三相電壓型PWM逆變器無電感參數控制策略研究*

鄧澤權， 王志新， 陸斌鋒， 史 莉

(1. 上海交通大學 電氣工程系，上海 200240； 2. 嘉興清源電氣科技有限公司，浙江 嘉興 314031；3. 上海納杰電氣成套有限公司，上海 201111)

三相電壓型PWM逆變器無電感參數控制策略研究*

鄧澤權1， 王志新1， 陸斌鋒2， 史 莉3

(1. 上海交通大學 電氣工程系，上海 200240； 2. 嘉興清源電氣科技有限公司，浙江 嘉興 314031；3. 上海納杰電氣成套有限公司，上海 201111)

三相電壓型PWM逆變器常采用基于電流前饋解耦的電壓電流雙閉環控制策略。采用該控制策略，電流內環控制器設計時包含交流側電感值，當電感測量值出現誤差時，系統將不能徹底解耦，會影響系統的控制性能。提出一種改進型電壓電流雙閉環控制策略，其中電流內環基于合成矢量的思想，實現在同步旋轉d、q坐標系下三相電壓型PWM逆變器無電感參數L的電流解耦控制，采用MATLAB/Simulink仿真驗證了該方法的有效性。

無電感參數； 三相電壓型PWM逆變器； 仿真

0 引 言

隨著電力電子技術的發展，能實現能量雙向流動、單位功率因數逆變運行、低輸出電流諧波功能的三相電壓型PWM逆變器得到了廣泛應用。三相電壓型PWM逆變器常采用基于電流前饋解耦的電壓電流雙閉環控制策略[1-5]，該控制策略在控制器設計時需知道交流側電感的精確值，當測量的電感值出現誤差時，電流內環將不能徹底解耦，系統的控制性能將變差。文獻[6-8]采用合成矢量的方法對三相電壓型PWM整流器的控制策略進行分析，取得了較理想的控制性能，但合成矢量不易在數字控制器中實現，故文獻[8]將合成矢量中的控制策略轉換到同步旋轉d、q坐標系中，提出了一種新的三相電壓型PWM整流器雙閉環控制策略。

在三相電壓型PWM整流器合成矢量控制思想的基礎上，本文提出了一種新的基于同步旋轉d、q坐標系的三相電壓型PWM逆變器雙閉環控制策略，其中電流內環采用無電感參數L解耦控制，電壓外環采用恒定電壓控制[9-10]。

1 三相電壓型PWM逆變器的數學模型

圖1為三相電壓型PWM逆變器拓撲結構。

圖1 三相電壓型PWM逆變器拓撲結構

電網側電動勢為三相平穩對稱的純正弦波電動勢，根據基爾霍夫電壓定律建立三相靜止坐標系下的三相電壓型PWM逆變器數學模型：

(1)

式中：R——功率開關管損耗等效電阻與交流濾波電感等效電阻之和；

ia、ib、ic——網側三相電流；

L——網側濾波電感；

ea、eb、ec——網側三相電壓。

三相靜止對稱坐標系中的數學模型交流側均為時變交流量，不利于控制系統設計，故可將其通過坐標變換轉換為以電網基波頻率同步旋轉的d、q坐標系下的數學模型，將基波正弦變量轉換為直流變量，簡化控制系統設計難度，實現無靜差控制。

(2)

2 電壓電流雙閉環控制策略

2.1 電流內環控制策略

根據d、q旋轉坐標系下三相電壓型PWM逆變器的數學模型式(2)，采用前饋解耦控制策略，電流調節器采用PI調節器，電流內環控制方程如下：

(3)

由式(3)可以得到如圖2所示在同步旋轉d、q坐標系下的電流內環解耦控制框圖。

圖2 同步旋轉d、q坐標系下電流解耦控制框圖

由于電流內環d、q軸的對稱性，將PI控制器設計成一樣，其參數如式(4)所示:

(4)

由圖2可知，基于同步d、q坐標系下的電流內環解耦控制涉及電網側電感參數L的值。在實際情況下，電感測量值與真實值之間有誤差。受電感測量誤差的影響，系統解耦將不能徹底，當同步頻率上升時，電流耦合的影響加劇，會影響到系統的控制性能。

文獻[6-8]引入合成矢量的思想，通過改造控制器零點的方法實現了電流內環無電感參數L的解耦控制。合成矢量將雙輸入雙輸出的電流環節轉變為單輸入單輸出電流模型，通過在靜止兩相坐標中研究其傳遞函數，改變控制器零點與系統主極點，從而使其對消的方法實現電流的解耦控制。由于合成矢量難以在數字控制器中實現，故將合成矢量中的控制器設計方法轉換為同步旋轉d、q坐標系下，即可得到本文提出的無電感參數L的電流內環解耦控制策略。

設在靜止兩相α、β坐標系或同步旋轉d、q坐標系下的兩個分量分別為fa和fb，則定義合成矢量為

fab=fa-jfb

(5)

由式(1)中靜止三相坐標系下三相電壓型PWM逆變器的數學模型，可推導出三相電壓型PWM逆變器在靜止兩相α、β坐標系下基于合成矢量的數學模型：

(6)

將式(6)轉換到同步旋轉d、q坐標系下時，微分算子d/dt用微分算子d/dt+jw來代替，即可得到三相電壓型PWM逆變器在同步旋轉d-q坐標系下基于合成矢量的數學模型：

(7)

式(7)在s域中的表達式如式(8)所示：

(8)

在同步坐標系中，電流調節器采用PI控制，不加解耦項時，基于合成矢量，電流控制系統在α、β靜止坐標系中的開環傳遞函數如式(9)所示：

(9)

傳統雙閉環電流前饋解耦控制通過電流狀態的反饋補償改造系統的主極點，使系統的主極點與控制器零點相消，從而使閉環控制系統的主導極點不受物理條件影響，此時改造的是系統的主極點，控制器的零點不變。根據此理論，也可改造控制器的零點，保持系統的主極點不變，使得控制器的零點和系統的主極點對消，同樣可以得到所需要的控制效果，也即本文無電感參數電流內環控制策略的基本思路。

根據式(8)可得在同步坐標系中系統的主極點為-R/L-jw。為了與系統的主極點對消，必須改造控制器，構造控制器的零點為-ki/kp-jw，此時，只需要保證設計控制器參數時，使得ki/kp=R/L就能獲得所需要的控制效果。采用上述方案時系統的控制框圖如圖3所示。

圖3 基于合成矢量的電流解耦控制框圖

此時，基于圖3所得在靜止兩相α、β坐標系下的開環傳遞函數為

(10)

根據圖3可將PI控制器設計為

(11)

因此可得

(12)

由式(5)對合成矢量的定義，可得

(13)

結合式(11)～式(13)可得

(14)

整理可得

(15)

圖4 同步旋轉d、q坐標系下的無電感參數L解耦控制框圖

2.2 電壓外環控制策略

三相電壓型PWM逆變器控制框圖如圖5所示。

圖5 三相電壓型PWM逆變器控制框圖

3 無電感參數三相電壓型PWM逆變器控制策略仿真

為了驗證三相電壓型PWM逆變器無電感參數的電流內環解耦、恒定電壓外環控制策略的正確性和可行性，本文通過MALTAB/Simulink搭建了模型進行仿真。表1為三相電壓型PWM逆變器仿真的參數。

表1 三相電壓型PWM逆變器的相關參數

根據電壓外環的控制策略可知，仿真是模擬在單位功率因數逆變情況下，對比采用傳統雙閉環控制與本文所提控制策略的仿真結果，來驗證無電感參數控制策略的可行性。

圖6、圖7分別為逆變器并網時采用傳統的電壓電流雙閉環控制策略所得的a相電壓電流波形及系統有功、無功功率波形。

圖6 基于雙閉環控制策略a相電壓電流波形

圖7 基于雙閉環控制策略系統功率波形

圖8、圖9分別為逆變器并網時采用無電感參數L電流解耦控制的a相電壓電流波形及系統有功、無功功率波形。

圖8 基于無電感參數控制策略a相電壓電流波形

圖9 基于無電感參數控制策略系統功率波形

圖10、圖11分別為逆變器不并網直接與電負載相連時，采用傳統雙閉環控制時三相電壓波形及系統有功、無功功率波形。

圖12、圖13分別為逆變器不并網直接與負載相連時，采用無電感參數L控制策略時三相電壓波形及系統有功、無功功率波形。

根據仿真結果可得，本文提出的控制策略在逆變器并網及不并網運行時都能獲得很好的控制性能，驗證了無電感參數的電流內環解耦的正確性和可行性。

圖10 基于雙閉環控制策略三相電壓波形

圖11 基于雙閉環控制策略系統功率波形

圖12 基于無電感參數控制策略的三相電壓波形

圖13 基于無電感參數控制策略系統功率波形

4 結 語

本文對三相電壓型PWM逆變器的數學模型進行了詳細分析，基于合成矢量的理論，提出了基于同步旋轉d、q坐標系下，無電感參數L電流內環解耦的控制策略。該控制策略消除了電感參數測量誤差對系統控制性能的影響。仿真結果驗證了采用電壓外環、無電感參數L電流內環解耦控制策略的正確性和有效性。

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Research on Non-Inductive Parameter Control Strategy of Three-Phase Voltage-Sourced PWM Inverter

DENGZequan1,WANGZhixin1,LUBinfeng2,SHILi3

(1. Department of Electrical Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China;2. Jiaxing Renewable Power Electrical Co., Ltd., Jiaxing 314031, China;3. Shanghai Najie Complete Electric Co., Ltd., Shanghai 201111, China)

Three-phase voltage-sourced PWM inverter achieves better control performance by using the double closed loop control strategy, which is based on current feed-forward decoupling control strategy. When the measured value of the inductor is wrong, the system can’t be completely decoupled. A new double closed loop control strategy was put forward, which was composed of decoupling current controller without exact value of the inductor. The suitable control strategy of three-phase voltage-sourced PWM inverter was attained in MATLAB/Simulink simulation.

non-inductive parameter; three-phase voltage-sourced PWM inverter; simulation

國家863計劃(2014AA052005);國家自然科學基金(51377105)；上海市閔行區產學研合作計劃(2014MH103)；嘉興市科技計劃(2014BZ15002)

鄧澤權

TM 464

A

1673-6540(2015)05-0001-05

2015-01-23