不平衡負載下三相逆變電源控制方法的研究

1、不平衡負載下三相逆變電源控制方法的研究張斐 許建平 曹太強（西南交通大學電氣工程學院，成都，610031）摘要：維持三相電壓對稱輸出是三相逆變電源的重要用途之一，輸出電壓不對稱主要由不平衡負載引起。本文基于對稱分量法和疊加原理對三相逆變電源在不平衡負載下產(chǎn)生三相輸出電壓不對稱的機理進行了系統(tǒng)的分析，得到了輸出電壓正、負、零序分量不同的補償特性。設計了一個簡單可行的同步正/負序參考系控制器，有效地補償了不平衡負載引起的逆變電源輸出電壓畸變，保證了逆變電源在任意不平衡負載下均能維持三相平衡的輸出電壓。論文最后通過Matlab仿真結果驗證了理論分析和所提出的控制方法的正確性。關鍵詞：電力電子；三相逆

2、變器；不平衡負載；電壓對稱性；MATLABResearch on control method of Three-phase inverter power supply under unbalanced loadZHANG Fei , XU Jian-ping, Cao Taiqiang(College of Electric Engineering, Southwest Jiaotong University; Chengdu 610031; China)ABSTRACT: To maintain symmetric three-phase voltage output of three p

3、hase inverters is one of the most important features of the three-phase inverter. Asymmetry output voltage is mainly caused by unbalanced loads. The mechanism of asymmetric output voltage of inverter under unbalanced loads is analyzed based on symmetrical component decomposing and superimpose theory

4、. It is shown that positive-, negative- and zero-sequence components of output voltage have different effect on the performance of compensation. A simple and feasible synchronous positive/negative reference system controller is proposed which can effectively compensate output voltage distortion of t

5、he inverter under unbalanced loads, thus, symmetric output voltages of three phase inverter under unbalanced load can be ensured. Matlab simulation is performed to verify the theoretical analysis results of the proposed control method.KEY WORDS: power electronics; three-phase inverter; unbalanced lo

6、ad; voltage symmetry; MATLAB0 引言國家自然科學基金資助項目(50677056).Project Supported by National Natural Science Foundation of China (50677056).三相交流電源在工農(nóng)業(yè)、交通、日常生活等領域有著極為廣泛的應用，具有恒壓恒頻特性的逆變電源是產(chǎn)生高質(zhì)量交流輸出電壓的重要途徑。輸出電壓的對稱性是三相逆變電源的一個重要性能指標，在很多實際應用場合，通常都要求三相逆變電源具有同時向平衡、不平衡負載供電的能力。由于三相逆變電源負載不平衡不可避免，三相逆變電源都存在一定的輸出阻抗，從而使傳統(tǒng)的

7、三相逆變電源在向不平衡負載供電時會產(chǎn)生三相輸出電壓的不平衡，導致輸出電壓波形的畸變1，因此，分析并研究不平衡負載下三相逆變電源的控制方法，具有十分重要的意義。改善不平衡負載三相逆變電源輸出電壓對稱性的方法主要包括以下四種拓撲形式：三相分裂電容式逆變拓撲2、組合式三相逆變拓撲3、三相四橋臂逆變拓撲4、插入變壓器拓撲5-9。分裂電容式三相逆變拓撲將三相負載中性點連接到逆變器直流側(cè)電容中點，采用三個單相半橋控制來保證不平衡負載下的輸出電壓對稱性。但此電路需要較大的直流濾波電容，需要對電容進行均壓，直流電壓利用率低。組合式三相逆變器通過變壓器耦合三個單相橋電路，采用三套獨立的控制電路來保證三相輸出電壓

8、的對稱性。但此電路使用的開關管較多，控制較復雜。三相四橋臂逆變拓撲增加了一個第四橋臂，將三相負載中性點與第四橋臂中點相連，直接對中性電流進行控制，具有固有的不平衡消除能力。但開關頻率低限制了調(diào)節(jié)帶寬，也不適用于輸入輸出電隔離的逆變器。插入變壓器拓撲是最為簡單的一種方法，在傳統(tǒng)的三相三橋臂逆變器和負載之間插入變壓器，變壓器次級繞組的接法給負載不平衡所產(chǎn)生的中性電流提供一個通路，而形連接初級繞組讓不平衡所產(chǎn)生的零序電流在變壓器初級繞組線圈內(nèi)環(huán)流7。針對不平衡負載下三相逆變電源輸出電壓不對稱的現(xiàn)象，本文設計了一個同步正/負序控制器，通過對逆變電源輸出電壓負序分量的控制，可完全消除不平衡負載引起的輸出

9、電壓負序畸變。仿真研究結果表明，本文設計的控制器使三相逆變電源在各種負載下均能維持很對稱的輸出電壓。1 三相逆變電源及模型大功率或電氣隔離的三相逆變電源包含輸出隔離變壓器，變壓器初級繞組的接法阻止了逆變橋輸出PWM電壓中所含的零序分量與3倍諧波分量傳遞到變壓器次級繞組，變壓器次級繞組根據(jù)負載的需求接成或(有中線的連接)。下面我們將分析如圖1所示的三相逆變電源拓撲，它由直流輸入電壓源、三相三橋臂逆變器、輸出濾波器、變壓器和負載組成。圖中，、為濾波電感，、為流過電感的電流；、為濾波電容；、為流入負載的電流；、為三相逆變橋的輸出電壓；、為負載端線電壓；、為輸出端相電壓。在圖1中，負載可以是三相平衡負

10、載、三相不平衡負載、負載缺相甚至單相負載等。圖1 三相逆變器電路結構根據(jù)C.L.Fortescue提出的對稱分量法10，任意一個不對稱的三相變量可以分解為正序、負序和零序三個對稱的三相變量，如圖2所示。逆變器輸出三相瞬時不平衡線電壓(、)可分解為正序電壓分量(、)、負序電壓分量(、)和零序電壓分量(、)。因此，逆變器輸出線電壓可表示為： (1)其中： (2) (3) (4)圖2 分解三相不平衡變量為正序、負序與零序三個平衡變量根據(jù)變壓器的等效模型，取其中一相來分析，可得如圖3所示的逆變器等效模型。若忽略變壓器勵磁阻抗，則正、負序輸出電壓分量可由下列方程推導得到： (5) (6)其中：；Erro

11、r! Reference source not found.；、為變壓器初級繞組漏阻抗；、為變壓器次級繞組漏阻抗；為等效到變壓器次級的濾波電感；為等效到變壓器次級的逆變橋輸出電壓正/負序分量；為逆變器輸出電壓正/負序分量；為變壓器次級輸出電流正/負序分量，為逆變器負載電流正/負序分量。對于三相四線制逆變器，逆變器負載電流的零序分量不為零11，輸出電壓和零序負載電流分量之間的關系為： (7) (8)其中：為逆變器負載電流零序分量；為變壓器次級輸出電流零序分量；為逆變器輸出電壓零序分量；這里、為變壓器初級繞組漏阻抗、和零序勵磁阻抗、等效并聯(lián)阻抗。(a)正/負序逆變器等效模型(b)零序逆變器等效模型

12、圖3 逆變器等效模型在帶變壓器的逆變電源拓撲中，輸出電壓零序分量并不能從三相逆變橋傳輸?shù)捷敵鲐撦d端6，因此，這類逆變電源輸出電壓零序分量不可控。而在隔離變壓器初級側(cè)的濾波電感將減小變壓器的零序輸出阻抗，可近似為變壓器漏阻抗，有效地削弱了逆變電源的零序不平衡輸出電壓。2 不平衡負載下三相逆變電源的控制方法傳統(tǒng)控制的三相逆變電源在不平衡負載下輸出電壓波形會發(fā)生畸變，導致負載失效、逆變電源平均故障間隔時間變短等問題?；赼bc/dq旋轉(zhuǎn)變換的同步坐標控制逆變電源具有很高穩(wěn)態(tài)性能，是不平衡負載下三相逆變電源控制方法的理想選擇。三相逆變電源輸出電壓的空間矢量形式為： (9)在同步旋轉(zhuǎn)角頻率為的正序坐標系

13、下，三相逆變電源輸出電壓為： (10)在同步旋轉(zhuǎn)角頻率為的負序坐標系下，三相逆變電源輸出電壓為： (11)由(10)、(11)式可以看出，三相逆變電源輸出電壓的次頻率分量在相應的同步正/負序旋轉(zhuǎn)坐標系下為直流量。基于的正序旋轉(zhuǎn)變換矩陣為： (12)三相逆變電源輸出電壓正序分量經(jīng)變?yōu)閮蓚€直流分量： (13)其中：、分別為三相逆變電源輸出電壓正序分量的幅值和初相角。同理，基于的負序旋轉(zhuǎn)變換矩陣為： (14)三相逆變電源輸出電壓負序分量經(jīng)變?yōu)閮蓚€直流分量： (15)其中：、分別為三相逆變電源輸出電壓負序分量的幅值和初相角。經(jīng)旋轉(zhuǎn)變換，三相逆變電源輸出電壓正/負序分量的反饋量與參考量都是直流量。由經(jīng)典

14、控制理論可知，在同步旋轉(zhuǎn)坐標系下，閉環(huán)反饋PI控制器的積分作用能迫使正/負序輸出電壓無靜差地跟蹤參考量，可有效地抑制逆變電源輸出電壓的基波擾動12。這樣，由式(2)、(3)分別構建三相逆變電源瞬時輸出線電壓的正序電壓分解模塊(PSC)和負序電壓分解模塊(NSC)，可分別得到輸出電壓的正序分量、負序分量。逆變電源輸出電壓正序分量在正序旋轉(zhuǎn)坐標系下經(jīng)PI控制器的無靜差控制，得到了平衡的輸出電壓波形；逆變電源輸出電壓負序分量在負序旋轉(zhuǎn)坐標系下經(jīng)PI控制器的無靜差控制，消除了逆變電源在不平衡負載下的負序電壓畸變，二者相疊加的控制方案實現(xiàn)了三相逆變電源輸出電壓正序和負序分量的零穩(wěn)態(tài)誤差調(diào)節(jié)。圖4給出了這

15、種控制方案的控制框圖。圖4 三相逆變電源輸出電壓零穩(wěn)態(tài)誤差控制框圖3 Matlab仿真分析為了驗證上述理論分析及相應控制方案的正確性，本文利用MATLAB PSB對上面建立的三相逆變電源模型與控制電路進行了仿真。仿真時采用的逆變電源主電路及控制器參數(shù)如表1所示。表1 仿真所用逆變電源系統(tǒng)參數(shù)參數(shù)值直流電壓Vdc/V432輸出線電壓有效值Uo/V380輸出電壓頻率fo/Hz50濾波電容C/uF300濾波電感L/mH110逆變器工作頻率f/KHz9逆變器容量P/KVA90正序控制器KP1.5正序控制器KI8負序控制器KP2.9負序控制器KI18三相逆變電源在各種負載下工作的仿真結果如圖511所示，

16、在圖511中，我們只對輸出線電壓的諧波進行了分析。三相逆變電源在各種負載下的仿真測量數(shù)據(jù)如表2所示，其中輸出不平衡度為三個輸出線電壓之間的最大偏差與額定輸出電壓的百分比。圖5 三相平衡負載下逆變電源輸出電壓電流波形及諧波分析圖6 A相額定負載，B、C相空載下逆變電源輸出電壓電流波形及諧波分析圖7 A相200%負載,B、C相空載下逆變電源輸出電壓電流波形及諧波分析圖8 A相50%負載，B、C相空載下逆變電源輸出電壓電流波形及諧波分析圖9 A、B相額定負載、C相空載下逆變電源輸出電壓電流波形及諧波分析圖10 A相額定負載、B相200%負載、C相空載下逆變電源輸出電壓電流波形及諧波分析圖11 A相額

17、定負載、B相50%負載、C相空載下逆變電源輸出電壓電流波形及諧波分析表2 三相逆變器仿真測量數(shù)據(jù)逆變器負載類型輸出線電壓/V輸出不平衡度%UabUbcUca三相平衡負載537.3537.4537.50.04A相額定負載，B、C相空載547.9527.2528.53.85A相200%負載，B、C相空載536.8529.0541.22.27A相50%負載,B、C相空載537.3536.8536.90.09A相、B相額定負載，C相空載537.1536.7538.00.24A相額定負載、B相200%負載、C相空載552.4538.3522.95.49A相額定負載、B相50%負載、C相空載541.852

18、6.6533.82.83從仿真結果可以看出，本文設計的控制器在平衡負載與各種不平衡負載下均可控制逆變電源輸出穩(wěn)定平衡的三相電壓，輸出不平衡度在5.49%以內(nèi)，電壓諧波畸變率很低。在A、B相額定負載、C相空載情況下，文獻13設計的瞬時控制與重復控制相疊加的控制器其輸出不平衡度為1.2%，文獻6設計的同步旋轉(zhuǎn)坐標系控制器其輸出不平衡度為0.89%，而本文設計的控制器其輸出不平衡度為0.24%，進一步驗證了本文設計控制器的合理性。4 結論三相逆變電源輸出電壓波形控制是提高其性能的重要方面。本文在分析三相逆變電源輸出電壓對稱性畸變原理的基礎上，指出負序負載電壓是輸出電壓的主要畸變源。在dq坐標系下，設

19、計了一個簡單、易行的正序旋轉(zhuǎn)PI控制器與負序旋轉(zhuǎn)PI控制器并行控制的控制器，分析了控制實現(xiàn)的可能性。仿真結果表明，本文設計的控制器有效地抑制了不平衡負載引起的輸出電壓畸變，保證了逆變器在任意不平衡負載下仍能維持三相平衡的輸出電壓，獲得高質(zhì)量的輸出電壓波形。參考文獻：1 Cross A M, Evans PD, Forsyth A J. DC link current in PWM inverters with unbalanced and non-linear loadsJ. IEE Proceedings-Electr.Appl., 1992, 146(6): 620-626.2 Jeong

20、 C Y， Cho J G， Kang Y，et al A 100kVA power conditioner for three-phase four-wire emergency generatorsCIEEE PESC98，F(xiàn)ukuoka，Japan，19983 陳道煉，李 旭，張 蓉，張海濤. 組合式三相高頻脈沖直流環(huán)節(jié)逆變器研究J. 中國電機工程學報，2005，25(8)：75-79. 4 孫進, 宋聚明, 盧家林, 蘇彥民. 針對不平衡負載三相逆變電源控制方法的研究j.電工電能技術，2003，22(1)：29-31，60.5 孔雪娟，王荊江. 基于內(nèi)模原理的三相電壓源型逆變電源的波形

21、控制技術J. 中國電機工程學報，2003，23(7)：67-70.6 彭力，白丹. 三相逆變器不平衡負載抑制研究J. 中國電機工程學報，2004，245：174-178.7 Uffe Borup Jensen, Prasad N. Enjeti, Frede Blaabjerg. A new space vector based control method for ups systems powering nonlinear and unbalanced loads. ISBN: 0-7803-5864-3, 2000.8 P. Sanchis, A. Ursua, E.Gubia, J. Lopez and L. Marroyo. Control of three-phase stand-alone photovoltaic systems with unbalanced loadsJ. IEEE ISIE, 2005, 20(23): 633-638.9 Kyung-Hwan Kim, Nam-Joo Par