蘭 征,吳方礽,王軍章,廖曉斌,劉 湘,曾進(jìn)輝
隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展,DC/AC 逆變器現(xiàn)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于電源、新能源發(fā)電、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、不間斷電源等電氣領(lǐng)域[1-2]。在各種逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,基于橋式結(jié)構(gòu)的三相逆變器,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制靈活、既能并網(wǎng)運(yùn)行又能離網(wǎng)運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn),得到了廣泛的研究。逆變器的直流電壓利用率和輸出電壓諧波是很重要的性能指標(biāo),直流電壓利用率的高低將直接影響整個(gè)逆變器系統(tǒng)的運(yùn)行效率。某些高端設(shè)備、精密儀器等負(fù)荷,要求逆變器輸出電壓具有較低的諧波畸變率[3]。然而現(xiàn)有三相橋式逆變器的直流電壓利用率提升能力有限,減少諧波含量的方法也有一定的局限性,因此三相橋式逆變器不太適用于這些特殊應(yīng)用場(chǎng)景。
采用正弦脈沖寬度調(diào)制SPWM(sinusoidal pulse width modulation)的三相逆變器,理論上能夠達(dá)到的最大直流電壓利用率僅為0.866[4]。文獻(xiàn)[5]分析了空間矢量脈沖寬度調(diào)制SVPWM(space vector pulse width modulation)方法,與SPWM 相比,SVPWM可以將直流電壓利用率提升15.47%。文獻(xiàn)[6]通過(guò)在三相無(wú)中線系統(tǒng)的相電壓調(diào)制信號(hào)中注入3 次諧波,也使得直流電壓利用率提升了15.47%。提高直流電壓的利用率能夠提高逆變器的帶載能力,減小功率器件的電壓應(yīng)力[7],但是基于PWM(pulse width modulation)調(diào)制的橋式逆變器,理論上其最大直流電壓利用率為1,提升能力有限。
為減小逆變器輸出電壓的諧波畸變率,文獻(xiàn)[8-11]提出了多電平變換器,該類型變換器交流側(cè)電壓的電平數(shù)不小于3。逆變器輸出的電平數(shù)越多,電壓波形越接近于正弦波,諧波含量越少。但是,多電平變換器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制方法相對(duì)而言較為復(fù)雜,可靠性和穩(wěn)定性較差[12]。另外,有學(xué)者提出采用LCL 型濾波器以減少逆變器的輸出諧波含量[13],但是LCL 型濾波器容易引起諧振尖峰問(wèn)題[14],降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
本文提出一種新型開關(guān)模式的高增益低諧波三相逆變器。首先,介紹了其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),并且詳細(xì)分析了其工作原理和開關(guān)模式;然后,將準(zhǔn)PR(quasiproportional resonance)控制引入其中,實(shí)現(xiàn)了對(duì)逆變器的恒壓恒頻控制,并且分析準(zhǔn)PR 控制參數(shù)對(duì)逆變器輸出性能的影響;最后,在Matlab/Simulink 中搭建了該仿真模型,給出仿真驗(yàn)證分析結(jié)果。仿真結(jié)果表明,該新型開關(guān)模式三相逆變器的最大直流電壓利用率為1.73,諧波含量也低于常規(guī)橋式三相逆變器,從而驗(yàn)證了所提新型開關(guān)模式的三相逆變器及其控制策略的正確性和有效性。
逆變器通常由斬波電路和逆變橋電路組成[15],屬于兩級(jí)式結(jié)構(gòu)的逆變器,本研究中所提出的新型三相逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。圖1 中:Vs為輸入直流電源,L、C分別為濾波電感和電容,Q11~Q34為開關(guān)管。
圖1 新型三相逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of the new three-phase inverter
逆變器每一相的前端為Buck 變換器,后段為H橋,如圖2 所示,其穩(wěn)態(tài)輸出電壓為
圖2 單相新型開關(guān)模式逆變器Fig.2 New single-phase switching mode inverter
式中:α為Buck 變換器功率開關(guān)管的導(dǎo)通占空比;
Vs為輸入直流電壓。
直流電源電壓恒定,通過(guò)控制開關(guān)頻率的變化來(lái)使得占空比α隨著直流脈動(dòng)(如圖3a 所示)呈規(guī)律變化,即
所以在功率開關(guān)管ST1輸出端的輸出電壓為等效正弦正半波的PWM 波,如圖3b 所示。電壓通過(guò)Buck 電路中的LC 濾波器后,輸出的只有正弦正半周的直流脈動(dòng)波形,如圖3c 所示。后面跟隨的H 橋與50 Hz的工頻信號(hào)同步。通過(guò)Q11/Q14與Q12/Q13交替導(dǎo)通,將直流脈動(dòng)波變換成標(biāo)準(zhǔn)的正弦波,如圖3d 所示。
圖3 主要原理波形示意圖Fig.3 Schematic diagram of main principle waveforms
雖然此種新型三相逆變器的開關(guān)器件較多,但是工作在高頻的功率開關(guān)管只有ST1、ST2、ST33 個(gè),其余H 橋電路的開關(guān)管的工作模式為零電壓開通和零電流關(guān)斷,即軟開關(guān)狀態(tài),幾乎不產(chǎn)生損耗。而逆變器的開關(guān)損耗主要來(lái)自高頻開關(guān),新型三相逆變器的高頻開關(guān)數(shù)量是傳統(tǒng)的三相橋式逆變器的一半,因而大大降低了開關(guān)損耗。
2.2.1 原理分析
若ST1、ST2、ST3的PWM 波形都隨著直流脈動(dòng)波變化,并且其相位相差120°,由式(2)可以得知,圖1 中的功率開關(guān)管ST1、ST2、ST3的導(dǎo)通占空比也均隨著直流脈動(dòng)波發(fā)生變化,且其相位相差120°,因此三相逆變器當(dāng)中ST1、ST2、ST3的占空比分別如下:
式中m為調(diào)制系數(shù),其表達(dá)式為m=Vo/Vs,其中Vo為逆變器輸出電壓,Vs為輸入直流電壓。
當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí),三相逆變器的Buck 變換器輸出側(cè)電壓如下:
結(jié)合式(3)可得:
從式(5)可以看出,三相Buck 電路輸出端電容上所加電壓、、都只含有正弦的正半周波形,這是一直流量,因此電容C1、C2、C3均可以按照直流型(如電解電容器)進(jìn)行設(shè)計(jì)。然而,傳統(tǒng)的橋式逆變器和PWM 逆變器中的濾波電容上的電壓都是交流量。與傳統(tǒng)逆變器相比,相同容量大小的濾波電容,直流型的濾波電容體積較小、價(jià)格較低,但是濾波效果更好,濾波器輸出電壓諧波含量更少[16]。隨后H 橋的4 個(gè)開關(guān)管Q11/Q14與Q12/Q13以50 Hz 的頻率交替導(dǎo)通。比如在t=0 時(shí),Q11/Q14導(dǎo)通,Q12/Q13關(guān)斷;t=T/2 時(shí),Q11/Q14關(guān)斷,Q12/Q13導(dǎo)通;其余B、C 兩相類似。變換后的輸出電壓如下:
式(6)表明,輸出電壓是一光滑的正弦波,實(shí)質(zhì)上是由Buck 變換器中的高頻開關(guān)ST1、ST2、ST3不斷改變開關(guān)頻率,使得輸出電壓等效為含有無(wú)限電平數(shù)的正弦波形,輸出電壓波形中電平數(shù)的增加在很大程度上降低了諧波。
每一相H 橋中的4 個(gè)開關(guān)管不但工作頻率很低(50 Hz),而且都工作在軟開關(guān)狀態(tài),因此幾乎不產(chǎn)生損耗。式(6)中的電壓是相位互差120°的相電壓,最大的相電壓峰值為Vs。當(dāng)三相對(duì)稱時(shí),由式(6)可以推導(dǎo)出線電壓如下:
式中:Vl為輸出線電壓峰值;
Udc為直流電源電壓。則該新型開關(guān)模式逆變器的最大直流電壓利用率為≈1.73。然而傳統(tǒng)橋式三相逆變器采用SPWM 調(diào)制時(shí),其最大直流電壓利用率只有0.866。即使采用SVPWM 調(diào)制或三次諧波注入法,能獲得的最大直流電壓利用率也只有1[17]??梢?,該新型開關(guān)模式三相逆變器與現(xiàn)有橋式三相逆變器在直流電壓利用率方面有顯著的優(yōu)勢(shì)。
2.2.2 開關(guān)模式分析
正常運(yùn)行狀態(tài)下,每一相的5 個(gè)功率開關(guān)管都有4 種開關(guān)模式,且每一種開關(guān)模式對(duì)應(yīng)不同的開關(guān)回路。為了詳細(xì)分析每種開關(guān)模式的功能,以A 相為例,給出各開關(guān)模式下的電流回路以及等效電路圖,如圖4 所示。
圖4 各開關(guān)模式的等效電路圖Fig.4 Equivalent circuit diagram of each individual switching mode
開關(guān)模式1 時(shí)(如圖4a):ST1開通,Q11和Q14開通,Q12和Q13關(guān)斷。此時(shí)電流通過(guò)Vs、ST1、L1、Ra、Q11和Q14形成回路,同時(shí)直流電源給電容C1充電,給負(fù)載供電。
開關(guān)模式2 時(shí)(如圖4b):ST1關(guān)斷,Q11和Q14開通,Q12和Q13關(guān)斷。此時(shí)電流通過(guò)VD1、L1、Ra、Q11和Q14形成回路,同時(shí)電容C1放電,VD1起到續(xù)流作用。
開關(guān)模式3 時(shí)(如圖4c):ST1開通,Q11和Q14關(guān)斷,Q12和Q13開通。電流通過(guò)Vs、ST1、Ra、Q14和Q13形成回路,此時(shí)直流電源為電容充電,為負(fù)載供電。
開關(guān)模式4 時(shí)(如圖4d):ST1關(guān)斷,Q11和Q14關(guān)斷,Q12和Q13開通。此時(shí)電流通過(guò)VD1、L1、Q14、Ra和Q13形成回路,電容C1放電,VD1續(xù)流。
Buck 變換器后面跟隨的H 橋由4 個(gè)開關(guān)管(Q11~Q14)組成。H 橋?qū)崿F(xiàn)隨著參考電壓同步逆變翻轉(zhuǎn)的功能,如圖5 所示。
圖5 H 橋的開關(guān)工作方式Fig.5 Operation mode of H-bridge switches
在0~T/2、T~3T/2 等時(shí)間段內(nèi),開關(guān)管Q11和Q14處于導(dǎo)通狀態(tài),開關(guān)管Q12和Q13處于關(guān)斷狀態(tài);在T/2~T、3T/2~2T等時(shí)間段內(nèi),開關(guān)管Q12和Q13處于導(dǎo)通狀態(tài),開關(guān)管Q11和Q14處于關(guān)斷狀態(tài)。因此將Buck 變換器輸出側(cè)電容電壓VC翻轉(zhuǎn)為標(biāo)準(zhǔn)的正弦輸出電壓Voa。
傳統(tǒng)的PI 控制器由比例和積分環(huán)節(jié)組成,其傳遞函數(shù)為
式中:kp和ki為PI 控制器的參數(shù);
s為復(fù)頻率。
控制器在基波頻率ω0處的增益為
式中j 為虛數(shù)單位。
從式(9)和式(10)中可以看出,PI 控制器是一種線性控制器,在基頻處的增益為一有限定值,因此只能對(duì)直流量進(jìn)行準(zhǔn)確跟蹤。若要將PI 控制應(yīng)用于三相交流,必須進(jìn)行復(fù)雜的abc/dq或αβ/dq坐標(biāo)變換,將交流量變化成直流量,才能實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差跟蹤控制。
為了克服PI 控制器的缺陷,很多文獻(xiàn)提出了采用PR 控制器[18-19],其傳遞函數(shù)如下:
將基波頻率ω0代入PR 控制器的傳遞函數(shù)式(11)中,可以得到其在基波頻率ω0處的增益為
通過(guò)根軌跡法分析可知,PR 控制器相比PI 控制器,傳遞函數(shù)在s平面的虛軸上增加了2 個(gè)固定頻率的閉環(huán)極點(diǎn)形成諧振,使得PR 控制器在基波頻率處的增益趨近無(wú)窮大,從而可實(shí)現(xiàn)該頻率下交流量的無(wú)靜差控制[20]。
相比PI 控制器,PR 控制器理論上在特定頻率處的增益為無(wú)窮大,能實(shí)現(xiàn)對(duì)特定頻率的交流量的無(wú)靜差控制。在對(duì)電流內(nèi)環(huán)控制設(shè)計(jì)中,無(wú)需復(fù)雜的dq坐標(biāo)變換,也沒有dq軸之間的耦合關(guān)系,從而簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。但是,在實(shí)際電網(wǎng)中,電網(wǎng)頻率有一定的波動(dòng),理想的PR 控制器的帶寬比較窄,無(wú)法適應(yīng)實(shí)際波動(dòng)的電網(wǎng)。為了解決這一問(wèn)題,引入準(zhǔn)PR 控制器,其傳遞函數(shù)為
相比于PR 控制器,準(zhǔn)PR 控制器相當(dāng)于在PR控制器的傳遞函數(shù)中增加了一個(gè)零點(diǎn),從而增加了控制器的帶寬,因而更能適應(yīng)實(shí)際頻率波動(dòng)的電網(wǎng),可有效解決由于頻率波動(dòng)引起逆變器控制性能變差的問(wèn)題。
由式(13)可以得出,準(zhǔn)PR 控制器的傳遞函數(shù)含有kp、ωc、kr3 個(gè)變量。為了研究每個(gè)參數(shù)對(duì)逆變器輸出性能的影響,此處使用控制變量法分析3 個(gè)變量對(duì)系統(tǒng)性能的影響。
1)設(shè)定kp=1、ωc=1,kr為變量,畫出相應(yīng)傳遞函數(shù)的伯德圖(如圖6 所示),以研究kr對(duì)控制器性能的影響。從圖6 中可看出,隨著kr參數(shù)的增大,控制器的增益也增大,然而控制器的帶寬卻沒有變化。因此,kr參數(shù)只影響控制器的增益,而不影響控制器的帶寬。
圖6 kr變化時(shí),準(zhǔn)PR 的bode 圖Fig.6 Bode diagram of quasi-PR with changes of kr
2)設(shè)定kp=1、kr=1,ωc為變量,畫出相應(yīng)傳遞函數(shù)的伯德圖(如圖7 所示),研究ωc對(duì)控制器性能的影響。
圖7 ωc變化時(shí),準(zhǔn)PR 的bode 圖Fig.7 Bode diagram of quasi-PR with changes of ωc
由圖7 可以看出,隨著ωc參數(shù)的增大,控制器的增益和帶寬都增大,但是在基頻處的增益卻沒有變化??梢姡豤不僅會(huì)影響控制器的增益,還會(huì)影響帶寬,因此在選擇ωc參數(shù)時(shí)不能一味追求大的帶寬,因?yàn)棣豤越大,雖然帶寬增大,但是在基頻較遠(yuǎn)處的諧波也會(huì)被放大。
3)設(shè)定ωc=1、kr=1,kp為變量,畫出相應(yīng)傳遞函數(shù)的伯德圖(如圖8 所示),研究kp對(duì)控制器性能的影響。
圖8 kp變化時(shí),準(zhǔn)PR 的bode 圖Fig.8 Bode diagram of quasi-PR with changes of kp
從圖8 所示傳遞函數(shù)的伯德圖中可以看出,參數(shù)kp影響了所有頻率處的增益,它影響著整個(gè)控制系統(tǒng)的整體性能。因此在設(shè)置PR 控制器參數(shù)時(shí),應(yīng)綜合考慮穩(wěn)態(tài)性能以及各參數(shù)之間的相互影響關(guān)系等因素,確定最終參數(shù)。
為簡(jiǎn)化說(shuō)明總體控制策略,以A相為例進(jìn)行說(shuō)明,新型三相逆變器每相控制策略見圖9,其余B、C 兩相類似,只是給定的參考信號(hào)相位互差120°。
圖9 新型三相逆變器的控制策略Fig.9 Control strategy of the new three-phase inverter
為了使得逆變器在交流負(fù)載波動(dòng)時(shí),三相逆變器仍能夠恒壓、恒頻輸出,此處采用閉環(huán)控制策略(如圖9b 所示)。首先,將給定的頻率參考值fref進(jìn)行積分,得到相位角θ;然后,將給定電壓幅值U乘以sinθ,得到最終的參考電壓Uref,等式表示為
最后,直接將輸出側(cè)交流電壓Uoa反饋到控制器,形成閉環(huán)控制,參考電壓Uref與輸出電壓Uoa進(jìn)行比較,將誤差信號(hào)送入準(zhǔn)PR 控制器,使得PR 控制器對(duì)誤差信號(hào)進(jìn)行無(wú)靜差跟蹤。由式(2)可知,為了使Buck 變換器輸出電壓成直流脈動(dòng)規(guī)律變化,PR 控制器輸出信號(hào)Uk需要進(jìn)行絕對(duì)值運(yùn)算和歸一化處理后,才能送入PWM 發(fā)生器中,與三角波進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制。則A 相調(diào)制信號(hào)為
經(jīng)過(guò)PWM 調(diào)制過(guò)后,得到Buck 變換器高頻開關(guān)ST1的控制信號(hào)。H 橋是實(shí)現(xiàn)Buck 變換器輸出端的直流脈動(dòng)電壓波以50 Hz 同步翻轉(zhuǎn)的功能。所以每一相H 橋的4 個(gè)開關(guān)的控制信號(hào)產(chǎn)生方法如圖9b 所示。分別以50 Hz 的參考電壓Uref與0 做比較,當(dāng)參考電壓大于0 時(shí),Q11、Q14開關(guān)導(dǎo)通,Q12、Q13開關(guān)關(guān)斷,輸出電壓為正弦電壓的正半周波形。當(dāng)參考電壓小于0 時(shí),Q12、Q13開通,Q11、Q14關(guān)斷,輸出電壓為正弦電壓的負(fù)半周波形。
在Matlab/Simulink 中搭建新型開關(guān)模式三相逆變器的仿真模型,仿真參數(shù)設(shè)置如下(以A 相為例):直流電源電壓為311 V,逆變輸出為50 Hz 的交流相電壓有效值為220 V,線電壓有效值為380 V;星形負(fù)載電阻為20 Ω,Buck 電路電感為6 mH,電容為10 μF,開關(guān)頻率為10 kHz;準(zhǔn)PR 控制器的參數(shù)設(shè)置為ωc=3、kp=1.5、kr=100。
4.1.1 正常工況
圖10 為正常工況下三相逆變器的A 相電壓和電流波形圖。
圖10 逆變器A 相電壓和電流波形圖Fig.10 A-phase voltage and current of the inverter
由圖10 可以看出,逆變器的輸出電壓為標(biāo)準(zhǔn)的50 Hz 的交流電壓,在0.01 s 后輸出電壓峰值穩(wěn)定在311 V,從而實(shí)現(xiàn)了恒壓恒頻控制。
4.1.2 負(fù)荷突變
為了驗(yàn)證負(fù)荷突變時(shí),逆變器仍然能夠?qū)崿F(xiàn)恒壓恒頻輸出,仿真驗(yàn)證中設(shè)置在0.206 s 時(shí)負(fù)荷突然增大1 倍。其輸出相電壓和相電流的動(dòng)態(tài)過(guò)程如圖11所示。
圖11 負(fù)荷突變時(shí)相電壓和相電流波形圖Fig.11 Waveform of phase voltage and phase current under the condition of a sudden load change
由圖11 所示負(fù)荷突變時(shí)新型三相橋式逆變器輸出的電壓電流動(dòng)態(tài)波形可以看出,在0.206 s 負(fù)荷突然增大1 倍時(shí),輸出相電流峰值由15.5 A 增大到31.0 A,因此輸出功率也增大了1 倍。在負(fù)荷突增1倍時(shí),逆變器輸出的三相相電壓在0.206 s 時(shí)有所波動(dòng),從峰值311 V 突變到峰值330 V,但是0.21 s 后就恢復(fù)為峰值311 V 的50 Hz 交流穩(wěn)態(tài)輸出,從而實(shí)現(xiàn)了在負(fù)荷突變時(shí)的恒壓恒頻穩(wěn)態(tài)輸出。
圖12 所示為不同模式下三相逆變器的輸出三相電壓波形。
圖12 不同模式的逆變器輸出三相電壓波形圖Fig.12 Three phase voltage output from inverter in different modes
為便于比較,將不同開關(guān)模式三相逆變器輸出線電壓繪制成如圖13 所示的柱狀圖。
從圖12 和13 中可以看出,新型開關(guān)模式三相逆變器的輸出線電壓峰值約為538 V,然而在直流電源為311 V條件下,傳統(tǒng)三相逆變器采用SPWM調(diào)制時(shí),輸出線電壓最大峰值為
即使采用SVPWM 調(diào)制法或者采用三次諧波注入法,三相逆變器的輸出線電壓的最大值峰值也只有311 V。因此,此新型開關(guān)模式三相逆變器直流電壓利用率提高為傳統(tǒng)三相逆變器采用SPWM 調(diào)制時(shí)的2 倍;直流電壓利用率提高至采用SVPWM 調(diào)制時(shí)的1.73 倍。
在相同的輸出濾波電感和電容時(shí),傳統(tǒng)三相橋式逆變器和新型三相逆變器的輸出電流諧波含量對(duì)比如圖14 所示。
圖14 逆變器輸出電流諧波含量對(duì)比Fig.14 Comparison of harmonic content of the inverter output voltage
從圖14a 可以看出,常規(guī)三相橋式逆變器輸出電流總的諧波畸變率(total harmonic distortion,THD)為2.31%,然而本文所提出的新型三相逆變器的輸出電流總諧波畸變率僅為0.52%,最大單次諧波含量低于0.3%。這一結(jié)果表明,相比于傳統(tǒng)橋式三相逆變器,該新型三相逆變器能顯著減少諧波含量,這與前面工作原理分析中所得結(jié)論相一致。
本文提出了一種新型開關(guān)模式的高增益低諧波三相逆變器,介紹了其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),并詳細(xì)分析了其工作原理和開關(guān)模態(tài)。在此基礎(chǔ)之上,將準(zhǔn)PR 控制引入其中,實(shí)現(xiàn)了對(duì)交流量的直接控制,從理論和仿真結(jié)果分析中可以得出如下結(jié)論:
1)新型開關(guān)模式三相逆變器的直流電壓利用率約為常規(guī)SPWM 調(diào)制的橋式逆變器的2 倍,約為SVPWM 調(diào)制的橋式逆變器直流電壓利用率的1.73倍,可見所給出的新型開關(guān)模式三相逆變器能顯著提升系統(tǒng)的帶載能力。
2)新型開關(guān)模式三相逆變器具有更低的諧波畸變率,并且Buck 電路上的電容電壓是直流量,與現(xiàn)有逆變器中的交流濾波電容相比,相同容量的直流型電容體積更小、壽命更長(zhǎng),從而減少了系統(tǒng)體積和生產(chǎn)成本。
3)引入準(zhǔn)PR 控制器,即使在負(fù)荷突變情況下,逆變器依然能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的恒壓恒頻輸出。
本文未對(duì)逆變器效率和開關(guān)損耗進(jìn)行分析和實(shí)驗(yàn),下一步研究將會(huì)進(jìn)行完善。