电感，且三者相等，Ｃ为滤　波电容，　为中性电感，连接逆变器输出中性点　和负载的中性点，用来抑制中性电流开关纹波；　ＶＴ１～ＶＴ８为并有续流二极管的ＩＧＢＴ；三相负载　既可以是平衡负载，也可以是不平衡负载，以及非　线性负载和时变负载或它们之间的组合　。　Ｐ　Ｇ　图１　四桥臂逆变器的电路结构图　假设逆变器的４个开关管都是理想的，逆变　器四桥臂ａ、ｂ、Ｃ和Ｏ的开关状态可分别用开关函　数ｓ　、ｓ　、ｓ　和ｓ。表示，各臂上管和下管互补开通　和关断，上管开通时开关函数值为１，反之为０，则　ｕｍ＝ｕ　—ｕ。＝（Ｓ　一Ｓ。）Ｅ　（１）　式中，ｉ为｛ａ，ｂ，Ｃ｝。　以电感电流ｉ。、　、ｉ。、ｉ。和电容电压ｔｔ　。、“　。、　ＵＣＧ为状态变量，对逆变器回路分析，则　一２４一　・分布式电源・　ｄ　ｄ　ｄ　ｄｆ　ｄ　ｂ　ｄ　＋　ｄ　ｄ　ｄ　ｄ　ｄ　ｄ　＋ｉｂ＋ｉ　＋ｉ。＝０　（３）　式中，ｉ　、ｉｂ、ｉ　也为三相桥臂端电压，ｉ　第四桥臂　电流；　为三相滤波电感：　为中性线电感；　Ｕ　。、ＵＣＧ为三相负载电压，是四桥臂逆变器控制的　输出量。　２　空间静止坐标系下的模型分析　由ａ，ｂ、ｃ坐标系到　、　、　坐标系的变换式为　［　］＝　｝ｙ『　ｉ］　ｃ　；，　一　一号　１　卿　。　２一　２　（５）　ｌ　１　１　２　２　２　对式（２）进行坐标变换，可得在卿坐标系　下的信号模型：根据式（６）和式（３）可以建立在　卿坐标系下的平均大信号模型框图，如图２所　示。系统为３个解耦的部分，，。为一次测电流，　ｕ　ｕ。　、ｕ　为输出电压经过坐标变换后的　、卢、ｙ　分量。通过该解耦，就可以把三相四桥臂逆变器　图２　Ｏ／、　、　坐标系下的信号模型　・分布式电源・　低压电器（２０１１Ｎｏ．５）　转化为３个单独的逆变器进行独立控制。调节器　的设计，则根据各自的被控对象模型进行单独的　ＨＡｃ㈠＝２Ｋ　＋等　（８）　控制，有　ｄ　ｄ￡　０　０　＋　ｄ￡　ｄ　。　ｄ￡　ｄｆ　３　控制方案分析　系统的闭环控制策略是影响逆变器系统的一　个重要因素。通过对逆变器的解耦，可得空问静　止坐标系下Ｏｔ、卢、　３个分量。由相关文献分析得　出，在三相四桥臂逆变器中，负载的不平衡并不影　响输出电压的Ｏ／、　分量，主要是影响输出电压的　分量。由于系统的Ｏ／、卢部分结构模型相同，因　此可以采取同样的控制方式。对于　部分，也可　以采用控制单相逆变器的方法来进行控制。当输　出三相电压高度平衡时，输出电压的　分量为０，　则　“…＝Ｉｖ（Ｌ＋３Ｌ　）　（７）　３．１交流ＰＩ调节器　在电力电子系统中，采用交流ＰＩ对系统调节　非常少见，其基本原理就是把一个直流补偿网络　转换为一个交流补偿网络¨　，在相同的带宽中其　有相同的频率响应特性。实践证明，采用交流　ＰＩ，仍然对系统具有很好的控制效果。目前，在静　止坐标系下的ＰＩ控制在伺服控制理论中已经得　到了很好的发展，在单相逆变器中也有很好的应　用　。单相交流Ｐｌ控制的等效原理图如图３所　示，Ｈ　（ｓ）为交流ＰＩ调节器的传递函数。　ＨＡ　（ｖ）　审　ｉ　匝　：　０＝ｗ（ｔ、　崮　囱　图３交流Ｐｌ调节器等效原理图　ＨＤ　）＝Ｋ　＋等时，　３．２　内模原理与输出调节　内模原理¨　指出：若要求一个反馈控制系统　具有良好的跟踪指令及抵消扰动影响的能力，并　且这种对误差的调节过程结构是稳定的，则在反　馈控制环路内部必须包含一个描述外部输入信号　指令信号和扰动信号动力学特性的数学模型，该　数学模型就是所谓的内模（Ｉｎｔｅｒｎａｌ　Ｍｏｄｅ１）。重复　控制器¨　是基于周期的控制器，适用于周期性重　复量的无差调节，利用负载扰动的周期性规律，　“记忆”扰动发生的位置；有针对性地逐步修正，　改善输出波形；在稳态条件下，得到很好的输出波　形。而本文的　、　分量正好是周期性变化的分　量，适合采用内模控制，重复控制器的形式为：　Ｇ㈦＝篙　式中，ｌ￣为基波周期调节次数；Ｑ（　）为小于１的　常数，一般取０．９，用于改善重复控制器内模临界　稳定特性；补偿器ｃ（　）用来抵消控制对象的谐振　峰，提高前向通道的高频衰减特性，根据输出滤波　器的特性，可取为小于１的常数或二阶滤波器或　谐波滤波器。　将内模原理和交流ＰＩ控制运用到三相四桥　逆变器中，针对解耦后的Ｏ／、　部分，通过交流ＰＩ　和内模控制，产生逆变器系统的前三桥ＰＷＭ。系　统的控制框图如图４所示。　图４前三桥控制框图　３．３第四桥控制分析　对于第四桥的控制，其实也相当于一个单相　逆变器的控制。但当负载在非线性负载和不平衡　负载的情况下，尤其负载随时问变化时，反馈所得　的电流　分量并不是标准正弦量，输出电压的　分量的也不一定是周期变化。如果采用上述控制　方法来控制　分量，必然会降低系统的输出效　果¨。　。因此，针对　分量，有必要采取一种更有　一２５—　低压电器（２０１１Ｎｏ．５）　效的控制策略。本文采用比较控制法，具有控制　准确性高，抗噪声能力强和实现简单、方便等优　点，且在实现过程中，所要求的开关频率比较低。　分量控制产生ＰＷＭ的结构如图５所示。通过　载波三角波与控制命令比较，产生ＰＷＭ波，驱动　第四桥臂的２个开关管。　图５第四桥控制框图　４　仿真与试验结果分析　４．１仿真分析　为了验证提出控制方案的正确性，采用Ｍａｔ—　ｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ对整个逆变器系统进行仿真。不考　虑开关管死区、管压降、电路分布阻抗等因素的影　响，仿真的系统参数：Ｌ＝３３０　Ｈ，Ｌ　＝３３０　ＩｘＨ，　Ｃ＝３．３　Ｆ，三角波频率２０　ｋＨｚ，前三桥开关频率　１０　ｋＨｚ，输出频率５０　Ｈｚ，输入直流电压为１００　Ｖ。　三相不平衡负载为：Ａ相为５００　；Ｂ相电阻为　１００　，电感０．０１　Ｈ；Ｃ相为电阻５０　Ｑ，电感　０．１　Ｈ。不平衡负载情况下的仿真结果如图６所　示。仿真结果显示，该控制方法能够使三相电压平　衡；测得Ａ相总谐波含量为１．６０％，Ｂ相为１．５８％，　Ｃ相为１．６８％，满足国家电能质量标准。　４．２试验分析　将所提出的控制方法运用到三相四桥臂逆变　器平台进行试验验证，试验参数与仿真参数一致。　ｌＯＯ　５Ｏ　＞　ｏ　～一５０　１００　０　０　０ｌ　０　０２　００３　００４　０　０５　０　０６　０　０７　０　０８　ｔ／ｓ　（ａ）三相输出电压　，／ｓ　（ｂ）三相输出电流　一２６一　・分布式电源・　０　０　０１　０　０２　０　０３　０　０４　００５　０　０６　０　０７　０　０８　ｔ｛Ｓ　（ｅ）中性线电感电流　图６不平衡负载下的输出波形　为了便于显示，输出结果进行了１０倍的衰减，测　得三相电压输出波形如图７所示。试验结果证　明，在不平衡和非线性负载下，所提出的控制方法　在四桥臂逆变器系统中具有很好的稳定性和调整　能力　（ａ）Ａ相与Ｂ相的相电压　＿≯　＿　～蔼　一　ｌ＿孽ｍ㈨　５　矗　端　｜　（ｂ）Ｂ相与Ｃ相的电压　图７三相输出电压波形　５　结　语　本文提出了一种新的三相四桥臂逆变器控制　方案。在运用逆变器数学模型的基础上，针对三　相四桥臂逆变器的特点，采用了一种解耦控制的　方法，前三桥采用交流Ｐ１和内模原理控制，针对　第四桥特殊的要求，采用了比较控制的方法，并通　过仿真和试验验证了该方法的正确性和可行性，　保证了在特殊的负载条件下输出高质量、高可靠　性的电能。　【参考文献】　『１］　ＧＲＥＥＮ　Ｔ　Ｃ，ＰＲＯＤＡＮＯＶＩ，Ｍ　Ｃ．Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆｉｎｖｅｒｔ—　・分布式电源・　低压电器（２０１１Ｎｏ．５）　（上接第１３页）　术，如上进线磁吹技术、双断点分断技术、绝缘器　问震动大、发热大，均不利于提高短时耐受电流能　壁产气和压力喷弧技术等，双断点技术作为新时　力，双断点型断路器在此方面未能明显改善。　代的新结构，极大地提高了断路器的开断能力，为　（６）双断点燃弧能量的不平衡。断路器的电　电网的增容打下了良好的基础，可以预见，未来的　磁场和电弧非常复杂，受影响的因素众多，２个断　断路器高端市场的生产即将是以双断点技术为主　点很难做到开断一致，故容易造成燃弧能量的不　要形式。　平衡问题，也就是２个断点的电弧能量的差异性，　【参考文献】　使灭弧室的损耗和电触头的损耗均不一致，并且　［１］　陈德桂．应用ＰＴＣ限流元件的低压断路器［Ｊ１．低压　会形成恶性循环，制约着产品的可靠性。　电器，２００１（３）：３－５．　特别是对于平行式双断点，两者损耗相差太　［２］　陈德桂．低压断路器的器壁侵蚀与自动气吹灭弧技　大时，可能使另一只电触头上无电流或者电流很　术［Ｊ］．低压电器，２００２（４）：３－６．　小，电弧电压亦减小，重新变为单断点结构，起不　［３］　陈德桂．新一代塑壳断路器限流技术及其结构特点　到应有的双断点作用，这是平行式双断点的最大　分析［Ｊ］．低压电器，２００１（６）：３－６．　弊病。　［４］　刘洪武，谢心意，何艳峰，等．双断点断路器开断过　程燃弧能量的不平衡问题［Ｊ］．电工技术学报，　４　结　语　２０１０，２５（３）：６１－６５．　断路器作为电力电网的关键电气元件，有着　［５］　楼梅燕，郑跃胜．桥式双断点塑料外壳式断路器磁　场分析［Ｊ］．低压电器，２００９（１）：１４—１６．　广泛的应用，提高分断能力、减小体积、以及智能　［６］陈德桂．低压断路器的开关电弧与限流技术［Ｍ］．　化是未来的发展方向，新一代的断路器都是在综　北京：机械工业出版社，２００６．　合传统断路器的特点的基础上采用了新的限流技　收稿日期：２０１１－０１—１０　—２７—