一種三相四橋臂逆變器的解耦控制策略

摘要：三相四橋臂逆變器通常采用空間矢量控制策略，但該方法的空間矢量圖抽象，難以理解，控制時需進行坐標變換，且開關矢量帶有根號，所以空間矢量控制方法雖然具有電壓利用率高、控制靈活、效率高等優(yōu)點，但控制較為復雜。研究了一種零序電流注入的PWM控制策略。該控制策略不僅能實現(xiàn)三相四橋臂逆變器的解耦控制，且控制方法簡單，易于理解和實現(xiàn)。與常規(guī)的正弦波調(diào)制方法相比，直流母線電壓利用率得到了提高，且具有很好的帶不平衡負載能力。最后，研制了一臺逆變器原理樣機，通過實驗證明了理論分析的正確性。
關鍵詞：逆變器；解耦控制；脈寬調(diào)制；不平衡負載

1 引言
    與其他三相逆變器相比，三相四橋臂全橋逆變器具有體積小、重量輕、成本低的優(yōu)點，因此具有很好的應用價值。該逆變器控制策略主要有空間矢量控制法和滯環(huán)控制法，其中對空間矢量控制法的研究較為深入。三維空間矢量控制法雖然具有電壓利用率高、控制靈活、效率高等優(yōu)點，但其空間矢量圖抽象，難以理解，控制時需進行坐標變換，且開關矢量帶有根號，控制較為復雜。滯環(huán)控制法的控制思想簡單，易于理解，但該方法用于四橋臂逆變器時，需對各相誤差電流大小進行判斷，從而決定第四橋臂兩開關管的開關狀態(tài)。因此，控制的實時性和精度受到了影響。
    此處研究了一種零序電流注入的PWM控制策略，該控制策略能實現(xiàn)三相四橋臂逆變器的解耦控制，且控制方法簡單，易于理解和實現(xiàn)。與常規(guī)的正弦波調(diào)制方法相比，直流母線電壓利用率得到了提高，且具有很好的帶不平衡負載能力。

2 三相四橋臂逆變器系統(tǒng)模型
    圖1示出三相四橋臂逆變器主電路結(jié)構圖。為便于分析，假設直流電源E分為兩部分，中間點電位為零。4個橋臂的中間點電壓分別為ua，ub，uc，uN，電感電流分別為iLa，iLb，iLc，三相輸出電壓分別為uoa，uob，uoc，輸出電流分別為ioa，iob，ioc。

    三相四橋臂逆變器的狀態(tài)方程為：
   
    三相四橋臂逆變器有8個開關管器件，用Sa，Sb，Sc，SN分別表示每個橋臂的開關函數(shù)。當橋臂上管開通，下管關斷時，定義此橋臂的開關方式為Si=1(i=a，b，c，N)；當橋臂上管關斷，下管開通時，定義Si=0。
    令SaN=Sa-SN，SbN=Sb-SN，ScN=Sc-SN，則橋臂輸出電壓與直流側(cè)輸入電壓之間的關系為：

    由上式可得三相四橋臂逆變器開關周期平均模型等效電路如圖2所示?？梢?，該電路每一相都是獨立的，相互之間不存在耦合關系，若采用的控制方法合適，可將三相四橋臂逆變器分解成3個獨立的單相全橋逆變器，各逆變器輸出電壓相位互差120°。

3 零序電流注入控制策略
    前三橋臂采用瞬時電壓電流雙閉環(huán)控制策略，電壓電流環(huán)均采用PI控制器，由于a，b，c相控制方法相同，以其中任意一相為例進行說明，其控制原理圖如圖3所示。圖中，I／U為電流采樣器，將iL轉(zhuǎn)換成電壓信號uiL；U1為電壓控制器，將輸出采樣電壓uo與參考電壓uuref相比較產(chǎn)生電壓誤差信號uiref，作為電流環(huán)的基準信號；U2為電流控制器，將uiL與uiref相比較得到電流誤差信號uie，并作用于開關控制器，從而將模擬量轉(zhuǎn)換為脈沖量d(t)作用于主功率開關變換器。電流環(huán)是內(nèi)環(huán)，實現(xiàn)電流的自動調(diào)節(jié)，確定系統(tǒng)對輸入電壓的響應；電壓環(huán)是外環(huán)，實現(xiàn)電壓的自動調(diào)節(jié)，確定系統(tǒng)對負載電流的響應。

    第四橋臂采用瞬時電流控制法進行控制，該方法將a．b，c三相的電流給定信號，即uiref進行三相正負半波整流，得到整流后的電流信號包絡線作為第四橋臂電流給定信號，將該電流給定信號與三角波交截產(chǎn)生第四橋臂的控制信號，去控制第四橋臂兩個開關管的導通和關斷。
    采用上述控制方法可實現(xiàn)三相電壓電流解耦的原因是：根據(jù)不對稱分量法，三相逆變器的三相電流可分解為正序、負序和零序分量。如果需要保證在不平衡負載條件下，三相輸出電壓對稱，那么必須保證各相相電流中只存在正序和負序電流而不存在零序電流，即只要利用三相四橋臂逆變器的第四橋臂為三相逆變器的零序電流提供通路，就能實現(xiàn)三相輸出電壓平衡，也能實現(xiàn)三相電壓電流的解耦控制。接下來討論如何得到三相電流中的零序電流：所有3k次諧波(k為自然數(shù))均為零序電流，而三相電流經(jīng)過三相正負半波整流后得到的電流包絡線，也正好含有3k次諧波，可見三相電流經(jīng)正負半波整流后得到的包絡線實際上就是三相電流中的零序電流。

4 控制策略對直流電壓利用率的影響
    將第四橋臂的電流給定信號取出，分別加到a，b，c三相電壓環(huán)的輸出端。由于第四橋臂電流為零序電流，其含量最多的是3次諧波，因此也可以理解為在a，b，c三相的調(diào)制信號中加入了3次諧波。采用3次諧波注入的正弦波調(diào)制時，正弦基波的幅值被削低。同樣在調(diào)制度為1的情況下，調(diào)制波中含有更大的基波幅值，根據(jù)控制原理，輸出信號是跟隨給定信號的，既然給定信號中調(diào)制波基波幅值增大，那么逆變器輸出端產(chǎn)生的基波幅值也隨之增大，從而提高了逆變器的直流母線電壓利用率。3次諧波注入的正弦波調(diào)制與常規(guī)的正弦波調(diào)制相比，直流電壓利用率提高了13．4％。

5 實驗
    研制了一臺采用零序電流注入法控制的三相四橋臂逆變器原理樣機，設計參數(shù)為：E=290 V，交流輸出電壓115 V，輸出電壓頻率400 Hz，La=Lb=Lc=240μH，Ca=Cb=Cc=14μF，額定負載6 kVA，每相2 kVA。實驗波形如圖4所示。

    圖4分別為原理樣機在三相空載和三相平衡阻性額定負載時iLa，uoa，uob，uoc的波形，可見，輸出電壓波形正弦度較高，畸變很小，因此該控制方法可有效地實現(xiàn)三相四橋臂逆變器的控制。
    表1示出逆變器帶三相不對稱負載時的實驗數(shù)據(jù)?？梢姡斬撦d功率出現(xiàn)不平衡時，采用零序電流注入法控制的三相四橋臂逆變器輸出電壓仍能保持平衡，因此該逆變器具有較強的帶不平衡負載能力。此外根據(jù)經(jīng)驗，采用三相半橋逆變器時，若輸出相電壓有效值為115 V，則需360V直流母線電壓，而在所提出的控制策略下，逆變器直流母線電壓僅為290 V，可見直流母線電壓利用率有所提高。

    圖5示出原理樣機效率曲線?？梢?，6 kVA額定負載時，逆變器效率可達96．5％，變換效率較高。

6 結(jié)論
    在分析了三相四橋臂逆變器數(shù)學模型的基礎上，研究了一種三相四橋臂逆變器解耦控制策略。該方法將傳統(tǒng)的PWM控制方法和零序電流注入結(jié)合起來，控制方法簡單、易于理解，避免了采用空間矢量控制方法帶來的計算復雜，克服了必須依賴數(shù)字處理器進行計算的缺點。理論和實驗均表明，該控制方法使逆變器具有輸出電壓波形總諧波畸變率低，變換效率較高，帶不平衡負載能力強和能提高直流母線電壓利用率等特點，因此適合作為恒壓、恒頻的三相逆變電源而廣泛使用。