第 "$ *##" 卷第 年 2 /# 期 月 电力电子技术 ’OU:IEP:=HIO6B=K &OPQ"$ [=HOM:I ， @OQ2 ， *##" 基于双环控制的三相 逆变器研究 李 勋，朱鹏程，杨荫福，陈 坚 !"#$% （华中科技大学，湖北 武汉 ） !"##$! 摘要：提出一种基于电压电流双环控制的三相 %&’() 逆变器，分析了其两相同步旋转坐标系下的数学模型 并由此构建了系统的电压电流控制器。为了提高系统的动态响应特性及抗扰能力，电压外环包含了负载电流前馈 及输出滤波电容电流解耦，电流内环包含了输出电压前馈及输出滤波电感电压解耦。 实验样机的实验结果 *#+&, 表明，该逆变器具有良好的非线性负载能力。 关键词：逆变器；空间矢量；脉宽调制／电压电流双环控制 中图分类号： -)!.! 文献标识码： , 文章编号： （ /###0/##1 *##" ） #20##"#0#" !&’()*+&,-.,/--01,23-!"#$%456-/&-/723-(*58*’79-:**1;*5&/*9 ， ， ， 34156 789’:6;<=>:6; ?,@A?B6I::GK:%&’()B6L:IH:IMGK:NO6LOPHG;:<=5II:6HNO5MP::LOPHG;:G6N =5II:6H=O6HIOPP:IGI:K:H5JH>IO5;>G6GPRSB6;H>:TGH>:TGHB=GPTON:P56N:IHUOJ>GK:KR6=>IO6O5KIOHGHB6;CIGT:Q46 OIN:IHOBTJIOL:H>:NR6GTB=I:KJO6K:=>GIG=H:IG6NB6H:IC:I:6=:I:V:=HBO6GMBPBHR LOPHG;:O5H:IPOOJB6=P5N:KH>: ， C::NCOIUGINOCPOGN=5II:6HG6NO5HJ5HCBPH:IB6;=GJG=BHG6=:=5II:6HN:=O5JP:=OTJO6:6HQD5II:6HB66:IPOOJB6=P5N:KH>: C::NCOIUGINOCO5HJ5HLOPHG;:G6NO5HJ5HCBPH:IB6;B6N5=HG6=:LOPHG;:N:=O5JP:=OTJO6:6HQ->::WJ:IBT:6HGPI:K5PHKCIOTG *#+&,JIOHOHRJ:L:IBCB:NH>GHH>:B6L:IH:I>GK;OONJ:ICOITG6=:UBH>6O6-)?*/(3 ： B6L:IH:I ； KJG=:L:=HOI ； ’() ／ LOPHG;:<=5II:6HNO5MP:POOJ=O6HIOP @ 引 言 输出电压波形质量是逆变器的一项重要指标， 通常要求逆变器输出电压为谐波含量很小的正弦 波。尤其在非线性负载作用下，如何抑制谐波，提高 输出电压品质，目前依然是逆变器研究的一个热点。 出周期的延迟，因而动态响应效果差。 为此 提 出 了 一 种 基 于 电 压 电 流 双 环 控 制 的 三相逆变器，通过建立其两相同步旋转坐 %&’() 标系下的数学模型，利用电压外环实现对输出电压 的稳定控制，电流内环实现对输出电流的控制。由 采用正弦脉宽调制（ ）控制策略和后级 滤 于电压环包含了负载电流前馈及输出滤波电容电流 波电路可以获得较好的正弦波电压输出，但其直流 %’() 3D 解耦，电流环包含了输出电压前馈及输出滤波电感 电压利用率低。相比 而言，电压空间矢量脉 电压解耦，因此有效地改善了系统的动态响应及抗 宽调制（ ）具有更低的高次谐波和电压利用 %&’() 率高等优点，越来越受到人们的重视。 扰能力。 实验样机的实验结果表明，该逆变 *#+&, 器具有良好的非线性负载能力，在负载突变的情况 %’() 工业用高速数字信号处理器（ ）的出现，为 下能实现快速的跟踪。 X%’ 正弦波逆变器的数字化控制提供了更为有利的条 件。各种先进的数字控制方案，如差拍技术［ ］、重 / ］等，提高了逆变器输出电压波形质量 复控制技术［ * 和系统的可靠性，取得了一定的效果。但由于无差 拍技术对逆变器参数的强依赖性，因此未能在实际 逆变电源装置中得到广泛应用。重复控制利用负载 扰动的周期性规律，“记忆”扰动发生的位置，有针对 性地逐步修善输出波形，在稳态条件下获得很好的 式中 电压输出波形，但由于自身的缺陷，控制上有一个输 定稿日期： 作者简介：李 勋（ *##"0#!0/$ /Y$.0 ），男，广西北流人，博士生，助 教，研究方向为电力电子技术及其在电力系 统中的应用。 #" A 三相 考虑图 !"#$% / 所示的三相 逆变器数学模型 %&’() 逆变器的电路 结构，变压器 次级侧电路状态方程为： - （ ） / （ ） * 9/ Z!/0!3 N*/ N/ N+3 N/ ———输出滤波电感 8! / Z"/0"3 9/ 8! / ———输出滤波电容 星形接法的等效容值 8/ ———变压器次级输出电压向量 !/ ———逆变器输出电压向量 !3 ———变压器次级输出电流向量 "/ ———负载电流向量 "3 

基于双环控制的三相 ()*+, 逆变器研究 即： ［ !!" ［ !$" "!" ［ "$" !!" !!# !!$ !$" !$# !$$ ［ &!" &!# &!$ &$" &$# &$$ ］% ］% ］% ］% （ （ （ （ # % & ） ） ） ） ’ 图 ! 三相 ()*+, 逆变器实验样机电路结构 考虑三相平衡，根据变换前后功率不变的原则， 有三相静止到两相同步旋转坐标变换关系式如下： " ［ ］ &’ & ( "!- # ./0!) ./0 !)1 ./0 !)2 034!) 034 !)1 # 034 !)2 （ （ （ （ ） ） -! # -! # （ （ （ （ $ &" " &# %$ # & （ ） 5 $ ） -! # ） -! %# ） -! # ） -! %# ） ） $ " $ -! # -! # ./0 !)2 !" !# %$ # ! （ ） 6 ）可得到两相旋转坐标系下的 034 !)2 " ［ ］ !’ ! ( "!- # ./0!) ./0 !)1 034!) 034 !)1 # 利用式（ ）和式（ 6 电压、电流状态方程： 5 ， 1!*!&!’ !*!&!( 影响。同理，式（ 电压 !$’ ， !$( !$& ）、式（ !! !- 除受输出电流 扰动和输出电压 !$’ ）表明，系统 ， !$( ， ( ’ 扰动的 轴输出 控制外，还受耦 ， &!( &!’ 合电流 &$’ 的扰动影响。因此，如果控制系统中包含这些扰 !!$( !!$’ 1!$& 和输出负载电流 ， ， &$( 动量，则可以消除它们的影响。 由式（ ）、式（ ）得 逆 变 器 输 出 电 流 控 制 量 8 为： !!’ ， !!( !9 !!’"!$’1!*!&!(2*! 7&!’ 7) （ ） !# !!("!$(2!*!&!’2*! 7&!( 7) （ ） !% 由式（ ）、式（ ）得到逆变器输出电压控制量 !! !- ， &!( &!’ 为： &!’"&$’1!$& !!*(2$& ! 7!$’ 7) （ ） !& &!("&$(2!$& 根据式（ ） 式（ !# " !’ 电流双环控制系统。 !!*’2$& ! ）可以构成图 7!$( 7) # （ ） !’ 所示的电压 *! "!!’1!$’2!*!&!( *! "!!(1!$(1!*!&!’ $& ! "&!71&$’2!$& !!$( （ ） 8 （ ） !9 图中 （ ） !! 7&!’ 7) 7&!( 7) 7!$’ 7) 7!$( 7) $& ! 示出式（ "&!(1&$(1!$& ） 式（ !!$’ ）构成的系统模型框图。 （ ） !- 8 " !- 图 - 图 控制策略 系统模型框图 - ! 式（ ）、式（ ）表明，系统 8 !9 轴输出电流 ， ’ &!’ 的 影 响 外，还 受 耦 合 电 压 ， ( 除 受 控 制 量 !!’ ， !!( &!( ):$’ ;:!’ ， ):$( ， ;:!( 检测三相负载电压 图 # 控制系统框图 ———逆变器 轴电压调节器 ’ ， ( ， ( 轴电流调节器 ’ 、三相负载电流 ———逆变器 及变 &$ ）可以得 !$ &! 压器次级三相输出电流 ，由式（ ）、式（ 5 6 到对应的 轴分量，电压控制器和输出电压反馈 ， ( ’ 构成电压外环，其输出为电流指令 ， && !( （输出额定相电压峰值）， +& && !’ 。令电压 ，则 $("9 指令 +& $’"+: 在电压外环的作用下实现对输出电压的稳定控制。 电流控制器和输出电流反馈构成电流内环，其输出 为逆变器输出变压器次级电压空间矢量 ， !!( 系统中负载电流及输出电压前馈量的引入，以及电 !!’ 。 容解耦电流和电感解耦电压的引入，减轻了调节器 的负担，加快了系统的响应速度，提高了逆变器带非 线性 负 载 的 能 力。利 用 输 出 电 压 空 间 矢 量 ， ，在电压空间矢量 !!( 下，得到逆变器 ()*+, 个开关器件的 ’ 控制技术［ !!’ ］的调节 # 驱动信号，从 *+, 而使得逆变器在电压电流双环控制下，输出额定正 !# 

第 ’B !""’ 卷第 年 6 &" 期 月 电力电子技术 /+TFEXMF)JE+LU)R 弦波电压。 负载时的输出线电压及 $+M1’B G)J+IFE ， \+16 ， !""’ 相负载电流波形，可见输 ) 实验样机及其实验结果 出电压跌落小，且调节时间只需要大约 个电网周 ’ ! "#$%& 研制了一台 其输出端并接 ’ 实验样机，电路结构见图 !"#$% & 个星形连接电感及三相不控整流 ， 桥，整流桥输出为纯电阻负载。主要参数列于表 。 & 表 ’ 三相 (%)*+ 逆变器电路及负载参数 期，动态响应快速。 图 : 线电压 谐波分布图 ’@"( !() *’"$ 直流母线电压 母线电容 功率管 "+ 变压器 ／ 3 输出滤波电感 （ 2 " ）变比 输出滤波电容 输出相电压峰值 $& "& !9 采样频率 无功负载 % $ 三相不控整流负载电阻 ’’""!, （ ’-./0 ／ ） &1!#$ !""% #4#!5#& !4 ’ "1*678 &""!, ’&&$ :#8; *"78 & &<# 控制系统采用上述电压电流双环控制策略及 =$/>0 调 制，系 统 的 实 现 基 于 处 理 器 ?=/ ，并配合必要的外围电路包括母线过 20=’!",!*" 流检测及保护；输出电压、输出电流、负载电流检测 处理及驱动脉冲输出电路等。 图 * 和图 分别示出了图 6 相负载电流 负载情况下输出线 & 的波形。可见尽管负 电压 及 ’@"( ) 载电流具有严重的非线性（包含有功、无功及谐波分 *@) 量），输出电压依然具有良好的波形。 图 * 输出线电压 ’@"( 图 B 结 论 突加负载时的电压电流波形 , 实验样机的实验结果表明，采用电压电 !"#$% 流双环控制的三相 线性负载能力，输出电压波形畸变率小，动态响应 =$/>0 逆变器具有良好的非 快，能快速地跟踪负载突变。 参考文献： ［ ］ & ［ ］ ! CD#EFEG1?FH(IFHJK+LJE+M+NH2OEFFPQOHRF.LSFEJFE ［ TUJOHL GVJQVJ@K ,UMJFE ）： XMF)JE+LU)R ， &YY: ， GV9= ， （ && ， WVLZ=@ & &:$!’1 2;+V3 3 ］ W 1.XXX 2EHLR1+L/+TFE ， +,-.18UZOPQFEN+E7HL)F 图 相负载电流 *@) 6 ) 给出了线电压 图 : ’@"( 输出线电压的总谐波畸变率 ’A 下输出电压波形的质量要求。图 的谐波分布，可以发现 ，满足非线性负载 为突加 !"#$% B /E+ZEH77HIMF%K /+TFE=+VE)F TUJO @+T 8HE7+LU) ?URJ+EJU+LVRULZ?=/PIHRF(9FQFJUJUSFK+LJE+M2F)OLU[VF ［ ）： ］ 1.XXX 2EHLR1+L/+TFEXMF)JE+LU)R W ， &YYB ， （ &! B B&6$B!61 ［ ］ 常 骏，马 淑 云，赵 金，等 ’ 逆 变 器 空 间 向 量 对 称 1 />0 信 号 微 机 实 时 调 制 方 法［ ］ 电 力 电 子 技 术， W 1 &YYY ， （ ’’ : ）： *Y$6"1 !’ 

基于双环控制的三相SVPWM逆变器研究 李勋， 朱鹏程， 杨荫福， 陈坚 作者： 作者单位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期)： 华中科技大学,湖北,武汉,430074 电力电子技术 POWER ELECTRONICS 2003，37(5) 7次 被引用次数： 参考文献(3条) 1.Kükrer O Deadbeat Control of a Three-phase Inverter with an Output LC Filter 1996 2.Tzou Y Y.Ou R S.Jung S L High-performance Programmable AC Power Source with Low Harmonic Distortion using DSP-based Repetitive Control Technique 1997 3.常骏.马淑云.赵金 逆变器空间向量对称PWM信号微机实时调制方法 1999(06) 相似文献(10条) 1.期刊论文 卢其威.王聪.Lu Qiwei.Wang Cong 五电平逆变器空间矢量欠调制模式的研究 -电工技术学报 2005,20(4) 采用空间矢量调制的多电平逆变器受到了越来越广泛的重视.但随着电平数的增加,空间矢量成几何级数增多,五电平逆变器的空间矢量个数多达 125个,这给空间矢量调制的实现带来了极大困难.目前文献仅限于研究三电平逆变器的空间矢量实现算法,或笼统给出多电平逆变器的通用算法,都缺乏对 五电平逆变器的空间矢量的具体算法以及如何利用具体每一个冗余开关矢量、开关状态等问题的实现进行细致的研究.本文针对合理地利用每个开关矢量 ,确定了每个开关矢量的作用时间和作用次序,得到了欠调制模式下五电平逆变器每个空间矢量的开关函数;并通过仿真,证明了所提出的算法的有效性和 正确性,对于进一步研究五电平逆变器应用于交流传动领域具有重要的意义. 2.学位论文 傅乾斌 基于DSP的空间矢量逆变器的研究 2006 逆变器在当前社会具有很广泛的应用，随着微型计算机技术的不断发展，数字控制在逆变器控制中的应用也日益凸现。由于DSP的高速数据处理能力 ，采取DSP作为逆变器的控制核心，可以用软件实现变换器的整体控制，具有实现装置模块化、集成化、控制可靠等优点。
　　 本文的研究对像是采用具有谐振直流环的三相逆变器的拓扑结构，其控制系统包含PWM逆变器和谐振直流环的两部分，将软开关技术融入到逆变器中的 设计中，使逆变器的开关频率提高了一个数量级，在逆变器的控制算法上采用的是空间矢量调制，在传统的控制算法的基础上提出了一种改进型的控制 策略。这种控制策略减少了逆变桥的开关状态转换次数，同时提高了开关频率，使得系统可以实时的完成SVPWM的控制算法，且速度快、精度高、可以有 效的减小输出谐波。
　　 本文对SVPWM原理和谐振直流环作了详细的分析，并对系统主电路进行了设计，完成了控制电路硬件设计和软件设计，并给出了实验结论。 3.期刊论文 胡存刚.王群京.李国丽.冯纪归.姜卫东.Hu Cungang.Wang Qunjing.Li Guoli.Feng Jigui.Jiang Weidong 基于虚拟空间矢量的三电平NPC逆变器中点电压平衡控制方法 -电工技术学报2009,24(5) 针对三电平中点钳位逆变器在不同的负载条件下,传统的最近三矢量合成方法中点电压存在不能平衡的区域,利用基于虚拟空间矢量的调制方法,当输 出三相电流之和为零时,能实现对中点电压的完全控制.为了在扇区切换时输出矢量平稳过渡,提出了在每个大区内全部采用相同首发正小矢量或负小矢量 的方法.构建了三电平中点钳位型逆变器实验平台,对基于虚拟空间矢量的三电平NPC逆变器中点电压平衡控制方法的有效性进行了验证. 4.学位论文 付庆磊 基于DSP的三相电流型空间矢量PWM逆变器的研究 2006 本文研究了串级调速系统的工作原理，分析了串调系统的功率因数和谐波抑制，比较了几种改进方案。提出了采用三相电流型PWM逆变器(CSI)来改 善串调系统的功率因数及谐波；进而研究了三相CSI的拓扑和数学模型以及功率因数。本文还对PWM的空间矢量调制技术进行了研究，针对传统的空间矢 量PWM算法中，判断指令电流所在区间以及计算空间矢量与相邻矢量的夹角较为复杂，提出了一种新的空间矢量PWM调制方法，简化了PWM波形的生成算法 ；为了使串级调速系统获得更好的动、静态性能，设计了串级调速的转速一电流双闭环控制系统，并利用Matlab/sIMuLINK对三相CSI以及串级调速系统 进行了仿真，仿真结果验证了本文研究的正确性和可行性；最后对三相CSI进行了基于TMS320F2812的软硬件设计。 5.期刊论文 于飞.张晓锋.李槐树.向东.Yu Fei.Zhang Xiaofeng.Li Huaishu.Xiang Dong 五相逆变器的不连续空 间矢量PWM控制 -电工技术学报2006,21(7) 多相逆变器的PWM控制技术是船舶电力推进中的关键技术,其性能对推进系统的特性会产生重要的影响.本文在五相逆变器连续空间矢量 PWM(CSVPWM)控制的基础上,通过对两个零矢量的合理使用,提出了一类新的五相逆变器不连续空间矢量PWM(DSVPWM)控制方法.该方法在一个开关周期内只 采用一个零矢量,开关次数比CSVPWM少1/5,因而可以降低开关损耗,同时其输出目标线电压为正弦波,因此谐波性能优于最小开关损耗SVPWM控制方式.提出 了几种典型的DSVPWM实现方法,结合仿真与实验分析了它们的基本工作特性、适用的负载类型以及谐波性能. 6.期刊论文 张存礼 电压型逆变器供电的导步电动机空间矢量的研究 -安徽电子信息职业技术学院学报2005,4(4) 本文就电压型逆变器供电的三相异步电动机的电压空间矢量、磁链空间矢量进行了研究,得出了电压型逆变器供电的三相异步电动机的电压空间矢量 、磁链空间矢量为正六边形的结论,为异步电动机的调速与控制提供了理论基础. 7.学位论文 冯纪归 三电平NPC逆变器PWM控制方法的研究 2009 三电平中点箝位型(NPC)逆变器由于其等效开关频率高、单管承受电压低、输出电压波形好等优点，已经成为当今电力电子和电力传动技术的研究热 点。而PWM控制方法是三电平NPC逆变器的核心技术之一。本文重点对载波层叠和空间矢量PWM控制方法进行了研究。论文的主要内容包括以下几个方面： 1、介绍了三电平NPC逆变器技术及其PWM控制方法的原理和研究现状。对比分析了载波调制、空间矢量和虚拟空间矢量控制方法的优缺点： 2、利用双重傅立叶级数和Bessel定理，推导了载波层叠PWM控制逆变器输出波形的表达式，并建立了载波反相和载波同相层叠PWM控制的三电平 NPC逆变器仿真模型。通过仿真和实验研究，验证了理论分析的正确性； 3、论证了空间矢量控制方法对中点电压平衡控制的局限性。采用基于传统空间矢量和虚拟空间矢量混合调制方法，对中点电压进行控制，通过仿真 和实验研究，验证了该方法对中点电位平衡控制的有效性。 论文通过对三电平NPC逆变器的载波层叠PWM控制方法和中点电压平衡关键技术的研究，对三电平NPC逆变器的性能进行了改善，为工程应用提供了研 究基础。 8.会议论文 唐飞.郑蕾.伍小杰 基于DSP的三电平空间矢量PWM逆变器调速系统研究 2003 

本文首先介绍了三电平空间矢量PWM逆变器工作原理,然后分析了它的矢量合成原则及其相应的控制策略,最后基于TMS320LF2407A DSP搭建了一个三 电平空间矢量PWM逆变器异步电机调速系统,试验结果显示该系统具有良好的动态性能. 9.学位论文 蔡振鸿 基于空间矢量调制技术的三相多通道逆变器研究 2007 本文研究基于多通道拓扑结构的低输入电压大输出功率400Hz逆变器。传统的多通道逆变器不能调节输出电压，为了实现输出电压调节，本文分析比 较了几种常用的调压方案后，提出了一种基于空间矢量调制（SVPWM）技术的调压方案。该方案采用一种不对称的矢量作用方式，以低开关频率实现高质 量输出电压。 论文介绍了四通道逆变器的空间矢量调制调压原理，分析了不同开关频率、不同采样偏移角和不同调制比下的输出电压谐波含量，给出了优化设计 准则。介绍了空间矢量调制调压方案的数字实现方案，基于DSP和FPGA设计了数字控制电路，该控制电路简单、输出电压控制精确。制作了4kVA小功率样 机验证了该数字控制方案的可行性，证明多通道逆变器空间矢量调制调压是一种理想可行的解决方案。 在研究四通道逆变器的基础上，本文还分析了不同通道数下的空间矢量调制调压特性，给出了不同通道数下的优化设计准则。不同通道数的逆变器 可以满足不同场合的要求，优化设计准则具有工程参考价值。 10.期刊论文 王铁军.辜承林.陈永冰.单潮龙.Wang Tiejun.Gu Chenglin.Chen Yongbing.Shan Chaolong 电压型逆 变器驱动的多套Y绕组电动机空间矢量电压研究 -电工技术学报2006,21(5) 研究了电压型逆变器(VSI)驱动的多套Y绕组结构电动机的空间矢量电压(SVV).根据SVV和磁链矢量之间存在着近似的积分关系,提出用该量替代磁场 量进行谐波分析,以用于评估多相交流电动机运行性能;根据伏秒平衡原理,求取了中点不相连的多套Y绕组合成SVV;总结了各Y绕组之间的空间相移与绕组 电压相移的一般性规律;以4Y(十二相)绕组结构为例,理论分析了当一组三相逆变桥故障时绕组的空间矢量电压谐波,并通过仿真对分析结果进行了验证. 引证文献(7条) 1.邹超.王奔.李泰 向无源网络供电的VSC-HVDC系统控制策略[期刊论文]-电网技术 2009(2) 2.邹超.张竞.王奔.黄北军 基于变结构控制的VSC-HVDC非线性附加控制器的设计[期刊论文]-浙江电力 2008(5) 3.曾立.孙友涛.熊蕊 四开关三相逆变器的空间矢量控制[期刊论文]-通信电源技术 2006(2) 4.吴姗姗.李永东 一种新型恒压恒频逆变电源闭环控制策略[期刊论文]-电力电子技术 2006(5) 5.李登莹 静止坐标系下四桥臂逆变器3-D SVM调制方法研究[学位论文]硕士 2006 6.张永丽 三相逆变电源的数字化实现及电磁兼容性研究[学位论文]硕士 2005 7.刘飞 双变流器串-并联补偿式UPS[学位论文]硕士 2004 本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_dldzjs200305010.aspx 授权使用：北方工业大学(bfgyds)，授权号：286678e8-add5-4933-b21b-9e4e0105d27b 下载时间：2010年12月16日