三相逆變電源控制策略研究

南葉健 王 蔚

（長春工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，吉林 長春 130012）

0 引言

在新能源發(fā)電領(lǐng)域，須將整流之后或直接產(chǎn)生的直流電能轉(zhuǎn)換成三相市電，同時(shí)在其他對(duì)電源參數(shù)要求嚴(yán)格的領(lǐng)域，市電由于其諧波、負(fù)荷的投入和切出等原因出現(xiàn)波形失真，不能滿足設(shè)備要求。因此本文研究三相逆變電源，用于得到穩(wěn)定的、低諧波含量的輸出電壓、電流，同時(shí)亦可用于清潔能源發(fā)電并網(wǎng)環(huán)節(jié)。逆變器作為逆變電源中的核心器件，其控制策略十分關(guān)鍵。采用SVPWM方法的直流利用率更高，減少輸出電壓諧波的同時(shí)，它也能在逆變器狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)減少功率開關(guān)的動(dòng)作頻率。

本文在介紹SVPWM算法原理的基礎(chǔ)上詳細(xì)闡述了該算法的仿真實(shí)現(xiàn)過程，并在逆變器輸出處加入PI控制，使得逆變電源能夠獲得更好的輸出波形。最后在 MATLAB／Simulink環(huán)境下通過功能模塊和基于M文件的S函數(shù)相結(jié)合的方法，建立了三相逆變電源的控制仿真模型。

1 整流和直流濾波電路

整流電路的作用就是將發(fā)電機(jī)端的交流電變?yōu)橹绷麟姽┙o負(fù)載。三相整流電路分為相控整流和不可控整流兩種，其中相對(duì)于晶閘管相控整流電路的相移因子cosθ來說，不可控整流電路的相移因子cosθ更高，輸入電流畸變更小。由功率因數(shù)PF＝vcosθ可知，不可控整流電路能夠獲得更理想的功率因數(shù)。并且整流電路輸出的是脈動(dòng)直流電壓，電壓波動(dòng)很大，對(duì)逆變器電路不利，影響輸出電壓波形和穩(wěn)定性?；谝陨显?，本文選取電壓型三相不可控整流。

2 三相逆變器調(diào)制策略分析

2.1 SVPWM技術(shù)原理

由電壓型三相逆變器開關(guān)電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)我們定義上橋臂的開關(guān)開，下橋臂關(guān)時(shí)為1，否則為0。則得到8種開關(guān)模式（000）（001）（010）（011）（100）（101）（110）（111），其中有兩個(gè)開關(guān)組合時(shí)電壓值是0，還有6個(gè)非零電壓值。把這8個(gè)電壓定義在一個(gè)靜止坐標(biāo)系上，就可以得到圖1。

圖1 空間電壓矢量圖

為了利用開關(guān)器件的開關(guān)狀態(tài)去實(shí)時(shí)控制和調(diào)節(jié)輸出電壓，從6個(gè)處于空間特定位置的開關(guān)狀態(tài)矢量中，選擇兩個(gè)相鄰矢量和零矢量去合成旋轉(zhuǎn)空間矢量Uref，并且控制Uref的大小和相位用來實(shí)現(xiàn)三相逆變器輸出電壓的控制。以扇區(qū)Ⅰ為例，參考矢量Uref可由其相鄰的兩個(gè)電壓矢量U1、U2及零矢量U0、U7合成，可通過計(jì)算得各矢量的作用時(shí)間。

2.2 SVPWM仿真實(shí)現(xiàn)

2.2.1 參考電壓Uref扇區(qū)判斷

表1 扇區(qū)與N值的關(guān)系

2.2.2 合成參考矢量的作用時(shí)間

然后我們以扇區(qū)Ⅰ為例，推出扇區(qū)Ⅰ內(nèi)相鄰電壓矢量在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的作用時(shí)間：

根據(jù)上述方法，其他扇區(qū)相鄰的基本電壓矢量的作用時(shí)間也可得出（表2）。間。其中，X

表2 扇區(qū)編號(hào)與作用時(shí)間的關(guān)系

2.2.3 開關(guān)管的切換時(shí)間

最后我們需要計(jì)算各電壓矢量的切換時(shí)間點(diǎn)，也就是各開關(guān)器件導(dǎo)通和關(guān)斷的具體時(shí)刻。仍然以第Ⅰ扇區(qū)為例，令Ta＝（Ts－Tx－Ty）／4、Tb＝Ta＋Tx／2、Tc＝Tb＋Ty／2，最終可得每個(gè)采樣周期Ts中各矢量切換點(diǎn)的數(shù)值如表3所示，將它們與一定頻率和幅值的三角載波進(jìn)行相應(yīng)比較，就可得出所需的PWM波形。

表3 各扇區(qū)電壓矢量的切換時(shí)刻

3 逆變電源輸出波形的控制策略

并網(wǎng)逆變器作為并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)性能有很重要的影響，并網(wǎng)逆變器的控制策略多種多樣，由于PI控制具有易實(shí)現(xiàn)、控制簡單的特點(diǎn)，所以這里我們采用PI調(diào)節(jié)。

逆變器輸出側(cè)的電壓狀態(tài)方程經(jīng)過abc／dq變換后，可得同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的三相并網(wǎng)逆變器的狀態(tài)方程：

式中，ugd、ugq為電網(wǎng)電壓；L為逆變器輸出濾波總電感；ud、uq為電網(wǎng)電壓經(jīng)過abc／dq變換后的直軸和交軸電壓。

此時(shí)將abc軸上的交流量全部轉(zhuǎn)化為dq軸上的直流量，可以簡化控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)。但由狀態(tài)方程可知d、q軸上存在耦合分量ωLigq、ωLigd，因此需要對(duì)其進(jìn)行解耦控制。令：

其中Δud和Δuq為電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器輸出，此時(shí)就可以實(shí)現(xiàn)id、iq的獨(dú)立控制。

4 仿真

使用MATLAB對(duì)三相逆變電源進(jìn)行仿真，其中輸入為380 V的三相對(duì)稱電壓。從圖2可知，對(duì)于RLC負(fù)載，由SVPWM和PI控制的逆變電源都能很好地保持輸出波形。

圖2 負(fù)載為RLC時(shí)輸出電壓波形

5 結(jié)語

本文在Simulink下建立了仿真模型，通過PI控制SVPWM調(diào)制過程，實(shí)現(xiàn)對(duì)三相逆變電源的輸出電壓進(jìn)行控制。仿真結(jié)果表明，該方法可以有效實(shí)現(xiàn)在不同負(fù)載情況下電源輸出波形失真度小的目標(biāo)，能夠滿足三相電源輸出要求，可為進(jìn)一步裝置研制提供參考依據(jù)。

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