專利名稱：三相逆變電源分相pi比例積分控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及三相逆變器電源的主電路結(jié)構(gòu)及其該結(jié)構(gòu)電路 的控制方法，特別適用于三相任意不平衡負(fù)載，也適用于三相逆變電
源平衡負(fù)載，比如光伏發(fā)電系統(tǒng)中的三相逆變器、工控三相逆變電
源的不平衡負(fù)載等。
背景技術(shù)：
場(chǎng)三相逆變電源是目前廣泛應(yīng)用的一種電力電子裝置，在很多民 用合，通常都要求三相逆變器具有同時(shí)向平4軒/不平衡、線性/非線性 負(fù)載的供電能力。理想情況下，三相逆變電源的輸出不受負(fù)載的影響， 但是實(shí)際的電源都有一定的輸出阻抗，傳統(tǒng)的三相逆變器在向不平衡 負(fù)載供電時(shí)會(huì)產(chǎn)生三相輸出電壓的不平衡，導(dǎo)致輸出電壓波形畸變。
負(fù)載不平衡造成的原因有三相負(fù)載不平衡(單相空載，兩相空載， 三相負(fù)載阻抗不均等)、三相變壓器及交流濾波電抗器參數(shù)不對(duì)稱。
三相逆變器工作在不平衡負(fù)載情況下，要確保三相輸出電壓平衡，通 常用一種電路拓樸結(jié)構(gòu)和在該電路拓樸結(jié)構(gòu)下的控制方法才能滿足 三相不平衡負(fù)載輸出電壓的平衡。
常見的三相逆變電源電路拓樸結(jié)構(gòu)有以下幾種形式 (1)組合式三相逆變拓樸該結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，實(shí)質(zhì)上是由3個(gè)互 差120°的單相全橋逆變器組成。組合式三相逆變器的主電路采用三 個(gè)單相橋，其輸出通過三個(gè)單相變壓器耦合成三相電路，可以采用三
3套獨(dú)立的控制電路以解決三相輸出電壓不平衡的問題，但由于其使用 的開關(guān)管較多，控制較復(fù)雜。
(2) 分裂電容式三相逆變拓樸該結(jié)構(gòu)是將三相負(fù)載的中性點(diǎn)連 接到傳統(tǒng)三相逆變器的直流側(cè)電容中點(diǎn)，這時(shí)三相逆變器等效成為三 個(gè)獨(dú)立的單相半橋，可以采用三相分別控制來保證負(fù)載不平衡時(shí)仍能 保持三相輸出電壓的對(duì)稱。但此電路存在的缺點(diǎn)是，中性電流直接流 過直流鏈接電容，需要較大的直流濾波電容，增大了成本；此外，兩 個(gè)串聯(lián)的電容還存在均壓的問題，直流電壓利用率低。
(3) 三相四橋臂逆變拓樸該結(jié)構(gòu)是在傳統(tǒng)的三相逆變拓樸基礎(chǔ) 上增加了一個(gè)第四橋臂，并將負(fù)載中性點(diǎn)與第四橋臂中點(diǎn)相連，因此 它可直接對(duì)中性電流進(jìn)行控制，具有固有的不平衡處理能力、無需大 的直流鏈接電容和直流電壓利用率高的優(yōu)點(diǎn)。但開關(guān)頻率低限制了調(diào) 節(jié)帶寬，增加一個(gè)橋臂也增加了成本，同時(shí)開關(guān)管控制順序也相應(yīng)較 復(fù)雜，這樣易造成開關(guān)管誤觸發(fā)，也不適用于輸入輸出電隔離的逆變 器。
在控制方法方面，傳統(tǒng)的三相逆變器的控制方法(對(duì)稱分量法)， 其典型工作框圖如圖1所示，由于三相不對(duì)稱輸出電壓中有正序、負(fù) 序和零序分量存在，對(duì)三相逆變器的負(fù)載電流分別分解成正序、負(fù)序 和零序分量，這樣就能對(duì)各自的單相等效電路求得輸出電壓的三組對(duì) 稱分量，再利用疊加原理可得總的輸出電壓，在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的 PI控制器作用下能使輸出電壓很好的跟蹤參考正弦。但是這種控制器 的積分項(xiàng)對(duì)于不平衡運(yùn)行的影響的補(bǔ)償作用是有限的。如果采用兩組 PI控制器， 一組在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的PI控制器用于正序分量的調(diào)節(jié)，另一組在反向旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的PI控制器則補(bǔ)償負(fù)序分量的影響。這種 方法改善了逆變器輸出的性能，但對(duì)于零序分量引起的輸出電壓不對(duì) 稱依然存在。如果逆變器加入第4橋臂雖然可削弱零序畸變，但開關(guān) 頻率低限制了調(diào)節(jié)帶寬，這也不適用于輸入輸出電隔離的逆變器，同 時(shí)增加一個(gè)開關(guān)橋臂，控制復(fù)雜，成本也較高。
通過對(duì)稱分量法把任意三相不平衡相量分解為三組平衡的三相
正序分量、負(fù)序分量和零序分量，再用dq變換，通過正序旋轉(zhuǎn)控制 器與負(fù)序旋轉(zhuǎn)控制器并行控制，使逆變器在帶不平衡度較小負(fù)載時(shí)能 基本維持三相平^f軒的輸出電壓，如果不平衡度較大，效果很不理想， 通過一組仿真數(shù)據(jù)分析，結(jié)果如圖2所示，在A相額定負(fù)載，B、 C 相空載和A相額定負(fù)載、B相200。/。負(fù)載、C相空載時(shí)，其線電壓最大 之差有8. 9V和12. 7V。因此這種控制方法獲得的輸出電壓波形質(zhì)量 不高。并且該控制算法計(jì)算量大而復(fù)雜，即使采用先進(jìn)的高速的DSP 數(shù)字信號(hào)處理，在實(shí)際應(yīng)用中也很難達(dá)到實(shí)時(shí)性。
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，其具體做法 是三相逆變電源控制方法的裝置，主電路由6個(gè)功率開關(guān)管組成的 三相三橋臂逆變橋、由三相濾波電抗器和三相濾波電容構(gòu)成的輸出濾 波電路、以及三相升壓/降壓隔離變壓器A/Y所構(gòu)成，三相濾波電抗 器可包含在三相升壓/降壓隔離變壓器A/Y內(nèi)部，也可以獨(dú)立在三相 三橋臂逆變橋的輸出端。
采用對(duì)負(fù)載電壓進(jìn)行分相PI比例積分控制，使三相逆變電源在 任意線性或非線性不平衡負(fù)載情況下，維持三相輸出電壓的平衡。用分相控制的方法，確保逆變電源在不平衡負(fù)載(線性/非線性) 時(shí)能始終維持三相逆變電源輸出電壓的對(duì)稱、三相幅度相等、電壓波 形不畸變、輸出電壓質(zhì)量高、保證負(fù)載能正常地工作。
圖1為現(xiàn)有技術(shù)主電路及其控制框圖。
圖2為圖1技術(shù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)列表。
圖3本實(shí)用新型主電路及其控制框圖。
圖4本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施例的電路圖。
圖5為圖4實(shí)施例的實(shí)—瞼數(shù)據(jù)列表。 圖6為圖4技術(shù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)列表。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。
在圖3中RMS是有效值計(jì)算；PI是比例積分；SPWM是正弦
波脈沖寬度調(diào)節(jié)，該控制框圖和算法簡(jiǎn)單，能實(shí)時(shí)控制，對(duì)每一相輸
出電壓的PI調(diào)節(jié)其每一周波的調(diào)制比Mt、 M2、 M3,可以使任意一
相、兩相和三相負(fù)載不平衡時(shí)都能維持其輸出電壓跟蹤參考電壓，即
保持三相輸出電壓對(duì)稱、幅度和頻率相等。
當(dāng)負(fù)載不平衡造成輸出負(fù)載電壓r。ut降低時(shí)，1、-pg的值將增
加，通過PI計(jì)算后的值與正弦調(diào)制波(每一相的調(diào)制波幅度相等， 相差120° ，頻率為50Hz)相乘后得到一個(gè)新的M正弦調(diào)制波，該 調(diào)制波在與三角波比較后得到三相逆變器開關(guān)管的觸發(fā)脈沖序列 SPWM (如果開關(guān)管是高脈沖觸發(fā)，此時(shí)觸發(fā)脈沖的脈寬將變寬)， 從而使輸出電壓增加，維持了輸出電壓的平衡。同理可得其它兩相負(fù)
6載變化時(shí)能保持輸出電壓平衡。
由圖3可看出本實(shí)用新型的工作原理為對(duì)逆變電源的輸出電壓 分別進(jìn)行單相控制，通過對(duì)變壓器的輸出相電壓采樣進(jìn)行有效值處理 后與參考電壓作比較，其誤差值經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后與調(diào)制波相乘，調(diào)節(jié)
調(diào)制比M，經(jīng)過處理后的調(diào)制波再與三角波比較產(chǎn)生SPWM去驅(qū)動(dòng) 三相逆變器的開關(guān)管，這樣每一個(gè)周期都才艮據(jù)不同的負(fù)載電壓改變調(diào) 制比，使三相三橋臂出來的脈沖序列電壓經(jīng)過LC濾波后輸出三相對(duì) 稱、幅度和頻率相等的交流電壓。當(dāng)逆變電源的三相輸出電壓中任意 一相/兩相/三相負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，將導(dǎo)致三相逆變電源的輸出電壓發(fā) 生變化，通過上述的控制方法調(diào)節(jié)調(diào)制比能使三相輸出電壓始終維持 平衡，避免了三相輸出電壓的畸變。根據(jù)上述控制方法，對(duì)輸出三相 電壓?jiǎn)为?dú)取樣，取線電壓分相PI運(yùn)算去調(diào)節(jié)三個(gè)橋臂的SPWM的調(diào) 制比M卜M2、 M3。從測(cè)試數(shù)據(jù)可得，只要改變?nèi)我庀嗟恼{(diào)制比M 就能改變?cè)撓嗟妮敵鲭妷?，從而使輸出電壓保持平衡?實(shí)施例1
采用如圖4所示的具體電路，主電路由6個(gè)功率開關(guān)管組成的三 相三橋臂逆變橋，由三相濾波電抗器、三相濾波電容、三相升壓/降 壓隔離變壓器A/Y構(gòu)成的輸出濾波電路所構(gòu)成，三相濾波電抗器可包 含在三相升壓/降壓隔離變壓器A/Y內(nèi)部Voc是直流電壓、T,L 是開關(guān)管、L是電抗器、T是A/Y變壓器、C是濾波電容。該電路結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單，在實(shí)際應(yīng)用中，三相濾波電抗器可以獨(dú)立在電路中，例如獨(dú) 立在三相三橋臂逆變橋的輸出端，也可以設(shè)計(jì)在A/Y變壓器里。三 相濾波電容接在A/Y后，濾波效果更好，同時(shí)三相濾波電容可以星型接法，也可以三角形接法。采用分相控制的方法，其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖 5所示。從數(shù)據(jù)可看出，當(dāng)負(fù)載不平衡導(dǎo)致輸出電壓發(fā)生變化時(shí)，通
過分相控制的方法調(diào)節(jié)每一相與參考電壓有效值相同，相位差120。， 從而改變調(diào)制比Ml、 M2、 M3,這樣始終保持逆變電源的三相輸出電 壓對(duì)稱，幅度相等。圖6為圖4技術(shù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其線電壓最大之差 為2. 2V,達(dá)到非常滿意的效果。
本實(shí)用新型采用插入A/Y變壓器拓樸時(shí)，它是在傳統(tǒng)逆變器的三 相三橋臂與負(fù)載之間接入一個(gè)A/Y變壓器，變壓器副邊繞組用Y接 法，而原邊A形連接可以抑制開關(guān)管產(chǎn)生的三次倍諧波，同時(shí)通過線 電壓耦合到變壓器的副邊，該結(jié)構(gòu)電路簡(jiǎn)單，通過分相控制能使不平 衡負(fù)載的輸出電壓始終保持平衡。
綜上理論分析和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，本實(shí)用新型三相逆變電路及其分相控 制方法能確保負(fù)載不平衡時(shí)始終保持輸出電壓不變，保證設(shè)備正常工 作。
權(quán)利要求1.一種三相逆變電源分相PI比例積分控制裝置，主電路由6個(gè)功率開關(guān)管組成的三相三橋臂逆變橋、由三相濾波電抗器和三相濾波電容構(gòu)成的輸出濾波電路、以及三相升壓/降壓隔離變壓器Δ/Y所構(gòu)成，其特征在于，三相濾波電抗器包含在三相升壓/降壓隔離變壓器Δ/Y內(nèi)部。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種三相逆變電源分相PI比例積分控制裝置，主電路由6個(gè)功率開關(guān)管組成的三相三橋臂逆變橋、由三相濾波電抗器和三相濾波電容構(gòu)成的輸出濾波電路、以及三相升壓/降壓隔離變壓器Δ/Y所構(gòu)成，三相濾波電抗器可包含在三相升壓/降壓隔離變壓器Δ/Y內(nèi)部，也可以獨(dú)立在三相三橋臂逆變橋的輸出端。本實(shí)用新型在不平衡負(fù)載時(shí)能始終維持三相逆變電源輸出電壓的對(duì)稱、三相幅度相等、電壓波形不畸變、輸出電壓質(zhì)量高、保證負(fù)載能正常地工作。
文檔編號(hào)H02M7/42GK201369684SQ20092007886
公開日2009年12月23日 申請(qǐng)日期2009年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月23日
發(fā)明者何圣仲, 斐 張, 徐順剛, 曹太強(qiáng), 許建平 申請(qǐng)人:西南交通大學(xué)