基于降阶谐振控制器的三相逆变器电压控制研究

晏子豪

（university of Sheffield，英国 英格兰 S10 2TN）

当今社会，世界各国的科技水平都在逐步提升，人们在社会建设与经济发展的过程中越发依赖电力能源的使用，而随着环境污染与能源紧缺问题的日益严峻，人们更加注重以可再生能源为核心的发电技术。逆变器应用在电力系统中具有可控性与高效性等优点，可以有效提升电力系统运行效率。

其中，总谐波畸变率是判断逆变器性能的重要指标数据，谐波会直接影响到电力系统的运行质量，导致电能生产与传输效率低下、电力设施使用周期缩短，甚至出现电力设备烧毁问题。

1 三相逆变器输出电压不稳定简介

三相逆变器的不稳定状态会对电网系统造成一定的影响，不稳定的电流会导致电机设备在转动过程中出现机身抖动、噪声等现象，从而大幅度降低电机输出功率，在负载过大的情况下会出现电机过流故障与电机保护装置频繁运作的现象。

如果这种现象不能及时有效地解决，可能会导致电机设备温度逐渐增高，甚至出现电机烧毁事故，严重影响到电机设备使用的安全性。不稳定的输出电压可能会导致部分电力系统在非启动状态下启动运转，导致设备设施出现不正常运转状态，对电力系统整体的安全性与稳定性造成严重影响。

2 三相逆变器电压控制系统模型

在交流电力系统中，不确定性参数与非线性负载是影响电力系统周期跟踪质量的主要原因。逆变器在接入非线性负载时，输出电压中主要以5、7、11等谐波为主，其中5、7次的谐波占比最高。在输出电压质量控制过程中，对占比高的谐波进行科学控制即可有效改善输出电压的质量，保障电压的稳定性能。为保障负载电压是正弦电压，三相逆变器的控制器需要无差别化控制不同的谐波信号，可以利用谐振控制、选择性补偿、瞬时功率理论等方法进行有效控制。

三相逆变器电压控制系统如图1所示。

图1 三相逆变器控制系统模型

图中的iLαβ代表αβ坐标系中的电感电流，u*oαβ代表参考电压，uoαβ代表逆变器输出电压，二者之间的差值信号会通过一个电压控制器，将输出的信号看作电流控制器的参考信号，用i*Lαβ表示，参考电流在去除电感电流后会通过电流控制器，将输出的信号作为PWM的驱动信号，以此控制开关管路的连接与断开。

三相逆变器电压控制系统中电压电流双环控制框图如图2所示。

最外环为电压控制环路，三相逆变器的输出电压与参考电压在比较后能够得到电压偏差，参考电流在通过Gv(s)控制器后可以作为输入内环的信号。内部环路为电流控制环，三相逆变器的电感电流与参考电流在经过比较后经过比例控制器Gi(s)，最后能够得到调制信号。通过对图2系统进行分析能够得知，从理论角度来讲，如果相位补偿谐振控制器的谐振点处于无限增益的状态，那么相位补偿谐振控制器能够对参考电压进行无误差的稳定跟踪，同时，系统整体的输出电压处于稳定状态，不会受到负载电流因素的影响。

图2 逆变系统电压电流双环控制图

3 降阶谐振控制器工作原理

传统的谐振控制器通常是指二阶谐振控制器，即对二阶广义积分器进行科学适当的衍化转变，其内在核心主要是指内模原理，即在控制系统中的反馈系统中植入动力学模型，且保持动力学模型中的交流量相等。二阶谐振控制器中存在两个互相对称的极点，虽然能够同时跟踪特定频率的正负序分量，但是从实质角度来讲并不能做到真正意义的正负序分离。如果将二阶谐振控制器进行科学合理的降阶处理，构造出只具备单一极点的降阶谐振控制器，则可以满足对不同频率的正负序分量进行有效的、独立的无差别跟踪。

降阶谐振控制器能够对逆变器控制系统延迟进行补偿，位于s域的传递函数Rh(s)能够分成两个一阶部分Rh-(s)与Rh+(s)的和。

其中，一阶部分的Rh-(s)与Rh+(s)被称为降阶谐振控制器的传递函数，Kh代表积分增益，h代表谐波次数，ωh=hω1，ω1代表基波角频率，φh代表谐振频率为hω1时的平均补偿相位。

两个一阶部分谐振控制器的传递函数Rh-(s)与Rh+(s)分别在-314rad/s与314rad/s时达到最大增益值，此时h=1，φh=π/4，Kh=2。当处于其他状态时增益值均为0。由此可以得知，当负序频率处满足Rh-(s)、正序频率出满足Rh+(s)时即可保障在预期频率点位得到无限增益，从而有效减少控制器的变量，有效降低计算负担。

4 基于降阶谐振控制器的电压控制

通过上述能够得知，在频率为314rad/s左右的增益远远大于其他频率的增益，理想状态下的降阶谐振控制器能够在特定谐振频率时拥有无限的增益效果。但是需要注意，电力系统的正常频率在实际运行过程中会存在一定程度的数值偏差，偏差范围在0.5Hz左右，会对电力系统的稳定性构成一定的威胁破坏。可以利用增加阻尼项的方法对降阶谐振控制器系统进行有效改进，以此扩大降阶谐振控制器中增益频率的范围。不同的参数条件会呈现出不同的实际增幅效果，通过不断实验能够得知，改进后的降阶谐振控制器在谐振频率点位的增幅效果由Kh参数独立调节，呈现成比例关系，即Kh数值越小，则增益效果越差。谐振频率点位附近的相位特性与带宽情况由增加的阻尼项决定。

5 仿真分析

为了验证本文提出的基于降阶谐振控制器的三相逆变器电压控制系统的真实性与有效性，构建了仿真模拟模型，具体电路参数与控制器参数如表1、2所示。

表1 电路参数

表2 控制器参数

通过仿真模拟能够发现，当三相逆变器不添加谐振控制器时，A相输出电压无法高效跟踪参考电压。A相电压的基频幅度值138.5V，总谐波畸变率为3.2%，其中第五次与第七次的谐波含量相对较高，因此，本文主要对-5与7次谐波控制器的逆变器控制效果进行研究分析，通过数据比对发现，无谐波控制器时三相逆变器输出电压与参考电压之间存在40V左右的数值误差。

通过对添加降阶谐振控制器与不添加降阶谐振控制器的基波与-5和7次降阶谐振控制器后三相逆变器输出电压的波形图进行分析，能够得出结论：此时变压器的输出电压能够有效跟踪参考电压，输出电压与参考电压之间的数值误差从40V缩减到10V左右，逆变器输出电压的追踪性能得到大幅度加强。同时A相电压的基频幅度值在添加降阶谐振控制器与不添加降阶谐振控制器时的数值相差无几，添加降阶谐振控制器后的输出电压的总谐波畸变率在2%左右，没有降阶谐振控制器的输出电压的总谐波畸变率在2.3%左右。因此可以说，添加降阶谐振控制器的三相逆变器对电压系统的实际控制效果更加良好。

仿真模拟试验中，对添加基波、-5以及7次降阶谐振控制器的三相逆变器的电压控制与不添加降阶谐振控制器的数据对比分析，能够发现改进后的A相电压总谐波畸变率明显降低，具体情况如下表3所示。

表3 改进前后的A相输出电压总谐波畸变率

通过表3数据能够得出结论，在依次添加基波、-5次与7次降阶谐振控制器后，三相逆变器输出电压的总谐波畸变率呈现出顺次递减的现象，与不添加降阶谐振控制器的逆变器的总谐波畸变率相比，具有更好的谐波控制效果，能够有效提升电力系统对电力资源的输送、生产与利用效率。

6 结语

电力企业为加强三相逆变器在电力系统中非线性负载运行能力，解决传统电压控制系统中存在的计算体量大、无法开展极性选择等问题，可以使用降阶谐振控制器对电力控制系统进行改革优化。

降阶谐振控制器在实际应用能够有效开展正负序分量独立跟踪作业，具有计算体量较小、反应速度较快、跟踪精确度较高以及动态响应等特点从而为三相逆变器在非线性负载环境中有效控制电压系统提供了良好的技术保障，从而大幅度提升电力控制质量与效率，以帮助我国电力行业快速发展进步。