四桥臂逆变器中第四桥臂的控制策略

第27卷第33期中国电机工程学报Vol.27No.33Nov.20072007年11月ProceedingsoftheCSEE©2007Chin.Soc.forElec.Eng.文章编号：0258-8013(2007)33-0087-05中图分类号：TM464文献标识码：A学科分类号：470⋅40四桥臂逆变器中第四桥臂的控制策略刘秀翀，张化光，陈宏志（东北大学信息科学与工程学院，辽宁省沈阳市110004）ControlStrategyofFourthLeginFour-legInverterLIUXiu-chong,ZHANGHua-guang,CHENHong-zhi(SchoolofInformationScienceandEngineeringNorth-easternUniversity,Shenyang110004,LiaoningProvince,China)ABSTRACT:Four-leginvertersareusedtosupplythree-phasebalancedvoltagesunderanunbalanced/nonlinearloadcondition.Asthefourthlegexistsintheinverters,thecontroloftheinverteriscoupledandverycomplex.Inmanypapersthedecouplingtransformationmatrixisgivenandadecoupledcontrolmethodisproposed,buttheessenceofthecontrollawforfour-leginvertersisnotdiscovered.Inthispaper,basedonanalyzingthefunctionofthefourthlegandstudyingthecontrollawforfour-leginverters,acontrolideabasedoncompensatingunbalancedeffectcompletelybythefourthlegisproposed.Theproposedideadiscoverstheessenceofthedecouplingtransformationmatrixforfour-leginverter.Basedontheidea,acontrolmethodforfour-leginvertersisproposed.Thedesignedcontrollerbasedontheideaofentirecompensationbythefourthlegisverysimpleandeffective,whichrealizestheindependentmodulationsforfourlegs.Thesimulationstudywascarriedoutondifferentloadconditionsandtheeffectivenessofthecontrollerisverifiedbysimulationresults.KEYWORDS:inverter；three-phasefour-leg；PWM；controlofthefourthleg摘要：四桥臂逆变器的作用是针对三相不平衡或非线性负载提供三相对称输出电压。逆变器中由于第四桥臂的存在，各桥臂控制之间存在一定的耦合关系，逆变器的控制变得非常复杂。鉴于多数文献只根据解耦变换矩阵给出了一种解耦方案，并未深入揭示四桥臂逆变器控制规律的本质。该文在分析第四桥臂作用和研究四桥臂逆变器控制规律基础上，提出了通过第四桥臂对负载产生的不平衡因素进行全补偿的思想。所提控制思想揭示了针对四桥臂逆变器的解耦变换矩阵基金项目：国家自然科学基金项目(60325311)；国家863高技术基金项目(2002AA503020)。ProjectSupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina(60325311)andTheNationalHighTechnologyResearchandDevelopmentofChina(863Programme)(2002AA503020).的本质。在这一控制思想的基础上，该文给出了四桥臂逆变器的控制方法。所构造的控制方法简单实用，实现了四个桥臂的独立调节。针对不同的负载条件进行仿真，结果证明了控制方案的有效。关键词：逆变器；三相四桥臂；脉宽调制；第四桥臂控制0引言随着第二代能源系统的发展，以微型燃机为核心的热、电、冷联产系统展现出良好的发展前景。在这一背景下，国家“863”计划支持了微型燃机发电系统的研究。四桥臂逆变器作为该系统的输出单元，决定了系统的昀终输出电能质量。针对三相四线制供电，传统逆变方案多采用图1所示拓扑结构。其缺点已被多数学者所认可[1-2]。自20世纪70年代，四桥臂拓扑结构以晶闸管模式被提出之后[3]，这种结构已广泛应用于主动滤波[4]和三相逆变中。四桥臂结构针对三相不平衡或非线性负载能有效地为零序分量提供释放通道。图13个半桥逆变结构Fig.1Thestructureofthreehalf-bridgesinverter图2给出四桥臂逆变器电路拓扑结构，G点为三相负载的中点。与图1相比增加了第四桥臂和中性线电感，这一变化使系统完全耦合，控制变得复杂。很多学者针对这一结构进行深入研究，其控制策略大体分为以下4类：①解耦方案[2,5]；②SVM控制[1,6-10]；③载波PWM控制[11-12]；④误差判断法[13]。其中很多学者在中性线电感Ln=0的基础上进行分析[5-6,11-13]，但中性线电感的引入可以消除第四桥88中国电机工程学报第27卷臂开关动作产生的谐波对三相输出的影响，设计为零并不合理。近年来学者对带有中性线电感的拓扑结构提出了控制方案[1-2,8-10]。LDCUSfpaSpbpScSppnSfnaSnfuaubucuaibicininLAGuBGuCGuGubSncSnG图2四桥臂逆变结构Fig.2Thestructureoffour-leginverter目前国际上较流行的方法是应用著名的解耦变换矩阵，对控制矢量进行合成，并分解到以定义的开关状态矢量上，控制开关动作。这类方法引入三维空间矢量概念，无论在控制方法上，还是在实现手段上都比较复杂。针对四桥臂逆变器，其控制的本质并不在于通过复杂的坐标变换得到数学意义上的解耦，而在于将第四桥臂控制从与其他桥臂控制的耦合中分离出来。只要实现这一解耦，就实现了四桥臂逆变器的有效控制。本文针对上述问题提出了通过第四桥臂对不平衡或非线性负载的影响进行近似全补偿的思想，分离四桥臂控制功能，使第四桥臂充分发挥在不平衡或非线性负载条件下调节三相输出不平衡的作用。仿真实验验证了所提出控制思想的正确和有效。1系统分析图2为桥臂逆变器拓扑结构。以直流母线电容中点为参考0电平，开关函数状态定义为inin1SS0SSipiipS⎧⎪=⎨⎪⎩闭合，断开断开，闭合(1)其中：{}a,b,c,i为f。则开关函数状态0和1对应桥臂输出端电压为和。因此桥臂端输出电压、DC0.5−UDC0.5Uaubu、和ucuaf、ubf、ucf可以表示为[uafubfucf]T=[ua−ufub−ufuc−uf]T=[(Sa−Sf)UDC(Sb−Sf)UDC(Sc−Sf)UDC]T(2)根据平均电流模型可以得到aaAbbcCcd/dd/dd/dd/dd/dd/dfnGfnnnGfuitituuLitLituitituu⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢=++⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎣⎦⎣⎦⎣⎢⎥⎣⎦BG⎤⎥⎥⎥⎦(3)abcniiii=++(4)式中：、aibi、为三相桥臂端电流；icin为第四桥臂端电流；L为三相滤波电感；Ln为中性线电感；uAG、uBG、uCG为逆变器输出电压，表示为[]TABCGGGuuu=T12324[sinsin()sin()]33UtUtUtωωωππ−−(5)从式(2)、(3)可以得到昀简单的解耦方案为，其控制目标的本质为d/dfnnULi=−t0Gu=。基于这一控制方案，系统可以描述为aaAbbBccCd/dd/dd/dGGGuituuLituuitu⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢=+⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦(6)可以看出这一控制方案，稳态时、、为三相对称正弦条件下：对于平衡阻性负载，控制命令、AGuBGuCGuaubu、的轨迹为圆；对于不平衡负载，控制命令的轨迹为椭圆；对于非线性负载，控制命令的轨迹为不规则图形。综上所述：这一解耦方案中，第四桥臂并未完全补偿负载的不平衡或非线性的影响，没有充分发挥四桥臂结构的优势。cu2第四桥臂控制原理设三相桥臂端电压为()a1b2c3()sin()sin(2π/3)()sin(4π/3)uMttuMttuMttωθωθωθ=−⎧⎪=−−⎨⎪=−−⎩(7)式中：M1(t)、M2(t)、M3(t)为时间的函数；tθ为相角；ω为角速度。由式(7)可得abc13[()()]sin()uuuMtMttωθ++=−++23[()()]sin(2π/3)MtMttωθ−−+(8)如果M1(t)=M2(t)=M3(t)不成立，则不恒为零。所以对于式(7)表示的控制命令，如果存在abuuu++ccabuuu++恒为零，稳态时由电路结构决定了M1(t)、M2(t)、M3(t)不会突变，所以必有M1(t)=M2(t)=M3(t)成立，即控制命令轨迹为圆。等效的结论是：如果存在控制uu使逆变器输出电压三相对称，并满足uufabcuu、、、abc0u++=，则控制可以完全消除负载不平衡或非线性的影响，充分发挥四桥臂结构的优势。fu由式(2)、(3)可得aaAbbBccCd/dd/dd/dd/dGGGGGGfGnnuLituuuLituuuLituuuuLit=++⎧⎪=++⎪⎨=++⎪⎪=−⎩(9)令Ln=L由式(9)可推出第33期刘秀翀等：四桥臂逆变器中第四桥臂的控制策略89abcddniuuuLt++=+ABCd()3(dnGGGfiuuuuLt++++)(10)如果，则有abc0uuu++=ABCd4()3dnGGGfiLuuuut++++=0(11)若第四桥臂控制uf设计为d43dnfiuLt=−(12)则有ABC0GGGuuu++=(13)将式(12)代入式(9)可得d13dnGiuLt=−(14)与前面讨论相同，由式(13)可得输出电压三相对称。在实际控制uf中加入项对出现的三相不对称进行快速调节。()ABCGGGkuuu++综上所述，第四桥臂采用这种控制方案具有以下特点：（1）第四桥臂控制使负载不平衡或非线性影响得到完全补偿。（2）第四桥臂不仅补偿中性线电感引起的电压损失，而且补偿部分相电感引起的电压损失，成为主调制；三相控制只需补偿相电感引起的部分电压损失，成为辅助调制。（3）三相控制完全对称，在负载不平衡条件下，增加了调节范围，使母线电压得到充分利用。（4）三相控制命令轨迹为圆，即采用这一方案形成3DSVM的控制轨迹在γ轴0平面投影为圆(0时，不平衡线性负载条件下，控制轨迹投影为椭圆)。GU=根据这些特点可以得出结论：这一控制方案的实质是在稳态条件下对三相电感引起的电压降矢量求取对称中点作为G点电位，形成uf控制。3控制器对于功率P=30kW的逆变器，限制各相功率因数在0.8以上，则单相电流有效值的昀大值为max3000054.35A30.830.8230PIU==≈×××(15)若相电感设计为L=300μH，则相电感电压损失为max1003.14ULIφωΔ==××30.31054.355.12V−××≈(16)输出电压幅值误差百分比近似值为%/5.12/2302.23%eUUφ=Δ=≈(17)由式(17)得出结论：即使三相采用开环控制，输出电压也能满足%3%e的要求。所以第四桥臂采用前述控制方法，三相控