三相逆变器输出波形控制技术 北京大学 东方贱人 摘要
独立式逆变电源在军事、工业、民用、服务业等领域都有广泛的应用，在这种条件下对于单台逆变器控制方法研究仍具有重要的意义。本文主要针对其输出电压波形的控制和抗不平衡负载方面进行研究。
(1)首先对三相电压源型逆变器的常用拓扑结构进行了介绍并分析了其优缺点，接着给出了其在三相静止坐标系、两相静止坐标系、两相旋转坐标系下数学模型，并说明在两相旋转坐标系下分别进行控制时，控制量并不相互独立，而是存在耦合。最后，通过理论分析和仿真证明这种耦合主要影响逆变器的动态性能。
(2)分析了几种控制方式的各自优缺点，最后选择了带负载电流前馈的电容电压外环电感电流内环的双环控制策略，这种控制策略既可以实现限流的作用，同时保证了系统良好的动态特性。为了提高输出电压的波形质量，在外环中加入重复控制器，并在此基础上设计控制器参数。仿真和实验结果均表明，所设计的参数不仅使系统具有良好的动态特性，同时提高了输出波形的质量。
(3)文章最后针对逆变器带不平衡负载时输出电压不平衡的问题，首先分析提高控制器二次分量处的增益可以提高系统抗不平衡负载的能力的原理。并通过在传统的PI加重复复合控制器中加入二次谐振控制器，提高其二次分量处的增益并分析其稳定条件，最后通过仿真和实验验证了该控制方法可靠性。
关键字：dq耦合；双环控制；复合控制；谐振控制；不平衡负载
Abstract
Thenon-grid-connectedinverteriswidelyappliedinthefieldsofmilitary,industry,civiluseandservices.Undersuchconditiontheresearchonthecontroltechniqueofsingleinverterisstillofgreatsignificance.Therefore,inthispaper,wefocusonthecontroltechniqueofinverter’soutputvoltageandtheunbalancedloaddisturbancerejection.
(1)Firstly,thisarticleintroducedandanalyzedtheadvantagesanddisadvantagesofcommonlyusedtypeofthree-phasevoltagesourceinvertertopology,andindroducedthethemathematicalmodelofinverterinthree-phasestaticcoordinatesystem,two-phasestaticcoordinatesystem,two-phaserotatingcoordinatesystem.Thenitillustratedthephenomenonthatwhensystemiscontrolledunderthetwophaserotatingcoordinatesystem,thecontrolvolumesaremutualcoupling.Finally,throughthetheoreticalanalysisandsimulationprovethatthiscouplingmainlyaffectsthedynamicperformanceofinverter,anditsinfluenceisnotobvious.
(2)Thisarticlefirstlyanalyzedadvantagesanddisadvantagesofseveralcontrolmethods,andchosethedoubleloopcontrolstrategywithloadcurrentfeed-forward,inwhichinductorcurrentcurre
ntfeedbackintheinnerloopandinductancecapacitancevoltagefeedbackintheouterone.Thiscontrolstrategycannotonlyrealizethefunctionofcurrentlimiting,butalsohasgooddynamiccharacteristicsofthesystematthesametime.Thenthearticleanalyszedthedifferencebetweentheharmoniccontrollersetoninnerandouterloop,andthereasonwhyrepetitivecontrollerintheouterringcanachievebettercontroleffect.Thecontrollerparametersisdesignedbasedonanalysis.Simulationandexperimentalresultsshowthatthedesignedparametersnotonlymakesurethesystemhasgooddynamiccharacteristics,butalsoimprovethequalityoftheoutputwaveform. (3)Finally,asfortheproblemoftheinverter’soutputvoltageimbalancecausedbyunbalancedload,thearticlefirstlyanalysistheprinciplewhyimprovecontroller’sthegainofsecondarycomponentanalysiscanimprovethesystem’sresistanceofunbalancedload.Toimprovethesecondtimegain,themethodinthearticleaddsasecondresonantcontrollerinthetraditionalPIandrepetitivecompoundcontrollerandanalyzeitsstabilitycondition.Atlast,theresultofsimulationandexperimentverifythereliabilityofthecontrolmethod.
Keywords:dqcoupling;doubleloop;thecompoundcontrol;theresonantcontrol;unbalancedload 目录 摘要
I
Abstract II 1绪论 1
1.1研究背景及意义 1
2
1.2逆变器波形控制技术发展现状 1.3本文主要研究内容 5 2三相逆变器数学模型分析 7 2.1引言 7
2.2三相电压源型逆变器的常用拓扑及其数学模型 7 2.3三相逆变器dq坐标系下的解耦 13 2.4本章小结 19
3三相逆变器复合控制技术 20 3.1引言 20 3.2控制方案选择 21 3.3双环控制器设计
23
3.4双环谐波抑制策略 26 3.5仿真与实验结果 3.6本章小节 37
4不平衡条件下的复合控制 39 4.1引言 39
4.2对称分量法及其应用
39
45 48
29
4.3常规复合控制方案的分析 4.4一种改进的复合控制方案 4.5仿真与实验结果 4.6本章小结 67
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5总结与展望 68 5.1本文总结 68 5.2未来工作展望 68 致谢
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参考文献
附录攻读硕士学位期间参加的主要科研项目 75 1绪论
1.1研究背景及意义
在农耕时代，人们主要是使用薪柴等生物质能源来满足饮食、取暖等生活需要，能源的利用种类单一，效率低。第一次工业革命使生产效率得到提高，带来了能源需求提高的必然结果。随着内燃机、电力这两个革命性技术的产生，人类需求能源的种类更加丰富起来，石油和天然气也和煤炭一样，逐渐成为世界能源的主要消费品种。如今人类的生活、生产的正常运转都离不开能源的连续支撑，如果能源突然中止供应，那么人类社会的正常运行必将陷入一片混乱、瘫痪之中，能源对人类发展的制约作用也日益显现。
化石能源[1]是目前全世界能源消费的主要对象，而其再生周期极其漫长。随着人类对其的不断消耗，人来必须面对其储量减少，开采难度提高的棘手问题。同时化石燃料的燃烧产生的二氧化碳等温室气体是导致全球气候变暖[2]的重要因素，气候变化是对人类乃至其他生