（电力电子与电力传动专业论文）三相四桥臂逆变电源控制技术研究.pdf

燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r ya n dt e c h n o l o g y ，t h eu s e ro fe l e c t r i c i t y n e e dt h eq u a l i t yo ft h ee l e c t r i c i t yb e t t e ra n db e t t e r ，t h e yn e e dt h ea b i l i t yo f h i g h e ra n dh i g h e rl o a d i n ga n dm o r ea n dm o r ek i n d so fl o a d i n g a s t ot h r e e p h a s ei n v e r t e r ，t r a d i t i o n a lt h r e ep h a s et h r e el e g si n v e r t e ra r ew i d e l yu s e d b u t i t st h r e ep h a s ev o l t a g eo u t p u t sw i l lb ed i s s y m m e t r i c a lw h e ni ts u p p l yt ot h e t h r e ep h a s eu n b a l a n c e dl o a d s i na l l u s i o nt ot h i s ，ad e s i g nw h i c hc o m b i n e st h r e e p h a s ef o u rl e g si n v e r t e r ，r e p e t i t i v ec o n t r o l l e ra n dp id o u b l el o o pc o n t r o l l e ri s p r o p o s e d ，i nt h i sa r t i c l e ，t h es c h e m eo fc o n t r o lw i l lb ed e e p l ys t u d i e d t h i sa r t i c l er e s e a r c h e so nt h ea s h e m eo ft h e v o l t a g e a n dc u r r i e n t c l o s e d l o o pc o n t r o l f o rt h r e e p h a s e f o u r - l e gi n v e r t e r ，i no r d e rt om e e tt h e p u r p o s eo fa c h i v i n gt h r e ep h a s es t a n d a r do u t p u tv o l t a g ea sw e l la st h ea b i l i t yo f a d a p t i n gu n b a l a n c e dl o a d s a tt h eb e g i n n i n g ，o nt h eb a s i so fs t u d y i n gc l o s e d l o o pc o n t r o lo fv o l t a g ea n dc u r r e n ti n t h ed , qa n d0a i x s ，a d d i n gn e g a t i v e s e q u e n c ep ic o n t r o l l e ra n dr e p e t i t i v ec o n t r o l l e ri n t o0a x i si no r d e rt oc o n t r o l n e g a t i v es e q u e n c ea n dz e r os e q u e n c ec o m p o n e n t so fo u t p u tv o l t a g e s r e a l i z i n g t h ec o n t r o lw i t hn os t e a d ye r r o r s s u b s e q u e n t l y ，i no r d e rt o p r e d i g e s t t h e s c h e m eo fc o n t r o l ，t r y i n gt oc o n t r o lb a s e do nt h ea b cf r a m ew i t ht h eo u t e rp i c o n t r o l l e r p a r a l l e l e d w i t h r e p e t i t i v e c o n t r o l l e ra n di n n e r p r o p o a i o n c o n t r o l l e r ，t h i sa s h e m ei ss i m p l e r ，w h i c hc a na c h i e v et h es a m ee f f e c ta st h ef i r s t o n e 。f u r t h e rm o r et h i ss c h e m eh a sp r e f e r a b l ya b i l i t i e so fa d a p t i n gn o n l i n e a r l o a d sa sw e l la sr e s t r a i n i n gt h ee f f e c to fd e a dt i m e s e c o n d l y ，t h es i m u l a t i o no fs y s t e mc o n t r o la n ds w i t c hs t r a t e g yv a l i d a t e d c o n s i s t e n c yw i t ht h e o r ya n a l y s i su s i n gm a t l a b t h er e s u l tm a t c hw i t ht h e a n a l y s e f i n a l l y ，t h ee x p e r i m e n t sa r ec o m p l e t e du n d e rt m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p m a d ei nt ic o m p a n y ，p r o g r a m m i n gw i t hcl a n g u a g e ，t h er e s u l t si sv e r i f i e d t h e t h i sw o r kw a gs u p p o r t e db yag r a n tf r o mt h ek e yp r o g r a m so ft h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n o f c h i n a ( n o 5 0 2 3 7 0 2 0 ) i i 摘要 d e s i g nw h i c hc o m b i n e sr e p e t i t i v ec o n t r o l l e ra n dp ic o n t r o l l e ri sp r o p o s e di n t h i sa r t i c l ec a na c h i e v es y m m e t r i c a lo u t p u t so ft h r e ep h a s ev o l t a g e ，w h i c hh a s t h ea b i l i t yo fa d a p t i n gn o n l i n e a rl o a d s k e y w o r d si n v e r t e r s ；t h r e e 。p h a s ef o u r - l e g g e d ；u n b a l a n c e dl o a d ；3 - ds v m ； d i g i t a lc o n t r o l ；r e p e t i t i v ec o n t r o l ；n o n l i n e a rl o a d ；d s p 2 8 1 2 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明；此处所提交的硕士学位论文三相四桥臂逆变电源控 制技术研究，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间独立进 行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他 人己发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签字韩趄 日期：2 卯7 年牛月易日 燕山大学硕士学位论文使用授权书 三相四桥臂逆变电源控制技术研究系本人在燕山大学攻读硕士学 位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕山大学 所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人员本人完 全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关 部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权燕 山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的 全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密口。 日期：) 唧年于月刀日 日期：上叼年妒月；日 一q ， 栖”忍叛 蝴褂 蒯 关 舷 轹 孙 烈 作 导 晡 第l 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 随着工业和科学技术的发展，用户对电能质量的要求越来越高，包括 市电电网在内的所有原始电能的质量可能满足不了用户的要求，必须经过 加工后才能使用，这就对作为用电器能量之源的电源的性能提出了很高的 要求【”。据统计在发达国家，电能己有4 0 经过各种变换处理，节能效果 达到1 5 0 一4 0 ，到2 0 1 0 年，将有8 0 的电能需要经过应用电力电子技术 的变换器处理后再使用，因此电能变换技术在节约电能方面占有重要的位 置f 2 】。 在电力电子技术的应用及各种电源系统中，开关电源技术均处于核心 地位。对于大型电解电镀电源，传统的电路非常庞大而笨重，如果采用高 频开关电源技术，其体积和重量都会大幅度下降，而且可极大提高电源利 用效率、节省材料、降低成本。在电动汽车和变频传动中，更是离不开开 关电源技术，通过开关电源改变用电频率，从而达到近于理想的负载匹配 和驱动控制。高频开关电源技术，更是各种大功率开关电源( 逆变焊机、 通讯电源、高频加热电源、激光器电源、电力操作电源等) 的核心技术【3 1 。 开关电源及现代电源技术是应用电力电子半导体器件、综合自动控制、计 算机( 微处理器) 技术和电磁技术的多学科边缘交叉技术。在各种高质量、 高效、高可靠性的电源中起关键作用，是现代电力电子技术的具体应用 当前，电力电子作为节能、节才、自动化、智能化、机电一体化的基础， 正朝着应用技术高频化、硬件结构模块化、产品性能绿色化的方向发展 在不远的将来，电力电子技术将使电源技术更加成熟，经济、实用，实现 高效率和高品质用电相结合。 目前主电路方面还是以单相和三相全桥结构的a c d c 、a c a c 、 d c d c 和d c a c 这样四种结构为主为了实现高压大容量逆变器而采用多 电平、多重化复合逆变器结构也取得了很大的发展为了提高电压等级而 燕山大学工学硕士学位论文 采用i g b t 的直接串联或逆变器级联的方式也已经用于高压变频器和轻型 直流输电装置中。伴随着有源滤波器和u p f c ( 或u p q c ) 而发展起来的 b t b ( b a c k t ob a c k ) 的电路拓扑也得到了广泛的应用。 d c a c 变换电路简称为逆变电路，作用是把从电网上得到的定压定频 交流电能，或从化学能蓄电池、太阳能电池等得到的电能质量较差的原始 电能，变换成电能质量较高的、能满足负载对电压和频率要求的交流电能。 这种交流电能不仅可用于交流电机的拖动，而且可作为不问断电源( u p s ) 、 变频电源、有源滤波器、电网无功补偿器等逆变电源中的电能，另外，随 着用电设备的增多，一些涉及到关键部门的用电设备，如电信行业、银行 业的计算机、警报装置、环保车辆、铁路、航空航天以及军事上对逆变电 源也有极大需求，市场前景可观【4 l 。 正弦波逆变器技术是电力电子技术中的一个最重要的组成部分，它的 作用是把从电网上得到的定压定频交流电能，或从蓄电池、太阳能电池等 得到的电能质量较差的原始电能，变换成电能质量较高的、能满足负载对 电压和频率要求的交流电能。这种交流电能不仅可用于交流电机的传动， 而且可作为不问断电源( u p s ) 、变频电源、有源滤波器，电网无功补偿器等 逆变器中的电能【5 1 随着三相正弦波逆变电源应用越来越广泛，对三相逆变电源的研究也 日益深入。三相逆变电源不同于单相逆变电源，保证三相电压的对称输出， 是对其最基本的要求，三相不平衡问题包括两个方面，即三相负载不平衡 和三相电源不平衡。三相负载不平衡是指三相系统中每相的复阻抗不完全 相等；三相电源不平衡是指三相电力系统中的三相电动势不平衡。在三相 逆变器等设备中，主要指由于负载不平衡引起三相输出电压不平衡 6 , 7 , 8 1 。 空间矢量调制方案的最初应用是为了使电机获得圆形的旋转磁通而提 出的，现在空间矢量调制已经发展成为一种和s p w m 并行的p w m 调制技 术。三维空间矢量调制将二维空间矢量调制方案进行拓展，成功的解决了 当在负载为不对称负载时，空间旋转矢量是一个位于三维空间的椭圆的问 题。并且，由于三维空间矢量调制方案具有控制灵活、动态性能好及开关 损耗低等优点，将成为逆变器控制理论研究的一个热点【9 ，l 仉。 2 第l 章绪论 t 三相逆变器一般采用三个桥臂的结构，这种结构由于没有中线，所以 一般应用于三相线性平衡负载的供电但是在一些特定场合的系统中，负 载是不平衡的而且是变化的，包括平衡和不平衡变化、线性与非线性变化 等在现代社会中，各种非线性的负载，如计算机、激光打印机、二极管 整流桥等的应用越来越普遍要求逆变电源具有同时向平衡和不平衡，线 性和非线性负载高质量供电的能力： 1 2 三相四桥臂逆变器的发展概况 三相逆变器广泛应用于交流电动机的变频调速，或者为感应电热炉提 供中频电源，为电子计算机，医用设备等重要装置提供不停电的工作电源 它一般采用三个桥臂的结构。这种结构由于没有中线，所以一般应用于对 三相线性平衡负载的供电。但是，在一般场合的电源系统中，负载往往是 不平衡，且是变化的，这就要求逆变器形成三相四线输出 1 2 1三相四桥臂逆变器的拓扑发展概况 1 2 1 1 组合式三相逆变器组合式三相逆变器是由三个单相逆变器组合 而成 4 1 ，典型拓扑如图1 1 所示。7 由于三个单相逆变器相互独立，只要控 制三相基准正弦波互差1 2 0 。，将三台输出的地连接在一起作为中线，就可 以实现三相四线制的输出因此可以应用常规单相逆变器的控制方法。组 合式三相逆变器它不但具有极强的带不平衡负载能力，且每相还可以分别 控制，具有控制简单、易实现模块化结构、在线热更换和肭- 1 个模块冗余 图1 一l 组合式三相逆变器电路结构 f i g 1 - 1c o m p o s i t et h r e e p h a s ei n v e r t e r 3 燕山大学工学硕士学位论文 技术等特点，提高了系统可靠性。但是开关管数目较多，输出变压器为工 频变压器，体积庞大。文献【1 1 】提出了一种组合式三相高频脉冲直流环节 逆变器，采用三个独立的单相高频环节逆变器构成组合式逆变器，用高频 变压器取代了工频变压器，减小了装置的体积。然而这种电路结构的元器 件较多，成本高，限制了它的应用。 1 2 i 2 自耦变压器结构式中点形成变压器的三相逆变器三相桥式逆变 器的电路结构简单，采用的器件少，功率管承受母线电压。但是为了得到 三相四线制的输出电压来提高逆变器带不平衡负载的能力，必须在输出端 增加中点形成变压器【1 2 l ( n e u t r a lf o r m e dt r a n s f o r m e r 简称为n f n ，构成了 应用中点形成变压器n f t 的三相逆变器一自耦变压器结构，如图1 2 所示。 其铁心为三相芯式铁心，以减小零序阻抗，变压器绕组采用曲折接法。 z 图1 - 2 应用中点形成变压器的三相逆变器一自耦变压器结构 f i g 1 - 2t h r e e - p h a s ei n v e r t e rw i t hn f t - - a u t o t r a n s f o r m e r 这种三相逆变器结构具有很明显的缺点：中点变压器的体积、重量随 系统容量和负载不对称程度的增加而增加，并且为了达到较好的耦合，绕 制工艺和接线复杂，自身功耗也降低了整机效率。 1 2 1 3 双绕组结构式中点形成变压器的三相逆变器为了消除零序输出 电压，可以采用d y 或d y o 接法的中点形成变压器，如图1 3 所示，d y 连接变压器没有零序电压输出，d y o 在负载不平衡情况下，存在零序电压 输出。 第1 章绪论 图1 - 3 应用中点形成变压器n f t 的三相逆变器双绕组结构 f i g 1 - 3t h r e e 。p h a s ei n v e r t e rw i t hn f t - t w o - w i n d i n g t r a n s f o r m e r 相应的控制方案：同步旋转坐标系下单p i 调节器，它不能消除负序电 压静差。也可以采用同步旋转坐标系下双p i 调节器，它可以消除负序电压 静差。采用此种电路拓扑的缺点是零序电压不可控。 1 2 1 2 和1 2 1 3 论述的两种在输出端加入中点形成变压器的方法也可 以满足三相四线输出的要求，且能保障较高的直流利用率。但是中点形成 变压器增加了整个系统的体积和重量，影响了系统的效率1 1 3 1 。 1 2 1 4 应用分裂电容的三相四线逆变器采用非常大的串联母线电容 c 玉和c a 2 保证中点电位的恒定，如图l 一4 所示。 u z 图1 - 4 分裂电容三相四桥臂逆变器 f i g 1 - 4s p l i tc a p a c i t yt h r e ep h a s ef o u rl e g si n v e r t e r 这种方案具有结构简单、功率器件较少等特点利用电源输入端的两 个串联电容的中点，作为三相输出的共地端，可构成三相四线制的输出l l ”。 但是需要较大的直流母线电容，以防止中点电位的偏移，因此增加了设备 体积，同时，当功率较大时或者缺相情况下，电容存在偏压的问题。应用 5 燕山大学工学硕士学位论文 在直流母线上的大量电解电容也降低了系统的可靠性。 1 2 1 5 三相四桥臂逆变器最早的三相四桥臂变换器于1 9 7 9 年提出，用 于晶闸管构成的三相电流源逆变器的换流1 9 1 。1 9 9 2 年有学者提出将三相四 桥臂变换器应用于a p f 处理零序谐波分量问题【i5 1 ，同年文献1 1 6 1 提出了电 流源三相四桥臂变换器，并应用在a p f 中。1 9 9 3 年，在文献 1 7 l q b 第一次提 到采用脉冲密度调制策略的电压源三相四桥臂逆变器，用于4 0 0 h z 航空电 源输出级，并且提出了逆变器输出滤波电感电容的设计方案。1 9 9 4 年，文 献【1 8 】提出三相四桥臂逆变器用于永磁电机的驱动。1 9 9 6 年，在文献 1 9 】 中提出利用三相四桥臂逆变器消除共模噪声。1 9 9 7 年，r i c h a r dz h a n g 提出 了三相四桥臂逆变器的三维空间矢量调制方案 2 0 l ，推动了三相四桥臂逆变 器的实用化研究。进入2 1 世纪后，关于三线四桥臂变换器的研究日益得到 各国学者的重视，加速了三相四桥臂变换器在电力电子各个领域中的应用。 典型的三相四桥臂逆变器如图1 5 所示。它是在传统的三桥臂结构的基础上 增加了一个桥臂，用这个桥臂来构成中线，这样通过增加一个桥臂来直接 控制中性点电压，并且产生中性点电流流入负载，这就增加了一个自由度， 使得三相四桥臂对逆变电源可以产生三个独立的电压，从而使其有能力在 不平衡负载下维持三相电压的对称输出。 z 图1 - 5 三相四桥臂逆变器不带中线电感 f i g 1 - 5t h r e ep h a s ef o u rl e g si n v e r t e rw i t h o u tm i d l i n ei n d u c t i o n 一般情况下，在三相四桥臂逆变器中的中线上添加电感上，形成带中 点电感的三相四桥臂逆变器，如图1 6 所示。文献【2 l 】分析表明，中点电 感可以改善整体滤波效果，抑制中线电流开关纹波，减小三相输出电压的 6 第i 章绪论 t h d 值。三相四桥臂变换器具有电路形式简单，体积小，重量轻，电压利 用率高等突出优点，是本论文的主要研究方向。 这种电路拓扑具有较高的直流利用率，并且直流输入电容较小，实现 不平衡负载时三相输出电压较低的不平衡度逆变器的输入端采用谐振直 流环节时，四个桥臂的功率管均可实现零电压开关虽然该逆变器的控制 比较复杂，但仍是目前研究的一个热点。本课题最后选定三相四桥臂逆变 器的拓扑结构。 u 由 z 图1 - 6 带中线电感的三相四桥臂逆变器 f i g 1 - 6t h r e ep h a s ef o u rl e g si n v e r t e rw i t hm i d l i n ei n d u c t i o n 1 2 2 三相四桥臂的控制方法发展概况 三相四桥臂以电压利用率高，无需直流链电容及控制灵活等优点伫2 0 3 】 和固有的处理不平衡负载能力，使其得到了日益广泛的重视和研究。 目前对三相四桥臂变换器的控制方法主要集中在电流环滞环控制，中 性点独立控制，单周期控制，基于同步旋转坐标系下的闭环控制等等基 于同步旋转坐标系的闭环控制是应用最广泛，也是最重要的三相变换器控 制方法。 现已出现了很多种控制方法，大致上可以分为以下几种： 1 2 2 一 最大误差电流调节方案这种控制的方案是利用双环控制，即： 外环为电压环，内环为电流滞环来控制开关管。它具体采用的是最大误差 7 燕山大学工学硕士学位论文 电流调节，即在采样点上，计算出各相滤波电感电流与对应相的电流给定 信号的误差绝对值，以电流误差绝对值最大的那相开关模态为基准，其他 相的开关模态如果与基准相的一样，就取该开关的模态，如果不一样，就 让它选择自然续流的状态，并以此来确定第四桥臂以及其他三个桥臂的导 通信号。其原理结构图如图1 7 所示。 这种方法的缺点是要用微处理器实时比较误差信号的绝对值大小，这 就增加了控制电路的复杂程度，并且微处理器的运行时间也限制了系统的 开关频率，电流纹波大【2 4 l 。 m 图1 7 最大误差电流调节器的原理框 f i g i - 7b l o c kd i a g r a mo f t h em a x i m u me r r o rc u r r e n tr e g u l a t o r 1 2 2 2 最高开关频率受限的三电平比较器最高开关频率受限的三电平 比较器基于多电平滞环电流控制2 5 2 6 1 发展而来，加入了最高频率受限单元， 使多电平滞环电流控制的开关频率过高，开关管损耗大，不能定频等缺点 都得到了改善。 8 第1 章绪论 1 2 2 3 ，辅助的电压环控制现阶段的四桥臂控制的研究一般采取以上的 一种电流控制和简单的单电压环p i 控制【2 6 2 饥，由于输出为正弦波所以p i 调 节器不能实现零稳态误差控制，于是进一步的发展提出把三相正弦输出经 过腻变换把交流量变换为直流量，使用简单的p i 调节器就可得到零稳态 跟踪误差，避免了采用直接交流量反馈控制所带来的相移。更高级的一些 电压环控制还加入了负载电流控制和电容电流参考前馈。 1 2 2 4中性点控制它的基本控制原理是控制交流输出中性点o 和直流 母线电压的中点n 等电位，则桥臂输出电压仅决定于本桥臂的控制，三相 完全解耦【3 0 1 。此方案如图1 8 所示。 ： ， z 图1 - 8 中性点控制方案 f i g 1 - 8s c h e m eo f n e u t r a lp o i n tc o n t r o l 1 2 2 5 基于同步旋转坐标系下的闭环控制在a b e 静止坐标系下，三相 逆变器输出均为交流量，因此，采用常规的p i 调节器不能实现无静差输出， 给控制系统的设计带来困难。为了解决上述问题，通常采用坐标变换将三 相a b c 静止坐标系p a r k 变换和c l a r k 变换转换成与参考电压同步旋转的由 坐标系，此时，三相交流量可以转换为直流量，稳态误差很容易通过积分 环节消除。与此类似，在三相四桥臂变换器中，也可以将三相交流量变换 到旋转坐标系中，在三维空间中的砌0 坐标系表示 如果三相电压对称，空间矢量将相对面0 坐标系静止，其礴由和q 轴分量 为直流量，d 轴分量为0 ，对各坐标系分别进行p i 控制，即可实现无静差控 制，达到较好的控制效果 9 燕山大学工学硕士学位论文 而在不平衡负载下，负序和零序分量是产生输出电压不平衡的根本原 因。只要将正序负序、零序分量分离出来分别加以控制，消除负序和零序 分量，则可以保证三相电压的对称输出【8 l 。此种方法通过变换阵式( 1 1 ) 获 得n ，0 - - - 个独立电压，圪表示的是零序分量，经过式( 1 1 ) 就能被分离 出来。正负序分量在n ，口坐标系下正序和负序分量在此坐标系下均为交流 量。在a ，卢坐标系的基础上可以建立一个以角速度逆时针旋转的d ，口坐 标系变换阵见式( 1 2 ) ，在旋转的d ，g 坐标系下正序分量为直流量，负序分 量为2 的正弦量。同样，在a 口坐标系的基础上可以建立一个以角速度 顺时针旋转的坐标系r 、j 变换阵见式( 1 3 ) ，在该旋转坐标系里正序分量为2 的正弦量，负序分量为直流量p o 川。 眯- 1 ；刊- 1 2 - 引l v m ， 阡詈 阡詈 。甜c o s ( 甜一与c o s ( c a + 筝 jj “n ( c a ) 一s i n ( c o t 一刁2 g s i n ( c a + 挈) jj c 。s o x c 。s ( 耐+ 2 _ t r ) c 。s 一警) jj “n ( 甜) “n ( c a + 刁2 7 1 “n ( c a 一簪 jj ( 1 - 2 ) ( 1 3 ) 因此，通过两个正、反方向旋转的坐标系( d ，g 和，、0 可以分别将正序 和负序分量变换为直流量，从而可以很方便地完成对正序、负序分量的调 节控制。同时，对0 轴重复控制，以实现d 轴无静差调节。此种方法的缺点 是控制方法复杂，要先把采样的输出量进行正负零序的分解，然后再进行6 次坐标变换，还要加以适当的控制，实现相对困难。 1 3 重复控制理论的发展概况 重复控制是本文主要应用的控制方案，该方案在周期性的外激励信号 1 0 1j 1j陬m 陬k 第1 章绪论 的跟踪或抑制方法中，占有重要的地位。这一方法最早应用于质子加速器 控制当中，并取得了良好的控制效果。重复控制以其相对简单的控制结构， 高精度完成控制任务的优异特性，而得到了学者的普遍关注，并大量应用 于各种含有周期信号的控制场合，如机械手轨迹控制，磁盘、光盘驱动器， 卫星姿态矫正的伺服机构等。 近年来该方案在逆变电源中的应用研究亦方兴未艾。这是由于在逆变 电源中因非线性负载等众多因素引起的干扰具有周期性，最终这种性质的 干扰将导致输出波形畸变亦具有重复性。因而币用重复控制的特殊性质， 能够大大消除输出电压波形的谐波。 重复控制理论是一种基于内模原理的控制理论，即如果希望控制系统 对某一参考指令实现无静差跟踪，那么产生该参考指令的模型必须包含在 稳定的闭环控制系统内部。内模的概念早在5 0 年代就己提出，之后不少学 者对此进行了探讨，1 9 7 5 年b a f r a n c i s 和w m w o n h a m 发表了线性多 变量调节器的内模原理一文，正式建立了内模理论。而重复控制的概念 是由t i n o u s 于1 9 8 1 年提出的，并进行了成功的应用。由于重复控制独特 的性质，吸引了以s h a r a m n a k a n o 和t o m a t a 为代表的一批学者对重 复控制理论进行研究。1 9 8 5 年，s h a r a 从数学上证明了重复控制的本质 是基于内模原理的制制方法，并将此结论推广多名变量系统中，完善了重 复控制的理论体系。由于重复控制器多采用数字控制的形式，m t o m i z u k a 和k c h e w 等学者对离散时间域的重复控制特性进行了研究，并针对不精 确的控制对象模型提出了改进的离散重复控制器至此，传统的重复控制 理论以及设计方法基本成熟。 1 4 本课题主要研究的内容 本课题主要研究内容是在查阅现有文献的基础上，提出将重复控制应 用到三相四桥臂中，首先在同步坐标系下的电压电流双闭环调节器的基础 上，将重复控制器添加到零轴上，以控制零序分量。随后，尝试了实现了 直接在a b c 坐标系下对三相四桥臂逆变器的进行重复由f l p l 控制。 本论文的第二章在对三相四桥臂逆变器建模的基础上，对其控制方案 燕山大学工学硕士学位论文 和调制方案进行了分析，为控制器的设计提供了理论基础。 本论文的第三章对两种方案的p i 双环调节器和重复控制器从理论上 进行了详细的分析和设计。 本论文的第四章主要对试验的硬件和软件设计进行了说明。 本论文的第五章主要足通过实验验证了重复控制应用到三相四桥臂逆 变器的两种方案的可行性，做出了分析。 第2 章系统的控制和调制方案的分析 第2 章系统控制和调制方案的分析 2 1 引言 三相四桥臂逆变器是在传统的三相桥式逆变器的基础上增加了一个桥 臂，该桥臂的作用是形成中点，这样通过增加一个桥臂来直接控制中性点 电压，并且产生中性点电流流入负载，这就增加了一个自由度，使三相四 桥臂逆变电源可以产生三个独立的电压，从而使其有能力在不平衡负载下 维持三相电压的对称输出而这样，由于第四桥臂的增加，使系统的控制 和调制的难度大大增加，控制方法的灵活性也大大增加，寻求既简单，又 能达到较好控制效果的控制策略，是有待深入研究的课题。 2 2系统控制方案的分析 2 2 1在同步旋转坐标系下对电压环、电流环双闭环控制 本论文对三相四桥臂逆变器控制策略的研究，起始于p i 双环控制策略， 控制均通过d s p 数字实现，系统的调制策略为a b c 坐标系下的三维空间矢量 控制。此系统控制框图如图2 1 所示。 基本工作原理是滤波电容电压经a i d 采样后，由静止坐标系转换到旋 转坐标系生成，圪，g o ，与参考电压相比较产生误差信号，通过旋转轴 系的补偿器输出办，吃，a o ，补偿器的输出被反变换为静止坐标系上的吃， 以，力，根据以，彩，嘭( g a b c 坐标系下的三维空间矢量产生开关管的驱 动脉冲。 对三相四桥臂的主电路进行建模，在静止坐标系下的大信号模型如图 2 - 2 所示。逆变器中的输出电压和输入电流分别见式( 2 1 ) ，式( 2 2 ) 。这里 圪( j = a , b ，c ) 是a ，b ，c 相桥臂输出电压：( f = a , b ，c ) 为相电流，以o = 口，b ，c ) 是各相桥臂与第四桥臂间的占空比。表示原边电流，k 为输入的直流电 压。 燕山大学工学硕士学位论文 l r e f e r e n c e i p - - d r i b 乞，嘲 图2 2 平均大信号模型 f i g 2 - 2a v e r a g el a r g es i g n a lm o d e l 4 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 笙! 兰至竺箜笙苎! 塑塑圭! 互墨塑坌堑 工杀 兰 = 厶善 兰 + k 塞 一 篷 c z - s ， ld + i b + i c + i 。= 0 t 2 - 4 ) 村删倒 ， 坐标变换，在旋转的如一d 坐标系中，系统变为时不变的系统。在_ a - q d 中设 ( 2 6 ) 所示： ， 髟 1 - - t , x o 以以r(2xt , x o 一6 ) 【髟j以以】1 ( 6 ) 其反变换矩阵如式( 2 7 ) ： 【托也五r = 耳1 瓦 1 ( 2 7 ) 口一b c 到d - q 一0 坐标变换阵i 及d - q 一0 到a - b - c 的反变换阵f 分别见式 王= ； c o s c o t c o s ( c o t 一马 j 矗n 耐一s i n ( t o t 一专 l1 2 2 c o s ( r o t + 习2 x j 心i n ( c o t + 马 j l ， 燕山大学工学硕士学位论文 c 0 8 m ts n t1 c o s ( ( o t 2 _ 7 r ) s i n ( c o t 一2 _ 7 r ) 1 jj c o s ( 6 0 t + 2 _ t o ) s i n ( t a t + 2 _ 7 r ) 1 jj ( 2 9 ) 圯义茯阡1 lt f 用丁a 【z 。z j ，a l z 。j j ，a t z 。) ，州州1 1 l ! 岢到二叩h 心彤r 目垲 变器在d - q d 坐标下的平均大信号模型【3 1 翊。变换结果见式( 2 10 ) 和式 昙匿 = g 差 一g 萋 + 国 g - 。， 料料料脚 p 三。 三 。三 三 00 o o 1 三+ 3 丘 r 2 1 2 ) 根据式( 2 1 0 ) 和式( 2 1 1 ) 可以建立d - q 0 坐标下的平均大信号模型框图， 如图2 3 所示。d 轴与q 轴存在耦合关系，而0 轴完全独立于d 轴和口轴。 由于d - q 轴与0 轴之间的解耦，解耦后d 轴和仃轴也变成两个相互独立的 2 阶系统。这样就可以把三相四桥臂逆变器转化为三个独立系统进行控制， 而调节器也可以采用经典控制理论方法进行设计。解耦后0 轴的电感量是 d 轴和口轴的电感量的三倍。 1 6 第2 章系统的控制和调制方案的分析 间的耦合即解耦3 3 ，3 4 矧。电流环及电压环解耦电路分别如图2 5 、2 6 所示。 柑k g 肾圈 弘 耕删倒 4 ， 燕山大学工学硕士学位论文 图2 4 用信号流图表示的平均模型 话 i 咿。冈j l d 7 u uy l q、厂习、1 i7 山i + i ： j 矗 至! 卜+ 扛 图2 5 逆变流器电流解耦控制框图 f i g 2 - 5b l o c kd i a g r a mo f d e c o u p l e dc u r r e n tc o n t r o lo f i n v e r t e r 1 8 第2 章系统的控制和调制方案的分析 图2 6 逆变器电压解耦控制框图 f i g 2 - 6b l o c kd i a g r a mo f d e c o u p l e dv o l t a g ec o n t r o lo f i n v e r t e r 前述通过给出的解耦变换阵，可以得到同步旋转坐标下d ，q ，0 三个分 量，对于平衡负载，三相对称量经过变换后得到d 。q 轴系下的直流分量， 如式( 2 1 5 ) 所示： f 5 “：丁f 。；n 。耐s i n 一( o j ：t 石+ ，妒，o + ) ， ：i ：2 。：。， 【u 。j 【s i n ( 耐+ 2 石3 + 口，o ) jl 0 j 使用电压电流双环p i 控制能达到较好的效果。但对于非平衡负载，对 于三相不对称运动系统，基波和谐波电压可以分解为正序、负序和零序三 组对称分量。可以分别计算出正序、负序、零序单独作用于负载时产生的 电流，然后将它们叠加起来，得到实际系统的三相不对称电流。对于三相 四桥臂逆变电源，其在不平衡负载下的运行可以看成分别在正序、负序和 零序共同作用的三种情况的叠加2 9 川。 p i 双环控制策略，由于这种控制方式仅对正序分量进行控制，而负序 和零序中的交流分量难以得到较好的控制效果：而负序和零序中的交流分 量，直接关系到输出电压的平衡度。由此考虑到，要达到输出电压平衡的 目的，必须对正序分量和零序分量实现无静差控制。 1 9 燕山大学工学硕士学位论文 经过式( 2 1 5 ) 变换后，在d ，q 坐标系下正序分量为直流量，负序分量为 2 甜的正弦量，如式( 2 1 6 ) 。很自然想到，在2 ，坐标系的基础上可以建立 一个以角速度顺时针旋转的坐标系：由静止a ，口坐标系变换到旋转的 ，s 坐标系的变换阵如式( 2 - 1 7 ) 。 从式( 2 1 8 ) 可以看出，在，s 坐标系下正序分量为2 珊的正弦量，负序分 量为直流量。因此，通过两个正、反方向旋转的坐标系( d ，q 和r ，s ) 可以分 别将正序和负序分量变换为直流量，从而可以很方便地完成对正序、负序 分量的调节控制。 阡； c o s a 一s i n ( c a ) 佗1 6 ) ( 2 1 7 ) 阱b 黧：； = 降 s ， 时啦：黧对l 蓟j 任1 8 门=_ij 嘞砌 等。 伽要 、k，m 砧 砧肌m砌砌咖耐研 呱呱 一 体p、。厂 翔纠十十刳刳十斗 第2 章+ 系统的控制和调制方案的分析 图2 7 改进后的系统框图 f i g 2 - 7t h eb l o c kd i a g r a mo f t h es y s t e m 2 2 2 在静止坐标系下对电压环、电流环双闭环控制 以上控制方案对正序，负序，零序分别控制，能达到较好的效果但 是，控制思路比较繁琐，处理数据量较大，限制频率的提高。为此，考虑 简化控制方案，本文提出直接在a b c 坐标下对各相电压外环进行重复加p i 控制( 控制电压波形) ，对电流内环进行比例控制( 实现快速性) ，实现与 上述策略同样的效果，并且次方案从理论上讲具有较好的带非线性负载的 能力和克服死区影响的能力。此系统控制框图如图2 8 所示： 2 l 燕山大学工学硕士学位论文 图2 - 8 静止坐标系下系统控制框图 f i g 2 - 8t h eb l o c kd i a g r a mo f t h es y s t e mi ns t a t i cc o o r d i n a t e 重复控制技术是利用负载扰动周期性规律，“记忆”扰动发生的位置， 有针对性地逐步修正，改善输出波形，在稳态条件下得到很好的输出波形， 而且控制器仅需要一个电压环反馈，且无须很高的控制精度，结构简单， 易于实现【4 2 j 5 j ”。重复控制思想是源于控制理论的内模原理，能消除所有 包含在稳定闭环内的周期性误差的一种控制方案，重复控制的系统控制示 意图如图2 8 所示。在随动系统中，若产生参考信号的“模型”被包含在 稳定的闭环系统内，那么该系统的输出就能够无静差地跟踪参考输入信号。 当误差e 周期性重复出现时，重复控制器的输出逐周期累加；当e 为0 时， 重复控制器的输出步并不消失，只是停止变化，维持上次的波形，并且周 期性的输出此波形。在实际系统中，重复控制器一般直接嵌入常规控制环 路内，“嵌入式”结构实际上把重复控制器当作给定量的校正器使用。 第2 章系统的控制和调制方案的分析 图2 - 9 重复控制系统示意图 f i g 2 - 9b l o c kd i a g r a mo f r e p e t i t i v ec o n t r o l 重复控制的传递函数如式( 2 1 8 ) 所示： 丝盟：_z-nk，zks(z)( 2 18 ) p ( z )1 一q ( z ) z “ 、 重复控制器由延迟正反馈环节和补偿器k ，z s ( z ) 组成，n 是数字控制 器每周期采样次数，e ( z ) m 以增强系统的稳定性，常取为o 9 5 。周期延迟 正反馈环节对逆变器输出误差进行逐基波周期的累加补偿器的作用是与 逆变器对象实现中低频对消和高频衰减，这样重复内模给出的补偿信号才 能幅值和相位均正确地与扰动对消，实现稳态波形的无差p ( z ) 是改进的逆 变器对象，k 是重复控制器增益，s ( z ) 取为一个截止频率与尸( z ) 近似的一 阶滤波器以实现高频衰减，超前环节z 实现s ( z ) p ( z ) 的相位补偿因存在 超前环节，若不引入周期延迟环节z “；则无法实现重复控制器。因z “的 引入，重复控制器对扰动的矫正要延迟一个基波周期，这是重复控制器本 身的一个缺点。 。 为此本文所采用的是重复控制与p i 控制相结合的复合控制方案，即利 用重复控制器得到畸变率很低的稳态输出波形，利用p i 控制器改善系统的 动态响应能力。这种方案结合了重复控制稳态精度高和p i 控制动态响应快 的优点。实验结果表明，该方法在不影响重复控制稳态调节能力的情况下， 提高了系统的动态响应速度，达到了系统设计指标的要求，取得了较为理 想的效果。弥补了重复控制器对扰动的矫正要延迟一个基波周期这一固有 缺点。 苎当奎兰三堂堡圭兰垡笙茎 2 3 调制方案的选择 脉宽调制技术( p w m ) 是指在工作频率不变的条件下