三相逆變電源控制策略研究

南葉健 王 蔚

（長春工業大學電氣與電子工程學院，吉林 長春 130012）

0 引言

在新能源發電領域，須將整流之后或直接產生的直流電能轉換成三相市電，同時在其他對電源參數要求嚴格的領域，市電由于其諧波、負荷的投入和切出等原因出現波形失真，不能滿足設備要求。因此本文研究三相逆變電源，用于得到穩定的、低諧波含量的輸出電壓、電流，同時亦可用于清潔能源發電并網環節。逆變器作為逆變電源中的核心器件，其控制策略十分關鍵。采用SVPWM方法的直流利用率更高，減少輸出電壓諧波的同時，它也能在逆變器狀態轉換時減少功率開關的動作頻率。

本文在介紹SVPWM算法原理的基礎上詳細闡述了該算法的仿真實現過程，并在逆變器輸出處加入PI控制，使得逆變電源能夠獲得更好的輸出波形。最后在 MATLAB／Simulink環境下通過功能模塊和基于M文件的S函數相結合的方法，建立了三相逆變電源的控制仿真模型。

1 整流和直流濾波電路

整流電路的作用就是將發電機端的交流電變為直流電供給負載。三相整流電路分為相控整流和不可控整流兩種，其中相對于晶閘管相控整流電路的相移因子cosθ來說，不可控整流電路的相移因子cosθ更高，輸入電流畸變更小。由功率因數PF＝vcosθ可知，不可控整流電路能夠獲得更理想的功率因數。并且整流電路輸出的是脈動直流電壓，電壓波動很大，對逆變器電路不利，影響輸出電壓波形和穩定性?；谝陨显颍疚倪x取電壓型三相不可控整流。

2 三相逆變器調制策略分析

2.1 SVPWM技術原理

由電壓型三相逆變器開關電路的拓撲結構我們定義上橋臂的開關開，下橋臂關時為1，否則為0。則得到8種開關模式（000）（001）（010）（011）（100）（101）（110）（111），其中有兩個開關組合時電壓值是0，還有6個非零電壓值。把這8個電壓定義在一個靜止坐標系上，就可以得到圖1。

圖1 空間電壓矢量圖

為了利用開關器件的開關狀態去實時控制和調節輸出電壓，從6個處于空間特定位置的開關狀態矢量中，選擇兩個相鄰矢量和零矢量去合成旋轉空間矢量Uref，并且控制Uref的大小和相位用來實現三相逆變器輸出電壓的控制。以扇區Ⅰ為例，參考矢量Uref可由其相鄰的兩個電壓矢量U1、U2及零矢量U0、U7合成，可通過計算得各矢量的作用時間。

2.2 SVPWM仿真實現

2.2.1 參考電壓Uref扇區判斷

表1 扇區與N值的關系

2.2.2 合成參考矢量的作用時間

然后我們以扇區Ⅰ為例，推出扇區Ⅰ內相鄰電壓矢量在一個開關周期內的作用時間：

根據上述方法，其他扇區相鄰的基本電壓矢量的作用時間也可得出（表2）。間。其中，X

表2 扇區編號與作用時間的關系

2.2.3 開關管的切換時間

最后我們需要計算各電壓矢量的切換時間點，也就是各開關器件導通和關斷的具體時刻。仍然以第Ⅰ扇區為例，令Ta＝（Ts－Tx－Ty）／4、Tb＝Ta＋Tx／2、Tc＝Tb＋Ty／2，最終可得每個采樣周期Ts中各矢量切換點的數值如表3所示，將它們與一定頻率和幅值的三角載波進行相應比較，就可得出所需的PWM波形。

表3 各扇區電壓矢量的切換時刻

3 逆變電源輸出波形的控制策略

并網逆變器作為并網發電系統的核心，控制系統的設計對于整個系統性能有很重要的影響，并網逆變器的控制策略多種多樣，由于PI控制具有易實現、控制簡單的特點，所以這里我們采用PI調節。

逆變器輸出側的電壓狀態方程經過abc／dq變換后，可得同步旋轉坐標系下的三相并網逆變器的狀態方程：

式中，ugd、ugq為電網電壓；L為逆變器輸出濾波總電感；ud、uq為電網電壓經過abc／dq變換后的直軸和交軸電壓。

此時將abc軸上的交流量全部轉化為dq軸上的直流量，可以簡化控制系統的分析和設計。但由狀態方程可知d、q軸上存在耦合分量ωLigq、ωLigd，因此需要對其進行解耦控制。令：

其中Δud和Δuq為電流環PI調節器輸出，此時就可以實現id、iq的獨立控制。

4 仿真

使用MATLAB對三相逆變電源進行仿真，其中輸入為380 V的三相對稱電壓。從圖2可知，對于RLC負載，由SVPWM和PI控制的逆變電源都能很好地保持輸出波形。

圖2 負載為RLC時輸出電壓波形

5 結語

本文在Simulink下建立了仿真模型，通過PI控制SVPWM調制過程，實現對三相逆變電源的輸出電壓進行控制。仿真結果表明，該方法可以有效實現在不同負載情況下電源輸出波形失真度小的目標，能夠滿足三相電源輸出要求，可為進一步裝置研制提供參考依據。

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