三电平逆变器控制技术研究现状

郭虎成

(河海大学 能源与电气学院，江苏 南京 211100)

0 引言［1-3］

在电压型逆变器(VSI)中，最早广泛应用的是两电平逆变器。传统两电平逆变器受功率器件耐压水平和载流能力的限制难以满足高压大功率电能变换的要求。相比之下，多电平逆变器及其相关技术有着诸多显著优点，已被公认为在高压大容量电能变换领域中有着广阔的应用前景，具有较高的研究价值。随着新型电力电子器件的研制成功，促进了逆变技术在提高电能的利用率、降低损耗、提高中高压大容量等方面有了长足的发展与进步。利用增加主电路电平数来减小du/dt 和输出电压中的谐波，并使逆变器的开关管工作在电压低频(或工频)状态，以减小开关损耗及电磁干扰EMI。由于增加了逆变器的主电路电平数，电路结构必然要发生改变，逆变器的开关管数目必然要增多，但增多的是低频开关器件，这种器件货源充足、价格便宜，虽然多了开关器件，却使逆变器的造价降低，从提高逆变器性能价格比的角度来看还是合适的。这种逆变器更适合用于高压大功率应用，它和两电平逆变器相比，不存在开关管串联的静态和动态均压问题，du/dt小，EMI 小，逆变效率高。

三电平逆变器控制技术研究是电力电子领域的研究热点，本文综述了三电平逆变器控制技术的研究现状，对三电平逆变器控制策略进行了展望。

1 逆变器与电网并联运行控制方法［4］

逆变器并入电网后，控制其并联运行的方法有逆变器输出电压控制和电流控制两种方式。采用电压控制方式，则要求控制输出电压的大小和相位与电网同步;而采用电流控制方式，只需设定输出电流的大小、跟踪电网电压的相位，就可达到与电网并联运行，实现起来要比电压控制方式容易。电流控制方式:直接电流控制和间接电流控制。直接电流型并网方式一般采用电流负反馈的方式来控制逆变器输出电流的大小及相位。间接电流型并网方式是将采集的并网电流值进行相关转换后，变为电压控制值，使系统控制方式变为电压控制。

2 三电平逆变器拓扑结构［5-6］

1981 年日本学者Nbae A.等人提出了三电平的拓扑结构，并提出了多电平逆变器的思想，即由几个电平台阶合成阶梯波以逼近正弦输出电压。目前三电平逆变器的电路拓扑结构种类较多，主要有三种基本的拓扑结构:1)全桥级联式;2)电容箝位式;3)二极管箝位式。

3 三电平逆变器PWM 控制策略［8］

三电平逆变器的PWM 控制方法主要有载波调制方法(SPWM)、空间矢量调制方法(SVPWM)和特定谐波消除方法(SHEPWM)。SPWM 正弦脉宽调制法的优势在于其简单的原理和良好的控制和调节性能，并且能够起到消除谐波、调节和稳定输出电压等多种作用。SVPWM 从电压空间矢量的原理出发，实质是对三相正弦波中注入了零序分量的调制波进行规则采样的一种变形的SPWM 技术，但SVPWM 技术较SPWM 技术具有更高的直流侧电压利用率、更低的开关频率和更好的动态性能［7］。SHEPWM 通过开关时刻的优化选择，消除选定的低频次谐波，具有波形品质高、效率高、直流电压利用率高、直流侧滤波器尺寸小等一系列优点。

4 三电平逆变器波形控制算法

波形控制一直是PWM 逆变器领域的研究热点，主要的控制方案有:PID、双闭环、无差拍控制、状态反馈、滞环控制、滑模变结构控制、模糊控制、神经网络控制和重复控制等。

a)PID 控制

PID 具有原理简单，使用方便，适用性和鲁棒性强等优点。数字控制器的出现使得数字PID 控制成为可能。PID 控制的快速性有了较大提升。文献［9］设计了PID 闭环控制器，取得了较好的稳定性。文献［10］利用DSP 实验实现了逆变器的PID 算法，并与重复控制相结合，获得了良好的效果。文献［11］提出了一种基于坐标变换的三相SPWM 逆变器恒压恒频控制策略，建立了逆变器在两相旋转坐标系下的数学模型，对输出电压的d，q 轴分量分别进行PI 调节，从而根据生产调制信号，实现三相逆变器的恒压恒频控制。

b)双环控制［12-13］

在三电平逆变器各种不同的并网控制方式中，普遍采用电压外环和电流内环的双闭环串级控制结构。电压外环的作用主要是控制逆变器直流侧电压。电流内环的作用主要是按电压外环输出的电流指令进行电流控制，如实现单位功率因数按正弦波电流控制。双闭环控制的主要特点是物理意义清晰，控制结构简单，控制性能优良。双闭环控制的另一个优点是，由于电流内环的存在，只要对电流指令限幅，可以使逆变器工作于恒流状态。由于双闭环控制在电力电子及其他工业领域中都已得到广泛应用，其控制器参数的工程化整定方法已趋成熟，所以双闭环PWM 整流系统的控制器设计几乎可以完全借用这种工程化设计方法。

c)状态反馈控制［14-15］

逆变器输出波形的要求包括两个方面:高稳态精度和快动态性能。文献［16］指出通过配置闭环系统的极点，改变系统阻尼比，减少过渡过程的响应时间，可大大改善系统的动态品质。单就改善动态特性，状态反馈不失为一种简单有效的控制方法。但是，该方法对系统的稳态指标影响不大，许多文献中往往将状态反馈作为内环、以其他的控制策略作为外环形成复合控制方案，共同实施对逆变器的波形校正。

d)滞环控制

滞环控制是将检测的输出电流与给定参考电流进行后的误差信号送入滞环比较器形成控制逆变回路开关器件的PWM 信号，当误差信号大于给定的环宽时，产生的PWM 信号控制开关管的通断，使误差信号回到滞环环宽内，从而使逆变器输出电流围绕给定电流在一个滞环环宽内波动。该方法的优点是快速的瞬态响应，高度的准确性及较强的鲁棒性。然而，滞环电流控制与当今的全数字化趋势不适应，因为它的瞬态响应性会被ADC 及微机中断延时所降低。其次，滞环控制开关频率不固定，运行不规则，给滤波器的设计带来困难。

e)模糊控制

模糊控制属于智能控制范畴，其最大的特点是不依赖控制对象的数学模型。对于具有多变量非线性时变特性的电力电子装置来说，系统存在复杂性与模型精确性之间的矛盾，模糊控制就是能够在准确与简明之间取得平衡、有效的控制系统。模糊控制器具有以下缺点:1)模糊控制器的设计过程不需要被控系统精确的数学模型，模糊控制器有着较强的鲁棒性和自适应性2)查找模糊控制表所用的处理器时间很少，因而可以采用较高的采样频率来补偿模糊规则和实际经验的偏差。模糊控制可以以任意精度逼近任何非线性函数。然而受当前技术水平的限制，它的隶属函数的确定还没有统一的理论指导，因此模糊控制理论还需要进一步的研究和改善。

f)神经网络控制

神经网络控制也属于智能控制范畴，它也不依赖于受控对象的模型，非常适合于具有不确定性和高度非线性的控制对象，并且具有较强的自适应和学习能力，鲁棒性强。而神经网络的类型、结构和训练方法需要在控制系统的性能和系统的复杂性两者之间进行折衷，而且训练的速度受到现有硬件技术条件的限制，还有待进一步提高。

g)滑模变结构控制［16］

滑模变结构理论由前苏联学者S.V.Emelyanov，V.I.Utkin 于20 世纪50 年代提出。它利用不连续的开关控制策略来强迫系统的状态变量沿着相平面中某一预先设计好的“滑动模态”轨迹运动。它最大优点是鲁棒性强，对系统参变量的扰动不敏感，而且具有优良的动态性能，并且它利用的是开关特性，故可以用于对逆变器这类固有的变结构系统的控制。其设计首先要寻求滑模面函数，使受控系统在滑模面上得运动渐进稳定且获得良好的品质，之后再设计相应的变结构控制，使滑模面满足条件。通过合适地选取控制器的参数，可以获得较高的控制鲁棒性以及较快的响应速度。但是滑模控制也存在稳态效果不佳、理想的滑模切换面难于选取等弱点，而且滑模变结构控制难于通过模拟实现，在采用数字控制时，采样频率不够高也将影响其控制效果。目前，滑模变结构控制的逆变器还有待进一步的研究才能应用于实际产品中。

h)重复控制［17-18］

重复控制是一种跟踪周期性输入、抑制周期性干扰的新型控制方法。它基于内模原理，利用控制系统中输入和扰动的周期重复性规律，记忆前一周期扰动发生的位置，在下一周期有针对性地进行波形补偿，从而实现了稳态条件下对给定周期信号的跟踪。重复控制与其它控制相比有以下特点:1)对于未知的干扰信号，充分利用了它的重复性，降低了控制难度，减轻了控制器的负担;2)只需一个电压反馈环，不需检测电流变化，因此电路结构简单，易于实现;3)具有非常好的稳态性能及波形品质，理论上可以实现无稳态静差;4)控制算法简单，对控制速度要求不高，而且可以实现控制动作的超前性。但对非周期性的扰动无作用，动态响应速度较慢，一般不单独使用。

i)无差拍控制［19］

美国著名控制理论专家卡尔曼于20 世纪60 年代初提出了数字控制的无差拍控制思想。它具有瞬时响应快、精度高、THD 小等特点，是一种优秀的控制策略。无差拍又称“无过冲”，指在每个采样点上系统的输出都与其指令完全一致，没有任何相位滞后和幅值偏差。从其定义即可看出，无差拍控制是数字系统特有的控制方式。它与最少拍控制有相似之处，表现在二者都具有“有限调节时间”特性。

5 展望

随着技术的发展，多电平逆变器将在高电压、大电流、大功率领域中应用得越来越多.复合控制可以结合一些控制策略的优点，使控制效果更好。比如文献［20］中提到的以重复控制为基础其他控制策略为辅的复合控制器。

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