离网条件下的三相四桥臂逆变器控制策略研究*

李章清，丁军怀，刘成洋

(1.兰州长城电工股份有限公司，甘肃兰州 730000;2.天水电气传动研究所有限责任公司，甘肃天水 741020; 3.天水长城开关厂有限公司，甘肃兰州 741020)

离网条件下的三相四桥臂逆变器控制策略研究*

李章清1，丁军怀2，刘成洋3

(1.兰州长城电工股份有限公司，甘肃兰州 730000;2.天水电气传动研究所有限责任公司，甘肃天水 741020; 3.天水长城开关厂有限公司，甘肃兰州 741020)

针对微电网中用户负载可能不平衡的特点，研究了一种用于微电网系统的三相四桥臂逆变器。建立三相四桥臂逆变器在a－b－c静止坐标系下和d－q同步旋转坐标系下的数学模型。利用对称分量法对逆变器输出电压进行基波正序、负序和零序分量分解，研究分别采用正序、负序和零序旋转坐标系下的电压、电流双闭环控制方法，搭建了以英飞凌XE164FN单片机为控制核心的硬件实验平台，并进行实验研究，实验结果证明所用控制方法的正确性。关键词:离网;三相四桥臂逆变器;对称分量法

1 引言

随着新能源的快速发展，微电网由于其供电的灵活性和独立性越来越受到研究人员的重视。传统三相逆变器主要采用三相三桥臂逆变电路，该电路主要适合用于三相平衡负载，而对于三相不平衡负载而言，由于三相电压相互耦合的原因导致逆变器输出电压不平衡，影响负载运行和供电质量。可以采用三个单相桥组合逆变电路拓扑来解决不平衡负载的电压问题，三个单相桥独自形成回路，独立可控，可以解决三相输出电压不平衡的问题，但是由于开关管的数目较多，成本较高，一般用于大功率的场合。文献［1，2］提出分裂电容式逆变电路拓扑，它在传统三相逆变器基础上增加一个电容桥臂，其目的是将母线电压的中点提取出来作为负载的中性点电压，这样就将传统的三相逆变器等效为独立可控的三个半桥逆变器。这种电路的优点是控制简单、灵活，缺点是直流母线电压利用率相对传统三相逆变器低了一半，同时两只电容还存在均压问题。文献［3～5］提出了三相四桥臂逆变电路拓扑，如图1所示，在传统三相三桥臂逆变器的基础上增加一个桥臂形成第四相输出作为三相负载的公共点，利用第四桥臂控制中性点电压，提供零序电流回路。这样可使逆变器输出3个独立的电压，维持不平衡负载下三相电压的对称输出特性。与其他拓扑相比，四桥臂逆变器具有结构简单、体积小和电压利用率高等优点。笔者以三相四桥臂逆变拓扑为研究对象，深入分析该电路的控制方法。

图1 三相四桥臂逆变电路

2 不同坐标系下的系统数学模型

2.1 三相静止坐标系下的数学模型

图2 三相四桥臂逆变器开关平均模型

三相负载不平衡情况下，系统三相输出的数学方程如下:

从式(1)～(3)不难发现，由于中线电感的存在，三相四桥臂逆变器在静止坐标系下是一个强耦合系统，控制量为交流量，用PI控制无法实现无静差。

2.2 基于序分量的同步旋转坐标系下的数学模型

在d－q同步旋转坐标系下对三相四桥臂逆变器进行数学建模。基于park理论的逆时针同步旋转变换矩阵由Tp表示，顺时针同步旋转变换矩阵由Tn表示，利用旋转矩阵Th可以将零序电压变换成虚拟的正序分量，式中 α=e－2π/3，ω为旋转变换的旋转角速度。

正序电压分量在d－q同步旋转坐标系下的数学模型可以由式(7)表示，式中，dpa、dpb和dpc分别为逆变器输出正序分量对应的各桥臂占空比，iLpa、iLpb和iLpc为逆变器输出正序电压对应的电感电流。

式中:dnd和dnq为输出负序分量时占空比经过d－q同步旋转变换后的量，dhd和dhq为输出零序分量时占空比经过d－q同步旋转变换后的量，iLnd和iLnq为逆变器输出负序电压对应的电感电流，iLhd和iLhq为逆变器输出零序电压对应的电感电流。

同理，也可以得出正序、负序和零序电流分量在d－q同步旋转坐标系下的数学模型。

3 系统控制策略

由上述分析可知，在正序分量的d－q同步旋转坐标系下，变换后的正序电压和电流分量都是直流量，负序分量是角频率为2ω的交流量，零序分量是角频率为ω的交流量。在负序分量的d－q同步旋转坐标系下，变换后的正序分量是角频率为2ω的交流量，负序分量为直流量，零序分量是角频率为ω的交流量。因此，经过对称分量法将三相交流输出电压、电流进行正负序、零序分量分解，然后将序分量变换成直流量表现形式，则可以完成三相输出之间的解耦控制，而且可以通过PI控制实现无静差。

因此，可以对正序、负序和零序分量分别经过dq同步旋转变换后，再进行电压、电流双闭环解耦控制。系统总体控制框图如图3所示，从图中可以发现正序和负序分量d和q之间存在耦合关系，零序分量d和q之间不存在耦合关系。

图3 系统总体控制框图

4 实验验证

搭建了1台以英飞凌XE164FN单片机为控制核心的2 kW实验平台，分别对单相空载、两相空载和纯阻性负载等不平衡负载进行了实验。实验基本参数如下:母线电压为400 V;三相输出相电压为110 V/50 Hz;滤波电感为6 mH，中线电感为3 mH，滤波电容为20 μF。

(1)实验1:a相空载，b相200 Ω阻性负载，c相150 Ω阻性负载。

(2)实验2:a、b两相空载，c相150 Ω阻性负载。

(3)实验3:a相和b相负载为200 Ω，c相负载为300 Ω。

(4)实验4:平衡负载切换，切换前负载为三相平衡阻性负载，电阻均为200 Ω，切换后负载为空载状态。不平衡负载切换，切换前a、b两相负载均为200 Ω，c相负载为300 Ω，切换后c相变为空载状态。

从图4～6可以看出，各种不平衡负载条件下，三相四桥臂逆变器输出电压正弦度好，且三相电压对称。从图7的负载切换实验可看出系统的暂态过渡过程在20 ms以内，三相输出电压正弦稳定且对称。

图4 单相空载时输出电压与电流波形

图5 两相空载时输出电压与电流波形

图6 不平衡阻性负载时输出电压与电流波形

图7 负载切换时输出电压波形

5 结语

着重研究了序分量在d－q同步旋转坐标系下的数学模型和控制策略，实验结果表明系统在各种负载条件下都能输出对称的三相正弦电压，从而证明所采用控制策略的正确性。

［1］ 卓 放，何益宏，王 跃，等.全数字化控制实现的三相四线制有源电力滤波器［J］.电工电能新技术，2001(31):1－4.

［2］ 黄民聪，戴宁怡，唐 净，等.新型三维空间矢量脉宽调制在三相四线系统中的应用［J］.电力系统自动化，2003(12):45－49.

［3］ 孙 驰，毕增军，魏光辉.一种新颖的三相四桥臂逆变器解耦控制的建模与仿真［J］.中国电机工程学报，2004(1):124－130.

［4］ 陈 玲，张 兴，杨淑英，等.带不平衡负载的三相四桥臂逆变器的研究［J］.合肥工业大学学报，2009(4):486－490.

［5］ Ryan M J，De Doncker R W，Lorenz R D.Decoupled control of a four－leg inverter via a new 4×4 transformation matrix［J］.IEEE Trans on Power Electronics，2001，16(5):694－700.

［6］ Ionel Vechiu.Transient operation of a four Leg inverter for autonomous applications with unbalanced load［J］.IEEE Trans on PE，2010，2(2):25.

Research on Control Method of a Three－Phase Four－Leg Inverter in the Off－Grid Condition

LI Zhang－qing1，DING jun－huai2，LIU Cheng－yang3
(1.Lanzhou Greatwall Electraical Co.，Ltd，Lanzhou Gansu 730000，China;
2.Tianshui Electric Drive Research Institute Co.，Ltd，Tianshui Gansu 741020，China;
3.Tiangshui Greatwall Switchgear Co.，Ltd，Tianshui Gansu 741020，China)

A three－phase four－leg inverter is designed to adapt the unbalance loads in the microgrid.Its mathematical models are realized on the a－b－c stationary frame and d－q synchronous rotation reference frame respectively，the symmetrical component method is used to abstract the fundamental－frequency positive sequence，zero sequence and negative sequence for the related voltages and currents，the outer voltage loop and inner current loop are studied based on the sequence components on the d－q synchronous rotation reference frame，a prototype in the core of XE164FN is established.The experiments are done and its results verify that the control strategy is right.

off－grid;three－phase four－leg inverter;symmetrical component method

TH123

A

1007－4414(2013)05－0164－03

2013－08－02

李章清(1968－)，男，江西赣州人，工程师，主要从事企业科技管理方面的工作。