CN204633633U - 基于电流正反馈控制的三相四桥臂逆变器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于电流正反馈控制的三相四桥臂逆变器，该逆变器包括三相四桥逆变器电路、电流正反馈电路和三维矢量调制电路；三相四桥逆变器电路中设有三相四桥逆变器，该三相四桥逆变器中的第一桥臂中点、第二桥臂中点和第三桥臂中点均通过滤波电感连接至三相负载的输入端，该三相四桥逆变器的第四桥臂中点通过中性电感连接至三相负载的输入端；三相负载的输出端连接电流正反馈电路的输入端，且该电流正反馈电路的输出端连接三维矢量调制电路。本实用新型通过正反馈，增大不平衡差量，促使三相输出电压平衡度控制更迅速和精准。

Description

基于电流正反馈控制的三相四桥臂逆变器

技术领域

本实用新型涉及一种三相四桥臂逆变器，尤其涉及一种基于电流正反馈控制的三相四桥臂逆变器。

背景技术

为适应电网系统中日益增多的不对称负荷对电网电能质量影响，近年来，一种三相四桥臂逆变器结构因其体积小、重量轻和效率高而备受关注，且三相四桥臂逆变器具有电路形式简单，体积小，电压利用率高等优点，在实际中具有广阔的应用前景。三相四线逆变器通过中线提供零序电流通路具有了带不平衡负载的能力，在微型燃机发电、太阳能发电如光伏电池及光热发电、风力发电、生物质能发电等领域广泛使用。传统的三相四线变换器的拓扑形式有组合式逆变器、工频变压器隔离的三相四线逆变器、分裂电容三相四线逆变器等。然而，三相四桥逆变器控制复杂，目前常用的控制方法有：电流滞环控制，中性点控制，正序负序零序控制，PI控制，特定谐波消除法，内膜控制法和模糊控制等。这些控制方法在一定的程度上解决了带三相不平衡负载的问题，但具有输出负载的电流谐波含量大及三相输出电压平衡度控制慢且不精准等缺陷，因此这些三相四线逆变器控制复杂且实现困难。

实用新型内容

针对上述技术中存在的不足之处，本实用新型提供一种基于电流正反馈控制的三相四桥臂逆变器，在三相负载的输出端位置上增设电流正反馈电路，在三相电压反馈控制的基础上，引入三相不平衡电流；通过正反馈，增大不平衡差量，促使三相输出电压平衡度控制更迅速和精准。

为实现上述目的，本实用新型提供一种基于电流正反馈控制的三相四桥臂逆变器，包括三相四桥逆变器电路、电流正反馈电路和三维矢量调制电路；所述三相四桥逆变器电路中设有三相四桥逆变器，该三相四桥逆变器中的第一桥臂中点、第二桥臂中点和第三桥臂中点均通过滤波电感连接至三相负载的输入端，该三相四桥逆变器的第四桥臂中点通过中性电感连接至三相负载的输入端；所述三相负载的输出端连接电流正反馈电路的输入端，且该电流正反馈电路的输出端连接三维矢量调制电路，所述电流正反馈电路将反馈回来的电压与标准电压进行比较并输出三相不平衡差值，三相不平衡差值经由三维矢量调制电路处理后输出PWM波形。

其中，三个滤波电感与三相负载之间形成三个公共点，每个公共点到三相负载与中性电感所形成的公共点之间均连接有滤波电容。

其中，所述三相四桥逆变器包括八个开关管，第一开关管的发射极与第二开关管的集电极相连作为第一桥臂，第三开关管的发射极与第四开关管的集电极相连作为第二桥臂，第五开关管的发射极与第六开关管的集电极相连作为第三桥臂，第七开关管的发射极与第八开关管的集电极相连作为第四桥臂；且所述第一开关管、第三开关管、第五开关管和第七开关管的集电极相连接，所述第二开关管、第四开关管、第六开关管和第八开关管的发射极相连接。

其中，所述第一开关管的集电极和第二开关管的发射极之间并联有并联连接的电池和限流电容。

其中，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关、第七开关管和第八开关管均由一个单向开关管和一个二极管并联而成，且并联时单向开关管的发射极与二极管的阳极相连，单向开关管的集电极与二极管的阴极相连。

本实用新型的有益效果是：与现有技术相比，本实用新型提供的基于电流正反馈控制的三相四桥臂逆变器，在三相四桥逆变器电路后连接的三相负载上连接有电流正反馈电路和三维矢量调制电路，电流正反馈电路将反馈回来的电压与标准电压进行比较并输出三相不平衡差值，三相不平衡差值经由三维矢量调制电路处理后输出PWM波形，该结构的改进，在三相电压反馈控制的基础上，引入三相不平衡电流；通过正反馈，增大不平衡差量，促使三相输出电压平衡度控制更迅速和精准，本结构对各种情况下的负载均具有很强的适应性，具有很强的鲁棒性。

附图说明

图1为本实用新型的基于电流正反馈控制的三相四桥臂逆变器的方框图；

图2为本实用新型中电流正反馈电路的控制框图；

图3为本实用新型中三维矢量调制电路的控制框图；

图4为本实用新型中各种典型负载条件下四桥臂三相逆变器的输出电压图；

图5为本实用新型中负载为A3B3C3时三相输出电压波形；

图6为本实用新型中负载为A3B3C3时三相负载电流波形；

图7为本实用新型中负载为A3B3C3时第四桥臂的电流波形；

图8为本实用新型中负载为A3B3C3时三相输出电压中a相电压的谐波含量图；

图9为本实用新型中负载为A1B2C3时三相输出电压波形；

图10为本实用新型中负载为A1B2C3时三相负载电流波形；

图11为本实用新型中负载为A1B2C3时第四桥臂的电流波形；

图12为本实用新型中负载为A1B2C3时三相输出电压中a相电压的谐波含量图。

主要元件符号说明如下：

10、三相四桥逆变器电路  11、电流正反馈电路

12、三维矢量调制电路    13、三相负载。

具体实施方式

为了更清楚地表述本实用新型，下面结合附图对本实用新型作进一步地描述。

请参阅图1，本实用新型的基于电流正反馈控制的三相四桥臂逆变器，包括三相四桥逆变器电路10、电流正反馈电路11和三维矢量调制电路12；三相四桥逆变器电路10中设有三相四桥逆变器，该三相四桥逆变器中的第一桥臂中点、第二桥臂中点和第三桥臂中点均通过滤波电感连接至三相负载13的输入端，该三相四桥逆变器的第四桥臂中点通过中性电感Ln连接至三相负载13的输入端；三相负载13的输出端连接电流正反馈电路11的输入端，且该电流正反馈电路11的输出端连接三维矢量调制电路12，电流正反馈电路11将反馈回来的电压与标准电压进行比较并输出三相不平衡差值，三相不平衡差值经由三维矢量调制电路12处理后输出PWM波形。

相较于现有技术，本实用新型提供的基于电流正反馈控制的三相四桥臂逆变器，在三相四桥逆变器电路10后连接的三相负载13上连接有电流正反馈电路11和三维矢量调制电路12，电流正反馈电路11将反馈回来的电压与标准电压进行比较并输出三相不平衡差值，三相不平衡差值经由三维矢量调制电路处理后输出PWM波形，该结构的改进，在三相电压反馈控制的基础上，引入三相不平衡电流；通过正反馈，增大不平衡差量，促使三相输出电压平衡度控制更迅速和精准，本结构对各种情况下的负载均具有很强的适应性，具有很强的鲁棒性。

在本实施例中，三个滤波电感与三相负载13之间形成三个公共点，每个公共点到三相负载13与中性电感Ln所形成的公共点之间均连接有滤波电容；三个滤波电感分别为第一滤波电感La、第二滤波电感Lb和第三滤波电感Lc。上述具体的连接方式为第一滤波电感La与三相负载13之间的公共点通过第一滤波电容C1连接三相负载13与中性电感Ln的公共点，第二滤波电感Lb与三相负载13之间的公共点通过第二滤波电容C2连接三相负载13与中性电感Ln的公共点，第三滤波电感Lc与三相负载13之间的公共点通过第三滤波电容C3连接三相负载13与中性电感Ln的公共点。

在本实施例中，三相四桥逆变器包括八个开关管，第一开关管S1的发射极与第二开关管S2的集电极相连作为第一桥臂a，第三开关管S3的发射极与第四开关管S4的集电极相连作为第二桥臂b，第五开关管S5的发射极与第六开关管S6的集电极相连作为第三桥臂c，第七开关管S7的发射极与第八开关管S8的集电极相连作为第四桥臂o；且第一开关管S1、第三开关管S3、第五开关管S5和第七开关管S7的集电极相连接，第二开关管S2、第四开关管S4、第六开关管S6和第八开关管S8的发射极相连接。第一开关管S1的集电极和第二开关管S2的发射极之间并联有并联连接的电池E和限流电容C4。第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、第五开关管S5、开关管S6、第七开关管S7和第八开关管S8均由一个单向开关管和一个二极管并联而成，且并联时单向开关管的发射极与二极管的阳极相连，单向开关管的集电极与二极管的阴极相连。

在本实用新型中，假设逆变器的八个开关管都是理想的，逆变器四桥臂第一桥臂a、第二桥臂b、第三桥臂c和第四桥臂o的开关状态可分别用开关函数Sa、Sb、Sc和So表示，各臂上管和下管互补开通和关断，上管开通时开关函数值为1，反之为0，则

u_i0＝u_i-u_o＝(S_i-S_o)E    (1)

其中i为{a，b，c}。以电感电流ia、ib、ic、io和电容电压uAG、uBG、uCG为状态变量对逆变器回路分析：

$\left(\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{ao}}\\ u_{\mathrm{bo}}\\ u_{\mathrm{co}}\end{array}\right)=L\left(\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{di}}_a}{\mathrm{dt}}\\ \frac{{\mathrm{di}}_b}{\mathrm{dt}}\\ \frac{{\mathrm{di}}_c}{\mathrm{dt}}\end{array}\right)+L_n\left(\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{di}}_n}{\mathrm{dt}}\\ \frac{{\mathrm{di}}_n}{\mathrm{dt}}\\ \frac{{\mathrm{di}}_n}{\mathrm{dt}}\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{AG}}\\ u_{\mathrm{BG}}\\ u_{\mathrm{CG}}\end{array}\right)---\left(2\right)$

i_a+i_b+i_c+i_o＝0    (3)

$u_{\mathrm{oG}}=-L_n\frac{{\mathrm{di}}_n}{\mathrm{dt}}---\left(4\right)$

其中i_a、i_b、i_c也为三相电流；i_n第四桥臂电流；L为三相滤波电感；Ln为中性线电感；u_AG、u_BG、u_CG为三相负载电压，且是四桥臂逆变器控制的输出量。由式(2)和式(3)可得：

$u_{\mathrm{ao}}+u_{\mathrm{bo}}+u_{\mathrm{co}}=L\frac{{\mathrm{di}}_n}{\mathrm{dt}}+3L_n\frac{{\mathrm{di}}_n}{\mathrm{dt}}+u_{\mathrm{AG}}+u_{\mathrm{BG}}+u_{\mathrm{CG}}---\left(5\right)$

如果三相负载电压平衡，则

u_AG+u_BG+u_CG＝0    (6)

在本实用新型中引入了电流正反馈控制，通过扩大不平衡度，使三相输出电压平衡度控制更精准。由前面分析可知，当三相负载不平衡时，不仅会影响三相电压不平衡，而且对三相电流也会影响，如果对三相电压加以控制，三相电压平衡，这样输出的三相电流就可以完全体现出负载不平衡度。

图2的控制框图工作原理简述如下：结合式2，通过采样，将三输出电流反馈回控制框图，并与中性点电流相加，再加上三相输出电压得出一个控制量，即三相输出电压控制量，然后将三相输出电压控制量进行空间矢量变换，所得出来的空间电压矢量与基准的空间电压矢量相比较，得出一个差值，再将差值进行空间矢量反变换，得到的电压控制量，最后将此电压控制量进行三维空间矢量调制，产生控制四桥臂的PWM信号。

请参阅图2并结合式(2)知，三相输出电压与三相电流和中线电感电流有关，四桥臂逆变器通过开关管控制输出电压uao、ubo、uco，其他都为常值。以A相为例，A相输出电压与A相电流和中线电流有关，所以可以通过引入相电流和中线电流对系统输出电压进行控制。在电压控制的分析基础上，引入三相不平衡电流，将反馈回来的电压比较与标准电压比较，并引入电流正反馈，所获得的三相不平衡差值，最后由三维空间矢量调制输出PWM信号，控制四桥臂逆变器，三维矢量调制电路的框图见图3所示。

图3是三维空间矢量调制的一个过程框图，反馈回来的电压比较与标准电压比较后，所获得的三相不平衡差值，通过空间矢量变换获得u_αu_βu_γ，通过u_αu_βu_γ确定空间矢量调制在六个扇区里面的其中一个，并由u_αu_βu_γ计算出q，每个扇区有四个四面体，再由q确定在哪一个四面体，通过四面体计算出开关量作用的时间Ti和确定由那几个开关来完成该时间段内的控制，最后u_αu_βu_γ、q、Ti共同决定四桥臂逆变器中每个开关作用的时间量，并选择一种开关作用的顺序，输出PWM，控制四桥臂逆变器中8个开关管。

正反馈在自动控制系统中主要是用来对小的变化进行放大，从而可以使系统在一个稳定的状态下工作。但是正反馈总是起放大作用，这样就会使系统中的作用越来越剧烈，最后有可能会使系统损坏。所以一般正反馈都与负反馈配合使用，而且在正反馈后面加上限幅环节，使差值保持在一定的范围内。为了提高系统的稳定性，在控制信号的不平衡差值中引入PI控制可以减少，减少输出波形的THD，使控制更精确。在本论文仿真过程中，Kp取0.9，Ki取150。

将本案的技术方案用于三相四桥臂逆变器，采用Matlab/Simulink对整个逆变器系统进行仿真，不考虑开关管死区，管压降，电路分布阻抗等因素的影响，仿真的系统参数为：输出电压频率为50Hz，输入直流电压为530V，采用电流前反馈对不平衡电压进行补偿控制，输出采用三维空间矢量调制，开关频率为10Hz，滤波电感L＝0.013H，滤波电容C＝55uF。Matlab/Simulink是一种动态系统仿真工具，Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。

图4是各种典型负载条件下的输出电压Vo，Vo为输出各相电压的峰值，输出电压的THD。负载1为20Ω，负载2为40Ω，负载3为阻感负载，电阻为60Ω，电感为20mH，表中A1B2C3代表A相负载为20Ω电阻，B相负载为40Ω电阻，C相负载为60Ω的电阻串联20mH的电感，其他负载类型的情况以此类推。

图5-8是在负载为A3B3C3时的波形；图5为三相输出电压波形；图6为三相负载电流波形；图7为第四桥臂的电流波形；图8为三相输出电压中a相电压的谐波含量图。图9-11是在负载为A1B2C3时的波形，图9为三相输出电压波形，图10为三相负载电流波形，图11为第四桥臂的电流波形，图12为三相输出电压中a相电压的谐波含量图。

由仿真结果分析可知，负载为各种不平衡负载和非线性负载时，该控制方法具有很好的控制特性。输出电压稳定，且三相输出电压平衡度高。

本案提出了一种电流正反馈控制与三维矢量调制相结合的逆变器，先通过对三相四桥臂逆变器分析，针对逆变器控制的特点，在原先电压控制环的基础上引入电流正反馈电路，最后通过三维矢量调制电路输出PWM波形，仿真结果有效的验证了该逆变器的可行性。

以上公开的仅为本实用新型的几个具体实施例，但是本实用新型并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于电流正反馈控制的三相四桥臂逆变器，其特征在于，包括三相四桥逆变器电路、电流正反馈电路和三维矢量调制电路；所述三相四桥逆变器电路中设有三相四桥逆变器，该三相四桥逆变器中的第一桥臂中点、第二桥臂中点和第三桥臂中点均通过滤波电感连接至三相负载的输入端，该三相四桥逆变器的第四桥臂中点通过中性电感连接至三相负载的输入端；所述三相负载的输出端连接电流正反馈电路的输入端，且该电流正反馈电路的输出端连接三维矢量调制电路，所述电流正反馈电路将反馈回来的电压与标准电压进行比较并输出三相不平衡差值，三相不平衡差值经由三维矢量调制电路处理后输出PWM波形。

2.根据权利要求1所述的基于电流正反馈控制的三相四桥臂逆变器，其特征在于，三个滤波电感与三相负载之间形成三个公共点，每个公共点到三相负载与中性电感所形成的公共点之间均连接有滤波电容。

3.根据权利要求1所述的基于电流正反馈控制的三相四桥臂逆变器，其特征在于，所述三相四桥逆变器包括八个开关管，第一开关管的发射极与第二开关管的集电极相连作为第一桥臂，第三开关管的发射极与第四开关管的集电极相连作为第二桥臂，第五开关管的发射极与第六开关管的集电极相连作为第三桥臂，第七开关管的发射极与第八开关管的集电极相连作为第四桥臂；且所述第一开关管、第三开关管、第五开关管和第七开关管的集电极相连接，所述第二开关管、第四开关管、第六开关管和第八开关管的发射极相连接。

4.根据权利要求3所述的基于电流正反馈控制的三相四桥臂逆变器，其特征在于，所述第一开关管的集电极和第二开关管的发射极之间并联有并联连接的电池和限流电容。

5.根据权利要求3所述的基于电流正反馈控制的三相四桥臂逆变器，其特征在于，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关、第七开关管和第八开关管均由一个单向开关管和一个二极管并联而成，且并联时单向开关管的发射极与二极管的阳极相连，单向开关管的集电极与二极管的阴极相连。