離網(wǎng)條件下的三相四橋臂逆變器控制策略研究*

李章清，丁軍懷，劉成洋

(1.蘭州長城電工股份有限公司，甘肅蘭州 730000;2.天水電氣傳動(dòng)研究所有限責(zé)任公司，甘肅天水 741020; 3.天水長城開關(guān)廠有限公司，甘肅蘭州 741020)

離網(wǎng)條件下的三相四橋臂逆變器控制策略研究*

李章清1，丁軍懷2，劉成洋3

(1.蘭州長城電工股份有限公司，甘肅蘭州 730000;2.天水電氣傳動(dòng)研究所有限責(zé)任公司，甘肅天水 741020; 3.天水長城開關(guān)廠有限公司，甘肅蘭州 741020)

針對(duì)微電網(wǎng)中用戶負(fù)載可能不平衡的特點(diǎn)，研究了一種用于微電網(wǎng)系統(tǒng)的三相四橋臂逆變器。建立三相四橋臂逆變器在a－b－c靜止坐標(biāo)系下和d－q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。利用對(duì)稱分量法對(duì)逆變器輸出電壓進(jìn)行基波正序、負(fù)序和零序分量分解，研究分別采用正序、負(fù)序和零序旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓、電流雙閉環(huán)控制方法，搭建了以英飛凌XE164FN單片機(jī)為控制核心的硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明所用控制方法的正確性。關(guān)鍵詞:離網(wǎng);三相四橋臂逆變器;對(duì)稱分量法

1 引言

隨著新能源的快速發(fā)展，微電網(wǎng)由于其供電的靈活性和獨(dú)立性越來越受到研究人員的重視。傳統(tǒng)三相逆變器主要采用三相三橋臂逆變電路，該電路主要適合用于三相平衡負(fù)載，而對(duì)于三相不平衡負(fù)載而言，由于三相電壓相互耦合的原因?qū)е履孀兤鬏敵鲭妷翰黄胶?，影響?fù)載運(yùn)行和供電質(zhì)量?？梢圆捎萌齻€(gè)單相橋組合逆變電路拓?fù)鋪斫鉀Q不平衡負(fù)載的電壓問題，三個(gè)單相橋獨(dú)自形成回路，獨(dú)立可控，可以解決三相輸出電壓不平衡的問題，但是由于開關(guān)管的數(shù)目較多，成本較高，一般用于大功率的場(chǎng)合。文獻(xiàn)［1，2］提出分裂電容式逆變電路拓?fù)?，它在傳統(tǒng)三相逆變器基礎(chǔ)上增加一個(gè)電容橋臂，其目的是將母線電壓的中點(diǎn)提取出來作為負(fù)載的中性點(diǎn)電壓，這樣就將傳統(tǒng)的三相逆變器等效為獨(dú)立可控的三個(gè)半橋逆變器。這種電路的優(yōu)點(diǎn)是控制簡單、靈活，缺點(diǎn)是直流母線電壓利用率相對(duì)傳統(tǒng)三相逆變器低了一半，同時(shí)兩只電容還存在均壓問題。文獻(xiàn)［3～5］提出了三相四橋臂逆變電路拓?fù)?，如圖1所示，在傳統(tǒng)三相三橋臂逆變器的基礎(chǔ)上增加一個(gè)橋臂形成第四相輸出作為三相負(fù)載的公共點(diǎn)，利用第四橋臂控制中性點(diǎn)電壓，提供零序電流回路。這樣可使逆變器輸出3個(gè)獨(dú)立的電壓，維持不平衡負(fù)載下三相電壓的對(duì)稱輸出特性。與其他拓?fù)湎啾?，四橋臂逆變器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小和電壓利用率高等優(yōu)點(diǎn)。筆者以三相四橋臂逆變拓?fù)錇檠芯繉?duì)象，深入分析該電路的控制方法。

圖1 三相四橋臂逆變電路

2 不同坐標(biāo)系下的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

2.1 三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型

圖2 三相四橋臂逆變器開關(guān)平均模型

三相負(fù)載不平衡情況下，系統(tǒng)三相輸出的數(shù)學(xué)方程如下:

從式(1)～(3)不難發(fā)現(xiàn)，由于中線電感的存在，三相四橋臂逆變器在靜止坐標(biāo)系下是一個(gè)強(qiáng)耦合系統(tǒng)，控制量為交流量，用PI控制無法實(shí)現(xiàn)無靜差。

2.2 基于序分量的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型

在d－q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下對(duì)三相四橋臂逆變器進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。基于park理論的逆時(shí)針同步旋轉(zhuǎn)變換矩陣由Tp表示，順時(shí)針同步旋轉(zhuǎn)變換矩陣由Tn表示，利用旋轉(zhuǎn)矩陣Th可以將零序電壓變換成虛擬的正序分量，式中 α=e－2π/3，ω為旋轉(zhuǎn)變換的旋轉(zhuǎn)角速度。

正序電壓分量在d－q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型可以由式(7)表示，式中，dpa、dpb和dpc分別為逆變器輸出正序分量對(duì)應(yīng)的各橋臂占空比，iLpa、iLpb和iLpc為逆變器輸出正序電壓對(duì)應(yīng)的電感電流。

式中:dnd和dnq為輸出負(fù)序分量時(shí)占空比經(jīng)過d－q同步旋轉(zhuǎn)變換后的量，dhd和dhq為輸出零序分量時(shí)占空比經(jīng)過d－q同步旋轉(zhuǎn)變換后的量，iLnd和iLnq為逆變器輸出負(fù)序電壓對(duì)應(yīng)的電感電流，iLhd和iLhq為逆變器輸出零序電壓對(duì)應(yīng)的電感電流。

同理，也可以得出正序、負(fù)序和零序電流分量在d－q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。

3 系統(tǒng)控制策略

由上述分析可知，在正序分量的d－q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，變換后的正序電壓和電流分量都是直流量，負(fù)序分量是角頻率為2ω的交流量，零序分量是角頻率為ω的交流量。在負(fù)序分量的d－q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，變換后的正序分量是角頻率為2ω的交流量，負(fù)序分量為直流量，零序分量是角頻率為ω的交流量。因此，經(jīng)過對(duì)稱分量法將三相交流輸出電壓、電流進(jìn)行正負(fù)序、零序分量分解，然后將序分量變換成直流量表現(xiàn)形式，則可以完成三相輸出之間的解耦控制，而且可以通過PI控制實(shí)現(xiàn)無靜差。

因此，可以對(duì)正序、負(fù)序和零序分量分別經(jīng)過dq同步旋轉(zhuǎn)變換后，再進(jìn)行電壓、電流雙閉環(huán)解耦控制。系統(tǒng)總體控制框圖如圖3所示，從圖中可以發(fā)現(xiàn)正序和負(fù)序分量d和q之間存在耦合關(guān)系，零序分量d和q之間不存在耦合關(guān)系。

圖3 系統(tǒng)總體控制框圖

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

搭建了1臺(tái)以英飛凌XE164FN單片機(jī)為控制核心的2 kW實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，分別對(duì)單相空載、兩相空載和純阻性負(fù)載等不平衡負(fù)載進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)基本參數(shù)如下:母線電壓為400 V;三相輸出相電壓為110 V/50 Hz;濾波電感為6 mH，中線電感為3 mH，濾波電容為20 μF。

(1)實(shí)驗(yàn)1:a相空載，b相200 Ω阻性負(fù)載，c相150 Ω阻性負(fù)載。

(2)實(shí)驗(yàn)2:a、b兩相空載，c相150 Ω阻性負(fù)載。

(3)實(shí)驗(yàn)3:a相和b相負(fù)載為200 Ω，c相負(fù)載為300 Ω。

(4)實(shí)驗(yàn)4:平衡負(fù)載切換，切換前負(fù)載為三相平衡阻性負(fù)載，電阻均為200 Ω，切換后負(fù)載為空載狀態(tài)。不平衡負(fù)載切換，切換前a、b兩相負(fù)載均為200 Ω，c相負(fù)載為300 Ω，切換后c相變?yōu)榭蛰d狀態(tài)。

從圖4～6可以看出，各種不平衡負(fù)載條件下，三相四橋臂逆變器輸出電壓正弦度好，且三相電壓對(duì)稱。從圖7的負(fù)載切換實(shí)驗(yàn)可看出系統(tǒng)的暫態(tài)過渡過程在20 ms以內(nèi)，三相輸出電壓正弦穩(wěn)定且對(duì)稱。

圖4 單相空載時(shí)輸出電壓與電流波形

圖5 兩相空載時(shí)輸出電壓與電流波形

圖6 不平衡阻性負(fù)載時(shí)輸出電壓與電流波形

圖7 負(fù)載切換時(shí)輸出電壓波形

5 結(jié)語

著重研究了序分量在d－q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型和控制策略，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)在各種負(fù)載條件下都能輸出對(duì)稱的三相正弦電壓，從而證明所采用控制策略的正確性。

［1］ 卓 放，何益宏，王 躍，等.全數(shù)字化控制實(shí)現(xiàn)的三相四線制有源電力濾波器［J］.電工電能新技術(shù)，2001(31):1－4.

［2］ 黃民聰，戴寧怡，唐 凈，等.新型三維空間矢量脈寬調(diào)制在三相四線系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2003(12):45－49.

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Research on Control Method of a Three－Phase Four－Leg Inverter in the Off－Grid Condition

LI Zhang－qing1，DING jun－h(huán)uai2，LIU Cheng－yang3
(1.Lanzhou Greatwall Electraical Co.，Ltd，Lanzhou Gansu 730000，China;
2.Tianshui Electric Drive Research Institute Co.，Ltd，Tianshui Gansu 741020，China;
3.Tiangshui Greatwall Switchgear Co.，Ltd，Tianshui Gansu 741020，China)

A three－phase four－leg inverter is designed to adapt the unbalance loads in the microgrid.Its mathematical models are realized on the a－b－c stationary frame and d－q synchronous rotation reference frame respectively，the symmetrical component method is used to abstract the fundamental－frequency positive sequence，zero sequence and negative sequence for the related voltages and currents，the outer voltage loop and inner current loop are studied based on the sequence components on the d－q synchronous rotation reference frame，a prototype in the core of XE164FN is established.The experiments are done and its results verify that the control strategy is right.

off－grid;three－phase four－leg inverter;symmetrical component method

TH123

A

1007－4414(2013)05－0164－03

2013－08－02

李章清(1968－)，男，江西贛州人，工程師，主要從事企業(yè)科技管理方面的工作。