基于组合式拓扑的三相逆变电路设计与仿真

孙国文，赵徐成，刘章龙

（空军勤务学院航空四站系，江苏徐州221000）

基于组合式拓扑的三相逆变电路设计与仿真

孙国文，赵徐成，刘章龙

（空军勤务学院航空四站系，江苏徐州221000）

针对三相负载不平衡的波形畸变和输出电压不对称等问题，应用三相组合式逆变拓扑原理进行了逆变电路设计，满足了不平衡负载对逆变器的要求，提升了逆变电路的可靠性。通过仿真验证，证明了电路设计的合理性和有效性。关键词：组合式拓扑；三相逆变电路；仿真

三相负载不平衡和负载突变可能导致逆变器输出波形畸变、输出电压不对称和谐波含量增加，并且导致三相逆变电路的不平衡运行，从而降低可靠性。而对于负载而言，三相不平衡可能会造成三相负载中电磁元件过热，单相负载某几个设备工作于过压或欠压状态，从而影响设备正常工作，甚至损坏设备。针对这些问题，本文采用三相组合式逆变拓扑原理进行了电路设计与仿真，使逆变器具有了更好的稳态、动态性能和极强的带三相不平衡负载的能力[1，2]。

1 三相组合式逆变拓扑原理

三相组合式逆变拓扑是将三个带有隔离变压器的单相逆变器组合在一起，使其输出电压相位互差120°，输入端共用直流母线，输出端共用地线，构成三相四线制逆变结构[3]，如图1所示。采用电压电流双闭环控制与重复控制相结合的复合控制策略进行逆变器的控制[4]，如图2所示。

图1 三相组合式逆变拓扑

图2 逆变器复合控制方案框图

2 逆变控制器设计

对逆变器控制系统设计主要包括电压电流双闭环控制器和加入重复控制的控制器两部分设计，由于组合式三相逆变器中三个独立单相的电气参数一致，因此在进行控制器设计中均以逆变输出相进行说明。

（1）双闭环控制器设计

双闭环控制器设计主要包括电流内环控制器和电压外环控制器两部分，其中电流内环控制器可以使逆变器能够快速跟踪实际输出电流，实现系统的快速响应；电压外环控制器能维持输出电压稳定，为电流内环反馈给定输入电流参考值[5]。三相静止标系下逆变器A相输出双闭环控制系统等效框图如图3所示。

图3 逆变器A相双闭环控制系统等效框图

其中：G1（s）为电压调节器；G2（s）为电流调节器；r为等效电阻；C为交流滤波电容；L为交流滤波电感；α为电流前反馈系数。图3控制系统中电压调节器G1（s）采用PI调节，电流调节器G2（s）采用P调节。

（2）加入重复控制的控制器设计

在图3逆变器A相输出双闭环控制系统基础上加入重复控制器，得到控制系统的等效框图如图4所示。图4中控制系统前端中重复控制器的系统框图如图5所示。

图4 重复控制系统等效框图

图5 逆变器控制系统前端重复控制器系统框图

3 逆变控制系统仿真验证

根据上节中的逆变电路的控制策略，在环境下进行系统的仿真验证，系统仿真结构模型如图6所示。

图6 逆变器仿真模型

下面是系统在不同状态下的仿真波形及相关分析。首先对稳定状态下逆变器的工作特性及带载能力进行仿真验证。

图7为逆变器空载稳态时三相输出电压仿真波形，可以看出逆变器三相输出电压稳定。图8为逆变器满载稳态时三相输出电压电流仿真波形，可以看出逆变器能保持良好的波形质量。

图7 逆变器空载稳态电压波形

图8 逆变器满载稳态输出波形

图9 为逆变器接不平衡负载（相满载，相空载）时稳态输出电压仿真波形，从仿真波形可以看出逆变器对三相不平衡负载引起的波形畸变有良好的调节作用，输出对称稳定的为三相正弦电压。

图10 逆变器输出电压及A相电流变化图

保持B、C两相空载不变，在A相电压峰值处突加负载为满载（容量40 kW），如图10所示。可知，负载波动时，逆变器控制系统可以根据负载变化进行调节，使输出电压和电流快速进入稳定状态。

图9 逆变器接不平衡负载三相电压输出波形图

4 结束语

综合对组合式三相逆变系统仿真波形的分析可知，组合式三相逆变器具有良好的稳态、动态性能和极强的带三相不平衡负载的能力，满足了不平衡负载对逆变器的要求。

[1]郑志曜，孙钦斐，王江波，等.组合式三相逆变器同步控制方法[J]．农业工程学报，2015，31（5）：146-151.

[2]刘春喜，任庆吉，陈鹏荣，等.大容量中频逆变器的非线性与不平衡补偿技术[J]．电力电子技术，2014，48（12）：63-66.

[3]李彦斌，张安堂，冯丹.电力系统组合式三相逆变器电压稳定性研究[J]．计算机仿真，2015，32（11）：156-160.

[4]曹太强，祁强，王军.三相逆变电源不平衡负载控制方法研究[J].电机与控制学报，2012，16（4）：50-55.

[5]周洁，罗安，陈燕东，等.低压微电网多逆变器并联下的电压不平衡补偿方法[J]．电网技术，2014，38（2）：412-418.

Design and Simulation of Three-phase Inverter Circuit Based on Combined Topology

SUN Guo-wen，ZHAO Xu-cheng，LIU Zhang-long
（Air Force Service Station，Xuzhou Four，Xuzhou Jiangsu 221000，China）

In order to solve the problem of asymmetric waveform distortion and output voltage asymmetry，the three-phase combined inverter topology principle is used to design the inverter circuit to meet the requirements of the unbalanced load on the inverter.The simulation results show that the circuit design is reasonable and effective. Key words：modular topology；three-phase inverter circuit；simulation

TM133

A

1672-545X（2017）06-0194-03

2017-03-26

孙国文（1993-），男，四川威远人，在读研究生，研究方向：航空四站保障技术与信息化。