电压型三相PWM逆变器控制的研究

电压型三相PWM逆变器控制的研究

[摘要]电压型三相PWM逆变器作为电力系统的关键设备，对于能源的转换效率和可靠性具有举足轻重的作用，其控制技术更是备受世界各国学者的关注。因此，本文我们重点对电压型三相PWM逆变器的电流控制技术进行了分析，以期为提高电压型三相PWM逆变器的性能提供一些有益的参考。

【关键词】电压型三相PWM逆变器；控制；技术

随着新能源分布式发电系统的发展，当大电网出现电压骤升、骤降、不平衡和谐波等电能质量问题或有计划检修时，系统转入孤岛运行模式，此时的电压（指电压幅值）和频率由内部微电源控制器负责调节。在这种情况下，传统的并网逆变器控制方式难以满足电力系统稳定运行的需要，因此要研究适用于电力系统的电压型三相PWM逆变器控制技术。

1、电压型三相PWM逆变器的概述

电压型逆变器是应用最广的一种DC-AC变换器，其直流侧以电容为能量缓冲元件，从而使其直流侧呈现出电压源特性。根据电压型逆变器的控制方式和结构的不同，电压型逆变器主要可分为方波型、阶梯波型、正弦波型（PWM型）三类。

电压型方波逆变器以及电压型阶梯波逆变器当需要改变输出电压幅值时，一般采用脉冲幅值调制（PAM）或单脉冲调制（SPM），它们应用于大功率场合具有开关损耗低，运行可靠等优点，但也存在动态响应慢、谐波含量大（方波逆变器）、结构复杂（阶梯波逆变器）等一系列不足。为此考虑设计另一类能克服上述不足且性能优越的电压型逆变器，即脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）电压型逆变器。这种电压型正弦波逆变器一般应具有以下特点：（1）逆变器的直流电压可采用结构简单的不控整流电路。（2）利用单一的功率电路及其控制，可同时调整输出频率和输出电压，动态响应快。（3）由于输出电压的谐波频率主要分布在开关频率及其以上频段，因而输出谐波含量低。

根据输出电流的相数，电压型PWM逆变器又可以分为电压型单相PWM逆变器和电压型三相PWM逆变器。其中，电压型单相PWM逆变器受到电网负载平衡要求、功率器件容量、零线电流和用电负载性质的影响，其容量一般都在100KV A以下，而电压型三相PWM逆变器多应用于大容量的逆变电路。

2、电压型三相PWM逆变器控制方法的分析

2.1电压型三相PWM逆变器控制方法的概述

电压型三相PWM逆变器在独立模式下一般采用双闭环控制，即由电压环控制输出电压，采用电流环提高系统的动态响应速度。根据反馈电流的采样，电流

环可分为采用电容电流瞬时值反馈控制和电感电流瞬时值反馈控制。

在并网模式下，电压型三相PWM逆变器控制方法可分为电流型控制和电压型控制，其并网模型如图1，其中i0是逆变器输出电流，Zg是电网阻抗，uN是进网电压，u0是逆变器输出电压。

2.2电压型三相PWM逆变器的电流控制技术

2.2.1线性控制方法。线性控制方法是一种传统的电流控制技术，其可分为状态回馈控制、PI静态和同步控制、开关频率恒定预测控制方法，具有开关频率恒定、直流电压利用率较高、谐波含量较低和正选脉宽调制更加优化等优点，因此受到了广泛的应用。

（1）状态回馈控制器。基于线性多变量状态回馈理论，状态回馈控制器通过利用极点配置技术来获得状态回馈系数矩阵，它能够对电动势电压进行动态补偿，因此控制性能较优。通过积分部分，状态回馈控制器可以将静态误差降至最低，但是其暂态误差却比较大，因此可以在状态反馈中引入参考电压前馈信号和扰动输入信号。

（2）PI静态控制器。通过三个PI误差调节器，PI静态控制器会产生SPWM 的参考电压，然后对三角载波和参考电压进行比较并产生控制信号，从而控制逆变开关的闭合。PI静态控制器虽然是依据SPWM技术来进行设计的，但是将输出电流波动回馈控制加入到其中，并且影响了开关次数，因此具有不同的动作原理，其积分部分可以减小低频误差。PI静态控制器的缺点是控制性能不及状态回馈控制器，并且需要通过加入锁相环和前馈校正来对其固有的跟踪误差进行补偿。

（3）PI同步矢量控制器。基于空间矢量电流控制方法能够通过理想的电流表达式来确保系统的稳定运行，其拥有两个PI调节器，分别对同步旋转坐标系中d、q电流分量进行控制。还有一种同步矢量控制器工作在静止α—β坐标系下，它的控制变量为交流变量，控制系统内环由乘法器和两个积分器构成变频发生器，为PWM调制器提供参考电压来消除稳态电流误差。

（4）开关频率恒定预测控制器。在每一个调制周期的开端，开关频率恒定预测控制器会根据实际误差和交流侧参数R、L和E，来对电流误差矢量进行预测，从而对下一个调制周期内的电压矢量进行确定，从而将预测误差降至最低。

2.2.2非线性控制方法。非线性控制方法主要包括在线优化控制和滞环电流控制方法，此外模糊逻辑控制和神经网络控制方法也包含在内。

（1）滞环电流控制方法。滞环电流控制是有一组两电平的滞环比较器，一旦偏差超过了滞环环宽时，滞环比较器就会进行相应的开关操作。相较于线性控制方法，滞环电流控制具有跟踪误差小、操作简便、受负载参数变化影响较小、鲁棒性强和动态性能较好的优势，但它也存在着如下不足：滞环电流控制具有固

有的随机性，这使得其运动具有不平衡性，从而对其展开保护比较困难；滞环电流控制器的开关频率会随着交流电压和负载参数的变化而变化。

（2）在线优化控制方法。由于采用实时优化算法，在线优化控制器需要复杂的在线计算，因此其应用不是特别广泛，必须利用微处理器来进行设计。

2.2.3其他新方法。除了线性控制方法和非线性控制方法外，近年来电压型三相PWM逆变器电流控制技术还开发了许多新的方法，如在线训练人工神经网络电流控制器和输入输出线性化回馈控制，其中在线训练人工神经网络电流控制器是基于自适应滤波器的，需要很高的采样频率才能获得较好的性能，并且需要很长的学习时间；输入输出线性化回馈控制器的内环为电流控制器，采用输入输出线性回馈控制方法，外环为直流电压回馈控制器，回馈变量为直流电压的平方，能够极大地提高系统的控制性能和降低成本。