專利名稱：三相四橋臂逆變器及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電能變換領(lǐng)域中分布式發(fā)電系統(tǒng)用三相四橋臂逆變器及其控制方法，特別是一種利用三維空間矢量中Y分量的特定作用，消除分布式發(fā)電系統(tǒng)輸出電壓的不平衡和各種畸變的三相四橋臂逆變器及控制方法。
背景技術(shù)：
分布式發(fā)電技術(shù)和微電網(wǎng)技術(shù)可以較好地利用新的可再生能源發(fā)電并提高發(fā)電的效率，因此，作為公用電網(wǎng)供電的補(bǔ)充，具有較大的發(fā)展?jié)摿?，特別是對于偏遠(yuǎn)地區(qū)，分布式發(fā)電系統(tǒng)更是具有獨(dú)特的優(yōu)點，不但可以避免遠(yuǎn)距離送電網(wǎng)路建設(shè)的巨大費(fèi)用，而且可以提供可靠的綠色電力，在必要的時候，可以與整個電網(wǎng)系統(tǒng)形成相互補(bǔ)充。雖然分布式發(fā)電技術(shù)和微電網(wǎng)技術(shù)具有上述優(yōu)點，但建立真正經(jīng)濟(jì)可靠、供電質(zhì)量優(yōu)良的分布式發(fā)電系統(tǒng)還存在一系列問題需要解決。在整個供電系統(tǒng)中，既有三相負(fù)載又有單相負(fù)載，既有線性負(fù)載又有非線性負(fù)載，這些復(fù)雜用電設(shè)備的使用使我們的供電系統(tǒng)經(jīng)常處于三相不平衡狀態(tài)，影響供電質(zhì)量。三相四線逆變器通過中線提供零序電流通路，具有了帶不平衡負(fù)載的能力和電路形式簡單，體積小，電壓利用率高等優(yōu)點，在實際中具有廣闊的應(yīng)用前景，在微型燃機(jī)發(fā)電、 太陽能發(fā)電(光伏電池、光熱發(fā)電)、風(fēng)力發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電等領(lǐng)域得到廣泛使用。傳統(tǒng)的三相四線變換器的拓?fù)湫问接薪M合式逆變器、工頻變壓器隔離的三相四線逆變器、分裂電容三相四線逆變器等，其缺點已被大多數(shù)學(xué)者認(rèn)可。目前，對三相四橋臂逆變系統(tǒng)常用的控制方法有電流滯環(huán)控制，中性點控制，正序負(fù)序零序控制，PI(比例-積分)控制，特定諧波消除法，滑模控制法和最優(yōu)控制等。這些控制方法在一定的程度上解決了帶三相不平衡負(fù)載的問題，但往往會含有另外一些缺點， 如控制算法復(fù)雜，輸出負(fù)載的電流諧波含量大等，從而一定程度上影響了負(fù)載的使用壽命。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于目前三相四臂逆變器及其控制手段存在的不足，本發(fā)明的目的是設(shè)計一種體積小、重量輕、可靠性高、對非線性和不平衡負(fù)載的適應(yīng)性廣的三相四臂逆變器系統(tǒng)，并針對本發(fā)明的三相四臂逆變器提供一種動態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)壓精度高、輸出電壓平衡且畸變率小、 簡單可行的三相四橋臂逆變系統(tǒng)控制方法。本發(fā)明的三相四臂逆變器及其控制方法達(dá)到了上述設(shè)計目的。本發(fā)明的三相四橋臂逆變器，由整流電路，直流濾波電路，三相四橋臂逆變電路， 交流濾波電路，電流、電壓采樣電路，DSP (數(shù)字信號處理器)控制器，光耦隔離電路，電源電路構(gòu)成，其特征在于整流電路，直流濾波電路，三相四橋臂逆變電路，交流濾波電路的輸入端和輸出端首尾順序相連，電流、電壓采樣電路在交流濾波電路輸出端采集的電流、電壓信號饋給DSP控制器，DSP控制器的輸出信號經(jīng)光耦隔離電路隔離后饋給三相四橋臂逆變電路；所述的三相四橋臂逆變器電路由八個開關(guān)管反并聯(lián)二極管組成，每個橋臂由兩個開關(guān)管串聯(lián)組成，串聯(lián)中間連接點為各橋輸出端，另外兩個端點分別接三相四橋臂逆變電路的輸入端，三相四橋臂逆變電路的輸入端并聯(lián)連接兩個串聯(lián)連接的儲能電容，每個儲能電容分別并聯(lián)有等值的均壓電阻。本發(fā)明的三相四橋臂逆變器，與傳統(tǒng)逆變器相比，具有體積小、重量輕、電路簡單、 動態(tài)性能好、電壓利用率高等特點，特別適合應(yīng)用于分布式并網(wǎng)和微電網(wǎng)等場合。本發(fā)明同時還針對上述的三相四橋臂逆變器，提出了一種對系統(tǒng)輸出電壓的控制方法，其特征在于將傳統(tǒng)的三維空間矢量分解成二維空間矢量和Y矢量，結(jié)合PI(比例-積分)控制器，通過對Y分量的控制產(chǎn)生第四橋臂的PWM(脈沖寬度調(diào)制)，使之對各種因素引起的輸出電壓不平衡進(jìn)行全補(bǔ)償，并充分利用二維空間矢量的優(yōu)點對前三橋進(jìn)行控制，該控制方法的步驟如下(1)、對輸出電流、電壓信號進(jìn)行采樣；(2)、將反饋的三相電壓進(jìn)行空間矢量變換，提取α、β、Y分量；(3)、α、β分量用來控制前三橋臂，采用二維空間矢量進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生PWM，具體操作如下a、采樣三相電壓信號；b、與給定的三相電壓信號比較，得出三相電壓差值A(chǔ)ua、Aub, Auc ；C、將三相電壓差值進(jìn)行空間矢量旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，得出d、q分量；d、對d，q分量進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，并對調(diào)節(jié)后的d，q分量進(jìn)行空間矢量逆變換，得出 Δ Ua'、Aub'、Auc'；e、根據(jù)Aua‘、Aub'、Δ Uc ‘確定扇區(qū)，確定非零矢量以及各非零矢量的作用時間；f、確定各開關(guān)矢量作用順序，輸出前三橋PWM ；、將Y分量加上反饋回來的三相電流之和作為調(diào)制信號，并對合成的信號進(jìn)行PI調(diào)節(jié)；(5)將三角波作為載波與調(diào)制信號比較產(chǎn)生SPWM，控制第四橋臂。本發(fā)明的工作原理如下本控制方法對三相四橋逆變器的前三橋和第四橋分開控制。前三橋采用傳統(tǒng)的二維空間矢量控制，可以保證三相電壓的頻率和幅值一定，并保持一定的相位差。通過對第四橋開關(guān)管通斷的控制，達(dá)到對各種因素引起的輸出電壓不平衡進(jìn)行全補(bǔ)償?shù)哪康?。在第四橋的控制中，反饋回來的三相電壓通過三維空間矢量變換，得出實際的不平衡分量，即需要控制的Y分量。設(shè)前三橋的開關(guān)頻率為f，則第四橋的開關(guān)頻率為2f。前三橋每產(chǎn)生一種開關(guān)狀態(tài)，第四橋中的開關(guān)管開通、關(guān)斷各一次。在前三橋的開關(guān)狀態(tài)中， 相鄰的兩個開關(guān)狀態(tài)Y分量正好大小相等、方向相反。可采用三角波為載波，反饋回來的信號為調(diào)制波，來產(chǎn)生第四橋的P·(脈沖寬度調(diào)制)。為了提高控制的精度，對反饋信號進(jìn)行PI (比例-積分)調(diào)節(jié)，并反饋三相負(fù)載電流改進(jìn)調(diào)制信號，反變換通過SVM(空間矢量脈寬調(diào)制)控制，最終決定逆變器輸出電壓的幅值和頻率，以及三相電壓之間的相位差，這樣就抵消了由于負(fù)載不平衡和其他畸變對輸出電壓產(chǎn)生的影響。四橋臂逆變系統(tǒng)控制策略主要有以下幾方面(1)前三橋和第四橋分開控制；前三橋采用傳統(tǒng)的二維空間矢量，反饋的三相電壓通過坐標(biāo)變換后，經(jīng)過PI (比例-積分)調(diào)節(jié)，最后反變換通過SVM控制實現(xiàn)，最終決定逆變器輸出電壓的幅值和頻率，以及三相電壓之間的相位差。第四橋通過對Y分量的控制對各種因素引起的輸出電壓不平衡進(jìn)行全補(bǔ)償。 (2)在三相電路中，設(shè)三相電壓為ua，ub, u。，三相電壓的表達(dá)式如下
權(quán)利要求
1.一種三相四橋臂逆變器及控制方法，其特征在于將傳統(tǒng)的三維空間矢量分解成二維空間矢量和Y矢量，結(jié)合PI控制器，通過對Y分量的控制產(chǎn)生第四橋臂的PWM使之對各種因素一起的輸出電壓不平衡進(jìn)行全部償，并充分利用二維空間矢量的優(yōu)點對前三橋進(jìn)行控制，該控制方法的步驟如下(1)、對輸出電流、電壓信號進(jìn)行采樣；O)、將反饋的三相電壓進(jìn)行空間矢量變換，提取α、β、Y分量； (3)、α、β分量用來控制前三橋臂，采用二維空間矢量進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生PWM，具體操作如下a、采樣三相電壓信號；b、與給定的三相電壓信號比較，得出三相電壓差值A(chǔ)ua、Aub,Δuc ； C、將三相電壓差值進(jìn)行空間矢量旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，得出d、q分量；d、對d，q分量進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，并對調(diào)節(jié)后的d，q分量進(jìn)行空間矢量逆變換，得出ΔUa‘、Δ Ub'、Auc'；e、根據(jù)Aua‘, Δub‘ , Auc‘確定扇區(qū)，確定非零矢量以及各非零矢量的作用時間；f、確定各開關(guān)矢量作用順序，輸出前三橋PWM;、將Y分量加上反饋回來的三相電流之和作為調(diào)制信號，并對合成的信號進(jìn)行PI調(diào)節(jié)；(5)將三角波作為載波與調(diào)制信號比較產(chǎn)生SPWM，控制第四橋臂。
2.一種應(yīng)用于權(quán)利要求1控制方法的三相四橋臂逆變器裝置，由整流電路0)，直流濾波電路(3)，三相四橋臂逆變電路G)，交流濾波電路(5)，電流電壓采樣電路(8、9)，DSP控制器(7)，光耦隔離電路(10)，電源電路(6)構(gòu)成，其輸入端與輸入電能⑴相連，其輸出端與負(fù)載連接，整流電路，直流濾波電路，三相四橋臂逆變電路，交流濾波電路的輸入端和輸出端首尾順序相連，電流、電壓采樣電路在交流濾波電路輸出端采集的電流、電壓信號饋給 DSP控制器，DSP控制器的輸出信號經(jīng)光耦隔離電路隔離后饋給三相四橋臂逆變電路；所述的三相四橋臂逆變器電路由八個開關(guān)管反并聯(lián)二極管組成，每個橋臂由兩個開關(guān)管串聯(lián)組成，串聯(lián)中間連接點為各橋輸出端，另外兩個端點分別接三相四橋臂逆變電路的輸入端，其特征在于三相四橋臂逆變電路的輸入端并聯(lián)連接兩個串聯(lián)連接的儲能電容，每個儲能電容分別并聯(lián)有等值的均壓電阻。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三相四橋臂逆變器裝置，其特征在于該DSP控制器(7)采用的控制芯片為TMS320F2812，三相四橋臂逆變器采用雙列直插型智能功率模塊。
全文摘要
本發(fā)明是一種三相四橋臂逆變器及控制方法，逆變器由整流，直流濾波，三相四橋臂逆變電路，交流濾波，采樣，DSP控制器，光耦隔離及電源電路構(gòu)成，其輸入端并聯(lián)連接兩個串聯(lián)連接的儲能電容，每個儲能電容分別并聯(lián)有等值的均壓電阻。該控制方法提出了一種基于三維空間矢量中γ分量控制方法，將傳統(tǒng)的三維空間矢量分解成二維空間矢量和γ矢量，結(jié)合PI控制器，通過對γ分量的控制產(chǎn)生第四橋臂的PWM使之對各種因素引起的輸出電壓不平衡進(jìn)行全補(bǔ)償，并充分利用二維空間矢量的優(yōu)點對前三橋進(jìn)行控制。該控制方法簡單可行，動態(tài)響應(yīng)快，穩(wěn)壓精度高，輸出電壓平衡且諧波畸變率小，在不平衡和非線性負(fù)載的情況下具有很好的控制特性。
文檔編號H02M7/5387GK102570889SQ201110000309
公開日2012年7月11日 申請日期2011年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月4日
發(fā)明者張曉勇, 彭宏, 王軍 申請人:西華大學(xué)