功率基準型脈沖序列控制三相逆變器分析

摘 要：

針對寬負載范圍工況脈沖序列（PT）控制三相離網逆變器存在輸出電壓低頻振蕩問題，提出一種三相離網逆變器功率基準型脈沖序列（PRM-PT）控制技術。針對不同的輸出電壓和輸出功率，PRM-PT控制在不同功率基準的多個高功率脈沖和低功率脈沖中選擇合適的控制脈沖對輸出電壓進行控制，減小不同輸出功率時高、低功率脈沖差異，有效抑制了輸出電壓低頻振蕩現象。PRM-PT控制器以離散化方式擬合占空比函數，不需要誤差放大器及相應補償網絡，具有環路設計簡單、控制運算量低的優點。仿真分析和實驗結果表明PRM-PT控制相比PT控制輸出電壓紋波小、動態響應速度更快，有效抑制了輸出電壓的低頻振蕩問題。

關鍵詞：功率基準；脈沖序列控制；脈沖系數；低頻振蕩；三相離網逆變器

DOI：10.15938/j.emc.2024.02.008

中圖分類號：TM464

文獻標志碼：A

文章編號：1007-449X（2024）02-0075-12

收稿日期： 2023-02-02

基金項目：國家自然科學基金（52277201）

作者簡介：王志福（1998—），男，碩士研究生，研究方向為電力電子與電力傳動；

楊 平（1983—），女，博士，副教授，博士生導師，研究方向為多端口變換器建模、分析與控制，能量收集技術等；

王一帆（1993—），男，博士研究生，研究方向為三相逆變器及其控制技術；

許建平（1963—），男，博士，教授，博士生導師，研究方向為再生能源發電技術、開關電源新穎控制技術等。

通信作者：楊 平

Power reference mode pulse train control for three-phase inverter

WANG Zhifu， YANG Ping， WANG Yifan， XU Jianping

（Key Laboratory of Magnetic Suspension Technology and Maglev Vehicle， Ministry of Education， SouthwestJiaotong University， Chengdu 610031， China）

Abstract：

For the problem of low-frequency voltage oscillations existing in pulse train（PT） controlled three-phase off-grid inverter operated in wide load range， three-phase off-grid inverter controlled by power reference mode pulse train（PRM-PT） was proposed. For different output voltage and output power， PRM-PT method controls output voltage by selecting appropriate control pulse among several high and low power pulses based on different power references. In this way， the difference of high and low power pulses under different output power was reduced， and low-frequency oscillation was effectively suppressed. Without error amplifiers and compensation networks， PRM-PT controller fits duty cycle function in a discrete manner which has the advantages of simple loop design and low control calculation. Finally， simulation analysis and experimental results show that PRM-PT control has smaller ripple and faster dynamic response than PT control， which can effectively suppress the low-frequency voltage oscillation.

Keywords：power reference mode; pulse train control; pulse coefficient; low frequency oscillation; three-phase off-grid inverter

0 引 言

三相電壓源逆變器已廣泛應用于三相交流不間斷電源、調速驅動和變速恒頻風力發電驅動等領域［1-2］。為了滿足不同的應用需求，三相電壓源逆變器的電能質量受到了廣泛的關注。為了提高逆變器系統的穩態和瞬態性能，提出了各種經典的線性控制方法。比例積分控制［2-3］、比例諧振控制［4］、準比例諧振控制［5］以及重復控制［6］都是典型的線性控制方法。但線性控制方法存在參數設計復雜、有限增益以及動態性能較差的缺點［2-7］。

相比于線性控制方法，非線性控制策略在電壓源逆變器系統的動、靜態性能和魯棒性方面具有較大優勢。滯環電壓控制［8］的優點是簡單和良好的瞬態響應，滑模控制技術［9］因其穩定性、快暫態性和魯棒性而被認為是電壓源逆變系統的首選算法，但滯環電壓控制方法和滑模控制方法開關頻率不固定，輸出濾波器設計復雜。無差拍控制控制跟蹤精度高，動態響應速度快［10］，模型預測控制使用系統模型來預測給定一組可能驅動的系統行為，控制靈活性強且動態響應較快［11］，無差拍控制和模型預測控制需要較高的建模精度且控制過程運算量較大，限制了算法應用范圍。

近年來，脈沖序列（pulse train，PT）控制技術已應用于DC/DC和Boost PFC變換器［12-25］。PT控制是一種非線性、離散控制方法，具有控制簡單、動態響應速度快、無需放大補償等優點。然而PT控制輕載時存在輸出電壓低頻振蕩問題，影響了變換器的瞬態響應性能［15，19-20］。文獻［21-23］針對工作于連續導電模式的脈沖序列控制反激變換器低頻振蕩現象提出了基于谷值電流的脈沖序列控制方法，在保證快速瞬態響應的同時有效解決了連續導電模式下DC-DC變換器低頻振蕩問題，但難以解決占空比Dgt;0.5時出現的低頻振蕩問題；因此，文獻［24-25］提出一種滯環電容電流技術，通過在控制環路中加入電容電流谷值限流環抑制了低頻振蕩現象，提高了變換器穩態特性。相比文獻［24-25］，文獻［26］提出一種離散滯環電流控制方法，簡化了硬件實現電路，有效抑制了低頻振蕩問題。文獻［27］提出電容電流脈沖序列控制方法，通過預設高、低基準電流與電容電流比較得到兩組高、低控制脈沖，限制了電感電流紋波變化范圍，有效抑制了低頻振蕩。文獻［21-27］都是通過引入電容電流來抑制輸出電壓低頻振蕩問題，控制實現復雜。

針對寬負載范圍PT控制三相離網逆變器存在的輸出電壓低頻振蕩問題，本文提出一種功率基準型脈沖序列（power reference mode pulse train，PRM-PT）控制方法。該控制方法無需引入電容電流和設計復雜控制電路，通過減小低輸出功率下高低功率脈沖占空比差異，有效抑制輸出電壓低頻振蕩問題。分析PRM-PT低頻振蕩抑制機理及控制原理的工作過程，給出三相離網逆變器PRM-PT控制高、低功率脈沖占空比設計方法，對高、低功率脈沖系數的選擇進行詳細分析，同時對PRM-PT控制策略實現及控制穩定性進行研究。最后將PRM-PT控制與PT控制進行比較研究，仿真和實驗驗證理論分析的正確性與可行性。

4 仿真分析及實驗結果

4.1 仿真分析

為驗證PRM-PT控制方法原理及控制性能，以四級功率基準為例，采用PLECS對PRM-PT控制三相逆變器進行了時域仿真及對比研究，仿真參數見表1和表2，最大輸出功率1 kW。

圖13為不同輸入電壓工況下PRM-PT控制三相逆變器空載-滿載躍變時三相輸出電壓、輸出電流及a相高低功率脈沖波形，負載采用阻感負載（視在功率1 000 W，功率因數0.94）。以圖13（a）為例，逆變器輸入電壓Vin=370 V，在0.02～0.04 s逆變器工作于空載情況下，PRM-PT控制能很好地控制輸出電壓穩態波形；在0.04 s逆變器輸出功率由空載切換到滿載，輸出電壓va下降，由Pulse波形可以看出此時控制器選擇高功率脈沖PH作用于逆變器調節輸出電壓，三相輸出電壓在2 ms內進入穩態狀態。圖13（b）、圖13（c）分別為輸入電壓Vin=390 V/410 V工況下PRM-PT控制三相逆變器空載-滿載躍變波形，分析同圖13（a）。

通過上述對圖13分析可知，在不同輸入電壓下，PRM-PT控制算法在空載及空載-滿載躍變后均能對輸出電壓進行有效控制且動態響應迅速，驗證了PRM-PT控制寬輸入電壓下的有效性。由圖13（a）、圖13（b）和圖13（c）的Pulse波形可以看出，在負載躍變時PRM-PT控制均選擇高功率脈沖PH作為有效控制脈沖以提高輸出電壓；同時由于高、低功率脈沖占空比與期望占空比的偏差隨著輸入電壓Vin的減小而減小，因此負載動態響應時輸入電壓Vin越小相應的Pulse波形（PH或PL）持續時間越長。

圖14為Vin=390 V工況下PRM-PT控制三相逆變器接非線性負載（三相二極管不控整流橋外接200 Ω與110 μF并聯的阻容性負載）三相輸出電壓、輸出電流及a相高低功率脈沖波形。仿真表明PRM-PT控制具有一定帶非線性負載能力。但由于非線性負載給逆變器引入了諧波的正序、負序和零序擾動，非線性負載越大輸出電壓波形畸變越大，因此可考慮進一步引入電流內環采用PI+PRM-PT混合控制方式提高逆變器帶非線性負載能力。

圖15為PT控制與PRM-PT控制在不同輸出功率躍變工況下三相輸出電壓、輸出電流及a相高低功率脈沖選擇的對比波形圖。以圖15（a）為例，逆變器輸入電壓Vin=390 V，在0.02～0.04 s逆變器工作于空載情況下，PT控制由于較大的高低功率脈沖差異使得輸出電壓波形存在嚴重的低頻振蕩現象， PRM-PT控制能很好地控制輸出電壓穩態波形；在0.04 s逆變器輸出功率由空載切換到滿載，輸出電壓va下降，由Pulse波形可以看出此時PT控制和PRM-PT控制都選擇高功率脈沖PH作用于控制器輸出。圖15（b）、圖15（c）和圖15（d）分別為逆變器輸入電壓Vin=390 V，輸出功率0-600 W/300 W/100 W躍變波形，分析同圖15（a）。

通過圖15的分析可知，輸出功率越小，PT控制方法的PH脈沖和PL脈沖與實際輸出功率脈沖相差越大，三相輸出電壓低頻振蕩越大，輸出功率100 W時最大THD約為4.1%。與PT控制不同，PRM-PT控制根據不同功率基準選擇不同的高、低功率脈沖，因此即使在低輸出功率時三相輸出電壓仍能獲得良好的波形，輸出功率100 W最大THD約為1.3%。在負載躍變時，PT控制動態響應快，但由于低功率輸出時存在輸出電壓低頻振蕩，影響了動態響應速度。相比于PT控制，PRM-PT根據輸出功率選擇合適的高、低功率脈沖，因此在低功率輸出時不存在電壓波動，在負載躍變時電壓低頻振蕩得到有效抑制，加快了動態響應時間，對比圖15不同輸出功率下的響應速度，在低輸出功率躍變工況下更能體現出PRM-PT控制相比PT控制的優越性。

4.2 實驗結果

為驗證PRM-PT控制三相逆變器系統的可行性，通過搭建實驗平臺對PRM-PT控制三相逆變器進行實驗驗證，如圖16所示。實驗平臺采用表1參數，設計最大輸出功率1 kW，功率基準及高、低功率脈沖系數由表2給出。實驗波形如圖17～圖19所示。

圖17所示為不同輸入電壓工況下PRM-PT控制三相逆變器空載-滿載躍變時輸出電壓va和vb、輸出電流ia及a相高低功率脈沖波形，負載采用阻感負載（視在功率1 000 W，功率因數0.94）。由圖17可知，在不同輸入電壓下，PRM-PT控制均可以實現對阻感負載的有效控制且具有良好的穩態輸出電壓波形及動態響應能力。通過圖17高低功率脈沖波形可知當輸入電壓越大，高低功率脈沖能量與負載消耗能量的差值也就越大，高低功率脈沖越密集（持續時間越短），與圖13仿真波形一致。

圖18為Vin=390 V工況下PRM-PT控制三相逆變器接非線性負載（三相二極管不控整流橋外接200 Ω與110 μF并聯的阻容性負載）時輸出電壓va和vb、輸出電流ia及a相高低功率脈沖實驗波形。由實驗波形可知在非線性負載電流下輸出電壓基本保持正弦，由高低功率脈沖信號波形可知PRM-PT對三相逆變器控制的有效性。但由于PRM-PT控制并沒有引入對諧波電流正序、負序和零序的分序控制，因此并不能完全消除非線性負載對輸出電壓波形的影響。

圖19為Vin=390 V PT控制與PRM-PT控制在不同輸出功率躍變工況下輸出電壓va和vb、輸出電流ia及a相高低功率脈沖波形。空載情況下（負載躍變前時刻），對比PT控制與PRM-PT控制的輸出電壓波形，PRM-PT控制不存在輸出電壓低頻振蕩現象，相比PT控制具有更好的輸出電壓穩態波形。由圖19（a）可知，在0～1 000 W輸出功率躍變工況下，PRM-PT控制與PT控制具有相同的瞬態響應速度；由圖19（b）、圖19（c）和圖19（d）可知，隨著輸出功率躍變減小，PT控制由于低功率輸出下存在輸出電壓低頻振蕩現象導致動態響應速度變長，0～100 W負載躍變動態響應時間為2.7 ms。相比于PT控制，PRM-PT控制在0～1 kW負載躍變范圍均能2 ms內完成瞬態響應過程，控制效果優于PT控制。

5 結 論

本文提出一種基于功率基準的三相逆變器脈沖序列控制方法，通過輸出電壓與參考電壓關系，選擇高、低功率脈沖對輸出電壓進行調節，基于輸出功率與功率基準選擇高、低功率脈沖占空比，可以實現高、低功率脈沖占空比隨輸出功率大小調節。相比于PT控制，PRM-PT控制的輸出電壓紋波小、動態響應速度更快，可有效抑制輸出電壓的低頻振蕩問題。

本文詳細分析了PRM-PT控制三相逆變器的控制原理和工作過程，基于逆變器空間矢量等值電路得到了abc坐標系下的三相橋臂占空比，設計了基于功率基準的高、低功率脈沖占空比，給出了高、低功率脈沖系數設計方法，為實際應用中的參數選取提供了理論依據，最后對PRM-PT控制的穩定性進行了分析。仿真和實驗結果驗證了本文理論分析的正確性與控制器設計的可行性。

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（編輯：劉素菊）