三相电压型PWM逆变器无电感参数控制策略研究*

邓泽权， 王志新， 陆斌锋， 史 莉

(1. 上海交通大学 电气工程系，上海 200240； 2. 嘉兴清源电气科技有限公司，浙江 嘉兴 314031；3. 上海纳杰电气成套有限公司，上海 201111)

三相电压型PWM逆变器无电感参数控制策略研究*

邓泽权1， 王志新1， 陆斌锋2， 史 莉3

(1. 上海交通大学 电气工程系，上海 200240； 2. 嘉兴清源电气科技有限公司，浙江 嘉兴 314031；3. 上海纳杰电气成套有限公司，上海 201111)

三相电压型PWM逆变器常采用基于电流前馈解耦的电压电流双闭环控制策略。采用该控制策略，电流内环控制器设计时包含交流侧电感值，当电感测量值出现误差时，系统将不能彻底解耦，会影响系统的控制性能。提出一种改进型电压电流双闭环控制策略，其中电流内环基于合成矢量的思想，实现在同步旋转d、q坐标系下三相电压型PWM逆变器无电感参数L的电流解耦控制，采用MATLAB/Simulink仿真验证了该方法的有效性。

无电感参数； 三相电压型PWM逆变器； 仿真

0 引 言

随着电力电子技术的发展，能实现能量双向流动、单位功率因数逆变运行、低输出电流谐波功能的三相电压型PWM逆变器得到了广泛应用。三相电压型PWM逆变器常采用基于电流前馈解耦的电压电流双闭环控制策略[1-5]，该控制策略在控制器设计时需知道交流侧电感的精确值，当测量的电感值出现误差时，电流内环将不能彻底解耦，系统的控制性能将变差。文献[6-8]采用合成矢量的方法对三相电压型PWM整流器的控制策略进行分析，取得了较理想的控制性能，但合成矢量不易在数字控制器中实现，故文献[8]将合成矢量中的控制策略转换到同步旋转d、q坐标系中，提出了一种新的三相电压型PWM整流器双闭环控制策略。

在三相电压型PWM整流器合成矢量控制思想的基础上，本文提出了一种新的基于同步旋转d、q坐标系的三相电压型PWM逆变器双闭环控制策略，其中电流内环采用无电感参数L解耦控制，电压外环采用恒定电压控制[9-10]。

1 三相电压型PWM逆变器的数学模型

图1为三相电压型PWM逆变器拓扑结构。

图1 三相电压型PWM逆变器拓扑结构

电网侧电动势为三相平稳对称的纯正弦波电动势，根据基尔霍夫电压定律建立三相静止坐标系下的三相电压型PWM逆变器数学模型：

(1)

式中：R——功率开关管损耗等效电阻与交流滤波电感等效电阻之和；

ia、ib、ic——网侧三相电流；

L——网侧滤波电感；

ea、eb、ec——网侧三相电压。

三相静止对称坐标系中的数学模型交流侧均为时变交流量，不利于控制系统设计，故可将其通过坐标变换转换为以电网基波频率同步旋转的d、q坐标系下的数学模型，将基波正弦变量转换为直流变量，简化控制系统设计难度，实现无静差控制。

(2)

2 电压电流双闭环控制策略

2.1 电流内环控制策略

根据d、q旋转坐标系下三相电压型PWM逆变器的数学模型式(2)，采用前馈解耦控制策略，电流调节器采用PI调节器，电流内环控制方程如下：

(3)

由式(3)可以得到如图2所示在同步旋转d、q坐标系下的电流内环解耦控制框图。

图2 同步旋转d、q坐标系下电流解耦控制框图

由于电流内环d、q轴的对称性，将PI控制器设计成一样，其参数如式(4)所示:

(4)

由图2可知，基于同步d、q坐标系下的电流内环解耦控制涉及电网侧电感参数L的值。在实际情况下，电感测量值与真实值之间有误差。受电感测量误差的影响，系统解耦将不能彻底，当同步频率上升时，电流耦合的影响加剧，会影响到系统的控制性能。

文献[6-8]引入合成矢量的思想，通过改造控制器零点的方法实现了电流内环无电感参数L的解耦控制。合成矢量将双输入双输出的电流环节转变为单输入单输出电流模型，通过在静止两相坐标中研究其传递函数，改变控制器零点与系统主极点，从而使其对消的方法实现电流的解耦控制。由于合成矢量难以在数字控制器中实现，故将合成矢量中的控制器设计方法转换为同步旋转d、q坐标系下，即可得到本文提出的无电感参数L的电流内环解耦控制策略。

设在静止两相α、β坐标系或同步旋转d、q坐标系下的两个分量分别为fa和fb，则定义合成矢量为

fab=fa-jfb

(5)

由式(1)中静止三相坐标系下三相电压型PWM逆变器的数学模型，可推导出三相电压型PWM逆变器在静止两相α、β坐标系下基于合成矢量的数学模型：

(6)

将式(6)转换到同步旋转d、q坐标系下时，微分算子d/dt用微分算子d/dt+jw来代替，即可得到三相电压型PWM逆变器在同步旋转d-q坐标系下基于合成矢量的数学模型：

(7)

式(7)在s域中的表达式如式(8)所示：

(8)

在同步坐标系中，电流调节器采用PI控制，不加解耦项时，基于合成矢量，电流控制系统在α、β静止坐标系中的开环传递函数如式(9)所示：

(9)

传统双闭环电流前馈解耦控制通过电流状态的反馈补偿改造系统的主极点，使系统的主极点与控制器零点相消，从而使闭环控制系统的主导极点不受物理条件影响，此时改造的是系统的主极点，控制器的零点不变。根据此理论，也可改造控制器的零点，保持系统的主极点不变，使得控制器的零点和系统的主极点对消，同样可以得到所需要的控制效果，也即本文无电感参数电流内环控制策略的基本思路。

根据式(8)可得在同步坐标系中系统的主极点为-R/L-jw。为了与系统的主极点对消，必须改造控制器，构造控制器的零点为-ki/kp-jw，此时，只需要保证设计控制器参数时，使得ki/kp=R/L就能获得所需要的控制效果。采用上述方案时系统的控制框图如图3所示。

图3 基于合成矢量的电流解耦控制框图

此时，基于图3所得在静止两相α、β坐标系下的开环传递函数为

(10)

根据图3可将PI控制器设计为

(11)

因此可得

(12)

由式(5)对合成矢量的定义，可得

(13)

结合式(11)～式(13)可得

(14)

整理可得

(15)

图4 同步旋转d、q坐标系下的无电感参数L解耦控制框图

2.2 电压外环控制策略

三相电压型PWM逆变器控制框图如图5所示。

图5 三相电压型PWM逆变器控制框图

3 无电感参数三相电压型PWM逆变器控制策略仿真

为了验证三相电压型PWM逆变器无电感参数的电流内环解耦、恒定电压外环控制策略的正确性和可行性，本文通过MALTAB/Simulink搭建了模型进行仿真。表1为三相电压型PWM逆变器仿真的参数。

表1 三相电压型PWM逆变器的相关参数

根据电压外环的控制策略可知，仿真是模拟在单位功率因数逆变情况下，对比采用传统双闭环控制与本文所提控制策略的仿真结果，来验证无电感参数控制策略的可行性。

图6、图7分别为逆变器并网时采用传统的电压电流双闭环控制策略所得的a相电压电流波形及系统有功、无功功率波形。

图6 基于双闭环控制策略a相电压电流波形

图7 基于双闭环控制策略系统功率波形

图8、图9分别为逆变器并网时采用无电感参数L电流解耦控制的a相电压电流波形及系统有功、无功功率波形。

图8 基于无电感参数控制策略a相电压电流波形

图9 基于无电感参数控制策略系统功率波形

图10、图11分别为逆变器不并网直接与电负载相连时，采用传统双闭环控制时三相电压波形及系统有功、无功功率波形。

图12、图13分别为逆变器不并网直接与负载相连时，采用无电感参数L控制策略时三相电压波形及系统有功、无功功率波形。

根据仿真结果可得，本文提出的控制策略在逆变器并网及不并网运行时都能获得很好的控制性能，验证了无电感参数的电流内环解耦的正确性和可行性。

图10 基于双闭环控制策略三相电压波形

图11 基于双闭环控制策略系统功率波形

图12 基于无电感参数控制策略的三相电压波形

图13 基于无电感参数控制策略系统功率波形

4 结 语

本文对三相电压型PWM逆变器的数学模型进行了详细分析，基于合成矢量的理论，提出了基于同步旋转d、q坐标系下，无电感参数L电流内环解耦的控制策略。该控制策略消除了电感参数测量误差对系统控制性能的影响。仿真结果验证了采用电压外环、无电感参数L电流内环解耦控制策略的正确性和有效性。

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Research on Non-Inductive Parameter Control Strategy of Three-Phase Voltage-Sourced PWM Inverter

DENGZequan1,WANGZhixin1,LUBinfeng2,SHILi3

(1. Department of Electrical Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China;2. Jiaxing Renewable Power Electrical Co., Ltd., Jiaxing 314031, China;3. Shanghai Najie Complete Electric Co., Ltd., Shanghai 201111, China)

Three-phase voltage-sourced PWM inverter achieves better control performance by using the double closed loop control strategy, which is based on current feed-forward decoupling control strategy. When the measured value of the inductor is wrong, the system can’t be completely decoupled. A new double closed loop control strategy was put forward, which was composed of decoupling current controller without exact value of the inductor. The suitable control strategy of three-phase voltage-sourced PWM inverter was attained in MATLAB/Simulink simulation.

non-inductive parameter; three-phase voltage-sourced PWM inverter; simulation

国家863计划(2014AA052005);国家自然科学基金(51377105)；上海市闵行区产学研合作计划(2014MH103)；嘉兴市科技计划(2014BZ15002)

邓泽权

TM 464

A

1673-6540(2015)05-0001-05

2015-01-23