弟４Ｏ巷弟１，３捌 ’ ／Ｊ’ Ｊ ｐ ｌ、 ２０１２年６月 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｊｕｎｅ ２０１２ 三相四桥臂逆变器控制方法研究 董 钺 （国家海洋技术中心，天津３００１１２） 摘要：在边远海岛建设的海洋能独立电站通常采用逆变器为用户供电，由于生活用电多为单相负载或非线性 负载，因此采用四桥臂逆变器，可灵活、高效地为不对称负载及非线性负载提供三相对称电压。对三相四桥臂 逆变器的数学模型及控制方法进行研究．针对常见方法中存在的问题，提出将逆变器各交流变量分别进行正 负序ｄ，ｑ，０变换，由前三桥臂调节输出电压正负序分量，由第四桥臂调节输出电压零序分量的控制方法，并在 不同类型负载情况下。对该控制方法进行仿真与实验，验证了该方法的有效性。 关键词：逆变器；三相；四桥臂；双闭环控制 中图分类号：ＴＭ４６４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—１００Ｘ（２０１２）０６—００１６—０３ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｔｈｒｅｅ・－ｐｈａｓｅ Ｆｏｕｒ・－ｌｅｇ Ｉｎｖｅｒｔｅｒ ＤＯＮＧ Ｙｕｅ （Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｏｃｅａｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３００１１２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍａｒｉｎｅ ｅｎｅｒｇｙ ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｐｏｗｅｒ ｓｔａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｒｅｍｏｔｅ ｉｓｌａｎｄ ｓｕｐｐｌｉｅｓ ｐｏｗｅｒ ｆｏｒ ｃｕｓｔｏｍｅｒｓ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｉｎ— ｖｅｒｔｅｒ．Ｍｏｓｔ ｏｆ ｄａｉｌｙ ｌｏａｄｓ ａｒｅ ｓｉｎｇｌｅ－ｐｈａｓｅ ａｎｄ ｎｏｎ—ｌｉｎｅａｒ ｌｏａｄｓ，ＳＯ ｆｏｕｒ—ｌｅｇ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｉｓ ａｂｌｅ ｔｏ ｓｕｐｐｌｙ ｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ ｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ ｖｏｌｔａｇｅ ｆｏｒ ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ ａｎｄ ｎｏｎ－ｌｉｎｅａｒ ｌｏａｄｓ ｆｌｅ￣ｂｆｌｙ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｓｔｕｄｉｅｓ ｔｈｅ ｍａｔｈｍａｔｉｅａｌ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｔｈｒｅｅ．ｐｈａｓｅ ｆｏｕｒ—ｌｅｇ ｉｎｖｅｒｔｅｒ．Ａｉｍｅｄ ａｔ ｔｈｅ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｆ ｔｗｏ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ＵＳＵａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄｓ，ｔｈｉｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｉｎ ｗｈｉｃｈ ＡＣ ｖａｒｉａｂｌｅｓ ｏｆ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ａｒｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｄ ｔｏ ｐｏｓｉｔｉｖｅ ａｎｄ ｎｅｇａｔｉｖｅ ｄ，ｑ，０ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｌａｍｅｓ ｓｅｐｅｒａｔｅｌｙ，ｐｏｓｔｉｖｅ ａｎｄ ｎｅｇａｔｉｖｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ａｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｂｙ ｆｒｏｎｔ ｔｈｒｅｅ ｌｅｇｓ ｏｆ ｉｎｖｅｒｔｅｒ，ａｎｄ ｚｅｒｏ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｉｓ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｆｏｕｒｔｈ ｌｅｇ．ｈｉＴｓ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ｅｘａｍｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｌｏａｄ ＳＯ ｔｈａｔ ｉｔｓ ａｖａｉｌａｂｌｉｔｙ ｉｓ ｖａｌｉｄａｔｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｖｅｒｔｅｒ；ｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅ；ｆｏｕｒ—ｌｅｇ；ｄｏｕｂｌｅ—ｃｌｏｓｅ・ｌｏｏｐ ｃｏｎｔｒｏｌ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ Ｐｒｏｊｅｃｔ：Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｋｅｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｏｃｅａｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ Ｅｘｐｌｏｉｔａｔｉｏｎ（Ｎｏ．２００８ＢＡＡ１５Ｂ０２） １ 引 言 由于海岛生活用电多为单相负载或非线性负 载，而生产用电一般为三相对称的电动机负载，因 此需要逆变器输出形式为三相四线制．且要在负 载不对称的情况下输出三相对称电压。目前通常 为克服上述３种方法的缺点．可采用三相四 桥臂逆变器，既可保证输出电压质量，又具有体积 小、电压利用率高、结构较为简单等特点。 由于存在第四桥臂。使得逆变器的解耦与空 间矢量调制方法较为复杂［１】。此处在对四桥臂逆变 器的数学模型进行研究的基础上。提出在正负序 旋转坐标系下对输出电压、电感电流进行分解，由 前三桥臂对输出电压的正负序分量进行调节。由 第四桥臂对输出电压的零序分量进行调节的控制 方法，并且为保证动态性能，采用正、负、零序电 采用３种方法为负载提供三相四线制电压：①三相 三桥臂逆变器输出端接变压器。变压器次级采用 Ｙ０接法为负载提供零线；②采用分裂电容中点箝 位式三桥臂逆变器；③采用三单相逆变器，三相独 立控制，避免了输出电压不对称问题，但需直接对 正弦量进行控制，且所用电力电子器件较多．体积 较大，成本较高。 压、电流的双闭环控制。最后，在不同负载情况下， 通过仿真与实验对该方法的有效性进行了验证。 ２ 四桥臂逆变器数学模型 基金项目：国家科技支撑计划课题一海洋能开发利用关键 三相四桥臂逆变器拓扑结构如图１所示，零 线电感不应为零［２－３】。 在图１中假定各电感值 ＝ ＝Ｌ。＝ ＝ ，且以 直流中点作为电压零点。可得四桥臂逆变器平均 值模型为： 技术研究与示范（２００８ＢＡＡ１５Ｂ０２） 定稿日期：２０１１—１２—１２ 作者简介：董 钺（１９８１一），男，天津南开人，博士，工程 师，研究方向为电力电子与分布式发电、微型电网技术。 】６ 三相四桥臂逆变器控制方法研究 褂 憾 ｃ （２） 图１ 四桥臂逆变器拓扑结构 Ｆｉｇ．１ Ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｆｏｕｒ—ｌｅｇ ｉｎｖｅｒｔｅｒ 由于逆变器控制目标即为在负载不对称情况 下，达到稳态后输出电压［ ＵＢ。／ＺＣｏ］ 中只有正序 分量，因此，由式（２）可知，电容电流中也只有正 序分量。而负序分量与零序分量直接由滤波电感 流向负载。 由于采用常见的两种控制第四桥臂功率开关 的控制方法未能使第四桥臂完全补偿零序电压， 前三桥臂电压中仍含有零序分量。为实现零序分 量完全由第四桥臂进行控制，则应在稳态情况下， 使第四桥臂电压除补偿零线电感压降外，还需补 偿三相线电感的零序电流的压降，即： 一÷ 一 一号 （３） 将式（３）代入式（１），并将３个分式相加，可 得：ｕ ＋Ｍｂ＋ｕ。＝“＾Ｄ＋ＭＢＤ＋ｎｃ。。在稳态情况下，ｕ ＋ｕｂ＋ ＝ ０，即前三桥臂电压中仅包含正负序分量，不包含 零序分量。采用此种控制方式，即可使第四桥臂只 控制零序分量，而前三桥臂只控制正负序分量。 对逆变器各交流变量进行正负序ｄ，ｑ，０变 换，在正序ｄ，ｑ坐标系（逆时针旋转）下，正序分量 为直流量，负序分量为２次谐波分量；在负序ｄ，ｑ坐 标系（顺时针旋转）下，负序分量为直流量，正序分 量为２次谐波分量。故可在正负序旋转坐标系下， 滤除直流分量后．对正负序分量分别进行控制。 以ｄ轴与ａ轴重合处为起始时刻，则正序变 换矩阵为： ＾『ｌ －ｓｉｎｔｏｔ ｓｉｎ（ｔｏｔ一２订／３） ｓｉｎ（ｏＪｔ＋２ａｘ／３）］ｌ ＝ ｊ【｝ＪＩ －—ｃ１ｏ１ｓ２ｔ ｏｔ—ｃｏｓ（ｔｏ１ｔ１－２２ ａｒ／３）一ｃｏｓ（ｔｏ１ｔ／＋２２ ｊ＂Ｍ３）ｌｌ （４） 将正序变换矩阵中的 变为一∞，即为负序变 ｊ【Ｉ －１／２ １１２ １／２ ｊｌ 将式（１），（２）中三相值分别通过 做正序ｄ， 憾］＝［ １（６） ｃ ］㈩ 由式（６），（７）可见，ｄ，ｑ轴电压、电流分量间均 ３ 四桥臂逆变器的控制方法 综上所述。在正负序旋转坐标系下，分别设计 输出电压、电感电流控制器对正负序分量进行控 制．作为前三桥臂的控制信号；设计零序控制器对 零序分量进行控制，作为第四桥臂的控制信号。 ３．１正负序控制器 正序控制器ｄ。ｑ分量给定值的矢量和的幅值 即为输出电压幅值，而分别改变ｄ，ｑ分量即可改 变三相输出电压的初始相位。由于不希望输出电 压中有负序分量，因此，负序控制器中的给定值为 零。由式（６），（７）可知，逆变器的正、负序部分均 为二阶系统。而控制对象为输出相电压，因此为保 证动态特性．采用输出电压外环、电感电流内环 （状态反馈）的双闭环控制方法。 对正负序控制器输出的控制信号，分别进行 正负序ｄ，ｑ反变换（通过 ， 的逆矩阵），之后 进行叠加，作为前三桥臂电压信号。 ３．２零序控制器 对于零序分量，由式（６）中零序分式可知，除 在稳态情况下，根据式（３）利用第四桥臂补偿零序 电流压降外，第四桥臂电压Ｕ 还需补偿动态过程 中输出相电压的零序分量Ｕ∞，才能使ｕ０＝Ｏ。因此 为保证动态特性，还应加入输出零序电压控制。 １７ 第４６卷昂６明 电 巴．丁仅个 ２０１２年６月 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｊｕｎｅ ２０１２ 由式（３）可知，需引入零序电流的负微分。对 于稳态值，负微分在相位上相当于积分，因此对零 序电流进行ＰＩ控制即可，比例部分正好补偿零序 电流在线路上产生的电阻压降，积分系数为 ／ ３；为保证快速性，对输出电压零序分量进行比例 控制，二者叠加作为第四桥臂控制信号，如图２所 示。图３示出三相四桥臂逆变器总体控制结构。 厂母— ＝ ＝ 电流 Ｌ—————————————————一零序电压 图２第四桥臂控制结构 Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆｏｕｒｔｈ—ｌｅｇ — 麋 ． ＿ｌｆａｂｃ 旦ｒ］ ｌ— 。 载波或空间矢量调制 一ｓ ｂ。ｆ Ｐ 图３ 四桥臂逆变器控制结构 Ｆｉｇ．３ Ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ ｆｏｕｒ—ｌｅｇ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ３．３ 调制方式 与三相三桥臂逆变器相比，四桥臂逆变器对 相电压的控制信号由【 ｂ 。】 变为［ｕ 一 Ｕｂ－Ｕｆ 。一 Ｕｆ］Ｔ。而三桥臂逆变器空间矢量调制方式比载波调 制方式直流电压利用率高的原因在于空间矢量调 制方式下的等效调制波为正弦波叠加３次锯齿 波，即相电压控制信号中含有零序分量。而采用上 述控制方法的四桥臂逆变器，当负载电流有零序 分量时， 即为零序电流压降，因此，相电压控制 信号【 一 Ｕｂ－Ｕ Ｕｃ－嘶］ 亦为正弦波与零序分量 的叠加，负载零序分量越大，直流电压利用率越 高；同时四桥臂逆变器的开关矢量为１６个，扇区 的划分较为复杂，因此，采用载波调制方式。 ４仿真及实验结果 ４．１仿真结果 下面采用ＰＳＩＭ软件对前述四桥臂逆变器控 制方法进行仿真，参数中直流电压为７６０ Ｖ，开关 （载波）频率为２０ ｋＨｚ，滤波电容为１００ ，滤波 电感为１ ｍＨ，输出电压频率为５０ Ｈｚ，输出电压有 效值为２２０ Ｖ，正序电压环ｄ轴参考输入为３１１， 正序电压环ｇ轴参考输入为０；ｄ，ｇ轴正序电压环 比例系数分别为１０和１；ｄ，ｑ轴负序电压环比例 】８ 系数皆为１；ｄ，ｑ轴正、负序电压环积分系数皆为 １；ｄ，ｑ轴正、负序电流环比例系数为０．８；ｄ，ｑ轴 正、负序电流环积分系数为０．０１；零序电压环比例 系数为２００，零序电流环积分系数为１３２，零序电 流环比例系数为０．２５。 图４ａ为三相不对称阻性负载情况下的逆变 器输出相电压和负载电流波形，三相电阻分别为 １００ Ｑ．２０ Ｑ和４ Ｑ；图４ｂ为三相不对称感性、容 性、阻性负载情况下的输出相电压和负载电流波 形。其中，Ａ相负载为１ Ｑ电阻串联１５ ｍＨ电感， Ｂ相负载为５ Ｑ电阻串联７５０ ｉｘＦ电容，Ｃ相负载 为３０ Ｑ电阻；图４ｃ为两相断路、单相阻性负载情 况下的逆变器输出相电压、负载电流波形。其中电 阻为５ Ｑ。接在Ｂ相。 ／ ＼／／、咎 、 麓 ｉｉ ｉ ｉ！ ｊ、＼｛ 义 义 义义 义 ．设 、 ｝ —ｉ＾■ Ｙ一｜、＾ ÷ ｎｌ … ＋＋ Ｊ ＤＣ／ＤＣ变换器模糊控制和ＰＩＤ控制比较研究 时．变换器从启动到进入稳态采用ＰＩＤ控制器时 约需２４ ｍ８．而采用模糊控制器时缩短到１８ ｍｓ。 图６示出Ｂｏｏｓｔ变换器在额定运行情况下负 载突变时输出电压的变化过程。图６ａ示出负载从 ０．３ Ａ突加到１ Ａ时情况。可见。采用ＰＩＤ控制器 ５ 结 论 此处基于Ｂｏｏｓｔ变换器平台．详细介绍了传 统线性ＰＩＤ控制器和模糊控制器的设计及实现． 并对其设计所考虑的侧重点进行了详细的对比 时需要较长的恢复时间，约３０ ｍｓ，而采用模糊控 制器恢复时间只需１０ ｍｓ；图６ｂ为负载从１ Ａ突 分析。为更好地了解两种控制器，分别将两种控 制器引入到Ｂｏｏｓｔ变换器中。对其控制性能进行 了实验对比。结果显示，模糊控制器相比ＰＩＤ控 制器更能适应变换器工作点的变化，具有更好的 动态控制性能。 卸到０．３ Ａ，变换器分别采用两种控制器时输出 电压的变化。可见，采用ＰＩＤ控制器时输出电压出 现振荡，且恢复稳态运行时间长于采用模糊控制 器时的情况。可知，模糊控制器相比传统的线性 ＰＩＤ控制器更能适应变换器输入电压和输出负载 变化。即工作点的变化，具有更好的动态控制效果。 模糊控｛ 棋猢掘 币 ｌ ：参考文献 【１】王国玉，韩璞，王东风，等．ＰＦＣ．ＰＩＤ串级控制在主 汽温控制系统中的应用研究…．中国电机工程学报， ２００２，２２（１２）：５０－５５． 【２］邓卫华，张波，丘东元，等．电流连续型Ｂｏｏｓｔ变换 Ｙ 器状态反馈精确线性化与非线性ＰＩＤ控制研究［Ｊ］．中 国电机工程学报，２００４，２４（８）：４５—５０． ［３】Ｚｂｉｇｎｉｅｗ Ｌｕｂｏｓｎｙ，Ｊａｎｕｓｚ Ｗ．Ｂｉａｌｅｋ．Ｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ａ Ｗｉｎｄ Ｆａｒｍ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｉｌ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ，２００７， ２２（３）：９８５－９９４． ｌ＇ ＩＤ‘控 制 、 ｐＩＤ控 制 ｔ／（２０ ｍｓ／格）（ａ）突加负载情况 ｔ／（２０ ｍｓ／格） （ｂ）突卸负载情况 图６两种控制方式下负载变化过程 Ｆｉｇ．６ Ｔｈｅ ｌｏａｄ ｃｈａｎｇｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｕｎｄｅｒ ｔｗｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｏｄｅ ［４】施三保，夏泽中．ＤＣ／ＤＣ变换器的模糊自适应ＰＩＤ控制 仿真研究［Ｊ］．武汉理工大学学报，２００６，２８（８）：２０—２３． （上接第１８页） ４．２实验结果 各交流变量分别进行正负序ｄ．ｑ变换，由前三桥 臂对输出电压正负序分量进行控制，第四桥臂对 输出电压零序分量进行控制的方法，以使逆变器 在不对称负载及非线性负载的情况下，输出三相 在实验平台上验证该控制方法的动态性能。 实验参数与仿真参数相同，其中零序电压环、电流 环比例系数分别调整为２４，１．６。微处理器采用 ＴＭＳ３２０ＬＦ２８１２型ＤＳＰ．采用连续增／减计数模式， 周期匹配时采样数据．在后半周期内进行数据处 理．并将计算出的控制信号转换为比较寄存器的 值．在定时器计数值为零时将其载入，形成下一周 期ＰＷＭ输出。开始时三相负载对称运行，三相电阻 对称电压。由仿真及实验结果可知，该控制方法原 理清晰．负载适应性强，对于不同类型的不对称负 载、非线性负载都体现出很好的动、稳态性能。尽 管提出的控制方法较为复杂。需进行６次坐标变 换。但采用ＴＭＳ３２０ＬＦ２８１２型（定点）或２８３３５型 （浮点）ＤＳＰ，完全可在要求的开关频率（２０ ｋＨｚ）下 完成运算。 皆为５ Ｑ，在某一时刻，Ａ相电阻突变至１５ Ｑ，在此 过程中的输出电压、负载电流波形如图６所示。 参考文献 ［１１】 Ｒｙａｎ Ｍ Ｊ，Ｄｅ Ｄｏｎｃｋｅｒ Ｒ Ｗ，Ｌｏｒｅｎｚ Ｒ Ｄ．Ｄｅｃｏｕｐｌｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ａ Ｆｏｕｒ－・ｌｅｇ Ｉｎｖｅｒｔｅｒ Ｖｉａ ａ Ｎｅｗ ４ｘ４ Ｔｒａｎｓｆｏｒ－・ ｔ／（２０ ｍｓ／格）（ａ）输出电压波形 ｔ／（２０ ｍｓ／格） （ｂ）负载电流波形 ｍａｔｉｏｎ Ｍａｔｒｉｘ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２００１， １６（５）：６９４－７０１． 图６实验波形 Ｆｉｇ．６ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｗａｖｅｆｏｒｍｓ 【２】刘秀种，张化光，陈宏志．四桥臂逆变器中第四桥臂的 控制策略［Ｊ］．中国电机工程学报，２００７，２７（１１）：８７—９２． ５结 论 在对四桥臂逆变器数学模型进行分析的基础 上，针对两种常见方法存在的问题，提出对逆变器 ［３】陈新，龚春英，郦鸣，等．应用于三相变换器的三 维空间矢量调制【Ｊ】．南京航天航空大学学报，２００２， ３４（２）：１４８—１５３．
