電壓型三相PWM逆變器控制的研究

【摘 要】電壓型三相PWM逆變器作為電力系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)于能源的轉(zhuǎn)換效率和可靠性具有舉足輕重的作用，其控制技術(shù)更是備受世界各國學(xué)者的關(guān)注。因此，本文我們重點(diǎn)對(duì)電壓型三相PWM逆變器的電流控制技術(shù)進(jìn)行了分析，以期為提高電壓型三相PWM逆變器的性能提供一些有益的參考。

【關(guān)鍵詞】電壓型三相PWM逆變器；控制；技術(shù)

隨著新能源分布式發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展，當(dāng)大電網(wǎng)出現(xiàn)電壓驟升、驟降、不平衡和諧波等電能質(zhì)量問題或有計(jì)劃檢修時(shí)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入孤島運(yùn)行模式，此時(shí)的電壓（指電壓幅值）和頻率由內(nèi)部微電源控制器負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)。在這種情況下，傳統(tǒng)的并網(wǎng)逆變器控制方式難以滿足電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的需要，因此要研究適用于電力系統(tǒng)的電壓型三相PWM逆變器控制技術(shù)。

1、電壓型三相PWM逆變器的概述

電壓型逆變器是應(yīng)用最廣的一種DC-AC變換器，其直流側(cè)以電容為能量緩沖元件，從而使其直流側(cè)呈現(xiàn)出電壓源特性。根據(jù)電壓型逆變器的控制方式和結(jié)構(gòu)的不同，電壓型逆變器主要可分為方波型、階梯波型、正弦波型（PWM型）三類。

電壓型方波逆變器以及電壓型階梯波逆變器當(dāng)需要改變輸出電壓幅值時(shí)，一般采用脈沖幅值調(diào)制（PAM）或單脈沖調(diào)制（SPM），它們應(yīng)用于大功率場合具有開關(guān)損耗低，運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，但也存在動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢、諧波含量大（方波逆變器）、結(jié)構(gòu)復(fù)雜（階梯波逆變器）等一系列不足。為此考慮設(shè)計(jì)另一類能克服上述不足且性能優(yōu)越的電壓型逆變器，即脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）電壓型逆變器。這種電壓型正弦波逆變器一般應(yīng)具有以下特點(diǎn)：（1）逆變器的直流電壓可采用結(jié)構(gòu)簡單的不控整流電路。（2）利用單一的功率電路及其控制，可同時(shí)調(diào)整輸出頻率和輸出電壓，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。（3）由于輸出電壓的諧波頻率主要分布在開關(guān)頻率及其以上頻段，因而輸出諧波含量低。

根據(jù)輸出電流的相數(shù)，電壓型PWM逆變器又可以分為電壓型單相PWM逆變器和電壓型三相PWM逆變器。其中，電壓型單相PWM逆變器受到電網(wǎng)負(fù)載平衡要求、功率器件容量、零線電流和用電負(fù)載性質(zhì)的影響，其容量一般都在100KVA以下，而電壓型三相PWM逆變器多應(yīng)用于大容量的逆變電路。

2、電壓型三相PWM逆變器控制方法的分析

2.1電壓型三相PWM逆變器控制方法的概述

電壓型三相PWM逆變器在獨(dú)立模式下一般采用雙閉環(huán)控制，即由電壓環(huán)控制輸出電壓，采用電流環(huán)提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。根據(jù)反饋電流的采樣，電流環(huán)可分為采用電容電流瞬時(shí)值反饋控制和電感電流瞬時(shí)值反饋控制。

在并網(wǎng)模式下，電壓型三相PWM逆變器控制方法可分為電流型控制和電壓型控制，其并網(wǎng)模型如圖1，其中i0是逆變器輸出電流，Zg是電網(wǎng)阻抗，uN是進(jìn)網(wǎng)電壓，u0是逆變器輸出電壓。

2.2電壓型三相PWM逆變器的電流控制技術(shù)

2.2.1線性控制方法。線性控制方法是一種傳統(tǒng)的電流控制技術(shù)，其可分為狀態(tài)回饋控制、PI靜態(tài)和同步控制、開關(guān)頻率恒定預(yù)測控制方法，具有開關(guān)頻率恒定、直流電壓利用率較高、諧波含量較低和正選脈寬調(diào)制更加優(yōu)化等優(yōu)點(diǎn)，因此受到了廣泛的應(yīng)用。

（1）狀態(tài)回饋控制器。基于線性多變量狀態(tài)回饋理論，狀態(tài)回饋控制器通過利用極點(diǎn)配置技術(shù)來獲得狀態(tài)回饋系數(shù)矩陣，它能夠?qū)﹄妱?dòng)勢電壓進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，因此控制性能較優(yōu)。通過積分部分，狀態(tài)回饋控制器可以將靜態(tài)誤差降至最低，但是其暫態(tài)誤差卻比較大，因此可以在狀態(tài)反饋中引入?yún)⒖茧妷呵梆佇盘?hào)和擾動(dòng)輸入信號(hào)。

（2）PI靜態(tài)控制器。通過三個(gè)PI誤差調(diào)節(jié)器，PI靜態(tài)控制器會(huì)產(chǎn)生SPWM的參考電壓，然后對(duì)三角載波和參考電壓進(jìn)行比較并產(chǎn)生控制信號(hào)，從而控制逆變開關(guān)的閉合。PI靜態(tài)控制器雖然是依據(jù)SPWM技術(shù)來進(jìn)行設(shè)計(jì)的，但是將輸出電流波動(dòng)回饋控制加入到其中，并且影響了開關(guān)次數(shù)，因此具有不同的動(dòng)作原理，其積分部分可以減小低頻誤差。PI靜態(tài)控制器的缺點(diǎn)是控制性能不及狀態(tài)回饋控制器，并且需要通過加入鎖相環(huán)和前饋校正來對(duì)其固有的跟蹤誤差進(jìn)行補(bǔ)償。

（3）PI同步矢量控制器。基于空間矢量電流控制方法能夠通過理想的電流表達(dá)式來確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，其擁有兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器，分別對(duì)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中d、q電流分量進(jìn)行控制。還有一種同步矢量控制器工作在靜止α—β坐標(biāo)系下，它的控制變量為交流變量，控制系統(tǒng)內(nèi)環(huán)由乘法器和兩個(gè)積分器構(gòu)成變頻發(fā)生器，為PWM調(diào)制器提供參考電壓來消除穩(wěn)態(tài)電流誤差。

（4）開關(guān)頻率恒定預(yù)測控制器。在每一個(gè)調(diào)制周期的開端，開關(guān)頻率恒定預(yù)測控制器會(huì)根據(jù)實(shí)際誤差和交流側(cè)參數(shù)R、L和E，來對(duì)電流誤差矢量進(jìn)行預(yù)測，從而對(duì)下一個(gè)調(diào)制周期內(nèi)的電壓矢量進(jìn)行確定，從而將預(yù)測誤差降至最低。

2.2.2非線性控制方法。非線性控制方法主要包括在線優(yōu)化控制和滯環(huán)電流控制方法，此外模糊邏輯控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法也包含在內(nèi)。

（1）滯環(huán)電流控制方法。滯環(huán)電流控制是有一組兩電平的滯環(huán)比較器，一旦偏差超過了滯環(huán)環(huán)寬時(shí)，滯環(huán)比較器就會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的開關(guān)操作。相較于線性控制方法，滯環(huán)電流控制具有跟蹤誤差小、操作簡便、受負(fù)載參數(shù)變化影響較小、魯棒性強(qiáng)和動(dòng)態(tài)性能較好的優(yōu)勢，但它也存在著如下不足：滯環(huán)電流控制具有固有的隨機(jī)性，這使得其運(yùn)動(dòng)具有不平衡性，從而對(duì)其展開保護(hù)比較困難；滯環(huán)電流控制器的開關(guān)頻率會(huì)隨著交流電壓和負(fù)載參數(shù)的變化而變化。

（2）在線優(yōu)化控制方法。由于采用實(shí)時(shí)優(yōu)化算法，在線優(yōu)化控制器需要復(fù)雜的在線計(jì)算，因此其應(yīng)用不是特別廣泛，必須利用微處理器來進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2.3其他新方法。除了線性控制方法和非線性控制方法外，近年來電壓型三相PWM逆變器電流控制技術(shù)還開發(fā)了許多新的方法，如在線訓(xùn)練人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電流控制器和輸入輸出線性化回饋控制，其中在線訓(xùn)練人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電流控制器是基于自適應(yīng)濾波器的，需要很高的采樣頻率才能獲得較好的性能，并且需要很長的學(xué)習(xí)時(shí)間；輸入輸出線性化回饋控制器的內(nèi)環(huán)為電流控制器，采用輸入輸出線性回饋控制方法，外環(huán)為直流電壓回饋控制器，回饋?zhàn)兞繛橹绷麟妷旱钠椒?，能夠極大地提高系統(tǒng)的控制性能和降低成本。