楊哲，于飛，魏永清（海軍工程大學電氣工程學院，湖北武漢430000）

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混合并聯(lián)型逆變器的控制策略研究

楊哲，于飛，魏永清
（海軍工程大學電氣工程學院，湖北武漢430000）

摘要：混合型逆變器由2個不同容量不同開關(guān)頻率的逆變模塊并聯(lián)組成。以混合型逆變器供電的交流傳動系統(tǒng)為對象，以降低電機電流的諧波畸變?yōu)槟繕?，研究了系統(tǒng)的控制策略。在建立系統(tǒng)數(shù)學模型的基礎(chǔ)上，基于異步電機的矢量控制理論及空間電壓矢量脈寬調(diào)制原理，得到了同步坐標系下主從式矢量控制策略。最后通過建立一套混合型逆變器并聯(lián)帶電機的控制系統(tǒng)模型進行性能驗證，仿真結(jié)果表明：電機定子側(cè)電流THD<5%，和單個逆變模塊相比，大大降低了電機電流的諧波畸變。

關(guān)鍵詞：混合并聯(lián)型逆變器；矢量控制；空間電壓矢量脈寬調(diào)制；電流諧波畸變

當前，在大容量特別是大電流的電機傳動系統(tǒng)中要求開關(guān)器件能夠承受較高的功率，通常采用GTO，SCRs等器件，但是大功率器件開關(guān)頻率一般比較低，會導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生大量諧波電流。如果采用IGBT，MOSFET等高開關(guān)頻率器件，雖然產(chǎn)生的諧波電流減小，但是受到了自身低功率的限制而無法滿足要求。針對此類情況，本文研究了一種混合型逆變器拓撲結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1　混合型逆變器拓撲結(jié)構(gòu)Fig.1 The hybrid parallel inverters topologies

逆變器采用2套不同容量不同開關(guān)頻率的逆變模塊并聯(lián)組成，主逆變模塊和從逆變模塊并聯(lián)時的額定容量是靈活可變的，二者的容量搭配主要取決于主從逆變器所承擔負載的電流分配比例、器件的開關(guān)頻率比值及調(diào)制算法等參數(shù)的設(shè)置。其中主逆變器采用低開關(guān)頻率器件，提供電機工作需要的大部分功率，從逆變器工作在高開關(guān)頻率下，除了提供小部分負載電流外，還可以對主逆變器產(chǎn)生的諧波進行動態(tài)跟蹤補償，使得進入電機的電壓電流接近正弦波?？梢姡旌闲湍孀兤魇悄孀兤鞑⒙?lián)技術(shù)的一種特殊形式，不僅可以實現(xiàn)容量靈活配置，提高逆變器的輸出功率，而且，通過先進的控制技術(shù)使得逆變器具有較低的總開關(guān)損耗和電壓電流諧波畸變率。

在國內(nèi)，以增加系統(tǒng)容量和冗余性為目的，多逆變模塊并聯(lián)技術(shù)在大功率電源、電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)、超導(dǎo)儲能等多種場合得到廣泛應(yīng)用［1］，而對混合型逆變器并聯(lián)結(jié)構(gòu)研究較少。20世紀90年代末，文獻［2-3］就提出了混合并聯(lián)用于電流補償?shù)慕Y(jié)構(gòu)，其中主逆變器采用方波調(diào)制的電流型逆變器。在文獻［4-5］中，主從逆變器均采用電壓型逆變器結(jié)構(gòu)，電流跟蹤控制采用了電流滯環(huán)控制。雖然滯環(huán)控制具有動態(tài)響應(yīng)快，易識別的優(yōu)點，但是開關(guān)轉(zhuǎn)換頻率不固定，而且單一的電流跟蹤會導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

本文以降低電機電流的諧波畸變?yōu)槌霭l(fā)點，首先建立了混合逆變器在同步坐標系下的數(shù)學模型。在此基礎(chǔ)上，與電機的矢量控制相結(jié)合，實現(xiàn)混合逆變器的主從協(xié)調(diào)控制。最后通過仿真驗證控制策略的性能。

1　系統(tǒng)數(shù)學模型

1.1異步電機矢量控制的數(shù)學模型

異步電機的矢量控制是通過控制的方法達到對磁通和轉(zhuǎn)矩單獨控制的目的。在異步電機的矢量控制中，需要將A，B，C三相坐標系中的交流量變換成α-β兩相坐標系中的交流分量，然后再變換成以轉(zhuǎn)子磁場定向的M-T直角旋轉(zhuǎn)坐標系中的直流量。根據(jù)異步電機理論，籠型異步電機經(jīng)坐標變換后，在同步旋轉(zhuǎn)坐標系中磁鏈方程為

按轉(zhuǎn)子磁場定向的電壓方程為

由式（2）可求得

利用式（1）、式（3）、式（4）消去ird，irq，Ψsd，Ψsq，得到

式中：Rs，Rr為定子和轉(zhuǎn)子電阻；Ls，Lr為定子和轉(zhuǎn)子電感；Ψr為轉(zhuǎn)子磁鏈；Tr為轉(zhuǎn)子磁鏈勵磁時間常數(shù)；σ為漏磁系數(shù)。

1.2混合型逆變器數(shù)學模型

在圖1混合型逆變器并聯(lián)系統(tǒng)中，異步電機和2個逆變器均含有動態(tài)變量，因此需要對異步電機、GTO和IGBT中的變量重新定義，以m，g，i作為標注，在abc三相坐標系下，經(jīng)整理后得到以下公式

將式（7）、式（8）變換到dq旋轉(zhuǎn)坐標系下

將式（10）、式（11）分別除以Lg和Li，并與式（9）聯(lián)立，整理得到

將式（5）、式（6）、式（12）聯(lián)立

將式（13）帶入式（10）、式（11）即可求得不含umdq量的方程。

通過模型推導(dǎo)可以看出，從逆變器是通過補償諧波電流最終實現(xiàn)主逆變器輸出電壓的補償，使得逆變器總輸出電壓能夠跟蹤電機的給定電壓，從而使得輸出波形接近正弦波。

2　控制策略

2.1異步電機和GTO的控制

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以分為2部分：第1部分完成矢量控制中的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和磁鏈控制，得到電機給定的轉(zhuǎn)矩電流和勵磁電流；第2部分從第1部分中得到轉(zhuǎn)矩、勵磁的參考電流分量和磁鏈角，如圖2所示。

圖2　控制策略Fig.2 The control strategy

系統(tǒng)采用了磁鏈開環(huán)的間接矢量控制方法，給定磁鏈輸出作用于勵磁控制的勵磁電流；給定轉(zhuǎn)速與反饋轉(zhuǎn)速的偏差經(jīng)PI調(diào)節(jié)器，輸出作為用于轉(zhuǎn)矩控制的參考轉(zhuǎn)矩，參考轉(zhuǎn)矩與勵磁計算得到轉(zhuǎn)矩電流。

轉(zhuǎn)子磁鏈與電流的關(guān)系式為

由式（2）、式（14）、式（15）可推導(dǎo)出矢量控制的基本方程

電機電磁轉(zhuǎn)矩為

式中：np為極對數(shù)；ωs為轉(zhuǎn)差角速度。

系統(tǒng)中的磁鏈不僅關(guān)系勵磁電流的調(diào)節(jié)，還關(guān)系到控制系統(tǒng)能否實現(xiàn)定子電流的解耦，所以需要對磁鏈角進行求解。

磁鏈角求解如下：

式中：ω為同步角速度；θ為磁鏈角。

通過Clarke變換和Park變換將GTO所輸出的三相電流變換成dq坐標系下的直流分量igd,igq，并將igd,igq作為電流反饋量。id*,iq*與igd,igq的偏差經(jīng)PI調(diào)節(jié)器分別輸出dq坐標系的電壓分量，所得量再經(jīng)過Park反變換得到兩相靜止坐標軸下的電壓分量。最后采用SVPWM調(diào)制算法，產(chǎn)生PWM信號控制逆變器。

2.2IGBT的控制

IGBT的控制與GTO相似，通過Clarke變換和Park變換將IGBT所輸出的三相電流變換成dq坐標系下的直流分量iid,iiq，并作為反饋量。iid*=i*gd-igd，iiq*=i*gq-igq作為參考量，iid*,iiq*與iid,iiq的偏差經(jīng)PI調(diào)節(jié)器得到dq坐標系下的電壓分量，所得量經(jīng)過Park反變換得到兩相靜止坐標軸下的電壓分量，最后采用SVPWM調(diào)制算法對逆變器進行調(diào)節(jié)。因為二者開關(guān)頻率和參考量均不同，所以IGBT與GTO分別由獨立的SVPWM算法進行調(diào)制。

3　仿真與實驗結(jié)果分析

為了證明混合型逆變器理論的可行性，本文首先在Matlab環(huán)境下搭建了混合型逆變器帶電機運行的仿真模型，進行了仿真驗證，隨后又對仿真進行了實驗驗證。

圖3為系統(tǒng)的Matlab仿真模型，下面對仿真模型進行簡單介紹。

圖3　仿真模型Fig.3 The simulation model

3.1磁鏈觀測器

根據(jù)式（19）～式（21），對磁鏈觀測器搭建模型，如圖4所示。

圖4　磁鏈觀測器Fig.4 The flux observer

系統(tǒng)采用的是磁鏈開環(huán)的間接矢量控制，磁鏈為給定值，只需求得磁鏈角。將給定磁鏈與電機轉(zhuǎn)子角速度以及轉(zhuǎn)矩參考電流輸入到磁鏈角觀察模塊，可計算獲得所需的磁鏈角。

3.2SVPWM模塊

系統(tǒng)中GTO和IGBT均采用了SVPWM調(diào)制算法，如圖5所示。

圖5　SVPWM模塊Fig.5 The SVPWM model

SVPWM模塊以兩相靜止坐標系下的電壓矢量Uα，Uβ作為輸入量，內(nèi)部給以周期為T的PWM信號。模塊內(nèi)部根據(jù)輸入電壓，進行電壓矢量區(qū)間判斷，并產(chǎn)生x,y,z信號；然后對功率器件導(dǎo)通時間進行計算；最后由區(qū)間信號和導(dǎo)通時間共同計算獲得SVPWM脈沖信號。

本次仿真實驗中，GTO和IGBT分別由單獨的SVPWM信號進行控制，內(nèi)部給定的PWM周期不相同，其中GTO開關(guān)頻率為500 Hz，IGBT的開關(guān)頻率為5 000 kHz。

3.3仿真結(jié)果及分析

仿真參數(shù)為：三相異步電機額定電壓380 V，頻率50 Hz，Rr=0.228 Ω，Rs=0.087 Ω，Llr=0.8 mH，Lls=0.8 mH，Lm=37.4 mH，直流電壓E=600 V，電機極對數(shù)p=2，電機的額定功率PN=20 kW，電機額定轉(zhuǎn)速nN=1 440 rad/min，轉(zhuǎn)動慣量J=0.2 kg·m2。GTO感抗LG=1 mH，IGBT感抗LI=2 mH。轉(zhuǎn)速給定初始值148 rad/s，轉(zhuǎn)子磁通給定0.72 Wb，負載轉(zhuǎn)矩為100 N·m。混合型逆變器仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6　混合型逆變器仿真結(jié)果Fig.6 The simulation results of hybrid parallel inverters

對比圖6b中的定子電流和GTO電流可知，定子電流的毛刺有明顯減少，由圖6c可以看出定子電流諧波有了明顯的改善，總諧波畸變率為1.71%，低于要求標準5%。仿真結(jié)果說明了IGBT輸出電流對GTO輸出電流的諧波分量實時進行跟蹤補償，并起到了良好的效果。

本文在相同環(huán)境下搭建了由GTO單獨帶電機運行的仿真系統(tǒng)，GTO仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7　GTO負載仿真結(jié)果Fig.7 The simulation results of GTO

對比圖6c、圖7b可知GTO單獨帶電機運行時，高頻諧波含量較高，而混合型逆變器系統(tǒng)有效降低了高頻諧波的含量，減小了開關(guān)損耗，在諧波消除方面比單一逆變器系統(tǒng)具有十分明顯的優(yōu)勢。

3.4實驗結(jié)果及分析

為進一步驗證仿真的正確性，參照混合型逆變器的仿真參數(shù)，搭建了實驗平臺。實驗結(jié)果見圖8。

圖8　實驗結(jié)果Fig.8　 The Experiment results

由圖8a可知，經(jīng)過IGBT補償后的定子電流有了明顯的改變，根據(jù)圖8b與8c的頻譜分析可知，補償后的定子電流諧波畸變率有了大幅度減小，被控制在了5%以下。

4　結(jié)論

本文以混合型逆變器并聯(lián)控制系統(tǒng)為研究對象，對控制系統(tǒng)的數(shù)學模型進行了推導(dǎo)說明，并在Matlab/Simulink環(huán)境下對控制系統(tǒng)性能進行了仿真驗證以及實驗驗證。

通過對混合型逆變器并聯(lián)系統(tǒng)和單一逆變器系統(tǒng)進行對比分析，結(jié)果表明混合型逆變器并聯(lián)控制系統(tǒng)大大降低了定子電流的高頻諧波，減小了電機損耗，充分發(fā)揮了GTO和IGBT各自的優(yōu)勢。

實驗結(jié)果也說明了混合型逆變器在實際中的可行性?；旌闲湍孀兤骺刂葡到y(tǒng)非常適合應(yīng)用于大功率電機控制，在電機控制上有廣闊前景。

參考文獻

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修改稿日期：2015-08-02

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Control Method of Parallel Hybrid Inverters

YANG Zhe，YU Fei，WEI Yongqing
（School of Electrical Engineering，Naval University of Engineeringy，Wuhan 430000，Hubei，China）

Abstract:Parallel hybrid inverter is consisted by two inverter modules of different capacities and different switching frequency in parallel.Described the AC drive system which was supplied by the hybrid inverter，and tried to reduce the harmonic distortion of the motor current，and studied the strategy of control system. Based on the establishment of the mathematical model system and vector control theory and SVPWM principle，obtained the master-slave vector control strategies under synchronous coordinate. Finally，performance was verified by establishing a motor control system model supplied by hybrid parallel inverters. The simulation results show that THD of stator current is less than 5%，and comparing to a single inverter module，THD of motor current is greatly reduced.

Key words:parallel hybrid inverter；vector control；space vector pulse width modulation；current harmonic distortion

收稿日期：2015-03-16

作者簡介：楊哲（1989-），男，碩士，Email：yz85212831@126.com

基金項目：國家自然科學基金項目（51307180）

中圖分類號：TM921

文獻標識碼：A