（电力系统及其自动化专业论文）三相四桥臂逆变器的控制与设计.pdf

西华大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 蓄等产文茄诱觚爹誓螽教渤吁 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，同意学校保留并向国家 有关部f i 或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，西 华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 谶篆彦苫：勿赵墨槲苌力：71 彳 西华人学硕仁学位论文 摘要 随着社会的发展，各种高精度负载对电网中的电能质量要求越来越高。同时各式各 样的线性负载和非线性负载大量接入电网中，导致电网负载不、f 衡，严重影响电例中的 电能质量和电网的运行效率。为适应电网系统中日益增多的不对称负荷对电网电能质鼍 影响，近年来，一种三相四桥臂逆变器结构因其体积小、重量轻和效率高而备受关注； 但该逆变器控制复杂，实现困难。为此，本文开展了如下工作： ( 1 ) 首先针对这种四桥臂逆变器结构，研究，基f i 维空间矢量中y 分量控制的 策略。该方法通过坐标变换，得到影响_ 三相输出电压不平衡的关键因素一y 分量，从而 对负载产生的不平衡进行全补偿。 ( 2 ) 其次，研究了基于电流正反馈控制与蔓维空自j 矢量调制策略。通过对四桥臂 逆变器系统的分析，在二三相电压反馈控制的基础卜，引入三相不平衡电流；通过正反馈， 增大不平衡筹量，促使：三相输出电压平衡度控制更迅速和精准。 ( 3 ) 第三，研究了采用- 种动态参考电压滞环控制方案。通过对电路的理论分析， 得出第四桥的动态参考电压，动态参考电压使得该控制方案具有很大的灵活性和町调 性；通过引入微分负反馈，增强了控制系统的快速性和稳定性。 ( 4 ) 最后，利用m a t l a b s i m u l i n k 仿真软件对上述的控制系统进行了闭环仿真验 证，仿真结果与理论分析基本一致。以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 芯片为控制平台，设计了一 台功率为3 0 0 w 、5 0 h z 的i 相四桥臂逆变器，通过实验验证了所提出方法的有效性。 关键词：不平衡和非线性负载；三相四桥臂逆变器；d s p 控制；m a t l a b 仿真；三相 电压不平衡；分布式并网 - 二相四桥臂逆变器的控制与设计 a b s t r a c t t h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g yo ft h em o d e mw o r l di sd e v e l o p i n gb yl e a p sa n db o u n d s t h u st h ep o w e rq u a l i t yo fg r i d sh a v eb e e ni n f l u e n c e db yt h em o u n t i n gn u m b e ro fa s y m m e t r i c l o a d s r e c e n t l y ，t h et h r e e - p h a s ef o u r - l e gi n v e r t e r w h i c ha d d sab r i d g et o t h r e e - p h a s e t h r e e b r i d g ei n v e r t e rh a sb e e nr e s e a r c h e db e c a u s eo ft h em e r i to ft h ec o m p a c t e rs t r u c t u r e ， s m a l l e rb u l ka n dh i g h e re f f i c i e n c y ，w h i c hh a sb r o u g h tv i g o ri n t ot h ep o w e rs y s t e mw i t hb r o a d a p p l i c a t i o np r o s p e c t s o fc o u r s e ，t h ec o n t r o lm e t h o df o rt h r e e p h a s ef o u r - l e gi n v e r t e rb e c o m e s m u c hm o r ec o m p l e xa n dd i f f i c u l tt oa c h i e v e t h e r e f o r e t h ew o r ki nt h i sp a p e ri sd i v i d e di n t o t h ef o l l o w i n gm a j o r p a r t s ： f i r s t l y ，b a s e do n 丫c o m p o n e n tc o n t r o li nt h r e e - d i m e n s i o n a ls p a c ev e c t o r , t h ew o r k i n g p r i n c i p l eo ft h et h r e e p h a s ef o u r - l e gi n v e r t e ri sa n a l y z e d ，a n dan e w c o n t r o l l e ri sp r o p o s e d t h ec o m p a r i s o no fo u t p u tv o l t a g ev e c t o r sa m o n gl i n e a r ，n o n - l i n e a r , b a l a n c e da n du n b a l a n c e d l o a d ss h o w st h a tt h e1 r c o m p o n e n ti st h ek e yi n f l u e n c i n gf a c t o r o nt h eu n b a l a n c eo f t h r e e - p h a s eo u t p u tv o l t a g e ，a n dt h u st h el o a di m b a l a n c ec a n b ec o m p e n s a t e dc o m p l e t e l yi n o r d e rt oc o n t r o lyc o m p o n e n t s e c o n d l y ，a n o t h e rn e wc o n t r o lm e t h o di sp r o p o s e db a s e do np o s i t i v ef e e d b a c ko f c u r r e n t c o n t r o la n dt h r e e d i m e n s i o n a ls p a c ev e c t o rm o d u l a t i o n t h r o u g ha n a l y s i n gt h ef o u r l e g i n v e r t e rs y s t e m ，t h r e e p h a s eu n b a l a n c e dc u r r e n ti si n t r o d u c e db a s e do nt h et h r e e - p h a s e v o l t a g ef e e d b a c kc o n t r 0 1 f o r t h e r m o r e ，t h ea m o u n to fi m b a l a n c ei si n c r e a s e dt h r o u g hp o s i t i v e f e e d b a c ki no r d e rt oc o n t r o lt h eb a l a n c e n e s so ft h r e e p h a s eo u t p u tv o l t a g em o r eq u i c k l ya n d a c c u r a t e l y t h i r d l y ，ad y n a m i cr e f e r e n c ev o l t a g eh y s t e r e t i cc o n t r o ls c h e m ei sp r e s e n t e d ，t h r o u g h t h e o r e t i c a la n a l y s i so fe l e c t r i cc i r c u i t d y n a m i cr e f e r e n c ev o l t a g eo ft h ef o u r t hb r i d g ei s a c h i e v e dt om a k et h ec o n t r o ls c h e m em o r ef l e x i b i l i t ya n da d j u s t a b i l i t y t h ep r o p o s e dm e t h o di s e f f e c t i v et oi m p l e m e n to u t p u tr e g u l a t i o no ft h ei n v e r t e r f i n a l l y ，t h es y s t e ms i m u l a t i o nm o d e li sb u i l tu s i n gm a t l a b s i m u l i n kt op r o v et h e p r o p o s e dm e t h o d a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sc o n s i s t e n tw i t ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i s f u r t h e r m o r e ，a3 0 0 w 5 0 h zt h r e e - p h a s ef o u r - l e gi n v e r t e ri sb u i l tu n d e rt h ed i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ( t m s 3 2 0 f 2 8 12d s p ) t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wv a l i d a t et h ef e a s i b i l i t yo ft h e p r o p o s e dm e t h o d k e yw o r d s ：u n b a l a n c e da n dn o n l i n e a rl o a d ；t h r e e - p h a s ef o u r - l e gi n v e r t e r ；d s pc o n t r o l ； m a t l a bs i m u l a t i o n ；v o l t a g eu n b a l a n c e ；d i s t r i b u t e dg r i d i i 一 西华大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i l 绪论1 1 1 研究背景与研究意义1 1 2 三相电压逆变器l 1 3 三相电压不平衡及改进方法3 1 4 四桥臂逆变器的研究现状8 1 5 四桥臂逆变器的应用1 l 1 6 本论文主要研究内容。l l 2 四桥臂逆变器数学模型。1 3 2 1 三相四桥臂逆变器数学模型1 3 2 2 空间矢量与坐标变换1 4 2 2 1 二维电压空间矢量调制一1 6 2 4 2 三维电压空间矢量调制。l8 3 四桥臂逆变器系统的控制与仿真2 3 3 1 基于三维空间矢量中1 ，分量控制策略2 3 3 1 1 控制器的设计2 3 3 1 2 仿真结果与分析2 4 3 2 基于电流正反馈控制与三维空间矢量调制策略2 7 3 2 1 控制器设计2 7 3 2 2 仿真与结果分析。2 9 3 3 基于电压滞环控制策略3 2 3 3 1 电压滞环控制器的设计3 2 3 3 2 仿真结果与分析3 3 3 3 3 改进的电压滞环控制3 5 3 3 4 改进的电压滞环控制仿真结果分析3 6 3 3 5 对各种特殊情况下负载的仿真3 8 3 4 卅、结4 l 4 四桥臂逆变器系统硬件设计4 3 4 1 设计总体要求4 3 4 2 主电路设计。4 3 4 2 1 整流电路与直流滤波电路设计4 4 4 2 2 四桥臂逆变器电路设计4 5 三相四桥臂逆变器的控制与设计 4 2 3 交流l c 滤波电路4 8 4 3 检测电路设计4 9 4 3 1 三相电流检测电路4 9 4 3 2 三相电压检测电路5 0 4 4 相关电路设计5 0 4 4 1 光耦隔离电路5 0 4 4 2 辅助电源电路5l 4 4 3 硬件抗干扰设计51 4 5 控制电路设计5l 4 5 1t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 电源电路设计5 2 4 5 2 控制电路其他方面设计。5 2 5 四桥臂逆变器系统的软件设计5 4 5 1 电压空间矢量技术d s p 软件实现5 4 5 1 1 二维空间矢量调制实现5 4 5 1 2 三维空间矢量调制实现5 5 5 2p i 调节器d s p 实现5 7 5 3 电流电压采样设置5 8 5 4 基于三维空间矢量中丫分量控制程序设计。5 9 5 5 电流正反馈控制与三维空间矢量调制程序设计6 0 5 6 基于电压滞环控制程序设计6 l 6 系统调试及结果分析6 3 7 全文总结6 7 参考文献6 8 附录a 三维空间矢量中的四面体7 3 附录b四面体划分：7 5 附录c2 4 个四面体对应的矩阵及相关的逆阵。7 6 附录d比较寄存器值确定7 8 攻读硕士学位期间学术论文及科研情况7 9 致谢8 0 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 研究背景与研究意义 随着社会工业发展，当今社会对电力供给质量与安全可靠性的要求越来越高，而现 有大电网由于其自身的缺陷已经不能满足这种要求。在电力系统电能转换中，逆变器是 将宣流电转换为交流电的一种装置，它可以将市电中的电能进行净化，转换为用户所需 要的高质量电能。随着科学技术的发展，逆变技术现已广泛应用于各种需要将直流电转 换为交流电领域，主要有分布式发电并网、高压直流换流站、变频电源、不间断电源、 交流电机传动、无功补偿、有源滤波器、电能质量综合补偿器等。 当今社会是环保与清洁能源开发的新世纪，在经济发展的同时也要考虑到能源开发 与环境保护的协同作用。据统计，全球氧化碳的排放量中，4 5 左右是电力工业生产 排放出来，我国的排放比重更高。过多的煤炭消费给环境带来了较严重的污染，也使得 我国面临较大的减排压力。用可再生能源替代化石能源，以信息技术彻底改造现有的能 源利用体系，最大限度地开发可再生能源，是人类实现低碳经济的重要手段之一。也是 我国实现节能减排，建设“资源节约型，环境友好型”社会，实现经济可持续发展的必 由之路。智能电网【l ，2 】是近年来国际上关于电网发展态势提出的一个话题，在我国“十二 五”规划纲要中也多次被提及。智能电网是一种节能、高效、环保、经济、安全、友好 的绿色电网，它可以优化电网管理，具有满足用户需求，提高供电安全可靠性，保证电 能质量，满足环保约束及减少电网的电能损耗等优点，满足未来低碳叮持续发展的需要。 目前，国内外都在大力开发新能源，发展分布式发吲3 引。这些主要是利用太阳能、 风能、潮汐能等可再生的清洁能源发电，即保护了环境，又节约了能源，实现了能源利 用的多样化。一般情况下这些新型发电装置输出的电能都不稳定，不能直接供电。因此 需要将电能进行变换，最终输出稳定的交流电，必要时可以并入电网，而这些过程都离 不开逆变装置。 三相逆变技术是逆变装置的关键技术，在实际情况中，系统的负载大多为不对称负 载和非线性负载，三相逆变现在面临的关键技术在于解决三相逆变器输出电压的对称性 ( 幅值对称和相位对称) 及其带不平衡负载的能力。而传统的三相逆变器在不对称负载情 况下无法输出对称电压，这时人们就提出了用三相四线输出1 5 j 。如果采用在传统的三相 桥式逆变器的基础上增加一个桥臂用来形成中点的三相四桥臂电路拓扑结构，这种三相 四桥臂拓扑结构可以方便地实现具有调压功能的三相四线输出，并且具有较高的直流利 用率，且控制方法可以比较容易地移植到现有的数字变换器平台上，有较好的发展前景。 1 2 三相电压逆变器 三相电压源型逆变器是各种分布式能源、储能装置、用户电力装置与电网的接口。 三相四桥臂逆变器的控制与设计 由于分布式发电系统采用的一次侧能源的不同，所产生的电能也有相应的区别，可分为 产生直流电能和交流电能两种。但一般与生活，工业上应用的工频电能有较大差别，需 要进行一定的转化，表l 列出了各种不同形式的分布式电源以及它们的并网装置。 表1 1分布式发电类型及并网接口 t a b 1 1 t y p e so fd i s t r i b u t e dg e n e r a t i o na n dg r i d c o n n e c t e d 从表中我们可以看出，分布式发电与电力系统相联，大多需要逆变装置。有的直接 用到逆变器并网，有的需要逆变装置对并网的电能质量进行优化，因此逆变装置对分布 式发电并网起着重要作用。 ， p n 图1 1常用二相逆变电路图 f 噜1 1 t h ec i r c u i td i a g r a mo f t h r e e - p h a s ei n t e r v e r 2 西华大学硕士学位论文 此外，分布式发电与大电网并网，逆变器的拓扑结构直接影响到并网后的效率和成 本。并网逆变器根据不同的需要，选择不同的类型，实现不同的功能。在目前实际应用 的装置中，大多数集成化越来越高，拓扑结构选择越来越简单。因为电压型并网逆变器 损耗较小，效率高，国内绝大多数并网逆变器都采用电压型逆变器结构，也是大多数专 家学者研究的重点对象。常用的三相逆变器如图1 1 所示，共有三个桥六个开关管，在 三桥臂后面接有电感电容组成的低通滤波器。 这种逆变器拓扑结构简单，功率损耗小，逆变效率高，在三相负载平衡或者稳定性 较好的时候，能够输出很好的电压波形，但当三相的负载不平衡，或者接有大量的非 线性负载的时候，就会使三相电压产生畸变，发生不平衡的情况【6 1 。三相三线制逆变器 之所以会出现不平衡负载时输出电压不对称和非线性负载时输出电压畸变，是因为其三 相输出之间存在一定的耦合关系【| 7 1 。对此传统的三相三桥臂逆变器进行分析。假设开关 管是理想的，开通时开关函数值为l ，反之为o ；忽略死区影响，s 。( i = a b ，c ) 均用上桥臂 的开通情况表示，例如：s a = l 时，开关管s 导通，s 锄关断，s a = 0 时，开关管s 锄导通， s 关断。于是町以得到三相输出电压u a g 、u b g 、u c g 为： u a g = 堕掣一工鲁一虬 【，粥= 堕寺型一警一r i 。 ( 1 1 ) u = 堕学一学一札 ( 1 2 ) 【，。；堕掣( 1 3 ) 式中，口，厶，厶，厶分别为三相电感电流，u a g ，u b a ，u c a 为三相电容电压；u 。，u b ， u 。分别为三相输出滤波前电压；u n 为三相负载连接点电压。从以上公式得出：开关状 态决定输出电压；输出各相电压相互牵制，如果改变其中一相开关控制，其他两相也会 改变，因此，三相三桥臂逆变器结构开关控制是一个强耦合模型，三相输出相互影响， 互不独立1 引。 1 3 三相电压不平衡及改进方法 由电工理论可知，多相系统可以分为对称的和不对称的两大类，而我们所说的三相 交流电一般都为对称的正弦( 余弦) 波系统，但由于实际中存在各种不平衡影响因素， 使得电力系统中的三相电压并不对称，三相电压不对称对电力系统中的发电、输变配电 和用电设备都会产生不利影响【9 】。 3 觚 粥 u u u + + + 虬一出虬一出虬一出 l l l = = = u u u 一 一 一 以 三相四桥臂逆变器的控制与设计 _ 轴u 2 x 1 0 0 n 4 ， 4 西华大学硕士学位论文 如果要求三相电流的不平衡度，只需将上面的u l 、u 2 、u 3 换为1 1 、1 2 、1 3 即可求出 电流不平衡度。 在三相系统中，通过测量获得三相电量的幅值和相位后应用对称分量法分别求出正 序分量、负序分量和零序分量。由式( 1 4 ) 可求出不平衡度。在没有零序分量的三相系 统中，当已知三相量a 、b 、c 时也可以用式( 1 5 ) 求负序不平衡度： ：= 1 蒜等圳峭) ( 1 5 ) 式中：l = ( a 4 + b 4 + c 4 ) a 2 + b 2 + c 2 ) 2 。 不平衡度的近似计算式：设公共连接点的正序阻抗与负序阻抗相等，则负序电压不 平衡度为： e u 2 ：掣磐l o o ( o o ) ( 1 6 ) 2 k l o 式中：1 2 为负序电流值，s k 为公共连接点的三相短路容量，u l 为线电压。 相同单相负荷引起的负序电压不平衡度可近似为： 旷蚤x l o 。 ( 1 7 ) 式中：s l 为单相负荷容量，单位为伏安( v a ) 三相负载不对称应用已经很普遍，传统三相三桥臂逆变器不能处理三相对称正弦输 出。在非线性负载时还应该考虑谐波的处理。为使各相保持独立性，各相的工作状况互 不影响，可带任意负载。前人在不平衡负载和非线性负载问题上采取的应对方法有以下 几种1 1 3 ，1 4 】 p n 图1 2 带分裂电容的三相逆变器 f i g i 3t h r e e p h a s ei n v e r t e rw i t hs p l i tc a p a c i t o r ( 1 ) 带分裂电容的三相逆变器，如图1 2 所示。该结构通过直流母线侧两个串联的 电容，将直流母线的中点电压引出来，并用这个电压作为输出的中线，构成三相四线制 5 三相四桥臂逆变器的控制与设计 结构。在结构上等效于三个独立的单相半桥，因而可以保证负载不平衡时仍能三相输出 电压对称。这种拓扑结构具有所用功率开关器件少，结构简单的优点。但由于中性电流 直接流过直流侧电容，因而需要较大的直流滤波电容，这就增加了逆变器的体积和重量， 并且半桥式电路的母线电压利用率低。这种结构大多用于中小功率设备。 ( 2 ) 带n f t 的三相桥式逆变器，如图1 3 所示。这种结构在输出端增加了中点形 成变压器( 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 e t ) ，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。由于n f t 次级绕组的y 形接法可以保证给负载不平衡 所产生的中性电流提供一个回路，因而可以抑制三相不平衡。但中点变压器的体积、重 量会随系统容最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。 p p n 图1 3 带n f t 的三相逆变器 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 n 图1 4 带a y 0 变压器的三相逆变器 f i g 1 4t h r e e p h a s ei n v e r t e rw i t ha y 0t r a n s f o r m e r ( 3 ) 带a y 0 变压器的三相逆变器，如图1 4 所示。这种结构在三相逆变器和负载 之间加了一个a y 0 变压器。变压器副边星形带中线的接法为不平衡负载提供了中线电 6 西华大学硕士学位论文 流通路，而同相位的零序电流可以在变压器原边的三角形绕组中循环流动，相对于不平 衡的二次侧电流起到了一定的平衡作用。但这种结构由于采用了变压器，体积和重量都 很大，一次侧绕组采用接法，导体截面较星型接法小，每相的匝数和绝缘总量大，所 以绕组的填充系数低，由于变压器漏抗的存在，不平衡负载仍然会导致不平衡输出电压 的产生。 图1 5 组合式三相逆变器 f i g 1 5b u i l t u pt h r e ep h a s ei n v e r t e r ( 4 ) 组合式三相逆变器，如图1 5 所示。这种结构由三个单相逆变器组成，输出的 相位各差1 2 0 。这种结构不但具有极强的带不平衡负载能力，而且由于三个单相逆变 器相瓦独立，因此可以应用常规单相逆变器的控制方法。但是这种结构开关数量多，应 用起来很不经济，而且，输出必须带有3 个工频变压器，使得体积非常庞大。 ( 5 ) 三相四桥臂逆变器，如图1 6 所示。这种结构在传统的三相三桥逆变器上增加 了一个桥，由四个桥八个开关管组成。由丁：多了一个桥，从而在控制的时候可以使前三 7 三相四桥臂逆变器的控制与设计 个桥解耦出来，这样三相控制的时候就会相互独立。从而有能力在各种不平衡和非线性 负载的时候，实现输, o e , - 相电压的平衡。这种拓扑结构简单，使用起来经济实惠，且无 需输出变压器，在未来具有很好的应用前景。本文将针对这种逆变器进行深入研究。 p n g 图1 6 三相四桥臂逆变器 f 遮1 6t h r e e - p h a s ef o u r - l e gi n t e r v e r 1 4 四桥臂逆变器的研究现状 在三相不平衡负载的情况下，传统的三相三桥臂逆变器无法兼顾直流电压与网侧电 流的控制要求。而三相四桥臂逆变器则由于其可提供零序电流通路，解除了直流电压与 三相输出电流的耦合关系，改善了系统控制性能。此外，三相四桥臂逆变器在一相桥臂 断路的情况下仍然能够正常工作，提高了系统的冗余特性。 因此，对于三相四桥臂逆变器的研究已经引起各国学者的普遍重视，在三相四桥臂 逆变器研究方面不断取得进展，应用领域也不断扩展。目前可检索到的最早的三相四桥 臂逆变器应用见于1 9 7 9 年，用于由晶闸管构成的三相电流源逆变器的换流。1 9 9 2 年 q u i n n c a 等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 b o ur a b e e 等学者提出了电流源三相四桥臂逆变器，并应用在a p f 中。1 9 9 3 年，在文献 【1 5 1 中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 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，在文献l l7 】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i 维空间矢量调 制方案【1 8 1 ，推动了三相四桥臂逆变器的实用化研究。 进入2 l 世纪以来，伴随着电力电子产业的发展，i g b t 在各领域的应用，三相四桥 臂逆变器已成为世界各国研究的焦点，三相四桥结构不仅用于逆变器和有源滤波器、而 且还扩展到了整流器、无功功率发生器、统一电能质量控制器( u p q c ) 1 9 l 、统一潮流 控制器( u p f c ) 、动态电压补偿器等各种新的电气领域当中。文献t 2 0 l 把四桥臂结构应用 8 西华大学硕士学位论文 到了静止无功发生器当中，使得该静止无功发生器具有了实时准确的检测功能，并具有 补偿由于不对称和非线性负载带来的电网中无功和谐波电流的能力。文献1 2 1 , 2 2 把四桥臂 结构应用到了静止并联补偿器中来，提高了补偿无功和谐波等各种电能质量的能力。文 献1 2 3 l 利用四桥臂结构三相可以独立控制的优点应用于动态电压恢复器，简化了它的结构 模型，控制起来更加灵活。文献 2 4 1 采用四桥臂结构优化了统一电能质量控制器的控制性 能，改善了电网的电能质量。文章【2 5 1 把三相四桥结构用于控制电机，有效地抑制系统的 共模电压，改善系统的e m c 特性。此外，高压直流输电变换器和各种矩阵变换器也相 继采用四桥结构提高设备的输出性能和抗干扰能力1 2 6 , 2 7 。由于四桥臂结构具有其他形式 无法比拟的优点，冈此广泛的应用到各种领域当中。 调制方法和控制策略也有了很大的进步。目前已有的相关控制策略有以下几种： ( 1 ) 中性点控匍j 1 2 8 - 3 0 1 ：这种控制方法主要是利用第四桥臂来平衡各相电压，因为 第四桥臂是公用桥臂，a 、b 、c 三相输出电流的激励发生相互牵制。中性点控制的基 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。这种方法控制简单，容易实现。 ( 2 ) 滞环控制 3 1 1 ：实际使用中一般为电压外环和电流内环双环控制。这种方法实 现简单，动态响应快，因此有很好的输出效果，但这种方法开关频率不稳定，滞环宽度 越小，输出精度越高，开关频率也就越大，实际中一般使用定频滞环比较方式。 ( 3 ) 空间矢量p w m 控制：空间矢量控制是学者们研究的最多的一种控制方法睁2 3 4 】， 它是一种使输出电压的合成矢量轨迹沿着预定轨道旋转的控制方法。在四桥臂逆变器 中，通过坐标变化将三相正弦信号转化为旋转的直流量，然后再进行调节。该方法电压 利用率高，开关频率较低，且易于数字控制，计算复杂是该控制方法的一大缺点。在实 际的研究当中，空间矢量控制又分为二维空间矢量控制，三维空间矢量控制，三维空间 矢量控制又分为在a b c 坐标系下的调制方法【3 5 川】和在旺p 丫坐标系的调制法【3 8 4 3 1 。二维空 间矢量1 4 4 , 4 5 1 是将传统的控制策略应用到四桥臂逆变器上，具体足前三桥采用传统的控制 方法，第四桥根据空间矢量的位置，进行合理控制。在a b c 坐标系和a p 丫坐标系下的分 析过程类似，只不过一个需要空间矢量坐标变换，一个不需要空间矢量坐标变换。 ( 4 ) 特定谐波注入控制【4 9 】：在四桥臂逆变器的前3 个桥臂采用特定谐波消除技 术消除6 k 士1 次谐波( 其中k 为l 、2 、3 ) ；通过第四桥臂产生和其余3 个桥臂产生的3 次 谐波相抵消的低次谐波，最终到达消除所有谐波的目的。 ( 5 ) p i 控制i 跏5 2 】：p i 控制是一种非常经典的控制方法，通过调节比例，积分，有 时还有微分参数，达到动态调节的目的。好的p i 控制器具有动态响应速度快，稳态精 度高，鲁捧性强的特点。在大多数系统中得到了广泛的应用。但是p i d 控制器跟踪信号 为快速变化的正弦波时，系统为一个有差系统；当系统有周期性扰动出现时，误差周期性 产生，也就是说采用p i d 控制是不可能完全消除动态误差的。目前p i 控制有所扩展， 9 三相四桥臂逆变器的控制与设计 大部分应用当中是将它和模糊控制，或者其他智能控制方法结合。 ( 6 ) 无差拍控制【5 3 5 4 】：无差拍控制是在控制对象离散学模型的基础上，根据系统 的状态方程和输出信号的反馈量来计算逆变器的下一个采样周期的脉冲宽度。无差拍控 制的优势在于极高的动态性能，输出能够很好地跟踪给定值，波形畸变小，缺点是对系 统的数学模型精度要求高。 ( 7 ) 重复控制【5 5 】：该控制算法具有对死区影响以及其它周期性扰动有很好的抑制 作用，而且能消除跟踪误差，使系统输出达到无稳态误差。然而，重复控制器的参数难 以设计，重复控制器需要建立一个与外部相对应的内部模型。而这个模型很难精确表达， 一般都是取近似值，这样控制起来效果肯定不会精确。一旦设计不当很容易导致系统不 稳定，调试起来也不方便。 ( 8 ) 预测控制【5 6 】：该方法采用基于脉冲响应的非参数模型作为内部模型( 预测模型) ， 不需知道对象结构和参数的有关先验知识，也无需复杂的系统辨识，即可根据设定的优化 目标确定控制量的时间序列，采用滚动优化使未来一段时间内被控量与经过柔化后的期 望轨迹间的误差最小，且在优化过程中不断通过实测系统输出与预测模型的误差来进行 反馈校正，所以能够克服预测模型误差和不确定性干扰的影响，增强系统的鲁棒性，但这 种控制方法计算量大，且精确的预测模型也很难设计。 ( 9 ) 滑模控制【2 习：该控制方法主要是正对非线性对象进行控制，它是利用某种不 连续的开关控制策略来强迫系统的状态变量沿着相平面中某一预先设计好的“滑动模 态”轨迹运动，从而达到预期的性能。最大优点是其对参数变化和外部扰动不敏感，具 有强鲁棒性。但逆变电源系统的理想滑模切换面很难选取；而且数字式滑模变结构控制 只有当采样频率足够高时才能有较好的控制效果。 ( 1 0 ) 单周控制【，卜”l ：单周控制主要针对大信号、非线性对象来控制的技术，其控 制思想是保证在每一个开关周期中开关量与参考量的平均值或峰值严格相等或成比例。 它具有结构简单、控制精度高、响应速度快等优点。但该控制方法对电路参数的依赖性 非常大，当控制电路积分参数出现偏差或浮动时，对系统有非常大的影响，这严重阻碍 其推广应用。 ( 11 ) 正序，负序，零序控制【3 1 6 晰4 】：通过对三相电压中正序、负序、零序分量的 控制，保证了在不平衡负载下输出为对称的三相电压。以基波角频率按相反方向旋转的 参考坐标系下输出电压的负序分量是直流量，负序分量在积分控制下可以被消弱甚至被 消除。零序分量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。通过对三相电压中正序负序零序分量的控制保证了在不平衡负载下 输出为对称的三相电压。此方法缺点是要分别设计负序和零序控制器。 ( 1 2 ) 最大误差电流1 6 5 , 6 6 1 = 由电流误差最大的那一相来确定该逆变器开关管开通和 关断。最大误差电流调节，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 1 0 西华大学硕士学位论文 信号的误差绝对值，以电流误差绝对值最大的那一相为基准来确定第四桥臂以及其它三 个桥臂的导通信号，如以电流误差绝对值最大的那一相为基准，其他相的开关模态如果 与基准相的一样，就取该开关模态，如果不一样，就让它选择自然续流状态，即0 模态。 缺点是需要微处理器实时的比较误差绝对值的大小，增加了电路的复杂度，并且微处理 器的运行时间也限制了系统的开关频率。 ( 1 3 ) 模糊控制1 2 0 , 6 q ，神经网络控制和遗传算法【6 8 】等智能控制：针对比较复杂的非 线性电力电子结构有很好的控制特性。但是这些方法都过于复杂，目前还很少研究和应 用。 1 5 四桥臂逆变器的应用 电力电子技术是一个以功率半导体器件、电路技术、计算机技术、现代控制技术为 支撑的技术平台，经过5 0 年的发展历程，现已广泛的用于交通运输、电力系统、通信 系统、计算机系统、新能源系统等【6 9 。但是随着电力电子技术的快速发展，各种非线性 负载的应用越来越普遍，常要求u p s 或逆变器具有对不平衡和非线性负载供电的能力， 这时传统的三桥臂逆变器就显得无能为力。为了给不平衡负载供电，处理各种不平衡和 非线性负载带来的问题，四桥臂逆变器结构应运而生。 目前，四桥臂逆变器的主要应用场合有： ( 1 ) 分布式发电技术：分布式发电的使用和并网必须由逆变器完成。四桥臂由于 具有带各种非线性和不平衡负载的能力，具有很大的应用前景。 ( 2 ) 有源滤波器：四桥臂结构的有源滤波器可以更好的滤除电网中的谐波，得到 更清洁的电能。 ( 3 ) 各种无功补偿器和电能质量优化设备：电能质量优化有很多种设备，通过引 入四桥臂结构，改善了系统的性能，使得更好的为电网服务。 ( 4 ) 三相逆变器：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、银行的计算机、警报装置、环保车辆、铁路、航空航天以及军事上对逆变电源有极 大需求。在控制电机上可以有效的抑制共模电压，改善e m c 特性。 ( 5 ) 三相整流器：利用第四桥臂来处理线性畸变和不平衡问题，及增强容错能力。 四桥臂逆变器具有电路形式简单、体积小、重量轻、控制灵活、直流电压利用率高等优 点，因此应用前景广阔。 1 6 本论文主要研究内容 本文针对日益增加的三相不对称负荷对各种供电系统的不利影响，对三相逆变器进 行了深入研究，通过分析比较，最终采用了一种三相四桥臂逆变器，并对这种逆变器进 行仿真和建模，实现了这种逆变器在不平衡和非线性负载下的控制。 本文的主要研究内容如下： 三相四桥臂逆变器的控制与设计 ( 1 ) 介绍了三相四桥臂逆变器的应用和发展，以及国内外已有的控制方法的分析， 分析了三相四桥臂逆变器的工作原理，并对三维空间矢量进行了推导。 ( 2 ) 针对三相四桥逆变器提出了基于三维空间矢量中1 ，分量控制、电流正反馈控 制和电压滞环控制三种有效的控制方法。并通过仿真分析验证了控制方法的正确性。 ( 3 ) 设计了以三三相四桥为主电路的逆变器系统，并设计相关的辅助电路。搭建了 三相四桥臂逆变器系统平台。 ( 4 ) 对三相四桥臂逆变器系统进行软件设计。 ( 5 ) 对整个设备调试并实现了逆变器的功能。 1 2 西华大学硕士学位论文 2 四桥臂逆变器数学模型 2 1 三相四桥臂逆变器数学模型 为了深入的分析和研究四桥臂逆变器的工作原理以及各种动静态特性，建立数学模 型是很重要的手段，本节分别在a b c 静止坐标系下和d q o 坐标系下建立了四桥臂逆变 器模型，并对数学模型进行了分析，为本文后续章节的研究奠定理论基础。 三相四桥臂逆变器的主电路拓扑结构如图l 所示，l a ，l b ，l 。为滤波电感且i 者相 等，c 为滤波电容，l i i 为中性电感，连接逆变器输出中性点和负载的中性点，用来抑制 中性电流开关纹波。s i - s s 为并有续流二极管的i g b t 。三相负载既可以是平衡负载，也 可以是不平衡负载，以及非线性负载和时变负载或它们之间的组合。 p n g 图2 1四桥臂逆变器的电路结构图 f i g 2 1 t h et o p o l o g yo f t h r e e p h a s ef o u r - l e gi n t e r v e r 假设逆变器