離網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.天水電氣傳動研究所有限責任公司，甘肅天水 741020; 3.天水長城開關廠有限公司，甘肅蘭州 741020)

離網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.天水電氣傳動研究所有限責任公司，甘肅天水 741020; 3.天水長城開關廠有限公司，甘肅蘭州 741020)

針對微電網中用戶負載可能不平衡的特點，研究了一種用于微電網系統的三相四橋臂逆變器。建立三相四橋臂逆變器在a－b－c靜止坐標系下和d－q同步旋轉坐標系下的數學模型。利用對稱分量法對逆變器輸出電壓進行基波正序、負序和零序分量分解，研究分別采用正序、負序和零序旋轉坐標系下的電壓、電流雙閉環控制方法，搭建了以英飛凌XE164FN單片機為控制核心的硬件實驗平臺，并進行實驗研究，實驗結果證明所用控制方法的正確性。關鍵詞:離網;三相四橋臂逆變器;對稱分量法

1 引言

隨著新能源的快速發展，微電網由于其供電的靈活性和獨立性越來越受到研究人員的重視。傳統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載，而對于三相不平衡負載而言，由于三相電壓相互耦合的原因導致逆變器輸出電壓不平衡，影響負載運行和供電質量。可以采用三個單相橋組合逆變電路拓撲來解決不平衡負載的電壓問題，三個單相橋獨自形成回路，獨立可控，可以解決三相輸出電壓不平衡的問題，但是由于開關管的數目較多，成本較高，一般用于大功率的場合。文獻［1，2］提出分裂電容式逆變電路拓撲，它在傳統三相逆變器基礎上增加一個電容橋臂，其目的是將母線電壓的中點提取出來作為負載的中性點電壓，這樣就將傳統的三相逆變器等效為獨立可控的三個半橋逆變器。這種電路的優點是控制簡單、靈活，缺點是直流母線電壓利用率相對傳統三相逆變器低了一半，同時兩只電容還存在均壓問題。文獻［3～5］提出了三相四橋臂逆變電路拓撲，如圖1所示，在傳統三相三橋臂逆變器的基礎上增加一個橋臂形成第四相輸出作為三相負載的公共點，利用第四橋臂控制中性點電壓，提供零序電流回路。這樣可使逆變器輸出3個獨立的電壓，維持不平衡負載下三相電壓的對稱輸出特性。與其他拓撲相比，四橋臂逆變器具有結構簡單、體積小和電壓利用率高等優點。筆者以三相四橋臂逆變拓撲為研究對象，深入分析該電路的控制方法。

圖1 三相四橋臂逆變電路

2 不同坐標系下的系統數學模型

2.1 三相靜止坐標系下的數學模型

圖2 三相四橋臂逆變器開關平均模型

三相負載不平衡情況下，系統三相輸出的數學方程如下:

從式(1)～(3)不難發現，由于中線電感的存在，三相四橋臂逆變器在靜止坐標系下是一個強耦合系統，控制量為交流量，用PI控制無法實現無靜差。

2.2 基于序分量的同步旋轉坐標系下的數學模型

在d－q同步旋轉坐標系下對三相四橋臂逆變器進行數學建模。基于park理論的逆時針同步旋轉變換矩陣由Tp表示，順時針同步旋轉變換矩陣由Tn表示，利用旋轉矩陣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為旋轉變換的旋轉角速度。

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

式中:dnd和dnq為輸出負序分量時占空比經過d－q同步旋轉變換后的量，dhd和dhq為輸出零序分量時占空比經過d－q同步旋轉變換后的量，iLnd和iLnq為逆變器輸出負序電壓對應的電感電流，iLhd和iLhq為逆變器輸出零序電壓對應的電感電流。

同理，也可以得出正序、負序和零序電流分量在d－q同步旋轉坐標系下的數學模型。

3 系統控制策略

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

因此，可以對正序、負序和零序分量分別經過dq同步旋轉變換后，再進行電壓、電流雙閉環解耦控制。系統總體控制框圖如圖3所示，從圖中可以發現正序和負序分量d和q之間存在耦合關系，零序分量d和q之間不存在耦合關系。

圖3 系統總體控制框圖

4 實驗驗證

搭建了1臺以英飛凌XE164FN單片機為控制核心的2 kW實驗平臺，分別對單相空載、兩相空載和純阻性負載等不平衡負載進行了實驗。實驗基本參數如下: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)實驗1:a相空載，b相200 Ω阻性負載，c相150 Ω阻性負載。

(2)實驗2:a、b兩相空載，c相150 Ω阻性負載。

(3)實驗3:a相和b相負載為200 Ω，c相負載為300 Ω。

(4)實驗4:平衡負載切換，切換前負載為三相平衡阻性負載，電阻均為200 Ω，切換后負載為空載狀態。不平衡負載切換，切換前a、b兩相負載均為200 Ω，c相負載為300 Ω，切換后c相變為空載狀態。

從圖4～6可以看出，各種不平衡負載條件下，三相四橋臂逆變器輸出電壓正弦度好，且三相電壓對稱。從圖7的負載切換實驗可看出系統的暫態過渡過程在20 ms以內，三相輸出電壓正弦穩定且對稱。

圖4 單相空載時輸出電壓與電流波形

圖5 兩相空載時輸出電壓與電流波形

圖6 不平衡阻性負載時輸出電壓與電流波形

圖7 負載切換時輸出電壓波形

5 結語

著重研究了序分量在d－q同步旋轉坐標系下的數學模型和控制策略，實驗結果表明系統在各種負載條件下都能輸出對稱的三相正弦電壓，從而證明所采用控制策略的正確性。

［1］ 卓 放，何益宏，王 躍，等.全數字化控制實現的三相四線制有源電力濾波器［J］.電工電能新技術，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制在三相四線系統中的應用［J］.電力系統自動化，2003(12):45－49.

［3］ 孫 馳，畢增軍，魏光輝.一種新穎的三相四橋臂逆變器解耦控制的建模與仿真［J］.中國電機工程學報，2004(1):124－130.

［4］ 陳 玲，張 興，楊淑英，等.帶不平衡負載的三相四橋臂逆變器的研究［J］.合肥工業大學學報，2009(4):486－490.

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［6］ Ionel Vechiu.Transient operation of a four Leg inverter for autonomous applications with unbalanced load［J］.IEEE Trans on PE，2010，2(2):25.

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

LI Zhang－qing1，DING jun－huai2，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，主要從事企業科技管理方面的工作。