（电力电子与电力传动专业论文）基于重复控制和pi双闭环控制的三相四桥臂逆变器.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 ft h es o c i e t y , t h en e e df o rh i g hp o w e ra n dh i g h p e r f o r m a n c ei n v e r t e ri si n c r e a s e dw i d e l y 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 s i n v e r t e rc a np r o v i d er e l a t i v eg o o dp e r f o r m a n c e h o w e v e ri tw i l lh ei n e f f e c t i v e w h e ni ti sc o n n e c t e dt on o n - l i n e a ru n b a l a n c e dl o a d sw h i c ha l eo f t e nu s e di n v i t a lo c c a s i o ns u c ha sm i l i t a r y , b a n k ，h o s p i t a la n ds oo n i no r d e rt os o l v et h e p r o b l e mm e n t i o n e da b o v e ，an o v e ld e s i g nw h i c hc o m b i n e st h r e ep h a s ef o u r l 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 sp r o p o s e di n t h i sp a p e r b a s e do nc o m p a r i s o no ft h r e ep h a s ef o u rl e g si n v e r t e rc o m r o ls t r a t e g i e s ， t h i sp a p e ri n t r o d u c e sr e p e t i t i v ec o n t r o l l e ri nt h r e ep h a s ef o u rl e g si n v e r t e r , w h i c hn o to n l yi m p r o v e si n v e r t e rp e r f o r m a n c eu n d e ru n b a l a n c el o a d s ，b u ta l s o e n h a n c e st h ep e r i o d i c a ln o n - l i n e a rl o a dd i s t u r b a n c er e j e c t i v ec a p a b i l i t y p i d o u b l el o o pr e g u l a t o rb a s e do ns y n c h r o n o u sf r a m ei sa p p l i e d t h em a t h e m a t i c m o d e lo ft h r e ep h a s ef o u rl e g si n v e r t e ri se s t a b l i s h e di nd i f f e r e n tc o o r d i n a t e s p a p e ra c c o m p l i s h e st h ed e c o u p l i n go ft h et h r e ep h a s ef o u rl e g si n v e r t e r t h e m e c h a n i s mh o wi ts u p p r e s s e st h eu n b a l a n c e dl o a dd i s t u r b a n c ei sa n a l y z e di n t w ov i e w s t h ea n a l y s i s ，d e s i g na n ds i m u l a t i o no fr e p e t i t i v ec o n t r o la n dp i d o u b l el o o pr e g u l a t o r 盯ed i s c u s s e d t h es i m u l a t i o nr e s u i t sv e r i f i e dv e r a c i t yo f t h e o r ya n a l y s i s j mm a i nc i r c u i ti sc o m p o s e do f t h r e ep h a s ef o u rl e g si n v e r t e r t l l ec o n t r o l c k c u i tc o i l s i s t so fd s pt m s l f 2 4 0 7a n dc p l d w h i c ha r ep r o g r a m m e di nc l a n g u a g ea n da s s e m b l el a n g u a g e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sp r o v e dt h et h e o r e t i c a l a n ds i m u l a t i o na n a l y s i st h a tr e p e t i t i v ec o n t r o lc a nl e a dt ot h r e ep h a s ef o u rl e g s i n v e r t e rt oa c h i e v eb e t t e rp e r l e ，r m a n c et h a nc o n v e n t i o h a lc o n t r 0 1 k e y w o r d si n v e r t e r ；u n b a l a n c e dl o a d ；t h r e ep h a s ef o u rl e g s ；p id o u b l el o o p 垒! ! 巡 c o n t r o l ；r e p e t i t i v ec o n t r o l ；d e c o u p l i n g t h i sp r o j e c tr o o t si nt h ei t e mo f n 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 no f c h i n a ( 5 0 2 3 7 0 2 0 】 m 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基于重复控制和p i 双闭 环控制的三相四桥臂逆变器，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，论文中除己注明 部分外不包含他人已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。 作者签字鼠酱采砭日期：；- 年争月打日 燕山大学硕士学位论文使用授权书 基于重复控制和p i 双闭环控制的三相四桥臂逆变器系本人在燕 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。 不保密囤。 日期；年牛月钼 日期：p d 6 年牛月砖日 l n 靛 徊 艏 瓤 缔 榧狐却 雠 馘 酬 储 聊 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景 常见的各种用电设备一般直接由5 0h z 交流电供电，或者由交流电变 换的各种不同电压幅值的直流电供电。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 4 0 ，至t j 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 j 删。从电能转换的角度来分类，可以将 种类繁多的电力电子拓扑分为四种基本类型：a c d c 变换器，d c d c 变 换器，a c a c 变换器和d c a c 变换器。a c d c 变换器又称为整流器f 3 】，主 要实现将交流电变换为直流电，包括传统的二级管整流，晶闸管相控整流 以及为提高功率因数提出的p w m 整流。d c d c 变换器包括的范围极广， 从几千瓦功率以下的开关电源到数百千瓦的电力机车用斩波器，都可以发 现它的身影。a c a c 交换器可以实现将某种频率的交流电转换为相同或 不同频率的幅值和( 或) 相位可变的交流电，前者称为交流调压器，后者称 为周波交换器。a c a c 变换器一个典型的应用是交交变频器。d c a c 变 换器又称为逆变器。 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，变换成电能质量较离的、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，而且可作为不间断电源 ( 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 】。 逆变电源自诞生就在不断地追求高频、商效、高可靠和高性能。在向 “四高”目标的进取中不断出现新的技术难点和障碍，也不断取得新的突 燕山大学工学硕士学位论文 破。由于逆变器所带负载容量正在日益增大，对三相逆变器的需求日益增 多，从而对三相逆变电源的研究也就日益深入。对三相逆变电源来说，保 证其三相电压的对称输出，是对其最基本的一个要求。 三相不平衡问题包括两个方面口 7 】，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；对于三相电力系 统，常见的原因是把一个大的单相负载接入系统，此外配电变压器的故 障，电路接线不良，以及负载内部故障等都可以引起电网电压不平衡。本 质上，电网电压不平衡也是由负载不平衡引起的。三相不平衡对电网和用 电设备都有不利的影响：大容量单相负载给电网带来不经济，不安全的因 素；不平衡负载引起的电网电压不平衡降低了配电变压器效率，引起电机 过热；三相负载不平衡增加了电能表测量误差。 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、线性与非线性交化 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 1 2 1 三相四桥臂逆变器的拓扑发展概况 1 2 1 1 组合式三相逆变器顾名思义，组合式三相逆变器是由三个单相 逆变器组合而成，典型拓扑如图1 1 所示。由于三个单相逆变器相互独 立，因此可以应用常规单相逆交器的控制方法。组合式三相逆变器具有结 构简单，易于控制，可靠性高的优点，然而开关管数日较多，输出变压器 为工频变压器，体积庞大。文献【8 】提出了一种组合式三相高频脉冲直流 环节逆变器，如图1 2 所示。采用三个独立的单相高频环节逆变器构成组 2 苎! 童篁笙 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。 圈1 1 组合式三相逆变器 f i g 1 1c o m p o s i t et h r e ep h a s ei n v e r t e r c 图1 - 2 高频链组合式三相四线逆变器 f i g 1 - 2h i g hf r e q u e n c yl i n kc o m p o s i t et h r e ep h a s ef o u rl i n ei n v e r t e r 1 2 1 2 中点形成变压器输出三相逆变器 中点形成变压器( n e t u r a l f o r m e dt r a n s f o r m e r , n p t ) 在三相逆变器输出侧提供一个星形联结点作为电 源中性点，从而获得了带不平衡负载的能力。中点形成变压器有两种结构 3 燕山大学工学硕士学位论文 形式：可以采用普通的双绕组结构，也可以采用自耦变压器结构【9 1 。分别 如图1 3 和图1 - 4 所示。 图1 - 3 组合式三相逆变器一双绕组结构 f i g 1 - 3c o m p o s i t et h r e ep h a s ei n v e r t e r - d o u b l ew i n d i n gs t r u c t u r e z z 图1 - 4 组合式三相逆变器- 自耦变压器结构 f i g 1 - 4c o m p o s i t et h r e ep h a s ei n v e r t e r - a u t o t r a m f o r m e rs l r u c t u r e 双绕组结构中点形成变压器一般用于要求输出隔离的场合，如果不需 要输出隔离，采用自耦变压器结构可以减小装置的体积和重量，这是因为 当三相负载对称时，自耦变压器绕组中仅有磁化电流；当三相负载不对称 时，自耦变压器绕组中才有负载电流分量流过，从而减小三相输出电压的 不对称度。由于中点形成变压器是一个变比为1 ：l 的工频变压器，它的引 入将使逆变器存在下列不足嘲： ( 1 ) 中点形成变压器的体积、重量随系统容量和负载不对称程度的增 加而增加； f 2 ) 为了达到较好的相间耦合，变压器的绕制工艺和接线复杂； 4 第1 章绪论 ( 3 ) 中点形成变压器自身的功耗降低了变流器系统的效率； ( 4 ) 随着逆变器功率重量比和效率的提高，中点形成变压器的体积重 量和损耗在系统中所占的比重越来越大。 此外，由于中点形成变压器的作用，输出电压中的零序分量为不可控 状态，为了减小输出电压不平衡度，应该尽量减小变压器的漏阻抗。有分 析表明 7 】，将图1 3 中的输出电感移到变压器原边，可有效降低输出电压 的不平衡度。 1 2 1 3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 d l 和c d 2 保证中点电位的恒定，如图1 5 所示。 u z 图1 5 分裂电容三相四桥臂逆变器 f i g 1 - 5s p l i tc a p a c i t o rt h r e ep h a s e 姗l e g si n v e r t e r 这种方案需要较大的直流母线电容，增加了设备体积，应用在直流母 线上的大量电解电容也降低了系统的可靠性。一般说来，这种拓扑更适用 于应用在a p f 中l l o j l 。在小功率的u p s 应用中，也可以用两组电池来代替 分裂电容，其中一组电池提供正向电流，另一组电池提供负向电流。这种 做法的缺点是使得所需电池组比相同容量三相三桥臂逆变器增加了一倍， 然而在这种情况下，两个电池组提供的均为直流电流，可以提高电池组使 用寿命。 1 2 1 4 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【l ”。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【”】，同年文献【1 4 】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 5 】中第一 燕山大学工学硕士学位论文 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 0h 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 6 提出三相四桥臂逆变器用于永磁电机的驱动。1 9 9 6 年，文献 1 7 】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3 维空间矢量调制方案【”】，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l - 6 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 - 6 三相四桥臂逆变器不带中线电感 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 h o u tm i d l i n ei n d u c t o r 一般情况下，在三相四桥臂逆变器中线上添加电感l ，形成带中点电 感的三相四桥臂逆变器【1 9 】，如图1 7 所示。文献 1 9 】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 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。 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犯。越 6 第1 章绪论 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。现已 有很多种控制方法，大致可以分为以下4 种。 z 图1 - 7 带中线电感的三相四桥臂逆变器 f i g 1 - 7t 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 o r 1 2 2 1 电流环滞环控制为了提高对负载的动态响应速度和对电流的限 制能力，电压型逆变器常使用内环电流调节方案1 2 3 】。现有的电流滞环控 制方案有两种： ( 1 ) 最大误差电流调节方案最大误差电流调节m e c n m a x i m u me r r o r c u r r e n tr e g u l a t o r ) 卿t 2 4 - 2 6 1 是在采样点上，调节器周期性地对滤波电 感电流和电流给定信号进行采样和保持。在每个采样点上，若滤波电感电 流与电流给定信号之间的误差小于1 l ( h 为滞环宽) ，h c p m ( h y s t e r e s i s c u r r e n tp u l s em o d u l a t o r ) 滞环电流脉冲调制器把输入电压正向加到滤波器 两端，即：使滤波电感电流增大；若两者之间的误差大于h ，h c p m 把输 入电压反向加到滤波器两端，即使滤波电感电流减小；假如两者之间的误 差绝对值小于h ，就让滤波器两端短路，即使逆变器处于自然续流状态。 其原理结构图如图1 - 8 所示。事实上无需计算误差的绝对值，而只需判定 绝对值的大小。在实际电路中，将误差两两相加，若误差一正一负，且相 加后为负，则误差为负的绝对值大，其它以此类推。 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 ) 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 燕山大学工学硕士学位论文 比较器【2 7 1 基于多电平滞环电流控制皿8 工9 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。实现原理图如图1 - 9 所示，电感电流误差信号经 a b c 一伍肘变换得到在旺p t 坐标系下的误差信号、及q ，经最高开关频率 受限的滞环比较器后输出信号以、d 。及破，用以选择合适的空间电压矢 量，从而驱动逆变器产生在指定电流误差范围内跟踪指令信号电感电流。 最高开关频率限制的实现如图1 - 1 0 所示。比较器a 和b 输出的脉冲信 号经过d 触发器在一定频率下采样后送至逻辑表产生相应的空间电压矢量 选择信号以、以及t 。在采样周期内逆变器开关状态保持不变，从而限 制了逆变器的最高开关频率。 m 2 m 3 图1 - 8 最大误差电流调节器的原理框图 f i g 1 - 8b l o c kd i a g r a mo f t h em a x i m u m e r r o rc u r r e n tr e g u l a t o r ( 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 ；工上的 一种电流控制和简单的单电压环p i 控制瞄, 2 8 2 9 1 ，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，于是迸一步的发展提出把三相正弦输出 第1 章绪论 经过p a r k 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，但都没有提 出对非线性负载的抑制，这也是本论文将要解决的问题。 图1 - 9 电流调节方案框图 f i g 1 9b l o c kd i a g r a mo f p r o p o s e dc u r r e n tr e g u l a t i o ns c h e m e 圈1 1 0 最大开关频率限制的实现 f i g 1 - 1 0i m p l e m e n t a t i o no f m a x i m u ms w i t c h i n g 丹e q u e n c yl i m i t e d 1 2 2 2 中性点控制 这类控制是单独把第四桥臂拿出来对其中性点进行 控制，因为第四桥臂是公用桥臂，a 、b 、c - - - 相输出电流的激励发生相 互牵制。中性点控制【3 0 1 的基本原理是控制交流输出中性点n 和直流母线电 压的中点等电位，则桥臂输出电压仅决定于本桥臂控制，三相完全解耦。 实际上把三相四桥臂逆变器解耦成三个半桥电路，然后电压环采取p i 控制 电流环采用p 调节器分别控制。调制采用传统的s p w m 调制，如图1 1 l 所 示。它的控制比较简单，但是电压利用率较低，开关损耗也较大。文献 3 1 提出了一种单独控制第四桥臂中线电流的方案。由中线电流控制第四 臂上下管的开通，使中线电流变化来适应负载的不平衡，其余三相依然采 9 燕山大学工学硕士学位论文 用h c p m 控制的电流内环。此方法实现电路复杂，体积大不利于数字化 电流纹波大。 z 图1 - 1 1中性点控制方案 f i g 1 - t ls 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 3 三维同步坐标控制三相四臂对逆变电源可以用四维表示输出电 压，其可被分解到三维同步旋转坐标系以构成3 个独立的输出电压 3 2 , 3 3 。 通过坐标变换式( 1 1 ) 、式( 1 3 ) ，构建成一个先进的同步坐标控制器。此 同步坐标的控制器采用电容电流反馈内环和电容电压反馈外环见图1 1 2 。 注意到式 1 2 ) 和式( 1 - 4 ) 中的变换阵l 。( 9 ) 和t l q d o ( 臼) 同时把址等量变换 为解耦的厶。和同步旋转的，0 。等效控制器事实上是3 个单相控制器独立 操作，3 个方向的参考值都是直流量，从而使用p i 调节器就能控制输出稳 态误差为零。 摩 c ( 日) 一s ) 1 2 压 c ( o 一马 j s ( o 一_ 2 n ) j 1 2 压 c ( o + 争。 咧日+ 争o 11 2 互2 压 m 1 1 五l - ( p ) l 刊 l o 工 五 工 工 工 五 工 工 0 - 2 ) 第1 章绪论 工 无 工 工 c ( e ) c ( o 一娑) c ( o 十马 o 工 五 z 工 一砺1 叫日一争去 鄙+ 争击 。 去 m = 呓( 日) l 丘i l 工j ( 1 3 ) ( 1 4 ) 图1 - 1 2 同步坐标控制框图 f i g 1 - 1 2 c o n t r o l b l o c k o f s y n c h r o n i s m 矗a m e 1 2 2 4 正序负序零序控制从不平衡机理的分析可以看出，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m 。此种方法通过变换阵式( 1 5 ) 获得、p 、0 三个独 立电压，k 表示的是零序分量，经过式( 1 5 ) 就能被分离出来，此时有两 种方法可以控制”，一是通过p 调解器，实现对零序分量的独立控制：另 一种是通过设计零阻尼带通滤波器，从而在不平衡负载下可以尽可能使零 序分量达到零稳态误差。正负序分量在a 、d 坐标系下正序和负序分量在 燕山大学工学硕士学位论文 此坐标系下均为交流量。在、b 坐标系的基础上可以建立一个以角速度 逆时针旋转的d 、q 坐标系变换阵见式( 1 6 ) ，在旋转的d 、q 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 、b 坐标系的基础上 可以建立一个以( o 角速度顺时针旋转的坐标系r 、s 变换阵见式( 1 7 ) ，在该 旋转坐标系里正序分量为2 0 的正弦量，负序分量为直流量。 阿詈 阡詈 小 11 2 1 2 0 压2 撕2 1 21 21 2 c 。s f 。s 一冬) c 。s + 孥) )j - s i n ( t o t ) “n ( t o t 一冬) 一s i n ( t o t + 孕) j) s 耐 c o s ( 耐+ 等) c 。s 一等) 一s i n ( o 。t ) “n ( r + 尹2 7 r s i n ( w t - - 莩) 嘲 嘲 ( 1 - 5 ) ( 1 6 ) ( 1 - 7 ) 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3 3 m 1 。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 重复控制综述 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 对某一个参考指令实现无静差跟踪，那么与该参考指令同频同相的内模就 应该包含在闭环控制系统的内部。内模原理的概念最早在5 0 年代就已提 出，之后很多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 正式建立了内模理论。1 9 8 1 年i n o u s 提出了重复控制的概念并把其成功的 应用到了实际工程中。此时的重复控制引起更引起一批学者的关注，1 9 8 5 第1 章绪论 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控制方法， 并将此结论推广到多变量系统中，完善了重复控制的理论体系。由有重复 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对不精确的控制对象模型提出了改进的 离散控制器。到目前为止传统的重复控制理论及设计方法基本成熟。 重复控制最早用在质子加速器励磁电源的调节问题以及高精度轨迹伺 服系统当中尤其是在采用其它控制技术很难获得很高的控制精度的情况 下，重复控制因其控制精度高、实现简单以及控制性能的非参数依赖性， 很快成为解决周期性外激励信号控制问题的一种有效方法。 近年来重复控制技术在逆变电源中的应用研究也正如火如荼，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也具有重复性，因而利用重复控制的特 殊性质能够大大消除输出电压波形的谐波。目前重复控制在单相逆变器中 应用较为广泛和成熟，而在三相逆变器中应用还不多，本文提出将重复控 制应用到三相四桥臂中，扩展了重复控制的应用。 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，并设计了在同步坐标系下的电压电流双闭环调解器， 实现了对三相四桥臂逆变器的零稳态误差控制。 本论文的第二章在对三相四桥臂逆变器建模的基础上，分析了不平衡 产生的原因和抑制不平衡的原理及系统的解耦。为控制器的设计提供了理 论基础。 本论文的第三章对同步坐标系下的p i 双环调节器和重复控制器进行 了详细的分析、仿真和设计。 本论文的第四章主要对实验的硬件和软件设计进行了说明。 本论文的第五章主要是通过实验验证了重复控制应用到三相四桥臂逆 变器的可行性，并在非线性不平衡负载条件下进行了重复控制和p 1 双闭 环控制的实验，做出了对比分析。 燕山大学工学硕士学位论文 2 1引言 第2 章系统的数学建模和分析 三相四桥臂逆变器在普通的三桥臂逆变器的基础上，增加了一个桥臂， 使之具备处理不平衡负载的能力，保证了逆变器在任何不平衡负载的情况 下都能保持很好的正弦输出。在数据通讯、工厂自动化、军事装备等这些 要求高性能电源的场合，三相四桥臂逆变器得到了广泛应用。为了设计良 好的闭环调节器和充分理解三相四桥臂逆变器的物理结构，有必要建立和 分析一下三项四桥臂逆变系统的模型。本章在完成这项工作的基础上还分 析了三相四桥臂逆变器抑制不平衡的机理。 2 2 系统数学模型的建立 本论文研究的总体电路结构如图2 1 所示，系统采用的p i 双环控制和重 复控制均通过d s p 数字实现，系统的调制策略为a b e 坐标系下的三维空间矢 量控制。本论文的仿真和实验研究均基于此结构图。基本工作原理是滤波 电容电压经刖d 采样后，由静止坐标系转换到旋转坐标系生成，圪，圪， 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彩，吃，d o ， 补偿器的输出被反变换为静止坐标系上的d o ，嘭，d r ，根据d o ，啡，4 由a b e 坐标系下的三维空间矢量产生1 6 个开关管的驱动脉冲。 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 z , , a i = a ，b ，c ) 是对应相桥臂与第四桥臂间输出电压；( f - 4 ，b ，c ) 为相电流， 丸( f - a ，b ，c ) 是各相桥臂与第四桥臂间的占空比。为原边电流，吒为输 入直流电压。 卜1 降 l h 哝。l k ( 2 - 1 ) l 吃jl 叱j 1 4 第2 章系统的数学建模与分析 l ，p = 【屯以。叱】l l h 图2 1 系统框图 f i g 2 - 1t h eb l o c kd i a g r a mo f t h es y s t e m ( 2 - 2 ) 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 由图2 2 和基尔霍夫定律可以得到式( 2 3 ) ，其中( ，= a ，b ，c ) 为三相 输出电容电压。进一步可以得到式( 2 - 4 ) 和式( 2 - 5 ) 。l ( ，= a ，b ，c ) 为三相负 载电流。 燕山大学工学硕士学位论文 ( 2 3 ) 树羽剀 ， 在旋转的d - q 0 坐标系中，系统变为时不变的系统。如此在d - q - o , 设计的补 x ax qx o 1 = z x o 置x j l ( 2 - 6 ) 坐标变换阵t l 见式( 2 8 ) ，d - q - o 到a - b - c 的反变换阵见式( 2 7 ) ，其中耳1 f 以五置】t = f 以t 五 1 ( 2 - 7 ) t l = 詈 c o s m t 咕i n m t 1 c o s 一娶) 啦i n ( 咖娶) l 1 6 删叭冬) 啃i n ( t + 娶) j 1 ( 2 _ 8 ) 1lllllj ，。l 一 1，j 屯叱叱 l k + 1llllllj 厶厶 ，l d m 0 = 1llllllj 厶 l d m e 第2 章系统的数学建模与分析 c o s c o t- s i n o g t 1 c 。s ( f 一_ 2 z - r )咕j 甩( f 一冬) 1 j 5 c ( 斛冬) 捌n ( c o t + 冬) 1 j j ( 2 - 9 ) 把变换阵i i f - 用于式( 2 - 2 ) ，式( 2 - 3 ) ，式( 2 - 5 ) 的两侧就可以得到三相四 桥臂逆变器在d q 0 坐标下的平均大信号模型【排3 。变换结果见式( 2 1 0 ) 和 杀 主 = k g 妻 一g 囊 + 去 c ：一。， 耕料删例 p 1 00 o 三o o0 上 f 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。可以看到三相四桥臂逆变系统被划分为两部分，一部分为相 互祸合的d 轴通道和q 轴通道：另一部分为与d 轴通道和q 轴通道彻底解耦的0 轴通道。因为两部分完全解耦使研究对象的系统阶次减少。对此d q 0 坐标 下模型的物理解释是零序分量只在零轴存在而与正负序分量独立。为了方 便用电路分析工具仿真和更好地理解三相四桥臂逆变系统的物理模型，本 文在图2 3 的基础上进一步建立了系统的信号流图，如图2 j 4 所示，可以看 到0 轴为一个2 阶系统，与b u c k 变换器类似，而d 轴和q 轴耦合在一起成为一 个4 阶系统。从此信号流图还可以清楚得看出电路中各个部分上的电压和电 1 7 翌些奎堂三堂堡圭兰垡丝茎 流值的相互关系和影响因素。此系统的信号流程图为下一步的解耦工作打 下了基础。 d 0 + v 图2 3 旋转坐标系的平均模型 f i g 2 - 3a v e r a g em o d e li nr o t a t i n gc o o r d i n a t e s 2 3 系统的解耦控制 从图2 4 可清楚看到d 轴和a 轴电压和电流之间的耦合关系，这不利于调 节器的设计，为了得到优良的控制效果和调节器设计方法，可以通过适当 加入新的控制结构消除两者间的耦合即解耦【3 8 】。解耦后的三相四桥臂逆 变系统将类似于三个独立的b u c k 变换器，所有用在d c d c 中的控制策略在 三相四桥臂逆变系统都能应用。未解耦时的空间方程见式( 2 1 0 ) ，可看出d 轴和q 轴的电感电流以控制电压源的形式耦合到q 轴和d 轴，d 轴和q 轴的电容 电压以控制电流源的形式耦合到q 轴和d 轴。为了消除两者之间的耦合项， 清晰控制结构，可通过在d 轴和q 轴加上适当的控制量来达到此目的。电流 环解耦电路如图2 5 所示。解耦后的方程见式( 2 1 3 ) 。同理电压环解耦电路 杀芝 = 匕g 塞 一g 囊 c z - ，s ， 耕剁例 任 图2 4 用信号流图表示的平均模型 f i g 2 - 4a v e r a g em o d e lr e p r e s e n t e da sas i g n a lg r a p h 1 9 图2 5 逆变流器电流解耦控制框图 斗r 巨乎件 斗t 掣 + 1 鲁蜷 丑邓 第2 章系统的数学建模与分析 图2 7 解耦后的系统模型 f i g 2 - 7s y s t e mm o d e la f t e rd e c o u p l i n g 此外在故障情况下，如某一相开路或短路，三相无中线系统的输出电 压会产生严重的不平衡情况。电路理论中将三相无中线系统的这种现象称 为t 中性点位移”。图2 8 为一个简化的三相无中线系统及电压矢量图。 其中： n ( a ) 三相无中线系统 ( ”电压矢量图 ( a ) s y s t e mo f t h r e ep h a s ew i t h o u tn e u t r a ll i n e ( b ) v o l t a g ev e c t ( g r a p h 图2 8 三相三线系统及其电压矢量图 f i g 2 - 8s y s t e mo f t h r e e - p h a s ea n d t h r e el i n ea n dv o l t a g ev e c t o rg r a p h 口。户型挈量鲁掣 ( 2 1 s ) n n 1 z a + 1 z b + 1 z c 燕山大学工学硕士学位论文 由式( 2 1 5 ) 可知，即使在电源电动势平衡的情况下，如果复阻抗z a ， z b 和z c 不完全相等，亦有巩w 0 ，因而引起负载电压吼。，d “和 k 不 平衡。对于三相四桥臂系统，由于增加了中性线，使得c 7 。= 0 ，从而解 决了中性点位移问题见图2 9 。 ( a ) 三相四桥臂系统( b ) 电压矢量图 ( a ) s y s t e mo f t h r e ep h a s ea n df o u rl e g s( b ) v o l t a g ev e c t o rg r a p h 图2 - 9 三相四桥臂系统及其电压矢量图 f i g 2 - 9s y s t e mo f t h r e e - p h a s ea n df o u rl e g sa n dv o l t a g ev e c t o rg r a p h 通过上面分析可以看出中性点漂移的主要原因是没有中线电流的泄放 通路。从这个角度来说三相四桥臂逆变器通过增加了一个桥臂构成了中线 电流的通路，使得三相四桥臂逆变器有能力抑制不平衡负载。而三相三桥 臂逆变器显然是没有的。 从另一个角度来理解。对任何的三相不平衡的相量，都可以根据1 9 1 8 年由c l f o r t e s c u e 提出的对称分量法 6 1 分解为三组平衡的三相相量正序分 量，负序分量和零序分量。对于普通三桥臂的三相逆变电源，系统中a 、b 、 c z 相不是相互独立的，它们之间有耦合关系，而且恒有下式成立： + 吃+ 。= 0( 2 - 1 6 ) 其中，吃，k 。为三相线电压。所以实际上三桥臂逆变电源只有两个自由 度。通过式( 2 1 7 ) c l a r k 变换可以得到两个独立的电压a 、p ，同时注意到 零序分量通过变换已经为零，因此三桥臂逆变器没有能力对零序分量进行 控制，而不平衡产生的原因就是因为有负序分量和零序分量的存在。而三 相四桥臂逆变器通过在传统的三桥臂逆变器基础上增加了一个桥臂，这相 当于增加了一个自由度，使得三相四桥臂对逆变电源可以产生三个独立的 电压；a 、p 、t 。 2 2 第2 章系统的数学建模与分析 讣吾 阱 1 一二 。鱼 1 一三 一三 22 。巫一巫 22 11l 222 ( 2 - 1 7 ) ( 2 - 1 8 、 k 表示的是零序分量，其通过式( 2 1 8 ) 的变换阵就可以被分离出来， 通过p 调节器或者零阻尼器带通滤波器即可以控制零序分量了。从这个角 度也证明了四桥臂逆变器有能力处理不平衡负载。 2 5 本章小结 本章建立了三相四桥臂的数学模型和平均大信号模型，并将其变换到 同步坐标系上，建立了同步坐标系上的平均大信号模型，为了更好的看出 各量之间的关系给出了信号流框图，分析了d 轴和q 轴之间的电压和电流的 耦合关系，对电压和电流做了解耦控制，给出了控制框图，为以后控制器 的设计提供了理论上的依据。本章还从两个角度分析了三相四桥臂逆变器 能处理不平衡负载的理论基础，这些分析为后面调节器的设计、仿真实验 提供了重要的理论依据。 1lllj 1lj 一忆m m m m 峨 燕山大学工学硕士学位论文 第3 章系统的控制器设计 3 1引言 系统的闭环控制是影响系统整体性能的一个重要因素，人们都在努力 完善系统的闭环控制性能。三相正弦量经p a r k 变换后可以转换为直流量 进行控制，很好的提高了调节器控制性能，并做到无静差控制。本文采用 了此种变换并运用传统的p i 实现了三相交流量的无静差控制。前面分析到 由于非线性负载的广泛应用，对逆变电源提出了更高、更具体的要求，譬 如低t h d 值、高功率密度等。现在有些控制方案，如