CN101478239A - 三相逆变电源控制方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三相逆变电源控制方法及其装置，包括：由6个功率开关管组成的三相三桥臂逆变桥、由三相滤波电抗器和三相滤波电容构成的输出滤波电路以及三相升压/降压隔离变压器Δ/Y所构成的主电路，采用对负载电压进行分相PI比例积分控制，使三相逆变电源在任意线性或非线性不平衡负载情况下，维持三相输出电压的平衡。在不平衡负载时能始终维持三相逆变电源输出电压的对称、三相幅度相等、电压波形不畸变、输出电压质量高、保证负载能正常地工作。

Description

三相逆变电源控制方法及其装置
技术领域
本发明涉及三相逆变器电源的主电路结构及其该结构电路的控制方法，特别适用于三相任意不平衡负载，也适用于三相逆变电源平衡负载，比如：光伏发电系统中的三相逆变器、工控三相逆变电源的不平衡负载等。
背景技术
三相逆变电源是目前广泛应用的一种电力电子装置，在很多民用场合，通常都要求三相逆变器具有同时向平衡/不平衡、线性/非线性负载的供电能力。理想情况下，三相逆变电源的输出不受负载的影响，但是实际的电源都有一定的输出阻抗，传统的三相逆变器在向不平衡负载供电时会产生三相输出电压的不平衡，导致输出电压波形畸变。负载不平衡造成的原因有：三相负载不平衡(单相空载，两相空载，三相负载阻抗不均等)、三相变压器及交流滤波电抗器参数不对称。三相逆变器工作在不平衡负载情况下，要确保三相输出电压平衡，通常用一种电路拓扑结构和在该电路拓扑结构下的控制方法才能满足三相不平衡负载输出电压的平衡。
常见的三相逆变电源电路拓扑结构有以下几种形式：
(1)组合式三相逆变拓扑：该结构比较复杂，实质上是由3个互差120°的单相全桥逆变器组成。组合式三相逆变器的主电路采用三个单相桥，其输出通过三个单相变压器耦合成三相电路，可以采用三套独立的控制电路以解决三相输出电压不平衡的问题，但由于其使用的开关管较多，控制较复杂。
(2)分裂电容式三相逆变拓扑：该结构是将三相负载的中性点连接到传统三相逆变器的直流侧电容中点，这时三相逆变器等效成为三个独立的单相半桥，可以采用三相分别控制来保证负载不平衡时仍能保持三相输出电压的对称。但此电路存在的缺点是，中性电流直接流过直流链接电容，需要较大的直流滤波电容，增大了成本；此外，两个串联的电容还存在均压的问题，直流电压利用率低。
(3)三相四桥臂逆变拓扑：该结构是在传统的三相逆变拓扑基础上增加了一个第四桥臂，并将负载中性点与第四桥臂中点相连，因此它可直接对中性电流进行控制，具有固有的不平衡处理能力、无需大的直流链接电容和直流电压利用率高的优点。但开关频率低限制了调节带宽，增加一个桥臂也增加了成本，同时开关管控制顺序也相应较复杂，这样易造成开关管误触发，也不适用于输入输出电隔离的逆变器。
在控制方法方面，传统的三相逆变器的控制方法(对称分量法)，其典型工作框图如图1所示，由于三相不对称输出电压中有正序、负序和零序分量存在，对三相逆变器的负载电流分别分解成正序、负序和零序分量，这样就能对各自的单相等效电路求得输出电压的三组对称分量，再利用叠加原理可得总的输出电压，在同步旋转坐标系的PI控制器作用下能使输出电压很好的跟踪参考正弦。但是这种控制器的积分项对于不平衡运行的影响的补偿作用是有限的。如果采用两组PI控制器，一组在同步旋转坐标系的PI控制器用于正序分量的调节，另一组在反向旋转坐标系的PI控制器则补偿负序分量的影响。这种方法改善了逆变器输出的性能，但对于零序分量引起的输出电压不对称依然存在。如果逆变器加入第4桥臂虽然可削弱零序畸变，但开关频率低限制了调节带宽，这也不适用于输入输出电隔离的逆变器，同时增加一个开关桥臂，控制复杂，成本也较高。
通过对称分量法把任意三相不平衡相量分解为三组平衡的三相正序分量、负序分量和零序分量，再用dq变换，通过正序旋转控制器与负序旋转控制器并行控制，使逆变器在带不平衡度较小负载时能基本维持三相平衡的输出电压，如果不平衡度较大，效果很不理想，通过一组仿真数据分析，结果如图2所示，在A相额定负载，B、C相空载和A相额定负载、B相200％负载、C相空载时，其线电压最大之差有8.9V和12.7V。因此这种控制方法获得的输出电压波形质量不高。并且该控制算法计算量大而复杂，即使采用先进的高速DSP数字信号处理，在实际应用中也很难达到实时性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提出了三相逆变电源不平衡负载主电路结构以及针对该主电路结构的控制方法和相应的装置，其具体做法是：
三相逆变电源控制方法，包括：由6个功率开关管组成的三相三桥臂逆变桥、由三相滤波电抗器和三相滤波电容构成的输出滤波电路以及三相升压/降压隔离变压器Δ/Y所构成的主电路，采用对输出三相负载电压进行分相PI比例积分控制，使三相逆变电源在任意线性或非线性不平衡负载情况下，维持三相输出电压的平衡。
用分相控制的方法，确保逆变电源在不平衡负载(线性/非线性)时能始终维持三相逆变电源输出电压的对称、三相幅度相等、电压波形不畸变、输出电压质量高、保证负载能正常地工作。
为达到上述目的，本发明三相逆变电源控制方法的装置，主电路由6个功率开关管组成的三相三桥臂逆变桥，由三相滤波电抗器、三相滤波电容、三相升压/降压隔离变压器Δ/Y构成的输出滤波电路所构成，三相滤波电抗器可包含在三相升压/降压隔离变压器Δ/Y内部，也可以独立在三相三桥臂逆变桥的输出端。
附图说明
图1为现有技术主电路及其控制框图。
图2为图1技术的实验数据列表。
图3本发明主电路及其控制框图。
图4本发明一个实施例的电路图。
图5为图4实施例的实验数据列表。
图6为图4技术的实验数据列表。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
在图3中：RMS是有效值计算；PI是比例积分；SPWM是正弦波脉冲宽度调节，该控制框图和算法简单，能实时控制，对每一相输出电压的PI调节其每一周波的调制比M1、M2、M3，可以使任意一相、两相和三相负载不平衡时都能维持其输出电压跟踪参考电压，即保持三相输出电压对称、幅度和频率相等。
当负载不平衡造成输出负载电压Vout降低时，|Vref-Vout|的值将增加，通过PI计算后的值与正弦调制波(每一相的调制波幅度相等，相差120°，频率为50Hz)相乘后得到一个新的M正弦调制波，该调制波在与三角波比较后得到三相逆变器开关管的触发脉冲序列SPWM(如果开关管是高脉冲触发，此时触发脉冲的脉宽将变宽)，从而使输出电压增加，维持了输出电压的平衡。同理可得其它两相负载变化时能保持输出电压平衡。
由图3可看出本发明的工作原理为：对逆变电源的输出电压分别进行分相控制，通过对变压器的输出线电压采样进行有效值处理后与参考电压作比较，其误差值经过PI调节后与调制波相乘，调节调制比M，经过处理后的调制波再与三角波比较产生SPWM去驱动三相逆变器的开关管，这样每一个周期都根据不同的负载电压改变调制比，使三相三桥臂出来的脉冲序列电压经过LC滤波后输出三相对称、幅度和频率相等的交流电压。当逆变电源的三相输出电压中任意一相/两相/三相负载发生变化，导致三相逆变电源的输出电压发生变化时，通过上述的控制方法调节调制比，能使三相输出电压始终维持平衡，避免了三相输出电压的畸变。根据上述控制方法，对输出三相电压单独取样，取线电压分相PI运算，去调节三个桥臂的SPWM的调制比M1、M2、M3。从测试数据可得，只要改变任意相的调制比M就能改变该相的输出电压，从而使输出电压保持平衡。
实施例1
采用如图4所示的具体电路，主电路由6个功率开关管组成的三相三桥臂逆变桥，由三相滤波电抗器、三相滤波电容、三相升压/降压隔离变压器Δ/Y构成的输出滤波电路所构成，三相滤波电抗器可包含在三相升压/降压隔离变压器Δ/Y内部：VDC是直流电压、T1～T6是开关管、L是电抗器、T是Δ/Y变压器、C是滤波电容。该电路结构简单，在实际应用中，三相滤波电抗器可以独立在电路中，例如独立在三相三桥臂逆变桥的输出端，也可以设计在Δ/Y变压器里。三相滤波电容接在Δ/Y后，滤波效果更好，同时三相滤波电容可以星型接法，也可以三角形接法。采用分相控制的方法，其实验数据如图5所示。从数据可看出，当负载不平衡导致输出电压发生变化时，通过分相控制的方法调节每一相与参考电压有效值相同，相位差120°，从而改变调制比M1、M2、M3，这样始终保持逆变电源的三相输出电压对称，幅度相等。图6为图4技术的实验数据，其线电压最大之差为2.2V，达到了非常满意的效果。
本发明采用插入Δ/Y变压器拓扑电路时，它是在传统逆变器的三相三桥臂与负载之间接入一个Δ/Y变压器，变压器副边绕组用Y接法，而原边Δ形连接可以抑制开关管产生的三次倍谐波，同时通过线电压耦合到变压器的副边，该结构电路简单，通过分相控制能使不平衡负载的输出电压始终保持平衡。
综上理论分析和实验数据，本发明三相逆变电路及其分相控制方法能确保负载不平衡时始终保持输出电压不变，保证设备正常工作。

Claims (4)

1.一种三相逆变电源控制方法，包括：由6个功率开关管组成的三相三桥臂逆变桥、由三相滤波电抗器和三相滤波电容构成的输出滤波电路以及三相升压/降压隔离变压器Δ/Y所构成的主电路，采用对三相输出负载电压进行分相PI比例积分控制，使三相逆变电源在任意线性或非线性不平衡负载情况下，维持三相输出电压的平衡。
2.根据权利要求1所述的三相逆变电源控制方法，其特征在于，对输出三相电压单独取样，取线电压分相PI运算去调节三个桥臂的SPWM的调制比M1、M2、M3。
3.实现权利要求1所述的三相逆变电源控制方法的装置，主电路由6个功率开关管组成的三相三桥臂逆变桥，由三相滤波电抗器、三相滤波电容、三相升压/降压隔离变压器Δ/Y构成的输出滤波电路所构成，其特征在于，三相滤波电抗器可包含在三相升压/降压隔离变压器Δ/Y内部，也可以独立在三相三桥臂逆变桥的输出端。
4.根据权利要求3所述的的装置，其特征在于所述滤波电容连接在变压器后端，滤波电容呈三角形接法。
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