三電平逆變器控制技術(shù)研究現(xiàn)狀

郭虎成

(河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 211100)

0 引言［1-3］

在電壓型逆變器(VSI)中，最早廣泛應(yīng)用的是兩電平逆變器。傳統(tǒng)兩電平逆變器受功率器件耐壓水平和載流能力的限制難以滿足高壓大功率電能變換的要求。相比之下，多電平逆變器及其相關(guān)技術(shù)有著諸多顯著優(yōu)點，已被公認為在高壓大容量電能變換領(lǐng)域中有著廣闊的應(yīng)用前景，具有較高的研究價值。隨著新型電力電子器件的研制成功，促進了逆變技術(shù)在提高電能的利用率、降低損耗、提高中高壓大容量等方面有了長足的發(fā)展與進步。利用增加主電路電平數(shù)來減小du/dt 和輸出電壓中的諧波，并使逆變器的開關(guān)管工作在電壓低頻(或工頻)狀態(tài)，以減小開關(guān)損耗及電磁干擾EMI。由于增加了逆變器的主電路電平數(shù)，電路結(jié)構(gòu)必然要發(fā)生改變，逆變器的開關(guān)管數(shù)目必然要增多，但增多的是低頻開關(guān)器件，這種器件貨源充足、價格便宜，雖然多了開關(guān)器件，卻使逆變器的造價降低，從提高逆變器性能價格比的角度來看還是合適的。這種逆變器更適合用于高壓大功率應(yīng)用，它和兩電平逆變器相比，不存在開關(guān)管串聯(lián)的靜態(tài)和動態(tài)均壓問題，du/dt小，EMI 小，逆變效率高。

三電平逆變器控制技術(shù)研究是電力電子領(lǐng)域的研究熱點，本文綜述了三電平逆變器控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀，對三電平逆變器控制策略進行了展望。

1 逆變器與電網(wǎng)并聯(lián)運行控制方法［4］

逆變器并入電網(wǎng)后，控制其并聯(lián)運行的方法有逆變器輸出電壓控制和電流控制兩種方式。采用電壓控制方式，則要求控制輸出電壓的大小和相位與電網(wǎng)同步;而采用電流控制方式，只需設(shè)定輸出電流的大小、跟蹤電網(wǎng)電壓的相位，就可達到與電網(wǎng)并聯(lián)運行，實現(xiàn)起來要比電壓控制方式容易。電流控制方式:直接電流控制和間接電流控制。直接電流型并網(wǎng)方式一般采用電流負反饋的方式來控制逆變器輸出電流的大小及相位。間接電流型并網(wǎng)方式是將采集的并網(wǎng)電流值進行相關(guān)轉(zhuǎn)換后，變?yōu)殡妷嚎刂浦?，使系統(tǒng)控制方式變?yōu)殡妷嚎刂啤?/p>

2 三電平逆變器拓撲結(jié)構(gòu)［5-6］

1981 年日本學(xué)者Nbae A.等人提出了三電平的拓撲結(jié)構(gòu)，并提出了多電平逆變器的思想，即由幾個電平臺階合成階梯波以逼近正弦輸出電壓。目前三電平逆變器的電路拓撲結(jié)構(gòu)種類較多，主要有三種基本的拓撲結(jié)構(gòu):1)全橋級聯(lián)式;2)電容箝位式;3)二極管箝位式。

3 三電平逆變器PWM 控制策略［8］

三電平逆變器的PWM 控制方法主要有載波調(diào)制方法(SPWM)、空間矢量調(diào)制方法(SVPWM)和特定諧波消除方法(SHEPWM)。SPWM 正弦脈寬調(diào)制法的優(yōu)勢在于其簡單的原理和良好的控制和調(diào)節(jié)性能，并且能夠起到消除諧波、調(diào)節(jié)和穩(wěn)定輸出電壓等多種作用。SVPWM 從電壓空間矢量的原理出發(fā)，實質(zhì)是對三相正弦波中注入了零序分量的調(diào)制波進行規(guī)則采樣的一種變形的SPWM 技術(shù)，但SVPWM 技術(shù)較SPWM 技術(shù)具有更高的直流側(cè)電壓利用率、更低的開關(guān)頻率和更好的動態(tài)性能［7］。SHEPWM 通過開關(guān)時刻的優(yōu)化選擇，消除選定的低頻次諧波，具有波形品質(zhì)高、效率高、直流電壓利用率高、直流側(cè)濾波器尺寸小等一系列優(yōu)點。

4 三電平逆變器波形控制算法

波形控制一直是PWM 逆變器領(lǐng)域的研究熱點，主要的控制方案有:PID、雙閉環(huán)、無差拍控制、狀態(tài)反饋、滯環(huán)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和重復(fù)控制等。

a)PID 控制

PID 具有原理簡單，使用方便，適用性和魯棒性強等優(yōu)點。數(shù)字控制器的出現(xiàn)使得數(shù)字PID 控制成為可能。PID 控制的快速性有了較大提升。文獻［9］設(shè)計了PID 閉環(huán)控制器，取得了較好的穩(wěn)定性。文獻［10］利用DSP 實驗實現(xiàn)了逆變器的PID 算法，并與重復(fù)控制相結(jié)合，獲得了良好的效果。文獻［11］提出了一種基于坐標變換的三相SPWM 逆變器恒壓恒頻控制策略，建立了逆變器在兩相旋轉(zhuǎn)坐標系下的數(shù)學(xué)模型，對輸出電壓的d，q 軸分量分別進行PI 調(diào)節(jié)，從而根據(jù)生產(chǎn)調(diào)制信號，實現(xiàn)三相逆變器的恒壓恒頻控制。

b)雙環(huán)控制［12-13］

在三電平逆變器各種不同的并網(wǎng)控制方式中，普遍采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)串級控制結(jié)構(gòu)。電壓外環(huán)的作用主要是控制逆變器直流側(cè)電壓。電流內(nèi)環(huán)的作用主要是按電壓外環(huán)輸出的電流指令進行電流控制，如實現(xiàn)單位功率因數(shù)按正弦波電流控制。雙閉環(huán)控制的主要特點是物理意義清晰，控制結(jié)構(gòu)簡單，控制性能優(yōu)良。雙閉環(huán)控制的另一個優(yōu)點是，由于電流內(nèi)環(huán)的存在，只要對電流指令限幅，可以使逆變器工作于恒流狀態(tài)。由于雙閉環(huán)控制在電力電子及其他工業(yè)領(lǐng)域中都已得到廣泛應(yīng)用，其控制器參數(shù)的工程化整定方法已趨成熟，所以雙閉環(huán)PWM 整流系統(tǒng)的控制器設(shè)計幾乎可以完全借用這種工程化設(shè)計方法。

c)狀態(tài)反饋控制［14-15］

逆變器輸出波形的要求包括兩個方面:高穩(wěn)態(tài)精度和快動態(tài)性能。文獻［16］指出通過配置閉環(huán)系統(tǒng)的極點，改變系統(tǒng)阻尼比，減少過渡過程的響應(yīng)時間，可大大改善系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)。單就改善動態(tài)特性，狀態(tài)反饋不失為一種簡單有效的控制方法。但是，該方法對系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)指標影響不大，許多文獻中往往將狀態(tài)反饋作為內(nèi)環(huán)、以其他的控制策略作為外環(huán)形成復(fù)合控制方案，共同實施對逆變器的波形校正。

d)滯環(huán)控制

滯環(huán)控制是將檢測的輸出電流與給定參考電流進行后的誤差信號送入滯環(huán)比較器形成控制逆變回路開關(guān)器件的PWM 信號，當(dāng)誤差信號大于給定的環(huán)寬時，產(chǎn)生的PWM 信號控制開關(guān)管的通斷，使誤差信號回到滯環(huán)環(huán)寬內(nèi)，從而使逆變器輸出電流圍繞給定電流在一個滯環(huán)環(huán)寬內(nèi)波動。該方法的優(yōu)點是快速的瞬態(tài)響應(yīng)，高度的準確性及較強的魯棒性。然而，滯環(huán)電流控制與當(dāng)今的全數(shù)字化趨勢不適應(yīng)，因為它的瞬態(tài)響應(yīng)性會被ADC 及微機中斷延時所降低。其次，滯環(huán)控制開關(guān)頻率不固定，運行不規(guī)則，給濾波器的設(shè)計帶來困難。

e)模糊控制

模糊控制屬于智能控制范疇，其最大的特點是不依賴控制對象的數(shù)學(xué)模型。對于具有多變量非線性時變特性的電力電子裝置來說，系統(tǒng)存在復(fù)雜性與模型精確性之間的矛盾，模糊控制就是能夠在準確與簡明之間取得平衡、有效的控制系統(tǒng)。模糊控制器具有以下缺點:1)模糊控制器的設(shè)計過程不需要被控系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型，模糊控制器有著較強的魯棒性和自適應(yīng)性2)查找模糊控制表所用的處理器時間很少，因而可以采用較高的采樣頻率來補償模糊規(guī)則和實際經(jīng)驗的偏差。模糊控制可以以任意精度逼近任何非線性函數(shù)。然而受當(dāng)前技術(shù)水平的限制，它的隸屬函數(shù)的確定還沒有統(tǒng)一的理論指導(dǎo)，因此模糊控制理論還需要進一步的研究和改善。

f)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制也屬于智能控制范疇，它也不依賴于受控對象的模型，非常適合于具有不確定性和高度非線性的控制對象，并且具有較強的自適應(yīng)和學(xué)習(xí)能力，魯棒性強。而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的類型、結(jié)構(gòu)和訓(xùn)練方法需要在控制系統(tǒng)的性能和系統(tǒng)的復(fù)雜性兩者之間進行折衷，而且訓(xùn)練的速度受到現(xiàn)有硬件技術(shù)條件的限制，還有待進一步提高。

g)滑模變結(jié)構(gòu)控制［16］

滑模變結(jié)構(gòu)理論由前蘇聯(lián)學(xué)者S.V.Emelyanov，V.I.Utkin 于20 世紀50 年代提出。它利用不連續(xù)的開關(guān)控制策略來強迫系統(tǒng)的狀態(tài)變量沿著相平面中某一預(yù)先設(shè)計好的“滑動模態(tài)”軌跡運動。它最大優(yōu)點是魯棒性強，對系統(tǒng)參變量的擾動不敏感，而且具有優(yōu)良的動態(tài)性能，并且它利用的是開關(guān)特性，故可以用于對逆變器這類固有的變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的控制。其設(shè)計首先要尋求滑模面函數(shù)，使受控系統(tǒng)在滑模面上得運動漸進穩(wěn)定且獲得良好的品質(zhì)，之后再設(shè)計相應(yīng)的變結(jié)構(gòu)控制，使滑模面滿足條件。通過合適地選取控制器的參數(shù)，可以獲得較高的控制魯棒性以及較快的響應(yīng)速度。但是滑?？刂埔泊嬖诜€(wěn)態(tài)效果不佳、理想的滑模切換面難于選取等弱點，而且滑模變結(jié)構(gòu)控制難于通過模擬實現(xiàn)，在采用數(shù)字控制時，采樣頻率不夠高也將影響其控制效果。目前，滑模變結(jié)構(gòu)控制的逆變器還有待進一步的研究才能應(yīng)用于實際產(chǎn)品中。

h)重復(fù)控制［17-18］

重復(fù)控制是一種跟蹤周期性輸入、抑制周期性干擾的新型控制方法。它基于內(nèi)模原理，利用控制系統(tǒng)中輸入和擾動的周期重復(fù)性規(guī)律，記憶前一周期擾動發(fā)生的位置，在下一周期有針對性地進行波形補償，從而實現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)條件下對給定周期信號的跟蹤。重復(fù)控制與其它控制相比有以下特點:1)對于未知的干擾信號，充分利用了它的重復(fù)性，降低了控制難度，減輕了控制器的負擔(dān);2)只需一個電壓反饋環(huán)，不需檢測電流變化，因此電路結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn);3)具有非常好的穩(wěn)態(tài)性能及波形品質(zhì)，理論上可以實現(xiàn)無穩(wěn)態(tài)靜差;4)控制算法簡單，對控制速度要求不高，而且可以實現(xiàn)控制動作的超前性。但對非周期性的擾動無作用，動態(tài)響應(yīng)速度較慢，一般不單獨使用。

i)無差拍控制［19］

美國著名控制理論專家卡爾曼于20 世紀60 年代初提出了數(shù)字控制的無差拍控制思想。它具有瞬時響應(yīng)快、精度高、THD 小等特點，是一種優(yōu)秀的控制策略。無差拍又稱“無過沖”，指在每個采樣點上系統(tǒng)的輸出都與其指令完全一致，沒有任何相位滯后和幅值偏差。從其定義即可看出，無差拍控制是數(shù)字系統(tǒng)特有的控制方式。它與最少拍控制有相似之處，表現(xiàn)在二者都具有“有限調(diào)節(jié)時間”特性。

5 展望

隨著技術(shù)的發(fā)展，多電平逆變器將在高電壓、大電流、大功率領(lǐng)域中應(yīng)用得越來越多.復(fù)合控制可以結(jié)合一些控制策略的優(yōu)點，使控制效果更好。比如文獻［20］中提到的以重復(fù)控制為基礎(chǔ)其他控制策略為輔的復(fù)合控制器。

［1］劉風(fēng)君.多電平逆變技術(shù)及其應(yīng)用［M］.1 版.北京:機械工業(yè)出版社，2007.

［2］夏秋實.基于智能優(yōu)化算法的三電平逆變器SHEPWM 調(diào)制方法研究［D］.合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2008.

［3］胡慧慧.基于空間矢量控制的三電平逆變器的研究［D］.北京:中國石油大學(xué)，2008.

［4］彭倬.基于模糊控制技術(shù)的三相光伏并網(wǎng)逆變器的研究.

［5］王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)［M］.4 版.北京:機械工業(yè)出版社，2009.

［6］Sanmin Wei，Bin Wu.A General Space Vector PWM Control Algorithm for Multilevel Inverters.IEEE Transactions on Power Elerctronics，2003，22(2):562-568.

［7］茹芬，侯中峰，謝利理，等.SVPWM 逆變技術(shù)在光伏發(fā)電系統(tǒng)中得應(yīng)用［J］.電源技術(shù)研究與設(shè)計，2011，(9):1098-1101.

［8］費萬民，呂征宇，姚文熙.三電平逆變器特定諧波消除脈寬調(diào)制方法的研究［J］.2003，(9.11):11-15.

［9］趙建武，趙麗娜.單相PWM 逆變器電源控制策略研究［J］.遼寧大學(xué)學(xué)報，2007，34(4):342-345.

［10］高軍，黎輝，楊旭，等.基于PID 控制和重復(fù)控制的正弦波逆變電源研究［J］.電工電能新技術(shù)，2002，21(1):1-4.

［11］陳增祿，毛惠豐，周炳根，等.SPWM 數(shù)字化自然采樣法的理論及應(yīng)用研究［J］.中國電機工程學(xué)報，2005，25(1):32-33.

［12］薛旭恒.NPC 三電平逆變器SVPWM 控制策略的研究［D］.北京:北京交通大學(xué)，2009.

［13］張晉穎.基于重復(fù)控制和PI 雙閉環(huán)控制的三相四橋臂逆變器［D］.燕山:燕山大學(xué)，2006.

［14］楊秀云.PWM 逆變器重復(fù)控制策略的研究［D］.杭州:浙江工業(yè)大學(xué)，2009.

［15］王宏華.現(xiàn)代控制理論［M］.1 版.北京:電子工業(yè)出版社，2006.

［16］張黎，丘水生.滑?？刂颇孀兤鞯姆治雠c式樣研究［J］.中國電機工程學(xué)報，2006，(3):59-63.

［17］鄭崇峰.CVCF 逆變器重復(fù)控制策略研究［D］.杭州:浙江大學(xué)，2006.

［18］陳宏.基于重復(fù)控制理論的逆變電源控制技術(shù)研究［D］.南京:南京航空航天大學(xué)，2003.

［19］郭衛(wèi)農(nóng)，段善旭，康勇陳堅.基于DSP 實現(xiàn)的無差拍控制器逆變器［J］.通訊電源技術(shù)，2001，3(1):1-4.

［20］王成智.基于重復(fù)控制的新型五電平逆變器研究［D］.武漢:華中科技大學(xué)，2005.