三相四橋臂逆變器的設(shè)計(jì)與控制

趙振民,張　寧,宋海明

(黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院,哈爾濱 150022)

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三相四橋臂逆變器的設(shè)計(jì)與控制

趙振民,張寧,宋海明

(黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院,哈爾濱 150022)

為了解決不平衡負(fù)載影響電能質(zhì)量的問題,在傳統(tǒng)的三橋臂逆變器的基礎(chǔ)上采用三相四橋臂逆變器。該逆變器可以在不平衡負(fù)荷的情況下,能夠有效地抑制不平衡負(fù)載電流對(duì)電壓的擾動(dòng),保證輸出的三相電壓近似對(duì)稱。為了驗(yàn)證該逆變器控制策略,硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及三維空間矢量調(diào)制算法的可行性,進(jìn)行MATLAB仿真。結(jié)果表明,三相四橋臂逆變器能夠解決在不平衡負(fù)載下輸出三相對(duì)稱電壓的問題,其功能和三維空間矢量調(diào)制策略可行。

不平衡負(fù)載;三相四橋臂逆變器;三維空間矢量調(diào)制

0　引　言

太陽(yáng)能光伏發(fā)電是新能源和可再生能源發(fā)電的重要組成部分,是公認(rèn)的世界上最有前景的新能源技術(shù)。因此,光伏并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)成為綠色新能源發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)[1]。逆變器控制技術(shù)發(fā)展很快,但隨著負(fù)荷種類的增多,很容易出現(xiàn)三相負(fù)載不平衡的狀態(tài),此時(shí),輸出的三相電壓很難達(dá)到平衡,在一定程度上會(huì)影響負(fù)荷的正常使用。為此,學(xué)者們[2-5]利用三維空間矢量調(diào)制技術(shù)控制三相四橋臂逆變器系統(tǒng),解決負(fù)載不平衡情況下造成的輸出電壓不平衡的情況?；诖?筆者對(duì)三相四橋臂逆變器的設(shè)計(jì)和控制進(jìn)行研究。

1　逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

三相逆變器能在三相對(duì)稱負(fù)載下輸出三相對(duì)稱電壓,但很難在不對(duì)稱負(fù)載下輸出三相對(duì)稱電壓。近年來,一種新的三相四橋臂逆變器在傳統(tǒng)的三橋臂逆變器基礎(chǔ)上增加一個(gè)橋臂,從而得到廣泛應(yīng)用[2]。

三相三橋臂逆變器原理如圖1所示。逆變器由三條橋臂組成,當(dāng)它運(yùn)行于三相不平衡負(fù)載下時(shí),將輸出不對(duì)稱的三相電壓[3]。

圖1　三相三橋臂逆變器

為能使三相逆變器在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用,必須使它有能力在不平衡負(fù)載下正常運(yùn)行[4]。因此,三相四橋臂逆變器逐步產(chǎn)生并發(fā)展。三相四橋臂逆變器原理如圖2所示。通過增加一個(gè)橋臂來直接控制中性點(diǎn)電壓,從而產(chǎn)生三相獨(dú)立電壓,使其有能力在不平衡負(fù)載下維持三相電壓對(duì)稱輸出[5]。

圖2　三相四橋臂逆變器

2　三相光伏逆變器的控制方法和算法

三相四橋臂逆變器的控制方法主要有:PWM控制、滯環(huán)電流控制、空間矢量調(diào)制方法等[6]。其中空間矢量控制方法具有開關(guān)損耗小、電壓利用率高、便于數(shù)字化管理等[7]特點(diǎn),因此,該控制方法成為最廣泛的脈寬調(diào)制策略之一。SVPWM本質(zhì)是使得輸出電壓矢量軌跡沿著預(yù)定軌道旋轉(zhuǎn),但由于第四個(gè)橋臂的引入,使得輸出電壓的空間矢量不在同一平面內(nèi),因此,必須采用3D-SVPWM方法進(jìn)行控制。

三維空間矢量控制的任務(wù)就是通過跟蹤開關(guān)向量對(duì)參考電壓矢量進(jìn)行合成。三維空間向量可以分為兩個(gè)步驟[8]:第一步選擇開關(guān)矢量,計(jì)算每個(gè)開關(guān)矢量的持續(xù)時(shí)間;第二步確定基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換的序列向量。

2.1開關(guān)矢量的選擇

在三相四橋臂逆變器中,每個(gè)橋臂都有兩種開關(guān)狀態(tài),共包含16種開關(guān)狀態(tài)[9]。其中包括2個(gè)零矢量和14個(gè)非零矢量。各開關(guān)狀態(tài)與相對(duì)應(yīng)于的各矢量分量如表1所示。

表1各開關(guān)狀態(tài)與相對(duì)應(yīng)于的各矢量分量

Table 1Switch state and corresponding to eachvector component

空間矢量序號(hào)開關(guān)狀態(tài)SaSbScSn空間電壓矢量分量uαuβuγ000000001000100-E20010-E/3-E/3E/330011-E/3-E/3-2E/340100-E/3E/3E/350101-E/3E/3-2E/360110-2E/302E/370111-2E/30-E/3810002E/30E/3910012E/30-2E/3101010E/3-E/32E/3111011E/3-E/3-E/3121100E/3E/32E/3131101E/3E/3-E/314111000E151111000

經(jīng)過坐標(biāo)變換可將三相電壓由abc坐標(biāo)系變換成三維αβγ坐標(biāo)系,那么,每一種開關(guān)就對(duì)應(yīng)一種空間矢量?？臻g電壓矢量如圖3所示。將六棱柱投影到αβ面上,即為二維空間矢量圖,將六棱柱分為六個(gè)小三棱柱,每個(gè)三棱柱為60°區(qū)域。

每一個(gè)60°區(qū)域中是一個(gè)相鄰的向量四面體,而每個(gè)四面體是由三個(gè)相鄰的非零矢量和兩個(gè)零矢量構(gòu)成，一共24個(gè)四面體。

圖3　空間電壓矢量

開關(guān)矢量的實(shí)際持續(xù)時(shí)間可以通過計(jì)算獲得,計(jì)算方法與三橋臂逆變器中矢量持續(xù)時(shí)間的計(jì)算方法一致。首先,必須經(jīng)過坐標(biāo)變換,從三相的abc轉(zhuǎn)換到的空間的αβγ坐標(biāo)系中,然后,再計(jì)算各矢量的作用時(shí)向。此種控制算法能簡(jiǎn)單有效的計(jì)算出各個(gè)矢量的作用時(shí)間,避免了傳統(tǒng)計(jì)算下的復(fù)雜性。設(shè)每個(gè)四面體中三個(gè)非零矢量為V1、V2、V3,ti是Vi的作用時(shí)間,i=1、2、3,零矢量作用時(shí)間為t0,則

t1+t2+t3+t0=Ts,

(1)

V1t1+V2t2+V3t3=VTs,

(2)

根據(jù)“伏秒平衡”原則,得

(3)

由式(3)變換,得

(4)

其中,uα,uβ,uγ分別是V在αβγ坐標(biāo)系中的分量。u1α,u1β,u1γ分別是V1在αβγ坐標(biāo)系中的分量。

當(dāng)出現(xiàn)過調(diào)制時(shí),即t1+t2+t3>Ts,則不用零矢量作用,非零矢量作用時(shí)間為:

(5)

2.2開關(guān)矢量順序的選擇

選擇合理的開關(guān)矢量順序不僅可以降低開關(guān)動(dòng)作頻率,降低開關(guān)切換損耗,而且還能減少輸出電壓的THD。在三相三橋臂逆變器中,一般選擇相鄰的交替轉(zhuǎn)換順序,三相四橋臂逆變器的選擇也可參考三橋臂的順序[10]。圖4提供了兩種選擇方案:其一,基于對(duì)稱情況下的對(duì)稱開關(guān)順序;其二,基于零矢量旋轉(zhuǎn)工作模式下的開關(guān)順序。在對(duì)稱負(fù)載的情況下,輸出電壓的THD為2.3%,在非對(duì)稱負(fù)載的情況下,輸出電壓的THD為4.8%。一般情況下,選擇對(duì)稱開關(guān)順序。

圖4　開關(guān)矢量順序的選擇

3　仿真結(jié)果

為了證明該逆變器控制策略、硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及三維空間矢量調(diào)制算法的可行性,進(jìn)行模型的建立與仿真。在MATLAB中建立仿真模型,如圖5所示。以A相接阻性負(fù)載來模擬不平衡的情況。

圖5　仿真主電路

當(dāng)三相負(fù)載相同時(shí),設(shè)阻值均為10 Ω,仿真結(jié)果如圖6所示。輸出的三相電壓和電流都是對(duì)稱的,經(jīng)過第四個(gè)橋臂的電流幾乎為零。

圖6　在負(fù)載平衡下輸出的三相電壓電流

Fig.6Under condition of load balancing three-phasevoltage and current output

當(dāng)負(fù)載處于不平衡的情況下,設(shè)A相電阻為10 Ω,B相電阻是30 Ω,C相電阻為45 Ω,仿真結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出,輸出的三相電流是不對(duì)稱的,主要是因?yàn)榻釉谌嗟呢?fù)載阻值不一致,但由于第四個(gè)橋臂的調(diào)節(jié)作用,使輸出的三相電壓近似相等對(duì)稱,電壓相等,阻值不同,這就導(dǎo)致了三相電流輸出幅值有一定的差距,其中有部分電流流過了中點(diǎn)N,四個(gè)橋臂流過的總電流之和為零:即IA+IB+IC=0。但輸出的三相電壓是近似平衡的,主要是由于第四個(gè)橋臂的存在,抑制負(fù)載不平衡電流對(duì)電壓的擾動(dòng),第四個(gè)橋臂提供了不平衡電流來抑制由電感電流產(chǎn)生的不平衡電壓。這樣就能夠在一定程度上使輸出的三相電壓波形近似平衡,基本能夠解決三相電壓不平衡的問題。

當(dāng)三相負(fù)載對(duì)稱時(shí),輸出的三相電流和電壓都是對(duì)稱的,空間矢量軌跡位于αβ平面內(nèi),在γ軸上分量為零,γ軸是一個(gè)固定值,在αβ平面投影為一個(gè)圓。當(dāng)三相負(fù)載不對(duì)稱時(shí),輸出的三相電壓幾乎對(duì)稱,但輸出的三相電流是不對(duì)稱的,空間矢量軌跡位于αβγ三維空間內(nèi),在γ軸上有一定的分量,γ軸上的值會(huì)影響中央線的電流值,在αβ平面投影為一個(gè)橢圓。

經(jīng)過MATLAB仿真后的圖形如圖8所示,從圖8中可以清晰的看到空間矢量在三維空間的運(yùn)行軌跡。

圖7　在負(fù)載不平衡下輸出的三相電壓電流

Fig.7Under condition of load unbalancingthree-phase voltage and current output

圖8　不平衡下三相電流在空間運(yùn)動(dòng)軌跡

Fig.8Under unbalanced three-phase currenttrajectory in space

4　結(jié)束語(yǔ)

三相四橋臂逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,三維空間矢量調(diào)制策略有良好的功能。在三相不平衡情況下,傳統(tǒng)的逆變器不能滿足輸出三相電壓的平衡性,而新的三相四橋臂逆變器在一定程度上能夠解決這一問題。通過MATLAB仿真,進(jìn)一步驗(yàn)證了該逆變器的功能及三維空間矢量調(diào)制策略的可行性,具有一定的使用價(jià)值。三相四橋臂逆變器在未來的應(yīng)用也將會(huì)越來越好。

[1]董鋒斌,皇金峰,傅周興.一種三相四橋臂逆變器的數(shù)學(xué)模型分析[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2011,31(6):98-101.

[2]王先為,卓放.三相四橋臂并聯(lián)逆變器的零序電流建模與控制[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2012,46(10):8-14.

[3]張曉勇,王軍,李川.基于三維空間矢量中γ分量控制的三相四橋臂逆變器[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2010,30(12):70-87.

[4]余雷,肖蕙蕙,李山.三相四橋臂逆變電源控制策略[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào),2013,27(4):72-76.

[5]顧和榮,王德玉,沈紅.三相四橋臂逆變器控制技術(shù)研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2011,39(4):41-46.

[6]林渭勛.現(xiàn)代電力電子技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[7]鄭寶宏,徐子婷.基于四橋臂逆變器的電壓平衡控制算法研究[J].機(jī)電技術(shù),2014,21(5):76-78.

[8]蘇森,王志強(qiáng),謝長(zhǎng)靜.四橋臂逆變器的三維空間矢量脈寬調(diào)制[J].電氣應(yīng)用,2014,15(5):47-51.

[9]張德豐.MATLAB/Simulink建模與仿真實(shí)例精講[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

[10]周嘯,金新民,唐芬.不平衡負(fù)載條件下三相四橋臂變流器的改進(jìn)分序控制[J].高電壓技術(shù),2014,40(8):2504-2512

(編輯徐巖)

Design and control of three-phase four-leg inverter

ZHAO Zhenmin,ZHANG Ning,SONG Haiming

(School of Electrical &Control Engineering,Heilongjiang University of Science &Technology,Harbin 150022,China)

This paper introduces a three-phase four-leg inverter designed specifically for addressing the influence of unbalanced load on electric energy quality.This inverter,developed from a traditional three-leg inverter,works better for effectively suppressing the disturbance of unbalanced load current on voltage despite the presence of unbalanced load,thus ensuring the approximate symmetry in three-phase output voltage.The inverter proves feasible when validated by MATLAB simulation of the inverter control strategy,hardware topology structure and 3D-SVPWM.The results verify that the inverter is a solution to the symmetry in three-phase output voltage in the presence of unbalanced load.

unbalanced load;three-phase four-leg inverter;3D-SVPWM

2015-01-10

趙振民(1967-),男,黑龍江省雙城人,教授,博士,研究方向:機(jī)器人控制、高頻功率變換、軟開關(guān)技術(shù),E-mail:695152037@qq.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.02.022

TP273

2095-7262(2015)02-0219-05

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