一种三相四桥臂逆变器的新型控制方案是什么

摘 要：针对在不平衡或非线性负载条件下，普通的三相三桥臂逆变器无法产生三相对称电压，基于Simulink仿真平台，提出了三相四桥臂逆变器的新型闭环控制设计方案。此方案逆变器的前三桥臂采用空间矢量脉宽调制(SVPWM)，第四桥臂采用跟踪前三相电流信号的电流滞环调制(CHBM)，相对于传统的四桥臂一体化的SVPWM调制，控制系统设计简单，易于分析。仿真结果表明：与普通逆变器相比，采用本文控制方案的四桥臂逆变器输出的波形更加平滑，不仅增强了系统带不平衡负载的能力，而且改善了逆变系统的效率和总谐波失真(THD)。

TM464

A

10.16157/j.issn.0258-7998.171996

中文引用格式：孙灵芳，李知远，纪慧超. 一种三相四桥臂逆变器的新型控制方案[J].电子技术应用，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.

0 引言

随着电力电子技术的不断发展，逆变器广泛应用于电力电子设备当中，而传统的逆变器在不平衡负载或非线性负载条件下会产生不平衡的三相电压。为了解决这个问题，许多学者提出了一系列拓扑结构，如模块化三相逆变器、带中间变压器的三相逆变器、分电容逆变器和三相四桥臂逆变器。其中，三相四桥臂逆变器能够在非线性负载条件下输出三相对称电压，其第四桥臂直接控制中性点电流，具有控制简单，电压利用率高，无需大容量电容器等优点，日益受到了人们的青睐^[1-3]，逆变器电路拓扑结构如图1所示。针对传统的正弦脉宽调制（SPWM）方案低效率和高电压谐波等缺点，本文拟提出一种SVPWM调制^[4]和电流滞环调制^[5]相结合的新型闭环控制方案，这种方案完全不同于其他方案，前三桥臂采用空间矢量调制，第四桥臂单独采用电流滞环调制；不仅具备空间矢量调制低开关损耗和低电压总谐波失真的优点，还兼具电流滞环调制快速动态响应、易于数字化实现及鲁棒性强等优点。

1 逆变器控制新方案

逆变器控制新方案如图2所示，逆变器输出电压V_abc与参考电压V_ref进行比较，通过电压外环PI控制器，其输出参考电流与电感电流I_Labc进行比较，通过电流内环PI控制器得到直流电压矢量u_dq，再经过前三桥臂SVPWM调制得到前三桥臂的开关管调制信号；第四桥臂采用跟踪前三相电流信号的电流滞环调制得到其开关管的调制信号。同时，本文采取了锁相环技术，来减小电压谐波畸变对检测负载电压角度θ的影响。

2 前三桥臂调制方案

2.1 前三桥臂的双闭环解耦控制

本文采用负载电压控制策略，外环的电压输出信号被指定为内环电流参考信号，用于控制输出电流，从而改善控制对象，实现稳定的三相逆变输出。为了便于分析，应先建立四桥臂逆变器在abc坐标下的平均电路模型^[6]，如图3所示。

根据电路模型可知

其中u_d，u_q，i_Ld，i_Lq，d_d，d_q是同步坐标系中的输出电压、电感电流和占空比。相对于传统的四桥臂一体化的SVPWM调制，新方案使控制信号模型由三维空间分布变为二维空间分布，这有利于控制方案的算法简化。为了使PI调节器更加稳定，需设计解耦控制器消除式中的耦合分量，由式(4)变换得：

在式(7)中，d轴负载电流I_Ld的微分方程中不包含q轴分量，对于q轴负载电流I_Lq，也同样实现了解耦控制。又由式(6)可知，直流电压矢量u_dq再经过dq/αβ转换将得到内循环的输出，最终通过SVPWM调制获得前三桥臂开关管的切换状态信号。

2.2 前三桥臂SVPWM调制

为了实现前三桥臂SVPWM实时调制，应该清楚参考电压矢量U_ref扇区所在方位^[7]，U_ref以转角频率ω逆时针旋转，其电压空间矢量如图4所示。

当确定U_ref的扇区时，需要计算扇区边界上的两个标准向量和无效零向量的作用时间^[8]。全部扇区的作用时间t₁、t₂如表1所示。

基于表1所得的各扇区基本矢量作用时间t₁、t₂，使用七段SVPWM调制^[9]得到所需的脉冲宽度调制波形。

3 第四桥臂电流滞环调制方案

电流跟踪调制^[10]是第四桥臂调制方案的关键，电流跟踪调制通常采用电流滞环调制。电流滞环调制是一种动态响应迅速、模型设计简单、调制精度高且具有良好鲁棒性的调制方式；所以第四桥臂采用电流滞环调制方案。由平均电路模型推导得：

式中V_z为负载零序电压。

由式(8)可以得出，只需要控制电流i_Ln，使其能满足i_Ln=-(i_La+i_Lb+i_Lc)，便可以校正零序电压失真，由此提出如图5所示的第四桥臂电流跟踪调制方案。

通过电流滞环调制方案使每个电流调制器直接产生开关信号，以此来调制由S₇、S₈开关管构成的第四开关桥臂。

4 实验仿真

为了验证新方案的正确性，对其进行了Simulink仿真分析，实验参数：逆变器前级频率10 kHz，滤波电感5 mH，滤波电容10 μF；逆变器输出电压频率50 Hz，额定电压220 V，额定功率6 kW；滞环环宽ΔI设定为0.3 A。实际应用中的不平衡负载一般指阻抗不平衡，由此设定A、B和C三相的负载分别为额定负载20 Ω、额定负载20 Ω和不平衡负载40 Ω。

实验结果表明，在不平衡负载的条件下，普通的三相三桥臂逆变器输出的三相电压正弦波形明显不平衡，其逆变器的电压波形和电流波形如图6所示。在相同条件下，采用了新控制方案的三相四桥臂逆变器输出了三相对称正弦电压，其电压波形和电流波形如图7所示，C相峰值电流为A、B两相峰值电流的1/2，各相峰值电压为A相220.59 V、B相220.61 V、C相220.96 V，电压偏差均小于0.5 V；电压畸变率(THD)均小于5%。

图8(a)是前三桥臂调制信号波形，波形为鞍马波，还包含了电感电流反馈的锯齿波；第四桥臂调制方案能够有效消除零序电压，其调制信号波形如图8(b)所示。

逆变器输出电压谐波分析结果如图9所示，据图9可知，在不平衡负载条件下，采用新控制方案的三相四桥臂逆变器输出电压的总谐波失真仅为3.31％，而普通逆变器输出电压的总谐波失真高达18.79％。结果表明，本文提出的逆变器控制方案减小了逆变系统的电压总谐波失真。

5 结论

本文提出了一种三相四桥臂逆变器前三桥臂SVPWM调制和第四桥臂电流滞环调制相结合的新型控制方案，并实现了逆变器的双闭环解耦控制，控制算法相对简单，实际计算量小；在不平衡负载条件下，采用新控制方案的四桥臂逆变器输出的三相电压波形更接近正弦波，总谐波失真率和谐波分量均显著下降，极大地提高了逆变系统的条件适应性。

参考文献

[1] 孙驰，鲁军勇，马伟明.一种新的三相四桥臂逆变器控制方法[J].电工技术学报，2007，22(2)：57-63.

[2] 费兰玲.不平衡负载下三相四桥臂逆变器的控制与实现[D].武汉：华中科技大学，2011.

[3] 唐成.基于三维空间矢量控制的三相四桥臂逆变器的研究与设计[D].株洲：湖南工业大学，2014.

[4] 赵峰，理文祥，葛莲.基于SVPWM控制的逆变器仿真研究[J].电源技术，2012，36(9)：1386-1389.

[5] 洪乃刚.电力电子电机控制系统仿真技术[M].北京：机械工业出版社，2013：192-194.

[6] LIU C，WANG F，BAI H.High performance controller design with PD feedback inner loop for three-phase four-leg inverter[C]//IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications.IEEE，2009：1057-1061.

[7] 石存玮.逆变器的三相不平衡负载控制方法研究[D].成都：西南交通大学，2014.

[8] 茹心芹，韦徵，王伟，等.微网逆变器不平衡负载控制技术研究[J].电力电子技术，2016，50(7)：40-43.

[9] 吴斌，卫三民.风力发电系统的功率变换与控制[M].北京：机械工业出版社，2012：42-45.

[10] 邵宇，马海啸.一种三角波注入的三相四桥臂逆变器控制策略[J].电测与仪表，2014，51(19)：81-85.

作者信息：

孙灵芳，李知远，纪慧超

（东北电力大学 自动化工程学院，吉林 吉林132012）