CN107294416A - 基于曲折型变压器联接的大功率逆变器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于曲折型变压器联接的三相四线制大功率逆变器，属于大功率逆变器技术领域。目的旨在于提供一种基于曲折型变压器联接的三相四线制大功率逆变器及其控制方法，通过变压器副边绕组特殊的接线方式，能抑制零序谐波分量，简化控制。逆变器，包括直流侧及输出端，还包括连接在直流侧与输出端之间的曲折型变压器。方法为：采用同步旋转DQ坐标系下，单电压外环和电压前馈控制，并结合比例积分和重复控制的复合控制策略。本发明与传统四桥臂或三桥臂分裂电容接法相比，简化了控制，降低了硬件成本。

Description

基于曲折型变压器联接的大功率逆变器及其控制方法
技术领域
本发明公开了一种基于曲折型变压器联接的大功率逆变器及其控制方法，属于大功率逆变器技术领域。
背景技术
随着电力电子装置的广泛应用，其对电网造成了严重的谐波污染、中线电流过大和三相不平衡等问题。而三相四线制系统广泛应用于工厂供电和楼宇供电等场合，随着三相四线制系统中大功率逆变电源系统需求不断增加，人们对其输出电压品质要求越来越高，根据国际电工组织IEC62040-3标准，电压畸变率应该低于8％。
三相四线制逆变系统主要有图1所示的四桥臂和图2所示的三桥臂分裂电容两种结构，四桥臂拓扑利用第四个桥臂对零序分量进行补偿，易于控制，但其主电路需要更多的功率器件，增加了硬件成本。三桥臂分裂电容接法，需要对直流侧两个电容电压进行平衡控制，增加了控制的复杂性。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明的目的旨在于提供一种基于曲折型变压器联接的三相四线制大功率逆变器，通过变压器副边绕组特殊的接线方式，能抑制零序谐波分量，简化控制。针对四线制系统带不平衡负载和非线性负载导致输出电压波形畸变严重的问题，通过建立逆变器的数学模型，采用结合比例积分和重复控制的复合控制策略，降低了输出电压畸变率，并保证了系统的动态响应速度。
具体的，基于曲折型变压器联接的三相四线制大功率逆变器，包括直流侧及输出端，所述三相四线制大功率逆变器还包括连接在直流侧与输出端之间的曲折型变压器。
进一步的，所述曲折型变压器曲折型变压器型号为DZn0。
进一步的，所述曲折型变压器结构结构为：
同一心柱副边曲折绕组分为两个绕组部分，两个绕组分别流过不同相的二次侧电流，零序分量在同一心柱上产生的磁势大小相等，方向相反。
进一步的，所述直流侧包括直流侧电容及与直流侧电容并联的功率开关器件组，每个功率开关器件组包括两个串联的功率开关器件。
进一步的，所述输出端的任意两相之间连接桥臂滤波电容。
本发明还提供了了一种基于曲折型变压器联接的三相四线制大功率逆变器的控制方法，所述方法为：
采用同步旋转DQ坐标系下，单电压外环和电压前馈控制，并结合比例积分和重复控制的复合控制策略。
本发明的有益效果在于：本发明的一种基于曲折型变压器联接的三相四线制大功率逆变器及其控制方法，利用曲折型变压器联接，实现逆变器与负载间的隔离和零序谐波分量的抑制。采用同步旋转DQ 坐标系下，单电压外环和电压前馈控制，并结合比例积分和重复控制的复合控制策略，降低了逆变器带不平衡负载和非线性负载时输出电压的畸变率。与传统四桥臂或三桥臂分裂电容接法相比，简化了控制，降低了硬件成本。
附图说明
图1为三相四桥臂四线制逆变器的电路图；
图2为三相三桥臂分裂电容四线制逆变器的电路图；
图3为本发明逆变器的电路图；
图4a为曲折型变压器绕组接线图；
图4b为曲折型变压器绕组向量图；
图5为曲折型变压器的单相等效电路图；
图6为图3的等效电路图；
图7为系统整体控制框图；
图8为带400KVA整流性负载电压电流波形图；
图9为带320KW整流性负载电压电流波形图；
图10为带320KW电阻性负载瞬投电压电流波形图；
图11为带320KW电阻性负载瞬卸电压电流波形图；
图12为逆变器单相带电阻性负载电压电流波形图；
图13为逆变器单相带整流性负载电压电流波形图。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：
图3为三相三桥臂四线制逆变器主电路，Cd为直流侧电容，Sj1,Sj2为功率开关器件，j＝a,b,c；Uj为逆变器输出电压。利用曲折型变压器实现输出负载端与逆变器的隔离，曲折型变压器型号为DZn0，其绕组联接方式和向量图分别如图4a、图4b所示，Ca,Cb,Cc为桥臂滤波电容，滤波电感由变压器漏感代替。
该变压器结构中，同一心柱副边曲折绕组分为两个绕组部分，两个绕组分别流过不同相的二次侧电流，零序分量在同一心柱上产生的磁势大小相等，方向相反，可使零序谐波电流经过曲折变压器而不再经过中性线，起到抑制零序性谐波的作用。其单相等效电路如图5所示，Z1为系统阻抗，Z0为曲折型变压器电抗。由于曲折型变压器对零序性谐波是阻抗值很低的通路，零序性谐波经过曲折变压器而不再通过中性线，起到抑制零序谐波的作用。该接线方式可同时给对称负载和非对称负载供电，保证二次相电压的对称。
逆变器控制策略
常规逆变器输出电压电流双闭环控制，具有动态响应快的优点，然而，大功率逆变器输出电流传感器成本较高，且不易选择。当逆变器带非线性整流性负载时，电流峰值是有效值的3倍以上，不太好选择电流传感器。由于曲折接线变压器抑制零序谐波，在同步旋转DQ 坐标系只考虑DQ轴下的电压控制，图3的主电路可以等效成图6所示。
建立其同步旋转DQ坐标系下数学模型：
本方案采用同步旋转DQ坐标系下单电压环控制，控制器由PI控制和重复控制并联构成，采用电压前馈控制，并结合空间矢量脉宽调制方法(SVPWM)。系统整体控制框图如图7所示。
下面对图7所示的控制框图做进一步说明，采用的控制方法与传统四桥臂DQ0旋转坐标系控制方法类似，只是采用本方案拓扑结构只需要进行DQ轴的控制，零序分量由曲折型变压器特殊绕组接线方式来抑制。采用重复控制用来改善周期性整流性负载时输出波形的控制，PI控制用来改善系统动态性能，复合控制由PI控制和重复控制并联构成，结合两者的优点。同时采用单电压闭环控制，省掉电流传感器，同时采用电压前馈控制，进一步提高系统的动态性能。
为了验证本发明所提方法的正确性和可行性，搭建了400KVA三相三桥臂四线制逆变器工程样机。主控芯片采用TMS320F2812数字信号处理器(DSP)，选用两个英飞凌FZ900R12KE4单管并联作为逆变器的功率开关，每个桥臂由四个单管构成，两两并联。曲折型变压器原副边匝比350:415，漏感0.2mH，滤波电容为1200uF。图8为逆变器带400KVA整流性负载时，电压电流波形，电压畸变率仅为7.8％。图9为逆变器带320KW电阻性负载时，电压电流波形，电压畸变率仅为0.8％。图10和图11为逆变器带320KW电阻性负载，瞬投和瞬卸时电压电流波形，电压波形动态响应好。图12和图13为逆变器单相带电阻性和整流性负载，三相电压波形，由图可知，逆变器带不平衡载时，电压波形畸变率低。
本发明的三相四线制大功率逆变器系统，利用曲折型变压器联接，实现逆变器与负载间的隔离和零序谐波分量的抑制。采用同步旋转DQ坐标系下，单电压外环和电压前馈控制，并结合比例积分和重复控制的复合控制策略，降低了逆变器带不平衡负载和非线性负载时输出电压的畸变率。与传统四桥臂或三桥臂分裂电容接法相比，简化了控制，降低了硬件成本。
对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于曲折型变压器联接的三相四线制大功率逆变器，包括直流侧及输出端，其特征在于，所述三相四线制大功率逆变器还包括连接在直流侧与输出端之间的曲折型变压器。
2.如权利要求1所述的基于曲折型变压器联接的三相四线制大功率逆变器，其特征在于，所述曲折型变压器曲折型变压器型号为DZn0。
3.如权利要求1所述的基于曲折型变压器联接的三相四线制大功率逆变器，其特征在于，所述曲折型变压器结构结构为：
同一心柱副边曲折绕组分为两个绕组部分，两个绕组分别流过不同相的二次侧电流，零序分量在同一心柱上产生的磁势大小相等，方向相反。
4.如权利要求1至3任一项所述的基于曲折型变压器联接的三相四线制大功率逆变器，其特征在于，所述直流侧包括直流侧电容及与直流侧电容并联的功率开关器件组，每个功率开关器件组包括两个串联的功率开关器件。
5.如权利要求1至3任一项所述的基于曲折型变压器联接的三相四线制大功率逆变器，其特征在于，所述输出端的任意两相之间连接桥臂滤波电容。
6.一种根据权利要求1至5任一项所述的基于曲折型变压器联接的三相四线制大功率逆变器的控制方法，所述方法为：
采用同步旋转DQ坐标系下，单电压外环和电压前馈控制，并结合比例积分和重复控制的复合控制策略。
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