基于LCL濾波的三相電壓型逆變器

王高高+陳猛+李景忠

摘 要：文中提出了一種基于LCL型濾波器的雙環(huán)控制三相電壓型逆變器。在Matlab中搭建逆變器模型，使用雙閉環(huán)（電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)）控制方式與SVPWM（空間矢量脈寬調(diào)制）算法生成PWM波。結(jié)果表明，該逆變器具有很好的輸出諧波抑制性能和帶非線性負(fù)載能力。

關(guān)鍵詞：三相逆變；LCL型濾波；雙閉環(huán)；諧波抑制

中圖分類號：TP39；TM501 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）02-00-03

0 引 言

三相電壓型逆變器因其能輸出恒頻、穩(wěn)壓的三相電，在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛運用[1]。國內(nèi)外有關(guān)三相電壓型逆變器的研究也很多。

文獻[1，2]提出了幾種基于LC濾波器的電壓型逆變器模型，從控制系統(tǒng)的閉環(huán)數(shù)目上看，主要分為單閉環(huán)、雙閉環(huán)兩種；從控制方法角度分析，主要包括滑?？刂?、PID控制、重復(fù)控制等。

與SPWM算法相比，SVPWM算法的優(yōu)點在于算法簡單，適合數(shù)字實現(xiàn)。采用SVPWM算法時，直流電壓利用率比采用SPWM算法時高約15.47%，能夠有效減少輸出諧波含量，降低開關(guān)管工作頻率，減少開關(guān)損耗[1]。

關(guān)于LCL型逆變器的研究風(fēng)靡當(dāng)下，文獻[3，4]詳細(xì)介紹了LCL濾波器的設(shè)計方法，并指出LCL型濾波器對諧波具有更強的抑制能力。本文在以上研究成果的基礎(chǔ)上，擬提出一種基于LCL濾波的雙閉環(huán)PI-PI控制下的三相電壓型逆變器，并對逆變器輸出諧波、帶負(fù)載能力進行了研究。

1 三相逆變器模型

三相全橋電壓型逆變器主電路拓?fù)淙鐖D1所示。

其中，Udc為直流側(cè)電壓，選擇電感L1上的電流i1k，電容C上的電壓uck，以及電感L2上的電流i2k作為狀態(tài)變量（k=a， b，c），建立了基于LCL型濾波的三相電壓型逆變器在三相靜止坐標(biāo)系下的狀態(tài)方程，如式（1）所示：

式中：uk（t）為橋臂輸出電壓，uok（t）為負(fù)載電壓。

通過坐標(biāo)變換，將三相靜止坐標(biāo)系中的基波正弦變量轉(zhuǎn)換為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的直流變量，逆變器在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的狀態(tài)方程如式（2）所示：

式中：ud（t），uq（t）為橋臂輸出電壓的d，q分量，ucd（t），ucq（t）為電容電壓的d、q分量，i1d（t），i1q（t），i2d（t），i2q（t）分別為電感L1，L2上電流的d，q分量，uod（t），uoq（t）為負(fù)載端電壓的d，q分量，ω為基波角頻率。

根據(jù)式（2）得到逆變器系統(tǒng)在dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，如圖2所示。

2 控制系統(tǒng)方案

2.1 雙閉環(huán)控制

由式（2）可知，系統(tǒng)dq軸電流除受控制量ud和uq影響外，還受耦合量ωL1i1q，ωL2i2q，ωCu1q和-ωL1i1d，-ωL1i2d，-ωCu1d的影響?？刂破鞯脑O(shè)計可基于（2）式中i1d，i1q，ucd，ucq，i2d，i2q狀態(tài)變化量整定來建立原系統(tǒng)狀態(tài)反饋，采用雙環(huán)控制技術(shù)消除它們對系統(tǒng)參數(shù)的影響。經(jīng)abc-dq變換之后，即可采用PI控制。在dq坐標(biāo)系中實現(xiàn)電壓外環(huán)、電感電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制，用外環(huán)電壓誤差的控制信號控制電流，通過調(diào)節(jié)電流使輸出電壓跟蹤參考電壓值。內(nèi)外環(huán)控制通常能夠改善系統(tǒng)的動態(tài)特性與負(fù)載補償及dq軸的解耦關(guān)系。由上述理論得出的逆變器雙環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。檢測電感L1電流i1k，電感L2電流i2k，以及三相負(fù)載電壓uok，經(jīng)abc-dq變換后進入電壓外環(huán)控制，輸出參考電流，再進入電流內(nèi)環(huán)控制，輸出調(diào)整電壓，經(jīng)Park反變換dq-αβ，進入SVPWM發(fā)生器生成PWM波。

2.2 SVPWM算法原理

三相電壓瞬時值可以用一個以角速度ω=2πf旋轉(zhuǎn)的空間矢量電壓表示。當(dāng)旋轉(zhuǎn)一周時，逆變器就能輸出一個固定周期的三相正弦波電壓，當(dāng)落入某一子扇區(qū)后，用該子扇區(qū)的兩個邊界矢量和零矢量合成電壓可得到最佳合成效果。

如圖4所示，θ為的相角，設(shè)在一個開關(guān)周期T內(nèi)，按逆時針方向旋轉(zhuǎn)，一個邊界矢量作用時間為Tx，另一邊界矢量作用時間為Ty，零矢量作用時間為T0。則有：

矢量旋轉(zhuǎn)公式如式（4）所示[1]：

其中，k=U/Udc，U為的幅值，x為每個子扇區(qū)逆時針方向的起始邊緣矢量，即x分別為0°，60°，120°，180°，240°，300°?？刂葡到y(tǒng)SVPWM模塊如圖5所示。

3 系統(tǒng)參數(shù)

三相電壓型逆變器的各項參數(shù)見表1所列，輸出額定電壓為ur=63/V。

4 仿真分析

為進一步探究三相逆變器控制性能，在Matlab中搭建系統(tǒng)模型并仿真。

4.1 帶阻性負(fù)載

圖6～8所示為逆變器帶三相對稱阻性負(fù)載（單相電阻為5.74 Ω）時輸出的三相電壓uoabc、電流i2abc波形，以及A相輸出電壓uoa諧波FFT分析。

可以看出，逆變器輸出電壓波形平滑、幅值穩(wěn)定，諧波含量較低，僅為0.04。

4.2 帶非線性負(fù)載

圖9、圖10所示分別為逆變器帶三相對稱阻感性負(fù)載（單相電阻為5.74 Ω，電感為0.03 H）時，逆變器輸出電壓uoabc與電流ioabc波形。

可見，輸出電壓、電流波形質(zhì)量均較佳，即逆變器具有較好的帶非線性負(fù)載能力。

5 結(jié) 語

文中建立的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下三相電壓型逆變器模型采用電壓外環(huán)、電感電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)PI控制。仿真結(jié)果表明，該逆變器具有良好的輸出特性，對諧波有很強的抑制能力，具有較好的帶負(fù)載能力。

參考文獻

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