离网条件下的三相四桥臂逆变器控制策略研究

四桥臂三相逆变器的控制策略阮新波严仰光摘要提出了一种新型的三相四线逆变器，它有四个桥臂，第四个桥臂用来构成中点，从而省去了三相三桥臂逆变器中的中点形成变压器，减小了逆变器的体积和重量。

针对这种逆变器，本文提出了一种电流调节器，它根据三相滤波电感电流和给定电流的误差值最大的那相选择逆变器的开关模态。

为了消除输出相电压的静态误差，本文讨论了一种基于PI调节器改良的电压调节方案。

仿真结果说明，本文的思路是可行的。

本文为构造大功率、高效率的三相四线逆变器提供了可靠的理论根底。

关键词：三相逆变器控制策略The Control Strategy for Three-Phase Inverter with Four Bridge LegsRuan Xinbo Yan Yangguang〔Nanjing University of Aeronaut ics & Astronautics 210016 China〕Abstract A novel three phase inverter with four bridge legs i s presented in this paper.The inverter eliminates the neutral forming transforme r by adding a bridge leg to form neutral point to provide balanced voltages to a ny kinds of three phase loads.The principle of the inverter is analyzed,and a ne w current regulator,which chooses switching modes according to the maximum cur rent error of filter inductance current and the reference current is proposed.Th e modified voltage regulator on the basis of PI regulator is proposed to elimina te output voltage static error under any load conditions.Keywords:Three-phase Inverters Control strategies1 引言三相逆变器一般是采用三个桥臂组成的拓扑结构，为了给不对称负载供电，必须在输出端加入一个中点形成变压器(Neutral Formed Transformer，NFT)，如图1所示。

目录第一章绪论 (1)1.1前言 (1)1.2 课题的研究意义与背景 (4)1.3本文研究的主要内容 (8)第二章 三相四桥臂逆变器的控制策略 (9)2.1 PWM控制 (9)2.2 滞环电流控制 (12)2.3 空间矢量控制 (14)2.3.1 二维空间矢量调制 (14)2.3.2 基于αβγ坐标系的三维空间矢量调制 (18)2.4 本章小结 (22)第三章 基于abc坐标系的空间矢量调制与逆变器调压实现 (23)3.1 基于abc坐标系下三维空间矢量调制 (23)3.1.1 空间矢量的定义 (23)3.1.2 空间矢量的合成 (25)3.1.3 各矢量作用时间的计算 (26)3.1.4 开关矢量的组合方式 (27)3.2 参考电压的计算 (28)3.2.1 对称分量法 (28)3.2.2 参考电压 (30)3.3 逆变器的调压原理 (32)3.4 本章小结 (34)第四章 系统的实验设计 (35)4.1 主电路参数设计 (35)4.1.1 功率开关管的选择 (35)4.1.2 滤波器的设计 (36)4.2 控制电路的设计 (37)4.2.1 DSP的资源分配 (37)4.2.2外围电路设计 (39)4.2.3 采样电路的设计 (40)4.3 系统的软件设计 (41)4.4 本章小结 (42)第五章 三相四桥臂逆变器SVM调制的仿真 (43)5.1 三相四桥臂SVM仿真模型的建立 (43)5.1.1 MATLAB简介 (43)5.1.2 三相四桥臂SVM调制仿真模型 (44)5.1.3 仿真参数的设置 (45)5.2 开环系统的仿真 (46)5.3 闭环系统的仿真 (48)5.4 本章小结 (53)第六章 总结与展望 (54)6.1本文工作总结 (54)6.2 进一步工作的设想 (55)参考文献 (56)附录 攻读硕士学位期间撰写的论文 (59)致谢 (60)第一章绪论1.1前言现如今，伴随着国内外工业与科技的日益发展，用电设备已经应用于社会的各行各业，成为人类生产生活中不可或缺的一部分，电能的开发与利用显得尤为重要。

采用三相四桥臂抑制逆变器共模干扰的SPWM 控制策略的研究The Study of SPWM Control Strategy to Reduce Common-Mode Interferences inThree-Phase Four-Leg Inverters华中科技大学电气与电子工程学院 黄劲 熊蕊 王志 Email: huangjin.mail@摘要：传统的三相三桥臂逆变器因电路不对称而产生了很大的共模电压和电流。

本文介绍了三相四桥臂结构对逆变器共模干扰抑制的原理和为了达到平衡采用的载波移相SPWM 控制策略，指出了该方法存在的调制指数被限定的缺陷。

为了弥补该缺陷，本文提出了SPWM 跳变后移的改进策略，阐述了该控制策略的理论依据及其实际效果。

改进后的策略突破了原策略调制指数的限制，扩大了三相四桥臂逆变器载波移相SPWM 控制策略的应用前景。

Abstract- Due to the asymmetry of the structure, the traditional three-phase three-leg inverters produce huge amount of common-mode(CM) voltage and CM current. This paper introduces the theory of reducing CM interferences by using the three-phase four-leg structure and the SPWM control strategy of carrier phase shifting which is applied on the purpose of balance in inverters. The modulation index limitation in this method is also pointed out. In order to solve the problem, the measure for improvement is put forward, in which trip point of SPWM is delayed when zero-state appears. The theoretical basis and simulation result of the control strategy is analyzed. The improved method breaks through the modulation index limitation and widens the application of the SPWM control strategy in three-phase four-leg inverter.关键词：三相四桥臂 逆变器 SPWM 共模干扰Keywords- Three-phase four-leg, inverter, SPWM, common-mode interferences1．引言在电机调速系统中，传统的逆变器开关控制策略使PWM 逆变器产生共模电压。

一、概述在现代电力系统中，逆变器作为电能转换的重要设备，广泛应用于各种领域，如风电、光伏发电、电动汽车等。

三相四桥臂逆变器作为一种常见的逆变器结构，在实际应用中，由于负载不平衡等因素的影响，会对其控制和性能产生一定的影响。

针对三相四桥臂逆变器在不平衡负载下的控制与实现进行研究，对于提高逆变器的稳定性和性能具有重要意义。

二、三相四桥臂逆变器基本结构和工作原理三相四桥臂逆变器是一种常见的逆变器结构，其基本结构由六个功率器件组成，可以实现对三相交流电源的逆变输出。

在正常工作情况下，三相四桥臂逆变器的工作原理是利用PWM技术对输入的直流电压进行调制，从而实现对输出三相交流电压的控制。

在负载平衡的情况下，逆变器可以实现良好的性能。

三、不平衡负载对三相四桥臂逆变器的影响在实际应用中，由于负载的不平衡性，如负载的不对称、不匹配等因素会对三相四桥臂逆变器的工作产生影响。

主要表现在以下几个方面：1. 输出电压波形失真：负载不平衡会导致逆变器输出的三相电压波形失真，影响其稳定性和性能。

2. 电流不平衡：负载不平衡还会导致逆变器输出的三相电流不平衡，存在功率因数低、损耗大等问题。

3. 逆变器保护失效：负载不平衡会加大逆变器内部元件的损耗，使其保护功能失效，从而影响系统的安全性。

四、不平衡负载下三相四桥臂逆变器的控制策略针对不平衡负载下三相四桥臂逆变器的影响，可以采取以下控制策略进行改进和优化：1. 直接控制策略：通过对逆变器输出电压和电流进行实时检测和调整，实现对不平衡负载的即时响应。

2. 功率均衡控制策略：通过对三相输出功率进行均衡调整，实现对负载不平衡的自适应调节，提高逆变器的整体性能。

3. 容错控制策略：在逆变器输出发生不平衡时，引入容错机制，及时对系统进行保护和修复，确保逆变器的稳定运行。

五、不平衡负载下三相四桥臂逆变器的实现技术在实际工程中，对于不平衡负载下三相四桥臂逆变器的实现，可以采用以下技术手段进行：1. 基于DSP的控制算法：利用数字信号处理器（DSP）实现对逆变器的实时控制和调节，提高控制精度和速度。

三相四桥臂微网变流器控制策略研究作为可再生能源发电技术的重要发展方向,微网以其可靠、灵活的运行方式逐渐成为学术界与工业界的研究热点,而作为分布式电源与微网接口的电力电子变流器在微网中扮演着重要角色。

在微网系统中,通常需要三相四线制变流器同时为单相与三相负载供电。

在众多四线制变流器拓扑中,三相四桥臂以其直流电压利用率高、电容需求量低、能够为零序电流提供通路以及控制灵活等优点,得到了较为广泛的应用,尤其适用于负载不平衡工况。

本文以微网中三相四桥臂变流器为研究对象,重点对不平衡工况下的控制技术展开研究：首先,围绕单台三相四桥臂变流器组网的孤岛微网控制策略展开研究。

建立了三相四桥臂变流器在同步旋转坐标系下的数学模型,给出四桥臂变流器解耦控制策略。

为改善负载不平衡引起的变流器输出电压不平衡,根据对称分量法推导了四桥臂变流器的分序模型,提出了一种适用于三相四桥臂变流器的改进正序、负序及零序独立控制策略,分别采用降阶广义积分器快速分离正负序分量以及比例谐振调节器改进零序电压控制。

分析了所提方法对变流器零序输出阻抗的影响,并通过仿真与实验验证了控制方案的有效性。

其次,围绕三相四桥臂变流器在静止坐标系的控制策略及其实现中的问题展开研究。

推导了三相四桥臂变流器在αβ0坐标下的数学模型,提出一种基于准谐振调节器的单电压环控制策略,并分析了准谐振调节器增益有限所导致的输出电压静差问题。

在此基础上,考虑延时环节,分析了准谐振调节器比例系数与截止频率、变流器滤波器参数对谐振增益系数的影响,及αβ轴与零轴在参数调节方面的差异,为控制器参数设计以及实际参数调试提供了依据。

为增加控制带宽、提高系统的动态性能,本文加入参考电压前馈以改善闭环控制特性,并采用基于电感电流的有源阻尼增强系统稳定性。

最后,通过实验验证了参数分析的合理性,及不平衡负载工况下控制方案的有效性,并对四桥臂变流器控制策略的选择进行了相应的讨论。

第三,围绕多台三相四桥臂变流器的并联运行及负载分配策略展开研究。

三相四桥臂逆变器的PWM控制策略三相四桥臂逆变器的PWM控制策略与其他三相逆变器相比，三相四桥臂全桥逆变器具有体积小、重量轻、成本低的优点，因此具有很好的应用价值。

该逆变器控制策略主要有空间矢量控制法和滞环控制法，其中对空间矢量控制法的研究较为深入。

三维空间矢量控制法虽然具有电压利用率高、控制灵活、效率高等优点，但其空间矢量图抽象，难以理解，控制时需进行坐标变换，且开关矢量带有根号，控制较为复杂。

滞环控制法的控制思想简单，易于理解，但该方法用于四桥臂逆变器时，需对各相误差电流大小进行判断，从而决定第四桥臂两开关管的开关状态。

因此，控制的实时性和精度受到了影响。

此处研究了一种零序电流注入的PWM 控制策略，该控制策略能实现三相四桥臂逆变器的解耦控制，且控制方法简单，易于理解和实现。

与常规的正弦波调制方法相比，直流母线电压利用率得到了提高，且具有很好的带不平衡负载能力。

2 三相四桥臂逆变器系统模型图1 示出三相四桥臂逆变器主电路结构图。

为便于分析，假设直流电源E 分为两部分，中间点电位为零。

4 个桥臂的中间点电压分别为ua，ub，uc，uN，电感电流分别为iLa，iLb，iLc，三相输出电压分别为uoa，uob，uoc，输出电流分别为ioa，iob，ioc。

三相四桥臂逆变器的状态方程为：三相四桥臂逆变器有8 个开关管器件，用Sa，Sb，Sc，SN 分别表示每个桥臂的开关函数。

当桥臂上管开通，下管关断时，定义此桥臂的开关方式为Si=1(i=a，b，c，N)；当桥臂上管关断，下管开通时，定义Si=0。

令SaN=Sa-SN，SbN=Sb-SN，ScN=Sc-SN，则桥臂输出电压与直流侧输入电。

三相四桥臂逆变器的工作原理分析与控制工作原理分析：在逆变器的工作过程中，控制器会周期性地对桥臂上的开关状态进行调整。

每个桥臂由两个开关管组成，可以分为上桥臂和下桥臂。

通过合理地控制这些开关管的导通和断开，可以实现稳定的输出电压。

当上桥臂的开关管导通时，直流电源正极的电流会经过对应的桥臂，流向负极。

而当下桥臂的开关管导通时，负极的电流会经过对应的桥臂，流回到直流电源。

通过不断切换上桥臂和下桥臂的开关管状态，可以使电流在直流电源和负载之间循环流动，从而实现交流电流的输出。

控制：为了实现对输出电压的精确控制，控制器需要根据输入信号，即所需输出电压的幅值、频率和相位来确定桥臂的开关状态。

一种常用的控制方法是基于PWM技术的空间矢量调制（SVPWM）控制。

在这种方法中，控制器根据所需输出电压的大小和方向，通过调整上桥臂和下桥臂开关管的导通时间来控制输出电压的幅值和相位。

具体来说，控制器会将所需输出电压在α-β坐标系上对应的矢量进行分解，然后根据所得到的矢量值来确定开关状态。

实际控制中，控制器会根据输入信号来计算相应的开关状态，并通过控制信号发送给桥臂上的开关管。

控制器可以采用各种算法和控制策略来实现精确的电压控制，例如PID控制、模糊控制等。

总结：三相四桥臂逆变器通过合理控制桥臂上的开关状态，可以将直流电能转换为交流电能。

它采用PWM技术，通过调整开关管的导通和断开时间来控制输出电压的幅值、频率和相位。

控制器根据输入信号计算桥臂的开关状态，并发送给对应的开关管，从而实现对输出电压的精确控制。

第39卷第24期电力系统保护与控制Vol.39 No.24 2011年12月16日Power System Protection and Control Dec.16, 2011 三相四桥臂逆变器控制技术研究顾和荣, 王德玉, 沈虹，赵巍，郭小强（燕山大学电力电子节能与传动控制河北省重点实验室，燕山大学电气工程学院, 河北秦皇岛 066004）摘要：三相四桥臂逆变器可以解决不平衡负载引起输出电压不平衡的问题。

采用开环控制或传统同步旋转坐标系PI控制时，三相四桥臂逆变器输出电压仍存在不平衡现象。

为了揭示其原因，首先建立了三相四桥臂逆变器数学模型，在此基础上分析了三相四桥臂逆变器输出电压不平衡的根本原因，并提出相应的解决方案。

该方案有效地抑制了不平衡负载电流扰动对输出电压的影响，保证了三相四桥臂逆变器在不平衡负载情况下输出三相对称正弦电压。

最后在Matlab/Simulink环境下对空载、平衡负载、不平衡负载三种情况下系统开环和闭环控制进行了仿真研究，仿真结果验证了该解决方案的正确性。

关键词: 三相四桥臂逆变器；不平衡负载；不平衡电压；开环控制；闭环控制Research on control scheme of three-phase four-leg inverterGU He-rong, WANG De-yu, SHEN Hong, ZHAO Wei, GUO Xiao-qiang(Key Lab of Power Electronics for Energy Conservation and Motor drive of Hebei Province, Institute of Electrical Engineering,Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China)Abstract: Three-phase four-leg inverter has the capability of rejecting the unbalanced voltage due to asymmetrical loads. However, the unbalanced voltage still exists when the open-loop control or synchronous frame PI controller are used for three-phase four-leg inverter. In order to explain the reason for this phenomenon, the mathematical model for three-phase four-leg inverter is built, based on which the unbalanced output voltage problem is discussed. And then the solution to the voltage unbalance problem is presented. The proposed solution can mitigate the effect of unbalanced load current on three-phase output voltages, so the balanced sinusoidal voltage regulation can be achieved under the unbalanced loads. Finally, the system open-loop control and closed-loop control simulations are carried out under the conditions of no-load, balanced load and unbalanced load in Matlab/Simulink. Simulation results prove that the presented solution is valid.This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No. 50837003 and No. 50977081) and Natural Science Foundation of Hebei Province (No. E2010001261).Key words: three-phase four-leg inverter; asymmetrical loads; unbalanced voltage; open-loop control; closed-loop control中图分类号： TM732 文献标识码：A 文章编号： 1674-3415(2011)24-0041-060 引言三相逆变器广泛地应用于交流传动、有源滤波和无功补偿、新能源发电等领域[1-6]，一般采用三相三桥臂结构，可以给电机等三相平衡负载供电。