葛澤龍，陳　強(qiáng)，張九衛(wèi)

(江西理工大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院,江西 贛州　341000)

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三相逆變電源新型解耦控制策略研究

葛澤龍，陳強(qiáng)，張九衛(wèi)

(江西理工大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院,江西 贛州341000)

隨著電網(wǎng)環(huán)境日益惡劣，逆變電源改善電能質(zhì)量作用逐漸突顯;作為逆變電源的核心，三相逆變器常采用電壓電流雙閉環(huán)控制策略，該方法在設(shè)計(jì)電流前饋解耦環(huán)時(shí)需要計(jì)算交流側(cè)電感參數(shù)值，而在實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)時(shí)往往忽略電感參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響；另外電壓環(huán)非線性處理也直接影響了控制性能的提升;文中提出一種直接電流無電感參數(shù)解耦控制策略，在合成矢量的基礎(chǔ)上建立同步旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)系下無電感參數(shù)模型，給出單位功率控制電流環(huán)控制器PI參數(shù)設(shè)計(jì);Matlab/simulink仿真結(jié)果驗(yàn)證了該方法的正確性及可行性。

逆變電源；直接電流控制；解耦控制；無電感參數(shù)

0　引言

空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)具有諧波畸變率小、直流電壓利用率高等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于逆變器的控制。作為逆變電源的核心部分，三相逆變器常采用電流前饋解耦的電壓電流雙閉環(huán)控制策略[1-3]，但該方法在電流解耦時(shí)需要精確測量交流側(cè)的電感值，同時(shí)電壓外環(huán)的非線性問題也尚待解決[4]。為了解決電流內(nèi)環(huán)的問題，文獻(xiàn)[5]在合成矢量的基礎(chǔ)上提出了同步旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)下無電感參數(shù)的電流解耦控制策略，該控制方法消除了電感參數(shù)對(duì)系統(tǒng)控制性能的影響，取得了較好的效果。針對(duì)電壓外環(huán)，文獻(xiàn)[6-7]提出了電壓快速跟蹤性能的控制方法。鑒于以上分析，本文在合成矢量的基礎(chǔ)上，提出一種基于同步旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)系直接電流無電感參數(shù)解耦控制策略。給出了電流環(huán)無電感參數(shù)控制器參數(shù)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了單位功率因素運(yùn)行。最后，仿真結(jié)果證明了控制策略的正確性和可行性。

1　三相逆變電源數(shù)學(xué)模型

圖1為三相逆變電源主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，圖中主要包括直流電壓源、三相逆變橋、濾波電感電容、回路等效阻抗以及三相負(fù)載。

圖1　三相逆變電源主電路

根據(jù)KVL、KCL定律，取電感電流、電容電壓為狀態(tài)變量，建立三相靜止坐標(biāo)系下三相逆變電源數(shù)學(xué)模型如下：

(1)

式中，k=a,b,c；uk、uck、uzk分別為交流側(cè)逆變器輸出電壓、電容電壓和負(fù)載電壓；ilk、ick、izk分別為交流側(cè)電感電流、電容電流和負(fù)載電流。

將式(1)經(jīng)過Clarke、Park變換可得：

(2)

式中，χdq=χd+jχq，表示兩相同步旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)系；ω為輸出負(fù)載角頻率。

將式(2)實(shí)部虛部分離，并且利用拉氏變換將其變換的s域，可得:

(3)

(4)

由式(3)、(4)可以得到d-q坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型如圖2所示。

圖2　三相逆變電源d-q坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型

2　控制策略

(5)

由式(5)可知，電流環(huán)控制器設(shè)計(jì)時(shí)需要得到電感的精確值才能徹底解耦，但在實(shí)際工程應(yīng)用常忽略耦合項(xiàng)的影響。隨著角頻率的增大，系統(tǒng)的耦合影響加劇，嚴(yán)重影響控制器的性能。

鑒于此，文獻(xiàn)[4-5]通過引入合成矢量的方法，將雙輸入雙輸出模型轉(zhuǎn)換為單輸入單輸出模型，從而實(shí)現(xiàn)電流環(huán)內(nèi)無電感參數(shù)的解耦控制。傳統(tǒng)的前饋解耦控制主要是通過電流反饋補(bǔ)償改造系統(tǒng)的極點(diǎn)，保持控制器的零點(diǎn)不變。因此也可以通過改造控制器的零點(diǎn)，不改變系統(tǒng)的極點(diǎn)，使得兩者之間相互抵消達(dá)到需要的控制效果，即為本文無電感參數(shù)解耦控制策略。

根據(jù)式(1)的數(shù)學(xué)模型，可以得到電流環(huán)兩相靜止α-β坐標(biāo)下合成矢量數(shù)學(xué)模型

(6)

利用微分算子d/dt+jω代替d/dt，將式(6)轉(zhuǎn)換到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)d-q坐標(biāo)系，并且利用拉氏變換得到s域的表達(dá)式：

(7)

(8)

根據(jù)式(8)，可以將PI控制器設(shè)計(jì)為：

(9)

因此可以得到單輸入單輸出系統(tǒng)：

(10)

定義：

(11)

結(jié)合式(9)、(10)、(11)，將實(shí)部虛部分離可得：

(12)

圖3　電流環(huán)無電感參數(shù)解耦PI控制框圖

根據(jù)以上分析，得到圖4所示直接電流解耦控制的框圖[9-11]。其中，Gh(s)=1/(1+Tss)為數(shù)字信號(hào)采樣延時(shí)環(huán)節(jié)；kPWM/(1+0.5Tss)為逆變器傳遞函數(shù)，kPWM為橋路等效增益。

圖4　直接電流解耦控制框圖

為了簡化分析，將兩個(gè)慣性環(huán)節(jié)合并，得到電流環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)：

(13)

考慮到電流環(huán)需要有較快的電流跟隨性[12]，將電流環(huán)設(shè)計(jì)Ⅰ型系統(tǒng)。從式(13)可以看出，只需滿足Ti=L/R即可校正成為Ⅰ型系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)如下：

(14)

由此可以得到直接電流解耦控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)：

(15)

根據(jù)二階工程最佳參數(shù)整定法，選取阻尼參數(shù)ξ=0.707。同時(shí)還需要滿足解耦控制器中不存在電感參數(shù)的條件kii/kip=R/L，得到電流環(huán)PI控制器kip、kii的表達(dá)式為：

(16)

考慮到三相逆變器要求在單位功率運(yùn)行，因此q軸電流為0，于是建立如圖5所示的控制框圖。

圖5　本文的控制策略框圖

3　仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證文中新型解耦控制策略的正確性和可行性，在Matlab/simulink中搭建仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證。主要相關(guān)參數(shù)：三相負(fù)載額定功率10 kW，相電壓220 V，頻率50 Hz；直流側(cè)直流電壓源600 V；交流側(cè)回路阻抗0.1 Ω，濾波電感3 mH，濾波電容1 200 μF；開關(guān)頻率10 kHz。

圖6為直接電流無電感參數(shù)解耦控制下輸出電流波形，從圖中可以看出電感參數(shù)在0.1 s時(shí)由3 mH變?yōu)? mH，0.2 s時(shí)由5 mH變?yōu)? mH時(shí)電流波形沒有發(fā)生變化。圖7、圖8分別為阻性負(fù)載滿載時(shí)三相逆變電源輸出的電壓電流波形和有功功率和無功功率波形。

圖6　電感參數(shù)變化時(shí)三相電流波形

圖7　三相電壓電流輸出波形

圖8　輸出有功功率和無功功率

4　結(jié)束語

本文對(duì)三相逆變電源的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了詳細(xì)分析，在合成矢量的基礎(chǔ)上導(dǎo)出同步d-q坐標(biāo)系下無電感參數(shù)的解耦控制策略，結(jié)合d-q坐標(biāo)系下單位功率運(yùn)行，提出直接電流無電感參數(shù)解耦控制策略。該控制策略結(jié)構(gòu)簡單，消除了電感參數(shù)對(duì)系統(tǒng)控制性能的影響，并且電流也能夠快速跟蹤輸出電壓。最后通過仿真驗(yàn)證了控制策略的正確性與可行性。

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Research on New Decoupling Control Strategy of Three-phase Inverter

Ge Zelong,Cheng Qiang，Zhang Jiuwei

(School of Electrical Engineering and Automation,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou341000,China)

With deteriorating of the power grid,power quality improvement by inverter is becoming more and more important. Three-phase inverter,which is the core of inverter,often adopts voltage current double closed-loop control strategy. This method has to calculate AC-side inductor when designing the current feed-forward decoupled ring,but the effect of inductance parameter is often ignored in practical application design. Besides,the no-linear processor of voltage ring has a direct impact on the improvement of the control performance. This paper proposed a decoupling method which is direct current without inductance parameter. Synchronous d-q coordinate non-inductance model is built on the basis of synthesized vectors and PI parameter design of unit power control current ring controller is given. Simulation result of Matlab/simulink verified the validity and feasibility of this method.

inverter; direct current control; decoupling control; non-inductive parameter

1671-4598(2016)04-0080-03DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.04.024

TM464

A

2015-10-23；

2015-11-18。

葛澤龍(1986-)，男，安徽臨泉人，碩士研究生，主要從事逆變器控制技術(shù)方向的研究。