劉永曉，趙晉斌，張?jiān)?，楊旭紅

(上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院，上海 200090)

絕緣柵雙極型晶體管等可控型電力電子器件的飛速發(fā)展極大地促進(jìn)了交流驅(qū)動技術(shù)的進(jìn)步.電壓型逆變器因其具有開關(guān)器件電壓應(yīng)力低、輸出電壓紋波小等優(yōu)點(diǎn)，在交流傳動、不間斷電源和有源濾波器等高性能電力電子裝置中得到了廣泛應(yīng)用.

分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的大量應(yīng)用，使得逆變器控制方法的研究日益受到重視.本文在介紹常見的控制方式、討論各自的優(yōu)缺點(diǎn)基礎(chǔ)上，圍繞相關(guān)改進(jìn)方法予以說明.同時(shí)，使用電氣仿真(Power Simulation，PSIM)軟件搭建相關(guān)模型，并通過仿真波形說明各控制方式的特點(diǎn)和存在的不足.

1 控制方法

1.1 SPWM 控制

正弦脈沖寬度調(diào)制(Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM)控制方法往往需要比較復(fù)雜的控制算法才能達(dá)到一定的輸出效果［1］，而且受死區(qū)影響較為嚴(yán)重，目前還沒有一種較好的方法能用來消除死區(qū)效應(yīng)在SPWM控制方法中的影響，通常我們采用三角波調(diào)制，雖然三角波調(diào)制方式的開關(guān)頻率被固定，但響應(yīng)速度慢.

電流型逆變器通常采用正弦調(diào)制波和高頻鋸齒波載波比較的方式產(chǎn)生脈沖.此種方法如果在逆變器直流輸入電流中含有脈動成分，則交流輸出電流中的諧波就會增加.為了抑制這些諧波，人們采用了有源濾波和無源濾波，但都存在著電路太復(fù)雜，或成本太高，或抑制效果不太理想［2］等問題.

隨著各種脈寬調(diào)制技術(shù)的出現(xiàn)，各種型號規(guī)格的變頻器產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，尤其是級聯(lián)式多電平變頻器，采用串聯(lián)功率單元結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了高壓輸出，具有對電網(wǎng)諧波污染較小、輸出電壓和電流諧波含量較低等特點(diǎn)，是當(dāng)今最有發(fā)展前途的技術(shù)之一［3］.

1.2 滯環(huán)控制

逆變器采用電流滯環(huán)控制，具有實(shí)時(shí)控制輸出電流，以及動態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，是直接電流控制通常采用的方法.由于固定環(huán)寬的電流滯環(huán)控制的開關(guān)頻率變化范圍大，導(dǎo)致濾波器設(shè)計(jì)困難［4］.文獻(xiàn)［5］至文獻(xiàn)［7］分別采用最小二乘算法、積分法，以及電壓空間矢量法實(shí)現(xiàn)定頻滯環(huán)電流跟蹤控制，方便了濾波器的設(shè)計(jì)，但控制算法復(fù)雜，軟件實(shí)現(xiàn)比較困難.

文獻(xiàn)［8］至文獻(xiàn)［11］適用于單相和三相并網(wǎng)逆變器的滯環(huán)跟蹤控制原理及數(shù)學(xué)分析.

文獻(xiàn)［8］有如下數(shù)學(xué)分析:電感電流在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)脈動一次.設(shè)電流上升時(shí)間和下降時(shí)間分別為t1和t2，開關(guān)周期T=t1+t2，電流變化環(huán)寬為2 H.經(jīng)過分析與計(jì)算得:

則開關(guān)管的一個(gè)開關(guān)周期為:

開關(guān)管的開關(guān)頻率為:

由式(3)和式(4)可知，當(dāng)電網(wǎng)電壓在(2n+1)π/2(n=0，1，2)附近時(shí)，開關(guān)管的開關(guān)頻率最低，開關(guān)周期最長.電網(wǎng)電壓在 nπ(n=0，1，2)時(shí)，開關(guān)管的開關(guān)頻率最高，開關(guān)周期最短.

在直流母線電壓、電網(wǎng)電壓和輸出電感一定時(shí)，逆變器的開關(guān)頻率由電流滯環(huán)環(huán)寬決定.正弦環(huán)寬由恒頻控制，對環(huán)寬H進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，能夠恒定開關(guān)頻率，可解決濾波器設(shè)計(jì)問題.

滯環(huán)調(diào)制采用瞬時(shí)值比較方式，雖存在開關(guān)頻率不固定的缺點(diǎn)，使濾波器設(shè)計(jì)困難，但它具有自動峰值限制能力，以及電流跟蹤精度高、動態(tài)響應(yīng)快、不依賴負(fù)載參數(shù)和無條件穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn).滯環(huán)調(diào)制方式又分兩態(tài)調(diào)制和三態(tài)調(diào)制兩種.兩態(tài)調(diào)制只有輸入能量和回饋能量兩個(gè)狀態(tài)，故逆變器橋臂中點(diǎn)電壓UAB是雙極性變化的;而三態(tài)調(diào)制除了輸入能量和回饋能量兩個(gè)狀態(tài)外，另有續(xù)流狀態(tài)，UAB在半個(gè)輸出周期內(nèi)是單極性調(diào)制，在相同開關(guān)頻率下電流脈動比兩態(tài)調(diào)制時(shí)小［12-14］.文獻(xiàn)［9］指出了三態(tài)滯環(huán)控制在并網(wǎng)電流波形質(zhì)量和效率方面都優(yōu)于兩態(tài)滯環(huán)控制.脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)滯環(huán)跟蹤控制是一種有效的實(shí)時(shí)控制方法，具有系統(tǒng)穩(wěn)定性好、電流跟蹤性能好、響應(yīng)快、不用載波等優(yōu)點(diǎn)，適合于逆變器并網(wǎng)運(yùn)行控制.

文獻(xiàn)［9］采用同步鎖相方法，通過軟件實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化的滯環(huán)電流控制.該方法具有響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)、輸出功率因數(shù)高、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，具有實(shí)用價(jià)值.

1.3 空間矢量調(diào)制控制

三相逆變器只有8種開關(guān)狀態(tài)，在其相應(yīng)的8種基本電壓空間矢量中，包括6個(gè)有效電壓空間矢量和兩個(gè)零矢量.利用8種基本矢量的作用時(shí)間不同可等效合成所需的旋轉(zhuǎn)空間矢量Ur.文獻(xiàn)［15］針對兩個(gè)零矢量作用時(shí)間相等的情況，證明了在正弦波注入零序分量作為調(diào)制波的規(guī)則采樣PWM與準(zhǔn)優(yōu)化對稱空間矢量調(diào)制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)的等效性，給出了相應(yīng)的調(diào)制函數(shù)表達(dá)式.文獻(xiàn)［16］和文獻(xiàn)［17］給出了一種包含SPWM，連續(xù)SVPWM，以及兩種不連續(xù)SVPWM的調(diào)制函數(shù)表達(dá)式.文獻(xiàn)［18］闡明了求解準(zhǔn)優(yōu)化對稱SVPWM和幾種典型不連續(xù)SVPWM調(diào)制波的方法原理.然而至今未見有研究文獻(xiàn)提出可以直接使用的、包含SPWM和各種連續(xù)與不連續(xù)SVPWM方法的統(tǒng)一PWM調(diào)制函數(shù)表達(dá)式.規(guī)則采樣法是常用的實(shí)現(xiàn)載波PWM的數(shù)字化方法.傳統(tǒng)的SVPWM直接數(shù)字化方法需進(jìn)行復(fù)雜的坐標(biāo)變換、三角函數(shù)運(yùn)算、扇區(qū)判斷，以及有效矢量作用時(shí)間的計(jì)算等［19］.文獻(xiàn)［20］和文獻(xiàn)［21］提出了只需進(jìn)行坐標(biāo)變換和扇區(qū)判斷，并通過查表求出有效矢量作用時(shí)間的簡化方法.文獻(xiàn)［16］、文獻(xiàn)［22］至文獻(xiàn)［24］對SVPWM數(shù)字化方法作了進(jìn)一步簡化，直接根據(jù)參考相/線電壓瞬時(shí)值的正負(fù)判斷扇區(qū)，用線電壓求有效矢量的作用時(shí)間.文獻(xiàn)［25］和文獻(xiàn)［26］采用相電壓瞬時(shí)值直接計(jì)算PWM波脈寬時(shí)間，并給出了準(zhǔn)優(yōu)化對稱SVPWM和4種不連續(xù)SVPWM波脈寬計(jì)算公式，但未給出適用于SPWM和各種連續(xù)與不連續(xù)SVPWM方法的統(tǒng)一PWM快速算法.

SVPWM可以更靈活地組合開關(guān)模式，開關(guān)損耗小，易于數(shù)字實(shí)現(xiàn)，電壓利用率高，因此受到了重視和研究.但目前通常采用的SVPWM仍是需要從空間矢量圖中尋找參考電壓矢量所在的小三角形而后計(jì)算作用時(shí)間［27］，這使算法在應(yīng)用于更高電平的變換器控制時(shí)，變得尤為復(fù)雜.而且主電路為二極管箝位電路時(shí)，存在著固有的直流側(cè)電容電壓不平衡問題，這將導(dǎo)致輸出電壓中包含偶次諧波，因此在 PWM算法中必須考慮中點(diǎn)電位控制［28］.

SVPWM在多電平逆變器的控制中應(yīng)用廣泛，但是隨著電平數(shù)的增加，其控制算法漸趨復(fù)雜化.文獻(xiàn)［29］提出的3電平 SVPWM 控制方法，將3電平電壓矢量區(qū)變換為由2電平空間矢量區(qū)構(gòu)成，從而通過使用2電平SVPWM方法簡化控制算法.該方法理論上可應(yīng)用于更高電平逆變器的控制中.仿真驗(yàn)證了方法的可行性.

1.4 無差拍控制

無差拍控制［30，31］是一種基于電路模型的控制方法，其控制思想是通過采樣各狀態(tài)變量值，計(jì)算出當(dāng)前控制周期內(nèi)的開關(guān)狀態(tài)，使受控量在控制周期內(nèi)達(dá)到與參考值相等.

無差拍控制是在預(yù)測控制基礎(chǔ)上發(fā)展起來的全數(shù)字化PWM技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是動態(tài)響應(yīng)快，可預(yù)測諧波電流的變化趨勢，準(zhǔn)確跟蹤指令電流，得到高質(zhì)量的饋入電網(wǎng)電流［32］，并易于計(jì)算機(jī)執(zhí)行;缺點(diǎn)是對預(yù)測模型的依賴性較大，因算法復(fù)雜導(dǎo)致預(yù)測周期增大，進(jìn)而引起較大的預(yù)測誤差，最終影響補(bǔ)償效果，這些缺點(diǎn)阻礙了無差拍控制的應(yīng)用.

改進(jìn)算法的控制精度與傳統(tǒng)算法十分接近;與定時(shí)比較控制法相比，改進(jìn)算法可減少部分硬件環(huán)節(jié)，提高數(shù)字化程度.

2 控制仿真與結(jié)果分析

2.1 SPWM控制仿真與結(jié)果

Udc=600 V，R=0.1 Ω ，L=2 mH，仿真時(shí)間為160 ms，電流穩(wěn)定值單相最大值約為 400 A，Iu，Iv，Iw為三相電流值.其仿真和輸出波形見圖1和圖2.

圖1 SPWM控制仿真示意

圖2 SPWM控制輸出波形

2.2 滯環(huán)控制仿真與結(jié)果

Udc=1 000 V，L=25 mH ，仿真時(shí)間為60 ms，單相電流最大值為3 A ，Iu，Iv，Iw為三相電流值，Iun，Ivn，Iwn為三相參考電流值.其仿真和輸出波形見圖3和圖4.

2.3 SVPWM控制仿真與結(jié)果

Udc=450 V，R=3.87 Ω，L=7.7 mH，Us=0.98 V，仿真時(shí)間為60 ms，單相電流最大值約為40 A，Iu，Iv，Iw為三相電流值.其仿真和輸出波形見圖5和圖6.

圖3 滯環(huán)控制仿真示意

圖4 滯環(huán)控制輸出波形

圖5 SPWM控制仿真示意

圖6 SPWM控制輸出波形

2.4 無差拍控制仿真與結(jié)果

Udc=600 V，R=0.1 Ω，L=2 mH，仿真時(shí)間為 80 ms，單相電流最大值約為 180 A，Iu，Iv，Iw為三相電流值.其仿真和輸出波形見圖7和圖8.

圖7 無差拍控制仿真示意

圖8 無差拍控制輸出波形

2.5 各控制方式結(jié)果比較

以上4種典型控制方式的仿真結(jié)果如表1所示.

表1 典型控制方式仿真參數(shù)與結(jié)果

通過對以上各控制仿真模型的搭建和輸出結(jié)果的分析，可知SPWM和單周期控制模型搭建較為簡單，SVPWM和無差拍控制模型搭建較為復(fù)雜，滯環(huán)控制介于兩者中間.

雖然滯環(huán)控制模型搭建較為容易，但從輸出波形的效果來看，滯環(huán)控制輸出的波形所含諧波量較大，這是由于對滯環(huán)控制環(huán)寬的調(diào)節(jié)較為困難，因此最終波形的輸出效果要受到環(huán)寬等多方面因素的制約，調(diào)節(jié)參數(shù)耗時(shí)較長.

運(yùn)用三角波調(diào)制來實(shí)現(xiàn)SPWM對逆變器的控制，但在仿真過程中，該模型所需的仿真時(shí)間比其他控制方式長，這是由于該模型在仿真過程中內(nèi)部計(jì)算較為復(fù)雜，計(jì)算量較大.

就輸出波形效果看，無差拍控制效果更好，從過渡到最終穩(wěn)態(tài)時(shí)間不到1/8周期，SVPWM相比要差一些，SPWM從過渡到最終穩(wěn)態(tài)的時(shí)間最長.

3 結(jié)語

每一種控制方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)，在運(yùn)用中要結(jié)合實(shí)際情況，綜合考慮各種因素后進(jìn)行正確選擇，以達(dá)到目標(biāo)追求的最優(yōu)化.隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，必然要求新的與之相適應(yīng)的控制技術(shù)和理論，因此在今后將會有越來越多的學(xué)者進(jìn)行研究，并提出新的控制理論和控制方式，最終運(yùn)用于生產(chǎn)實(shí)際.

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