趙振民,張　寧,宋海明

(黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院,哈爾濱 150022)

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三相四橋臂逆變器的設(shè)計與控制

趙振民,張寧,宋海明

(黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院,哈爾濱 150022)

為了解決不平衡負載影響電能質(zhì)量的問題,在傳統(tǒng)的三橋臂逆變器的基礎(chǔ)上采用三相四橋臂逆變器。該逆變器可以在不平衡負荷的情況下,能夠有效地抑制不平衡負載電流對電壓的擾動,保證輸出的三相電壓近似對稱。為了驗證該逆變器控制策略,硬件拓撲結(jié)構(gòu)以及三維空間矢量調(diào)制算法的可行性,進行MATLAB仿真。結(jié)果表明,三相四橋臂逆變器能夠解決在不平衡負載下輸出三相對稱電壓的問題,其功能和三維空間矢量調(diào)制策略可行。

不平衡負載;三相四橋臂逆變器;三維空間矢量調(diào)制

0　引　言

太陽能光伏發(fā)電是新能源和可再生能源發(fā)電的重要組成部分,是公認的世界上最有前景的新能源技術(shù)。因此,光伏并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)成為綠色新能源發(fā)展的一個熱點[1]。逆變器控制技術(shù)發(fā)展很快,但隨著負荷種類的增多,很容易出現(xiàn)三相負載不平衡的狀態(tài),此時,輸出的三相電壓很難達到平衡,在一定程度上會影響負荷的正常使用。為此,學(xué)者們[2-5]利用三維空間矢量調(diào)制技術(shù)控制三相四橋臂逆變器系統(tǒng),解決負載不平衡情況下造成的輸出電壓不平衡的情況?；诖?筆者對三相四橋臂逆變器的設(shè)計和控制進行研究。

1　逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)

三相逆變器能在三相對稱負載下輸出三相對稱電壓,但很難在不對稱負載下輸出三相對稱電壓。近年來,一種新的三相四橋臂逆變器在傳統(tǒng)的三橋臂逆變器基礎(chǔ)上增加一個橋臂,從而得到廣泛應(yīng)用[2]。

三相三橋臂逆變器原理如圖1所示。逆變器由三條橋臂組成,當(dāng)它運行于三相不平衡負載下時,將輸出不對稱的三相電壓[3]。

圖1　三相三橋臂逆變器

為能使三相逆變器在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用,必須使它有能力在不平衡負載下正常運行[4]。因此,三相四橋臂逆變器逐步產(chǎn)生并發(fā)展。三相四橋臂逆變器原理如圖2所示。通過增加一個橋臂來直接控制中性點電壓,從而產(chǎn)生三相獨立電壓,使其有能力在不平衡負載下維持三相電壓對稱輸出[5]。

圖2　三相四橋臂逆變器

2　三相光伏逆變器的控制方法和算法

三相四橋臂逆變器的控制方法主要有:PWM控制、滯環(huán)電流控制、空間矢量調(diào)制方法等[6]。其中空間矢量控制方法具有開關(guān)損耗小、電壓利用率高、便于數(shù)字化管理等[7]特點,因此,該控制方法成為最廣泛的脈寬調(diào)制策略之一。SVPWM本質(zhì)是使得輸出電壓矢量軌跡沿著預(yù)定軌道旋轉(zhuǎn),但由于第四個橋臂的引入,使得輸出電壓的空間矢量不在同一平面內(nèi),因此,必須采用3D-SVPWM方法進行控制。

三維空間矢量控制的任務(wù)就是通過跟蹤開關(guān)向量對參考電壓矢量進行合成。三維空間向量可以分為兩個步驟[8]:第一步選擇開關(guān)矢量,計算每個開關(guān)矢量的持續(xù)時間;第二步確定基準轉(zhuǎn)換的序列向量。

2.1開關(guān)矢量的選擇

在三相四橋臂逆變器中,每個橋臂都有兩種開關(guān)狀態(tài),共包含16種開關(guān)狀態(tài)[9]。其中包括2個零矢量和14個非零矢量。各開關(guān)狀態(tài)與相對應(yīng)于的各矢量分量如表1所示。

表1各開關(guān)狀態(tài)與相對應(yīng)于的各矢量分量

Table 1Switch state and corresponding to eachvector component

空間矢量序號開關(guān)狀態(tài)SaSbScSn空間電壓矢量分量uαuβuγ000000001000100-E20010-E/3-E/3E/330011-E/3-E/3-2E/340100-E/3E/3E/350101-E/3E/3-2E/360110-2E/302E/370111-2E/30-E/3810002E/30E/3910012E/30-2E/3101010E/3-E/32E/3111011E/3-E/3-E/3121100E/3E/32E/3131101E/3E/3-E/314111000E151111000

經(jīng)過坐標變換可將三相電壓由abc坐標系變換成三維αβγ坐標系,那么,每一種開關(guān)就對應(yīng)一種空間矢量。空間電壓矢量如圖3所示。將六棱柱投影到αβ面上,即為二維空間矢量圖,將六棱柱分為六個小三棱柱,每個三棱柱為60°區(qū)域。

每一個60°區(qū)域中是一個相鄰的向量四面體,而每個四面體是由三個相鄰的非零矢量和兩個零矢量構(gòu)成，一共24個四面體。

圖3　空間電壓矢量

開關(guān)矢量的實際持續(xù)時間可以通過計算獲得,計算方法與三橋臂逆變器中矢量持續(xù)時間的計算方法一致。首先,必須經(jīng)過坐標變換,從三相的abc轉(zhuǎn)換到的空間的αβγ坐標系中,然后,再計算各矢量的作用時向。此種控制算法能簡單有效的計算出各個矢量的作用時間,避免了傳統(tǒng)計算下的復(fù)雜性。設(shè)每個四面體中三個非零矢量為V1、V2、V3,ti是Vi的作用時間,i=1、2、3,零矢量作用時間為t0,則

t1+t2+t3+t0=Ts,

(1)

V1t1+V2t2+V3t3=VTs,

(2)

根據(jù)“伏秒平衡”原則,得

(3)

由式(3)變換,得

(4)

其中,uα,uβ,uγ分別是V在αβγ坐標系中的分量。u1α,u1β,u1γ分別是V1在αβγ坐標系中的分量。

當(dāng)出現(xiàn)過調(diào)制時,即t1+t2+t3>Ts,則不用零矢量作用,非零矢量作用時間為:

(5)

2.2開關(guān)矢量順序的選擇

選擇合理的開關(guān)矢量順序不僅可以降低開關(guān)動作頻率,降低開關(guān)切換損耗,而且還能減少輸出電壓的THD。在三相三橋臂逆變器中,一般選擇相鄰的交替轉(zhuǎn)換順序,三相四橋臂逆變器的選擇也可參考三橋臂的順序[10]。圖4提供了兩種選擇方案:其一,基于對稱情況下的對稱開關(guān)順序;其二,基于零矢量旋轉(zhuǎn)工作模式下的開關(guān)順序。在對稱負載的情況下,輸出電壓的THD為2.3%,在非對稱負載的情況下,輸出電壓的THD為4.8%。一般情況下,選擇對稱開關(guān)順序。

圖4　開關(guān)矢量順序的選擇

3　仿真結(jié)果

為了證明該逆變器控制策略、硬件拓撲結(jié)構(gòu)以及三維空間矢量調(diào)制算法的可行性,進行模型的建立與仿真。在MATLAB中建立仿真模型,如圖5所示。以A相接阻性負載來模擬不平衡的情況。

圖5　仿真主電路

當(dāng)三相負載相同時,設(shè)阻值均為10 Ω,仿真結(jié)果如圖6所示。輸出的三相電壓和電流都是對稱的,經(jīng)過第四個橋臂的電流幾乎為零。

圖6　在負載平衡下輸出的三相電壓電流

Fig.6Under condition of load balancing three-phasevoltage and current output

當(dāng)負載處于不平衡的情況下,設(shè)A相電阻為10 Ω,B相電阻是30 Ω,C相電阻為45 Ω,仿真結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出,輸出的三相電流是不對稱的,主要是因為接在三相的負載阻值不一致,但由于第四個橋臂的調(diào)節(jié)作用,使輸出的三相電壓近似相等對稱,電壓相等,阻值不同,這就導(dǎo)致了三相電流輸出幅值有一定的差距,其中有部分電流流過了中點N,四個橋臂流過的總電流之和為零:即IA+IB+IC=0。但輸出的三相電壓是近似平衡的,主要是由于第四個橋臂的存在,抑制負載不平衡電流對電壓的擾動,第四個橋臂提供了不平衡電流來抑制由電感電流產(chǎn)生的不平衡電壓。這樣就能夠在一定程度上使輸出的三相電壓波形近似平衡,基本能夠解決三相電壓不平衡的問題。

當(dāng)三相負載對稱時,輸出的三相電流和電壓都是對稱的,空間矢量軌跡位于αβ平面內(nèi),在γ軸上分量為零,γ軸是一個固定值,在αβ平面投影為一個圓。當(dāng)三相負載不對稱時,輸出的三相電壓幾乎對稱,但輸出的三相電流是不對稱的,空間矢量軌跡位于αβγ三維空間內(nèi),在γ軸上有一定的分量,γ軸上的值會影響中央線的電流值,在αβ平面投影為一個橢圓。

經(jīng)過MATLAB仿真后的圖形如圖8所示,從圖8中可以清晰的看到空間矢量在三維空間的運行軌跡。

圖7　在負載不平衡下輸出的三相電壓電流

Fig.7Under condition of load unbalancingthree-phase voltage and current output

圖8　不平衡下三相電流在空間運動軌跡

Fig.8Under unbalanced three-phase currenttrajectory in space

4　結(jié)束語

三相四橋臂逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)簡單,三維空間矢量調(diào)制策略有良好的功能。在三相不平衡情況下,傳統(tǒng)的逆變器不能滿足輸出三相電壓的平衡性,而新的三相四橋臂逆變器在一定程度上能夠解決這一問題。通過MATLAB仿真,進一步驗證了該逆變器的功能及三維空間矢量調(diào)制策略的可行性,具有一定的使用價值。三相四橋臂逆變器在未來的應(yīng)用也將會越來越好。

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(編輯徐巖)

Design and control of three-phase four-leg inverter

ZHAO Zhenmin,ZHANG Ning,SONG Haiming

(School of Electrical &Control Engineering,Heilongjiang University of Science &Technology,Harbin 150022,China)

This paper introduces a three-phase four-leg inverter designed specifically for addressing the influence of unbalanced load on electric energy quality.This inverter,developed from a traditional three-leg inverter,works better for effectively suppressing the disturbance of unbalanced load current on voltage despite the presence of unbalanced load,thus ensuring the approximate symmetry in three-phase output voltage.The inverter proves feasible when validated by MATLAB simulation of the inverter control strategy,hardware topology structure and 3D-SVPWM.The results verify that the inverter is a solution to the symmetry in three-phase output voltage in the presence of unbalanced load.

unbalanced load;three-phase four-leg inverter;3D-SVPWM

2015-01-10

趙振民(1967-),男,黑龍江省雙城人,教授,博士,研究方向:機器人控制、高頻功率變換、軟開關(guān)技術(shù),E-mail:695152037@qq.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.02.022

TP273

2095-7262(2015)02-0219-05

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