CN111371106B - 一种基于锁相环的分序的三相四桥臂逆变器控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于锁相环的分序的三相四桥臂逆变器的控制系统及控制方法，首先采用对称分量法将三相四桥臂逆变器输出的三相不对称电压以及电感电流分解成正序、负序、零序电压、电流分量；其次将提取出的负序和零序分量经过适当的坐标旋转变换，使得负序和零序分量转换为正序坐标系下的负序和零序分量，然后采用基于锁相环的同步旋转坐标变换，使得提取的正序、负序、零序分量变换到dq0旋转坐标下，然后将经过双环PI控制的三序分量进行反Park和反Clark变换，将三序分量进行叠加得到三维空间矢量调制算法的瞬时参考电压。本发明有效简化了传统双同步旋转坐标系的负序分量的转换算法，减少了调节时间，使得系统更快的趋于稳定。

Description

一种基于锁相环的分序的三相四桥臂逆变器控制系统及控制 方法

技术领域

本发明属于电网技术控制领域，涉及一种基于锁相环的分序的三相四桥臂逆变器控制系统及控制方法。

背景技术

随着计算机技术、网络技术、通信技术的发展，各种用电设备如电动汽车等对电能质量提出了越来越高的要求，保证三相电压的对称输出是对其最基本的要求。车载UPS，主要用于对车辆上的需要交流供电的设备供电，目的是解决车辆上没有交流市电的问题，使多种设备可用于驾车远行。然而系统中三相不平衡负载带来的三相电压不平衡问题是独立供电系统所面临的主要问题。为了能够有效地改善三相电压不平衡问题，通常采用的方法有：使用带Δ/Yn变压器的三相三桥臂变流器为不平衡负载提供零序电流通路，但其工频变压器体积大、成本高。还有就是采用无变压器型的分裂电容式三相四线制变流器拓扑来控制，但该方法直流电压利用率低，需要较大电容量来减小零序电流带来的影响。三相四桥臂拓扑结构具有电路形式简单、体积小、重量轻、电压利用率高等优点，并且第四桥臂在为中线电流提供通路的同时提高了控制自由度。

而针对三相四桥臂结构的调制策略也有很多，如采用三次谐波注入法、电流跟踪控制法、基于αβγ坐标系的三维空间矢量调制法等，这些控制方法在一定程度上都能够有效地解决三相不平衡负载所带来的三相不平衡电压问题，但同时也具有输出的负载电流的谐波含量大、控制参数适应能力差、算法过于复杂等问题。

发明内容

发明目的：为解决现有技术的不足，本发明提供一种基于锁相环的分序的三相四桥臂逆变器控制系统及控制方法。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于锁相环的分序的三相四桥臂逆变器的控制系统，包括相序分离模块、直流参考电压计算模块、瞬时参考电压计算模块和脉冲信号产生模块，其中，相序分离模块的输入接三相四桥臂逆变器输出，相序分离模块的输出接直流参考电压计算模块的输入，直流参考电压计算模块的输出接瞬时参考电压计算模块的输入，瞬时参考电压计算模块的输出接脉冲信号产生模块的输入，脉冲信号产生模块的输出接三相四桥臂逆变器的控制输入端。

可选的，相序分离模块采用对称分量法把三相四桥臂逆变器输出的三相不对称电压U_O分解成正序、负序、零序电压分量U⁺ _O、U^- _O和U⁰ _O，以及电感电流I_L分解成正序、负序、零序电流分量I⁺ _L、I^- _L和I⁰ _L；其中，U_O包括A、B、C三相电压U_A、U_B、U_C；I_L包括A、B、C三相电感电流i_A、i_B、i_C。

可选的，直流参考电压计算模块具体包括正序控制模块、负序控制模块和零序控制模块，其中，正序控制模块包括第一正序控制器，正序电压分量U⁺ _O和正序电流分量I⁺ _L直接输入第一正序控制器，第一正序控制器采用基于幅值裕度和相角裕度要求的双环电压PI控制算法对分离出来的正序电压分量、正序电流分量进行计算，得到正序参考电压U⁺ _dq和正序参考电压锁相角θ；

负序控制模块包括负序坐标变换和第二正序控制器，负序电压分量U^- _O和负序电流分量I^- _L经过负序坐标变换后得到变换后的正序坐标系下的负序电压分量U⁺′_O和负序电流分量I⁺′_L，U⁺′_O和I⁺′_L分别定义为负序电压分量U^- _O和负序电流分量I^- _L经过负序坐标变换后得到变换后的正序坐标系下的负序电压分量和负序电流分量，然后输入第二正序控制器，第二正序控制器采用基于幅值裕度和相角裕度要求的双环电压PI控制算法对U⁺′_O和I⁺′_L进行计算，得到负序参考电压U⁺′_dq和负序参考电压的锁相角θ′；

零序控制模块包括零序坐标变换和第三正序控制器，零序电压分量U⁰ _O和零序电流分量I⁰ _L经过零序坐标变换后得到变换后的零序电压分量U⁺″_O和零序电流分量I⁺″_L，U⁺″_O和I⁺″_L分别定义为零序电压分量U⁰ _O和零序电流分量I⁰ _L经过零序坐标变换后得到变换后的零序电压分量和零序电流分量，然后输入第三正序控制器，第三正序控制器采用基于幅值裕度和相角裕度要求的双环电压PI控制算法对U⁺″_O和I⁺″_L进行计算，得到零序参考电压U⁺″_dq和零序参考电压锁相角θ″。

可选的，瞬时参考电压计算模块包括正序反Park变换、正序反Clark变换、负序坐标反变换、零序坐标反变换和交流参考电压合成模块；其中，正序反Park变换将所得到的正序参考电压U⁺ _dq、负序参考电压U⁺′_dq和零序参考电压U⁺″_dq分别进行坐标变换到αβ坐标系下，进而将正序参考电压、负序参考电压和零序参考电压的直流量分别转换为交流量U⁺ _αβ、U⁺′_αβ和U⁺″_αβ；然后正序αβ坐标系下的交流量U⁺ _αβ、U⁺′_αβ和U⁺″_αβ分别经过正序反Clark变换后，将交流量分别转换为正序静止abc坐标系下的交流量U^+*、U⁺′^*和U⁺″^*；交流量U^+*直接输入交流参考电压合成模块；交流量U⁺′^*经过负序坐标反变换后得到U^-*，然后输入交流参考电压合成模块；交流量U⁺″^*经过零序坐标反变换后得到U^0*，然后输入交流参考电压合成模块。

可选的，交流参考电压合成模块将得到的三个静止abc坐标下正序的分量做相应变换，其中负序分量对B、C相分量进行互换后叠加到相应的正序A、B、C相，而零序分量仅仅需要对A相分量分别加到正序和负序分量的A、B、C三相分量上面，即可得到三维空间矢量调至算法的瞬时参考电压。

可选的，脉冲信号产生模块具体包括3D-SVPWM控制器，3D-SVPWM控制器基于abc静止坐标系和双零开关矢量占空比排列方式的三维空间矢量调制算法，用于根据所述瞬时参考电压的三相电压信号产生控制三相四桥臂逆变器的脉冲信号。

本发明还提供了一种基于锁相环的分序的三相四桥臂逆变器的控制方法，包括以下步骤：

(1)采用对称分量法将三相四桥臂逆变器输出的三相不对称电压以及电感电流分解成正序、负序、零序电压、电流分量；

(2)将分离出来的负序和零序电压、电流分量进行坐标转换到相应的正序分量坐标系下，从而得到三个正序分量，对三个正序分量进行锁相和Clark变换，从而得到dq旋转坐标系下的三对直流分量；

(3)将三对dq坐标系下的直流分量进行dq解耦，并对直流分量双环PI控制，将得到的输出分量进行反Park和反Clark变换，最后将三序分量进行叠加，进而得到瞬时参考电压；

(4)将上述得到的瞬时参考电压给相应的三维空间矢量调制模块，进而得到三相四桥臂逆变器的驱动信号。

进一步的，步骤(1)具体为：

假设输出三相不对称电压为U_A、U_B、U_C，电感电流也同理为i_A、i_B、i_C，以输出三相电压来进行推导；由对称分量法的提取公式：

其中，U_ap、U_bp、U_cp分别表示正序分量的三相电压，即U⁺ _O；U_an、U_bn、U_cn分别表示负序分量的三相电压，即U^- _O；U_a0、U_b0、U_c0分别表示零序分量的三相电压，即U⁰ _O；a表示对变量做逆时针120°的旋转变换，a²表示对变量做逆时针240°的旋转变换。

进一步的，步骤(2)具体为：

保持正序分量不变，对负序分量的B、C相分量进行坐标互换，得到一个变换到正序坐标的负序分量，对零序分量的B、C相分量分别作240°和120°的旋转得到一个变换到正序坐标的零序分量，即直接对输出的三相电压作如下变换得到变换后的零序分量U'_a0、U'_b0、U'_c0：

其中，U_A、U_B、U_C分别为输出三相不对称电压，a表示对变量做逆时针120°的旋转变换，a²表示对变量做逆时针240°的旋转变换；

然后以正序分量来进行推导Clark变换，得到dq0坐标系的直流分量：

[x_d x_q x₀]^T＝T*[x_a x_b x_c]^T；

其中，x_d、x_q、x₀分别表示dq0旋转坐标下的各个分量，x_a、x_b、x_c表示三相静止abc坐标系下的各个分量，ωt表示做Clark变换的初始相位θ，即正序参考电压锁相角，对变换后的正序dq分量进行锁相，锁相的原理是对q轴分量进行PI控制，只要保证控制后的q轴分量为零，所得到的d轴分量就与所述的dq轴合成矢量重合，表明此时对d轴分量进行了无差跟踪，从而得到dq旋转坐标系下的三对直流分量。

进一步的，步骤(3)具体为：

由于三相四桥臂逆变器在旋转坐标系下的d轴和q轴之间存在耦合项-ωCU_q，ωCU_d，-ωLI_q，ωLI_d，因此需要分别对分离出来的正序电压和负序电压在旋转坐标系下d轴和q轴之间的耦合项-ωCU_q，ωCU_d，-ωLI_q，ωLI_d进行电压前馈解耦，这里的L和C分别为每相的滤波电感和滤波电容，U_q，U_d，I_q，I_d分别表示dq0旋转坐标下的电压和电流分量，以正序分量来推导dq变换后的开环传递函数为：

上述推导中忽略了滤波电感L中所包含的电阻，T_s表示采样频率，具体数值为开关管的开关频率，K_PWM表示逆变电路的等效增益，运用Matlab/Sisotool工具对内环参数进行PI正定，进而得到内环PI参数的值，由于零序分量下的传递函数略有差别，主要是电感值的区别，零序等效电感值为L+3*L_N，L_N表示中线的滤波电感，因此，PI整定后也得到一对PI参数值；

对于外环而言，由于外环带宽远小于内环带宽，因此，近似的将内环传递函数等效为1，因而外环开环传递为：

同样的，运用Matlab/Sisotool工具对外环参数进行PI正定，进而得到外环PI参数的值；

进一步的，对得到三对dq参考电压进行反Park和反Clark变换，如下所示，式中U_a、U_b、U_c、U_α、U_β、U_d、U_q分别表示abc、αβ和dq0坐标系下的各轴电压分量，ωt为锁相环的初始相位θ，即正序参考电压锁相角；

对变换之后的负序分量B、C相进行互换，对零序分量取A相分量作为B、C相分量，最后将所得到的分量进行对应相加，即得到三维空间矢量调制的参考电压。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明优先对输出三相电压做正负零三序分量的提取，可以避免双同步旋转坐标变换带来的二次谐波分量的滤除，提取之后对负序、零序分量做相应的坐标变换得到三个正序分量；

(2)本发明对三个正序分量运用同步旋转坐标系变换进行坐标变换，简化了双同步旋转坐标变换的算法，并同时对三个正序分量进行锁相，及时跟踪到三序分量的相位，为后面进行坐标反变换提供相位角。

附图说明

图1是基于三维空间矢量调制的三相四桥臂逆变器控制框图；

图2是基于同步参考坐标系锁相环的分序方法；

图3是三相四桥臂逆变器的电压解耦和正负零序分量的双环PI控制框图；

图4是三维空间矢量参考电压合成原理图；

图5是一种基于锁相环的分序的三相四桥臂逆变器的控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明的一种基于锁相环的分序的三相四桥臂逆变器控制系统及控制方法，采用基于对称分量法对在不平衡负载下逆变器输出的负载电压、电感电流进行正、负、零序分量提取，将提取出的负序和零序分量经过适当的坐标旋转变换，使得负序和零序分量转换为正序坐标系下的负序和零序分量，然后采用基于锁相环的同步旋转坐标变换，使得提取的正序、负序、零序分量变换到dq0旋转坐标下，建立dq坐标系下的大信号模型，将经过双环PI控制的三序分量进行反Park和反Clark变换，将三序分量进行叠加得到三维空间矢量调制算法的瞬时参考电压。本发明有效简化了传统双同步旋转坐标系的负序分量的转换算法，减少了调节时间，使得系统更快的趋于稳定。

具体实施例：

实施系统：一种基于锁相环的分序的三相四桥臂逆变器的控制系统。下面结合图1至图4对本实施例提供的系统进行详细说明。

如图1所示，一种基于锁相环的分序的三相四桥臂逆变器的控制系统，所述系统包括相序分离模块、直流参考电压计算模块、瞬时参考电压计算模块和脉冲信号产生模块，其中，相序分离模块的输入接三相四桥臂逆变器输出，相序分离模块的输出接直流参考电压计算模块的输入，直流参考电压计算模块的输出接瞬时参考电压计算模块的输入，瞬时参考电压计算模块的输出接脉冲信号产生模块的输入，脉冲信号产生模块的输出接三相四桥臂逆变器的控制输入端。

相序分离模块，采用对称分量法把三相四桥臂逆变器输出的三相不对称电压U_O分解成正序、负序、零序电压分量U⁺ _O、U^- _O和U⁰ _O，以及电感电流I_L分解成正序、负序、零序电流分量I⁺ _L、I^- _L和I⁰ _L；其中，U_O包括A、B、C三相电压U_A、U_B、U_C；I_L包括A、B、C三相电感电流i_A、i_B、i_C。

具体的，所述相序分离模块具体用于根据对称分量法的原理，把三相四桥臂逆变器输出的三相不对称电压和电感电流矢量分解成正序、负序和零序的电压和电流分量。

直流参考电压计算模块，根据相序分离模块分离出来的正序、负序和零序的电压和电流分量计算得到正序参考电压、负序参考电压和零序参考电压；具体的：

所述直流参考电压计算模块具体包括正序控制模块、负序控制模块和零序控制模块，其中，正序控制模块包括第一正序控制器，正序电压分量U⁺ _O和正序电流分量I⁺ _L直接输入第一正序控制器，第一正序控制器采用基于幅值裕度和相角裕度要求的双环电压PI控制算法对分离出来的正序电压分量、正序电流分量进行计算，得到正序参考电压U⁺ _dq和正序参考电压的锁相角θ。

负序控制模块包括负序坐标变换和第二正序控制器，负序电压分量U^- _O和负序电流分量I^- _L经过负序坐标变换后得到变换后的正序坐标系下的负序电压分量U⁺′_O和负序电流分量I⁺′_L，U⁺′_O和I⁺′_L定义为负序电压分量U^- _O和负序电流分量I^- _L经过负序坐标变换后得到变换后的正序坐标系下的负序电压分量和负序电流分量，然后输入第二正序控制器，第二正序控制器采用基于幅值裕度和相角裕度要求的双环电压PI控制算法对U⁺′_O和I⁺′_L进行计算，得到负序参考电压U⁺′_dq和负序参考电压的锁相角θ′；

零序控制模块包括零序坐标变换和第三正序控制器，零序电压分量U⁰ _O和零序电流分量I⁰ _L经过零序坐标变换后得到变换后的零序电压分量U⁺″_O和零序电流分量I⁺″_L，U⁺″_O和I⁺″_L定义为零序电压分量U⁰ _O和零序电流分量I⁰ _L经过零序坐标变换后得到变换后的零序电压分量和零序电流分量，然后输入第三正序控制器，第三正序控制器采用基于幅值裕度和相角裕度要求的双环电压PI控制算法对U⁺″_O和I⁺″_L进行计算，得到零序参考电压U⁺″_dq和零序参考电压锁相角θ″。

瞬时参考电压计算模块，用于根据得到的三个旋转坐标系dq坐标下正序、负序、零序的分量，经过相应的坐标变换，可得到三维空间矢量调至算法的参考电压；

具体的，所述瞬时参考电压计算模块包括正序反Park变换、正序反Clark变换、负序坐标反变换、零序坐标反变换和交流参考电压合成模块；其中，正序反Park变换将所得到的正序参考电压U⁺ _dq、负序参考电压U⁺′_dq和零序参考电压U⁺″_dq分别进行坐标变换到αβ坐标系下，进而将正序参考电压、负序参考电压和零序参考电压的直流量分别转换为交流量U⁺ _αβ、U⁺′_αβ和U⁺″_αβ；然后正序αβ坐标系下的交流量U⁺ _αβ、U⁺′_αβ和U⁺″_αβ分别经过正序反Clark变换后，将交流量分别转换为正序静止abc坐标系下的交流量U^+*、U⁺′^*和U⁺″^*；交流量U^+*直接输入交流参考电压合成模块；交流量U⁺′^*经过负序坐标反变换后得到U^-*，然后输入交流参考电压合成模块；交流量U⁺″^*经过零序坐标反变换后得到U^0*，然后输入交流参考电压合成模块。

交流参考电压合成模块将得到的三个静止abc坐标下正序的分量做相应变换，其中负序分量对B、C相分量进行互换后叠加到相应的正序A、B、C相，而零序分量仅仅需要对A相分量分别加到正序和负序分量的A、B、C三相分量上面，即可得到三维空间矢量调至算法的瞬时参考电压。

脉冲信号产生模块，用于将所述瞬时参考电压进行调制后，产生控制三相四桥臂逆变器的脉冲信号。

所述脉冲信号产生模块具体包括3D-SVPWM控制器，所述3D-SVPWM控制器，基于abc静止坐标系和双零开关矢量占空比排列方式的三维空间矢量调制算法，用于根据所述瞬时参考电压的三相电压信号产生控制三相四桥臂逆变器的脉冲信号。

实施方法：一种基于锁相环的分序的三相四桥臂逆变器的控制方法。下面结合图1至图5对本实施例提供的方法进行详细说明。

本发明采用基于锁相环的分序控制的三相四桥臂逆变器具有抑制不平衡或非线性负载电压不平衡的能力。如图5所示，一种基于锁相环的分序的三相四桥臂逆变器的控制方法，所述方法包括：

(1)采用对称分量法将三相四桥臂逆变器输出的三相不对称电压以及电感电流分解成正序、负序、零序电压、电流分量。

具体的，假设输出三相电压为U_A、U_B、U_C，电感电流也同理为i_A、i_B、i_C，以输出三相电压来进行推导。由对称分量法的提取公式：

其中，U_ap、U_bp、U_cp分别表示正序分量的三相电压，即U⁺ _O；U_an、U_bn、U_cn分别表示负序分量的三相电压，即U^- _O；U_a0、U_b0、U_c0分别表示零序分量的三相电压，即U⁰ _O；a表示对变量做逆时针120°的旋转变换，a²表示对变量做逆时针240°的旋转变换。

(2)将分离出来的负序和零序电压、电流分量进行坐标转换到相应的正序分量坐标系下从而得到三个正序电压和电流分量，即U⁺ _O、I⁺ _L、U⁺′_O、I⁺′_L、U⁺″_O、I⁺″_L，对三个正序电压和电流分量进行锁相和Clark变换，从而得到dq旋转坐标系下的三对直流分量U⁺ _dq、U⁺′_dq、U⁺″_dq。

具体的，保持正序分量不变，对负序分量的B、C相进行坐标互换，得到一个变换到正序坐标的负序分量，对零序分量的B、C相分别作240°和120°的旋转得到一个变换到正序坐标的零序分量，即直接对输出的三相电压作如下变换得到变换后的零序分量。

然后以正序分量来进行推导Clark变换，得到dq0坐标系的直流分量。

[x_d x_q x₀]^T＝T*[x_a x_b x_c]^T (5)；

其中，，x_d、x_q、x₀表示dq0旋转坐标下的各个分量，x_a、x_b、x_c表示三相静止abc坐标系下的各个分量，ωt表示做Clark变换的初始相位θ，，即正序参考电压锁相角，实现的过程如图2所示，图中u_a、u_b、u_c、u_α、u_β、u_sd、u_sq分别表示abc、αβ、dq0坐标下的电压分量，U^* _sq表示q坐标下的参考电压分量，Δω、ω1表示PI变换后输出的角速度和参考角速度，这里ω1＝2*π，图中K*Ts/(Z-1)表示对输出角速度进行采样，得到每个采样时间对应的锁相角，对变换后的正序dq分量进行锁相，锁相的原理是对q轴分量进行PI控制，只要保证控制后的q轴分量为零，所得到的d轴分量就与所述的dq轴合成矢量重合，表明此时对d轴分量进行了无差跟踪，从而得到dq旋转坐标系下的三对直流分量。

(3)将三对dq坐标系下的直流分量进行dq解耦，并对直流分量进行双环PI控制，将得到的输出分量进行反Park和反Clark变换，最后将三序分量进行叠加，进而得到瞬时参考电压。

具体的，由于三相四桥臂逆变器在旋转坐标系下的d轴和q轴之间存在耦合项-ωCU_q，ωCU_d，-ωLI_q，ωLI_d，因此需要分别对分离出来的正序电压和负序电压在旋转坐标系下d轴和q轴之间的耦合项-ωCU_q，ωCU_d，-ωLI_q，ωLI_d进行电压前馈解耦，这里的L和C分别为每相的滤波电感和滤波电容，U_q，U_d，I_q，I_d分别表示dq0旋转坐标下各轴的电压和电流分量，得到PID等效控制系统模型如图3所示。图中U_dp、U_qp、U_dn、U_qn、U_d0、U_q0分别表示dq坐标系下的正序、负序、零序电压分量，U^* _dp、U^* _qp、U^* _dn、U^* _qn、U^* _d0、U^* _q0分别表示经过解耦变换之后的dq坐标系下的正序、负序、零序直流电压分量，Kp+ki/s模块表示PI变换，图中(a)、(b)、(c)分别表示正、负、零三序分量的变换示意图。

根据图3，这里以正序分量来推导dq变换后的开环传递函数为：

上述推导中忽略了滤波电感L中所包含的电阻，T_s表示采样频率，具体数值为开关管的开关频率，K_pwm表示逆变电路的等效增益，运用Matlab/Sisotool工具对内环参数进行PI正定，实施例中的开关管开关频率为10kHz，设定相角裕度为45°，内环带宽为1000Hz，进而可以得到内环PI参数的值，由于零序分量下的传递函数略有差别，主要是电感值的区别，零序等效电感值为L+3*L_N，L_N表示中线的滤波电感，因此，PI整定后也得到一对PI参数值。

对于外环而言，由于外环带宽远小于内环带宽，因此，可以近似的将内环传递函数等效为1，因而外环开环传递为：

同样的，运用Matlab/Sisotool工具对外环参数进行PI正定，设定相角裕度为45°，外环带宽为200Hz，进而可以得到外环PI参数的值。

进一步的，对得到三对dq参考电压进行反Park和反Clark变换，如下所示，式中式中U_a、U_b、U_c、U_α、U_β、U_d、U_q分别表示abc、αβ和dq0坐标系下各轴的电压分量，ωt为锁相环的初始相位θ，即正序参考电压锁相角。

对变换之后的负序分量B、C相进行互换，对零序分量取A相分量作为B、C相分量，最后如图4所示，将所得到的分量进行对应相加，即得到三维空间矢量调制的参考电压U^* _A、U^* _B、U^* _C。图中正序2r/3s模块分别表示正序反Park和正序反Clark变换。

4)将上述得到的瞬时参考电压给相应的三维空间矢量调制模块，进而得到三相四桥臂逆变器的驱动信号。

具体的，将所述瞬时参考电压通过三维空间矢量进行调制后，产生控制三相四桥臂逆变器的脉冲信号。

Claims (5)

1.一种基于锁相环的分序的三相四桥臂逆变器的控制系统，其特征在于，包括相序分离模块、直流参考电压计算模块、瞬时参考电压计算模块和脉冲信号产生模块，其中，相序分离模块的输入接三相四桥臂逆变器输出，相序分离模块的输出接直流参考电压计算模块的输入，直流参考电压计算模块的输出接瞬时参考电压计算模块的输入，瞬时参考电压计算模块的输出接脉冲信号产生模块的输入，脉冲信号产生模块的输出接三相四桥臂逆变器的控制输入端；

直流参考电压计算模块具体包括正序控制模块、负序控制模块和零序控制模块，其中，正序控制模块包括第一正序控制器，正序电压分量U⁺ _O和正序电流分量I⁺ _L直接输入第一正序控制器，第一正序控制器采用基于幅值裕度和相角裕度要求的双环电压PI控制算法对分离出来的正序电压分量、正序电流分量进行计算，得到正序参考电压U⁺ _dq和正序参考电压锁相角θ；

负序控制模块包括负序坐标变换和第二正序控制器，负序电压分量U^- _O和负序电流分量I^- _L经过负序坐标变换后得到变换后的正序坐标系下的负序电压分量U^+′ _O和负序电流分量I^+′ _L，U^+′ _O和I^+′ _L分别定义为负序电压分量U^- _O和负序电流分量I^- _L经过负序坐标变换后得到变换后的正序坐标系下的负序电压分量和负序电流分量，然后输入第二正序控制器，第二正序控制器采用基于幅值裕度和相角裕度要求的双环电压PI控制算法对U^+′ _O和I^+′ _L进行计算，得到负序参考电压U^+′ _dq和负序参考电压的锁相角θ′；

零序控制模块包括零序坐标变换和第三正序控制器，零序电压分量U⁰ _O和零序电流分量I⁰ _L经过零序坐标变换后得到变换后的零序电压分量U^+″ _O和零序电流分量I^+″ _L，U^+″ _O和I^+″ _L分别定义为零序电压分量U⁰ _O和零序电流分量I⁰ _L经过零序坐标变换后得到变换后的零序电压分量和零序电流分量，然后输入第三正序控制器，第三正序控制器采用基于幅值裕度和相角裕度要求的双环电压PI控制算法对U^+″ _O和I^+″ _L进行计算，得到零序参考电压U^+″ _dq和零序参考电压锁相角θ″；

瞬时参考电压计算模块包括正序反Park变换、正序反Clark变换、负序坐标反变换、零序坐标反变换和交流参考电压合成模块；其中，正序反Park变换将所得到的正序参考电压U⁺ _dq、负序参考电压U^+′ _dq和零序参考电压U^+″ _dq分别进行坐标变换到αβ坐标系下，进而将正序参考电压、负序参考电压和零序参考电压的直流量分别转换为交流量U⁺ _αβ、U^+′ _αβ和U^+″ _αβ；然后正序αβ坐标系下的交流量U⁺ _αβ、U^+′ _αβ和U^+″ _αβ分别经过正序反Clark变换后，将交流量分别转换为正序静止abc坐标系下的交流量U^+*、U^+′*和U^+″*；交流量U^+*直接输入交流参考电压合成模块；交流量U^+′*经过负序坐标反变换后得到U^-*，然后输入交流参考电压合成模块；交流量U^+″*经过零序坐标反变换后得到U^0*，然后输入交流参考电压合成模块；

交流参考电压合成模块将得到的三个静止abc坐标下正序的分量做相应变换，其中负序分量对B、C相分量进行互换后叠加到相应的正序A、B、C相，而零序分量仅仅需要对A相分量分别加到正序和负序分量的A、B、C三相分量上面，即得到三维空间矢量调制算法的瞬时参考电压。

2.根据权利要求1所述的一种基于锁相环的分序的三相四桥臂逆变器的控制系统，其特征在于，相序分离模块采用对称分量法把三相四桥臂逆变器输出的三相不对称电压U_O分解成正序、负序、零序电压分量U⁺ _O、U^- _O和U⁰ _O，以及电感电流I_L分解成正序、负序、零序电流分量I⁺ _L、I^- _L和I⁰ _L；其中，U_O包括A、B、C三相电压U_A、U_B、U_C；I_L包括A、B、C三相电感电流i_A、i_B、i_C。

3.根据权利要求1所述的一种基于锁相环的分序的三相四桥臂逆变器的控制系统，其特征在于，脉冲信号产生模块具体包括3D-SVPWM控制器，3D-SVPWM控制器基于abc静止坐标系和双零开关矢量占空比排列方式的三维空间矢量调制算法，用于根据所述瞬时参考电压的三相电压信号产生控制三相四桥臂逆变器的脉冲信号。

4.一种基于锁相环的分序的三相四桥臂逆变器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)采用对称分量法将三相四桥臂逆变器输出的三相不对称电压以及电感电流分解成正序、负序、零序电压、电流分量；

(2)将分离出来的负序和零序电压、电流分量进行坐标转换到相应的正序分量坐标系下，从而得到三个正序分量，对三个正序分量进行锁相和Clark变换，从而得到dq 旋转坐标系下的三对直流分量；具体为：

保持正序分量不变，对负序分量的B、C相分量进行坐标互换，得到一个变换到正序坐标的负序分量，对零序分量的B、C相分量分别作240°和120°的旋转得到一个变换到正序坐标的零序分量，即直接对输出的三相电压作如下变换得到变换后的零序分量U'_a0、U'_b0、U'_c0：

其中，U_A、U_B、U_C分别为输出三相不对称电压，a表示对变量做逆时针120°的旋转变换，a²表示对变量做逆时针240°的旋转变换；

然后以正序分量来进行推导Clark变换，得到dq0坐标系的直流分量：

[x_d x_q x₀]^T＝T*[x_a x_b x_c]^T；

其中，x_d、x_q、x₀分别表示dq0旋转坐标下的各个分量，x_a、x_b、x_c表示三相静止abc坐标系下的各个分量，ωt表示做Clark变换的初始相位θ，即正序参考电压锁相角，对变换后的正序dq分量进行锁相，锁相的原理是对q轴分量进行PI控制，只要保证控制后的q轴分量为零，所得到的d轴分量就与所述的dq轴合成矢量重合，表明此时对d轴分量进行了无差跟踪，从而得到dq旋转坐标系下的三对直流分量；

(3)将三对dq坐标系下的直流分量进行dq解耦，并对直流分量进行双环PI控制，将得到的输出分量进行反Park和反Clark变换，最后将三序分量进行叠加，进而得到瞬时参考电压；具体为：

由于三相四桥臂逆变器在旋转坐标系下的d轴和q轴之间存在耦合项-ωCU_q，ωCU_d，-ωLI_q，ωLI_d，因此需要分别对分离出来的正序电压和负序电压在旋转坐标系下d轴和q轴之间的耦合项-ωCU_q，ωCU_d，-ωLI_q，ωLI_d进行电压前馈解耦，这里的L和C分别为每相的滤波电感和滤波电容，U_q，U_d，I_q，I_d分别表示dq0旋转坐标下的电压和电流分量，以正序分量来推导dq变换后的开环传递函数为：

上述推导中忽略了滤波电感L中所包含的电阻，T_s表示采样频率，具体数值为开关管的开关频率，K_PWM表示逆变电路的等效增益，运用Matlab/Sisotool工具对内环参数进行PI整定，进而得到内环PI参数的值，由于零序分量下的传递函数略有差别，主要是电感值的区别，零序等效电感值为L+3*L_N，L_N表示中线的滤波电感，因此，PI整定后也得到一对PI参数值；

对于外环而言，由于外环带宽远小于内环带宽，因此，近似的将内环传递函数等效为1，因而外环开环传递函数为：

同样的，运用Matlab/Sisotool工具对外环参数进行PI整 定，进而得到外环PI参数的值；

进一步的，对得到三对dq参考电压进行反Park和反Clark变换，如下所示，式中U_a、U_b、U_c、U_α、U_β、U_d、U_q分别表示abc、αβ和dq0坐标系下的各轴电压分量，ωt为锁相环的初始相位θ，即正序参考电压锁相角；

对变换之后的负序分量B、C相进行互换，对零序分量取A相分量作为B、C相分量，最后将所得到的分量进行对应相加，即得到三维空间矢量调制的参考电压；

(4)将上述得到的瞬时参考电压给相应的三维空间矢量调制模块，进而得到三相四桥臂逆变器的驱动信号。

5.根据权利要求4所述的一种基于锁相环的分序的三相四桥臂逆变器的控制方法，其特征在于，步骤(1)具体为：

假设输出三相不对称电压为U_A、U_B、U_C，电感电流也同理为i_A、i_B、i_C，以输出三相电压来进行推导；由对称分量法的提取公式：

其中，U_ap、U_bp、U_cp分别表示正序分量的三相电压，即U⁺ _O；U_an、U_bn、U_cn分别表示负序分量的三相电压，即U^- _O；U_a0、U_b0、U_c0分别表示零序分量的三相电压，即U⁰ _O；a表示对变量做逆时针120°的旋转变换，a²表示对变量做逆时针240°的旋转变换。

Images