四橋臂三相逆變器的控制策略

1、四橋臂三相逆變器的控制策略阮新波嚴(yán)仰光摘要 提出了一種新型的三相四線逆變器，它有四個(gè)橋臂，第四個(gè)橋 臂用來構(gòu)成中點(diǎn)，從而省去了三相三橋臂逆變器中的中點(diǎn)形成變壓器，減小了逆變器的體積 和重量。針對(duì)這種逆變器，本文提出了一種電流調(diào)節(jié)器，它根據(jù)三相濾波電感電流和給定電 流的誤差值最大的那相選擇逆變器的開關(guān)模態(tài)。為了消除輸出相電壓的靜態(tài)誤差，本文討論了一種基于 PI 調(diào)節(jié)器改進(jìn)的電壓調(diào)節(jié)方案。仿真結(jié)果表明，本文的思路是可行的。本文為構(gòu) 造大功率、高效率的三相四線逆變器提供了可靠的理論基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：三相逆變器控制策略The Control Strategy for Three-Phase Inverte

2、r with Four Bridge LegsRuan Xinbo Yan Yangguang（Nanjing University of Aeronaut ics & Astronautics 210016 China）Abstract A novel threephase inverter with four bridge legs i s presented inthis paper.The inverter eliminates the neutral forming transforme r by addinga bridge leg to form neutral point to

3、 provide balanced voltages to a ny kindsof threephase loads.Theprincipleof the inverterisanalyzed,and a ne w currentregulator,whichchooses switchingmodes accordingtothemaximumcurrent errorof filterinductance current and the referencecurrentisproposed.The modifiedvoltageregulatoron thebasis ofPI regu

4、latorisproposed to eliminate outputvoltage static error under any load conditions.Keywords:Three-phase Inverters Control strategies1 引言三相逆變器一般是采用三個(gè)橋臂組成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，為了給不對(duì)稱負(fù)載供電，必須在輸出端加 入一個(gè)中點(diǎn)形成變壓器 (Neutral Formed Transformer， NFT)，如圖 1 所示。中點(diǎn)形成變壓器 是變比為 1 的自耦變壓器，工作頻率為輸出交流電的頻率，體積和重量很大，而且體積和重 量隨著負(fù)載不對(duì)稱的程度變化而變化，不對(duì)稱

5、度越大， NFT的體積重量也就越大。圖1帶 NFT的三相逆變器Fig.1Three-phase inverter with NFT為了省去中點(diǎn)形成變壓器，減小逆變器的體積和重量，可以在圖1 所示的逆變器的基礎(chǔ)上加入一個(gè)橋臂來構(gòu)成中點(diǎn)，將三相輸出的公共點(diǎn)( 即中點(diǎn) ) 接在該橋臂上，從而構(gòu)成四橋臂三相逆變器，如圖 2 所示。圖 2四橋臂三相逆變器Fig.2Three-phase inverter with four legs2 逆變器的開關(guān)模態(tài)分析從圖 2 可以看出，每個(gè)橋臂有兩種開關(guān)方式，即上管導(dǎo)通，下管關(guān)斷，定義為ui =1或 v=1 ；或者下管導(dǎo)通，上管關(guān)斷，定義為 ui =0 或 v=0

6、。那么由四個(gè)橋臂組成的逆變器有 24=16 種開關(guān)模態(tài)。引入開關(guān)電壓矢量 U=(u1， u2 ，u3，v) ，實(shí)際 上 (0 ，0，0，0) 和(1 ，1，1，1) 兩個(gè)開關(guān)模態(tài)是一樣的。在這兩種開關(guān)模態(tài)下，三相電路均處于自由續(xù)流狀態(tài)，故四橋臂逆變器有15 種有效的開關(guān)模態(tài)。從圖 2 中可以看出，四橋臂三相逆變器相當(dāng)于三個(gè)單相逆變器的組合，VT1、 VT2、VT7 、VT8 構(gòu)成 A 相逆變器， VT3、VT4、VT7、VT8 構(gòu)成 B 相逆變器， VT5、 VT6、 VT 7、VT8 構(gòu)成 C 相逆變器，三相逆變器共用了由 VT7 、VT8 組成的橋臂。從文獻(xiàn) 1中 我們知道，單相逆變器存在

7、三種開關(guān)模態(tài)，即式中i=1 ，2，3，分別代表 A 相、 B相和 C 相如果三個(gè)獨(dú)立的單相逆變器組成三相逆變器， 那么三相開關(guān)模態(tài) (M1，M2，M3) 有 3 3=27 種。由于四橋臂三相逆變器省去了兩個(gè)橋臂，因而它對(duì)三相輸出電流的激勵(lì)要相互牽制，不能同時(shí)存在相反方向的激勵(lì)，下列 12 種開關(guān)模態(tài)不存在： (0 ，1，-1) ，(0 ，-1 ， 1) ，(1 ，0，-1) ，(-1 ，0，1) ，(1 ，-1 ，0) ，(-1 ，1，0) ，(1 ，-1 ，1) ，(-1 ，1， 1) ， (1 ，1，-1) ，(-1 ， -1 ，1) ，(-1 ，1，-1) ，(1 ，-1 ， -1) 。

8、也就是說只存在 27-1 2=15 種開關(guān)模態(tài)，這 與前面采用開關(guān)電壓矢量 U=(u1，u2， u3，v) 分析的 15 種開關(guān) 模態(tài)是相互吻合的。表 1 中列出了四橋臂三相 RDCLI的 15 種存在的開關(guān)模態(tài)及對(duì)應(yīng)的器件開關(guān)情況。表 1逆變器開關(guān)模態(tài)及對(duì)應(yīng)的器件開關(guān)情況Tab.1Switching modes and on/off of the corresponding switches三相開關(guān)模態(tài)對(duì)應(yīng)的器件開關(guān)情況A 相 (M1)B 相(M2)C 相(M3) u1u2u3v00000001111001001000-11101010010001101100-1010110-1-11001

9、1001000101101011011001111110-1000111-10-10101-1-100011-1-1-10001表 1 中所列的 15 種開關(guān)模態(tài)，如果某相的開關(guān)模態(tài)M 是 1，則該相所加的是正向輸入電壓 +V ，相電流是增加的；反之，假如某相的開關(guān)模態(tài)iM 是-1 ，則該相所 加的ini是反向輸入電壓 -Vin ，相電流是減小的；而某相的開關(guān)模態(tài) Mi 如果是 0 ，該相就處于自然續(xù)流狀態(tài)，電流增加或減小的趨勢(shì)較小。3 最大誤差電流調(diào)節(jié)器在單相逆變器中，我們可以選用滯環(huán)電流脈沖調(diào)制器(Hysteresis Current PulseModulato r ，HCPM)，它是一個(gè)

10、有滯環(huán)的三態(tài)調(diào)節(jié)器 1 ，如圖 3 所示。該調(diào)節(jié)器周期性地對(duì)濾 波電感電流 i Lf 和電流給定信號(hào) i *Lf 進(jìn)行采樣和保持 (Sample/Hold， S/H) 。在每個(gè)采樣點(diǎn)上， 如果 i f 與 i* Lf之間的誤差小于 -h(h 為滯環(huán) ) ，HCPM把輸入電壓 V 正向Lin加到濾波器兩端，即 +1(+Vin ) ， 使濾波電感電流增大； 如果 i Lf 與 i * Lf 之間的誤差大于 h，HCPM把 Vin 反向加到濾波器兩端，即 -1(-V in ) ，使濾波電感電流減?。患?如 i Lf 與 i *Lf 之間的誤差的絕對(duì)值小于 h，就讓濾波器兩端短路，即使逆變器處于自然續(xù)

11、流狀態(tài)。圖 3 HCPM的控制框圖Fig.3Block diagram of HCPM在四橋臂三相逆變器中，可以采用三個(gè) HCPM來分別控制三相逆變器，但是必須處理好不存在 的 12 種開關(guān)模態(tài)。如果出現(xiàn) +1、 -1 共存的模態(tài)，就要把這些不存在的開關(guān)模態(tài)轉(zhuǎn)換到存在的 15 種開關(guān)模態(tài)中去，是以 +1，或者以 0，還是以 -1 為基準(zhǔn)來選擇開關(guān)模態(tài)呢 ?關(guān)鍵是抓主要矛盾。在采樣點(diǎn)上，計(jì)算出各相濾波電感電流與對(duì)應(yīng)相的電流給定信號(hào)的誤差絕對(duì)值，以電流誤差絕對(duì)值最大的那相為基準(zhǔn)，即一旦出現(xiàn)12 種開關(guān)模態(tài)中的一個(gè)，就以電流誤差絕對(duì)值最大的那相的開關(guān)模態(tài)為基準(zhǔn)，其他相的開關(guān)模態(tài)如果與基準(zhǔn)相的一樣，

12、就取該開關(guān)模態(tài)， 如 果不一樣，就讓它選擇自然續(xù)流狀態(tài)，即 0 模態(tài)。這就是“最大誤差電流調(diào)節(jié)方案” (Maximu m Error CurrentRegulator,MECR) 。例如， 在某一采樣點(diǎn)上， HCPM決定下一開關(guān)周期中逆變器的開關(guān)模態(tài)是 (-1 ，-1 ，1) ， A 相此時(shí)的電流誤差絕對(duì)值最大，根據(jù)最大誤差電流調(diào)節(jié)方案， A 相選 -1 模態(tài)， B 相也選 -1 模態(tài)，而 C相應(yīng)該選擇 0 模態(tài)。圖 4 是最大誤差電流調(diào)節(jié)器的原理框圖。4 電壓調(diào)節(jié)器為了提高變換器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，一般采用雙閉環(huán)控制，電流調(diào)節(jié)器是內(nèi)閉環(huán)，電壓調(diào)節(jié)器是外閉環(huán)。目前電壓外環(huán)普遍采用PI 調(diào)節(jié)器，對(duì)于

13、直流變換器來說， PI調(diào)節(jié)器是無差調(diào)節(jié)，但是對(duì)于交流逆變器，在負(fù)載變化時(shí)，其輸出 電壓是變化的，也就是說，輸出電壓是有靜差的。為了消除由于負(fù)載變化等原因引起的電壓靜差，文獻(xiàn) 2提出了一種基于 PI 調(diào)節(jié)器 進(jìn)的電壓調(diào)節(jié)器，它是在 PI 調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上，加入一個(gè)負(fù)載電流正反饋信號(hào) i of 和一個(gè)電壓給定信號(hào)的微分支路。 負(fù)載電流正反饋信號(hào)與 PI 調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào) i r 以及 電壓給定信號(hào)的微分信號(hào)相加， 作為電流調(diào)節(jié)器的電流給定信號(hào)。我們稱這種電壓調(diào)節(jié)方案為負(fù)載電流前饋電壓調(diào)節(jié)器， 圖 5 是它的控制框圖。圖 4最大誤差電流調(diào)節(jié)器的原理框圖Fig.4Block diagram of the

14、 maximum error current regulator圖 5負(fù)載電流前饋電壓調(diào)節(jié)器控制框圖Fig.5Blockingdiagram of the load currentfeed-forwardvoltageregulator利用自動(dòng)控制理論分析可得，負(fù)載電流前饋電壓調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)特性與負(fù)載無關(guān)，無論負(fù)載如何變化，輸出電壓都等于電壓給定，而PI 調(diào)節(jié)器則沒有這種調(diào)節(jié)特性。5 仿真結(jié)果及分析圖 6 是采用最大誤差電流調(diào)節(jié)器和負(fù)載電流前饋電壓調(diào)節(jié)器，四橋臂三相逆變器的仿真結(jié)果 。圖 6a 為三相對(duì)稱阻性負(fù)載； 圖 6b 是三相不對(duì)稱負(fù)載， A 相是阻性滿載， B 相是感性負(fù)載，功率因數(shù)為

15、0.75 ，C相是空載。輸出為 115V/400Hz 的三相交流電。表 2 列出了系統(tǒng)參數(shù)相同， 電壓外環(huán)不對(duì)稱負(fù)載的仿真結(jié)果。圖 6仿真結(jié)果Fig.6Simulational results從表 2 中可以看出，負(fù)載電流前饋電壓調(diào)節(jié)器所得到的外特性很好，無論什么性質(zhì)的負(fù)載， 均能得到三相對(duì)稱的輸出電壓，輸出電壓的 THD低于 2%。從圖 6 中可以明顯看出，這種新型的電源系統(tǒng)在各種極端條件下，均具有良好的動(dòng)態(tài)特性。四橋臂三相逆變器實(shí)現(xiàn)了三相電壓的解耦控制，各相電壓均獨(dú)立進(jìn)行調(diào)節(jié)。在三相三橋臂逆 變器中，三相電壓是相互耦合的，為了對(duì)三相電壓進(jìn)行解耦控制，需要加入解耦電路。四橋臂三相逆變器控制簡(jiǎn)

16、單，性能優(yōu)于三橋臂逆變器。表 2不同電壓調(diào)壓器的仿真結(jié)果Tab.2Simulated results under different voltage waveforms負(fù)載電流前饋電壓調(diào)節(jié)PI 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器器A 相B 相C相A 相B 相C 相功率1kW1kVA01kW1kVA0功率因數(shù)1.00.751.00.75輸出相電壓 /V115.28115.48115.0299.23107.25119 .29輸出相電壓的 THD(%)1.371.841.651.451.882 .05濾波電感電流 /A12.666.684.4510.306.284.61濾波電感電流的3.497.5513.913.578.

17、1214.70THD(%)負(fù)載電流 /A13.2913.340.09.8511.500.0注：電流均指有效值，電壓均指基波值。6 結(jié)論(1) 四橋臂三相逆變器省去了三橋臂逆變器中必需的中點(diǎn)形成變壓器， 大大減小了電源的體 積的重量。(2) 最大誤差電流調(diào)節(jié)器是正確可行的，實(shí)現(xiàn)電路簡(jiǎn)單。(3) 負(fù)載電流前饋電壓調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為常數(shù)，在任何負(fù)載下，輸出電壓均只與電壓給定 信號(hào)有關(guān)，不存在輸出電壓靜壓。(4) 實(shí)現(xiàn)了三相電壓的解耦控制，三相電壓都實(shí)行單獨(dú)調(diào)節(jié)，調(diào)了簡(jiǎn)單可靠。(5) 整個(gè)逆變器系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能。阮新波 男，1970 年生， 1996 年在南京航空航天大學(xué)獲博士學(xué)位，現(xiàn)為該 校副教授，主要研究方向?yàn)楦哳l軟開關(guān)直 - 直變換器，高頻軟開關(guān)逆變器以及變換器的建模 分析，在國(guó)內(nèi)外發(fā)表論文 20 余篇，出版專著 2 部。嚴(yán)仰光 男，1935 年生，南京航空航天大學(xué)電力電子教研室教授，博士生 導(dǎo)師，主要從事電力電子變換器技術(shù)和航空電源