一种三相四桥臂逆变器装置的制作方法

本实用新型涉及电源技术领域，更具体地说，涉及一种三相四桥臂逆变器装置。

背景技术：

随着电力电子技术的不断发展，逆变器广泛应用于电力电子设备当中。而传统的逆变器在不平衡负载或非线性负载条件下会产生不平衡的三相电压。为了解决这个问题，许多学者提出了一系列拓扑结构，如模块化三相逆变器、带中间变压器的三相逆变器、分电容逆变器和三相四桥臂逆变器。其中，三相四桥臂逆变器能够在非线性负载条件下输出三相对称电压，其第四桥臂直接控制中性点电流，具有控制简单，电压利用率高，无需大容量电容器等优点，日益受到了人们的青睐。但是，现有的三相四桥臂逆变器往往都是采用电流单闭环控制方式来控制中性点电流来达到稳定系统运行的目的；而由于在实际运行中，电源系统中的电压也会随着电流的波动而波动，系统中的电压容易产生电压中性点零点漂移现象，从而降低了电源系统的动态响应性能，最终影响系统的稳定运行。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型提供了一种三相四桥臂逆变器装置，解决现有技术中三相四桥臂逆变器因采用电流单闭环控制方式而造成电压中性点零点漂移降低电源系统动态响应性能的缺陷。

一种三相四桥臂逆变器装置，包括闭环调节电路以及载波调整电路，载波调整电路通过闭环调节电路与输电线路电连接；所述闭环调节电路包括电压转换模块、电流转换模块、参考电压修正模块、输出电压修正模块、电压闭环调节单元以及电流闭环调节单元；所述参考电压修正模块的正向输入端与参考电压输入端电连接，所述参考电压修正模块的反向输入端与无功功率输入端电连接，所述参考电压修正模块的输出端与输出电压修正模块的正向输入端电连接；所述输出电压修正模块的反向输入端通过电压转换模块与输电线路电连接；所述电压闭环调节单元的输入端与输出电压修正模块的输出端电连接；所述电流闭环调节单元的第一输入端与电压闭环调节单元的输出端电连接，所述电流闭环调节单元的第二输入端与通过电流转换模块与输电线路电连接，所述电流闭环调节单元的输出端与载波调整电路电连接。

优选地，该输出电压修正模块包括有直流输出电压修正模块；所述直流输出电压修正模块的反向输入端与电压转换模块的直流输出端电连接，所述直流输出电压修正模块的正向输入端与参考电压修正模块的输出端电连接，所述直流输出电压修正模块的输出端与电压闭环调节单元的输入端电连接。

优选地，该参考电压修正模块包括有直流参考电压修正模块；所述直流参考电压修正模块的正向输入端与直流参考电压输入端电连接，所述参考电压修正模块的反向输入端与无功功率输入端电连接，所述直流参考电压修正模块的输出端与直流输出电压修正模块的正向输入端电连接。

优选地，该输出电压修正模块还包括有交流输出电压修正模块；所述交流输出电压修正模块的反向输入端与电压转换模块的交流输出端电连接，所述交流输出电压修正模块的正向输入端与参考电压修正模块的输出端电连接，所述交流输出电压修正模块的输出端与电压闭环调节单元的输入端电连接。

优选地，该电压闭环调节单元包括有谐振模块、情感控制模块以及电压整合模块；所述谐振模块的输入端与输出电压修正模块的输出端电连接；所述情感控制模块的输入端与输出电压修正模块的输出端电连接；所述电压整合模块的输入端分别与谐振模块和情感控制模块的输出端电连接，所述电压整合模块的输出端与电流闭环调节单元的第一输入端电连接。

优选地，该电压闭环调节单元包括有第一谐振模块、第一情感控制模块以及直流电压整合模块；所述第一谐振模块的输入端与直流输出电压修正模块的输出端电连接；所述第一情感控制模块的输入端与直流输出电压修正模块的输出端电连接；所述直流电压整合模块的输入端分别与第一谐振模块和第一情感控制模块的输出端电连接，所述直流电压整合模块的输出端与电流闭环调节单元的第一输入端电连接。

优选地，该电压闭环调节单元还包括有第二谐振模块、第二情感控制模块以及交流电压整合模块；所述第二谐振模块的输入端与交流输出电压修正模块的输出端电连接；所述第二情感控制模块的输入端与交流输出电压修正模块的输出端电连接；所述交流电压整合模块的输入端分别与第二谐振模块和第二情感控制模块的输出端电连接，所述交流电压整合模块的输出端与电流闭环调节单元的第一输入端电连接。

优选地，该电流闭环调节单元包括有直流电流闭环调节单元和交流电流闭环调节单元；所述直流电流闭环调节单元的第一输入端与直流电压整合模块的输出端电连接，所述直流电流闭环调节单元的第二输入端与电流转换模块的直流输出端电连接，所述直流电流闭环调节单元的输出端与载波调整电路的第一输入端电连接；所述交流电流闭环调节单元的第一输入端与交流电压整合模块的输出端电连接，所述交流电流闭环调节单元的第二输入端与电流转换模块的交流输出端电连接，所述交流电流闭环调节单元的输出端与载波调整电路的第二输入端电连接。

优选地，该直流电流闭环调节单元包括有直流参考电流修正模块、第一PID模块、第三情感控制模块以及直流电流整合模块；所述第三情感控制模块的输入端与电流转换模块的直流输出端电连接；所述直流参考电流修正模块的正向输入端与直流电压整合模块电连接，所述直流参考电流修正模块的负向输入端与电流转换模块的直流输出端电连接；所述第一PID模块的输入端与直流参考电流修正模块的输出端电连接；所述直流电流整合模块的正向输入端与第一PID模块的输出端电连接，所述直流电流整合模块的反向输入端与第三情感控制模块的输出端电连接，所述直流电流整合模块的输出端与载波调整电路的第一输入端电连接。

优选地，该交流电流闭环调节单元包括有交流参考电流修正模块、第二PID模块、第四情感控制模块以及交流电流整合模块；所述第四情感控制模块的输入端与电流转换模块的交流输出端电连接；所述交流参考电流修正模块的正向输入端与交流电压整合模块电连接，所述交流参考电流修正模块的负向输入端与电流转换模块的交流输出端电连接；所述第二PID模块的输入端与交流参考电流修正模块的输出端电连接；所述交流电流整合模块的正向输入端与第二PID模块的输出端电连接，所述交流电流整合模块的反向输入端与第四情感控制模块的输出端电连接，所述交流电流整合模块的输出端与载波调整电路的第二输入端电连接。

从上述的技术方案可以看出，本实用新型的有益效果为：

本实用新型先利用电压转换模块和电流转换模块，将输电线路的三相交流电压电流进行正交分解成直轴电压电流分量和横轴电压电流分量，简化并加快了输电线路的三相交流电压电流的处理过程，有利于提高该装置的动态响应性能；然后利用电压闭环调节单元和电流闭环调节单元构成双闭环控制模式，使得该装置能实现电压与电流的双重跟踪并依据电压或电流变化及时作出动态响应，克服了现有技术中三相四桥臂逆变器因采用电流单闭环控制方式而造成电压中性点零点漂移降低电源系统动态响应性能的缺陷；最后利用参考电压修正模块和输出电压修正模块，组成参考电压前馈控制模式，使得参考电压随着输电线路的三相交流电压的变化而变化，通过这种参考电压前馈控制模式，将参考电压的波动值实时反馈到电压闭环调节单元中，进一步抑制了电压中性点零点漂移，进一步提高了该装置的整体动态响应效率，从而达到提高系统稳定运行的目的。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种三相四桥臂逆变器装置的结构框图。

图2为本实用新型实施例提供的一种三相四桥臂逆变器装置的主电路拓扑图。

图中：1-电压转换模块；2-电流转换模块；3-载波调整电路；11-直流参考电压修正模块；12-直流输出电压修正模块；13-第一谐振模块；14-第一情感控制模块；15-直流电压整合模块；16-直流参考电流修正模块；17-第一PID模块；18-直流电流整合模块；19-第三情感控制模块；22-交流输出电压修正模块；23-第二谐振模块；24-第二情感控制模块；25-交流电压整合模块；26-交流参考电流修正模块；27-第二PID模块；28-交流电流整合模块；29-第四情感控制模块。

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所述的附图作简单地介绍，显而易见，下面的描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

具体实施方式

如图1-2所示，本实用新型实施例公开了一种三相四桥臂逆变器装置，包括闭环调节电路以及载波调整电路3，载波调整电路3通过闭环调节电路与输电线路电连接；所述闭环调节电路包括电压转换模块1、电流转换模块2、参考电压修正模块、输出电压修正模块、电压闭环调节单元以及电流闭环调节单元；所述参考电压修正模块的正向输入端与参考电压输入端电连接，所述参考电压修正模块的反向输入端与无功功率输入端电连接，所述参考电压修正模块的输出端与输出电压修正模块的正向输入端电连接；所述输出电压修正模块的反向输入端通过电压转换模块1与输电线路电连接；所述电压闭环调节单元的输入端与输出电压修正模块的输出端电连接；所述电流闭环调节单元的第一输入端与电压闭环调节单元的输出端电连接，所述电流闭环调节单元的第二输入端与通过电流转换模块2与输电线路电连接，所述电流闭环调节单元的输出端与载波调整电路3电连接。

在本实用新型实施例中，该三相四桥臂逆变器装置的工作过程为：所述电压转换模块1和电流转换模块2先将输电线路的三相交流电压电流依次进行正交分解成直轴电压电流分量和横轴电压电流分量；然后参考电压修正模块对参考电压进行实时跟踪响应，并将响应后的参考电压变量输入到输出电压修正模块中；然后输出电压修正模块依据参考电压变量和经电压转换模块1处理后的直轴电压分量和横轴电压分量进行比较控制并输出修正电压到电压闭环调节单元中；然后电压闭环调节单元对修正电压进行追踪闭环调节并输出调节电压到电流闭环调节单元中，然后流闭环调节单元根据经电流转换模块2处理后的直轴电流分量和横轴电流分量以及调节电压进行比较控制并统一输出调压电压和调节电流进入到载波调整电路3中进行下一工序载波调整处理输出PWM控制波形，从而完成了整个装置的运行工序。

显然，在本实施例中，本实用新型先利用电压转换模块1和电流转换模块2，将输电线路的三相交流电压电流进行正交分解成直轴电压电流分量和横轴电压电流分量，简化并加快了输电线路的三相交流电压电流的处理过程，有利于提高该装置的动态响应性能；然后利用电压闭环调节单元和电流闭环调节单元构成双闭环控制模式，使得该装置能实现电压与电流的双重跟踪并依据电压或电流变化及时作出动态响应，克服了现有技术中三相四桥臂逆变器因采用电流单闭环控制方式而造成电压中性点零点漂移降低电源系统动态响应性能的缺陷；最后利用参考电压修正模块和输出电压修正模块，组成参考电压前馈控制模式，使得参考电压随着输电线路的三相交流电压的变化而变化，通过这种参考电压前馈控制模式，将参考电压的波动值实时反馈到电压闭环调节单元中，进一步抑制了电压中性点零点漂移，进一步提高了该装置的整体动态响应效率，从而达到提高系统稳定运行的目的。

具体地，该输出电压修正模块包括有直流输出电压修正模块12；所述直流输出电压修正模块12的反向输入端与电压转换模块1的直流输出端电连接，所述直流输出电压修正模块12的正向输入端与参考电压修正模块的输出端电连接，所述直流输出电压修正模块12的输出端与电压闭环调节单元的输入端电连接。该参考电压修正模块包括有直流参考电压修正模块11；所述直流参考电压修正模块11的正向输入端与直流参考电压输入端电连接，所述参考电压修正模块的反向输入端与无功功率输入端电连接，所述直流参考电压修正模块11的输出端与直流输出电压修正模块12的正向输入端电连接。在本实施例中，此处的具体工作过程为：直流参考电压Uref的固定值通过直流参考电压输入端进入到直流参考电压修正模块11的正向输入端中，经线路无功功率采集电路采集得到的无功功率Qku的变化值进入到参考电压修正模块的反向输入端中，利用直流参考电压Uref的固定值和无功功率Qku的变化值经直流参考电压修正模块11的比较后得到对比控制差值并输出到直流输出电压修正模块12的正向输入端中；然后，输电线路的三相交流电压经电压转换模块1进行正交电压分解后得到的直轴电压分量输入到直流输出电压修正模块12的反向输入端中，在直流输出电压修正模块12的比较下得到随输电线路变化而变化修正的直轴电压分量进入到电压闭环调节单元中进行电压闭环控制调节处理。

此外，该输出电压修正模块还包括有交流输出电压修正模块22；所述交流输出电压修正模块22的反向输入端与电压转换模块1的交流输出端电连接，所述交流输出电压修正模块22的正向输入端与参考电压修正模块的输出端电连接，所述交流输出电压修正模块22的输出端与电压闭环调节单元的输入端电连接。在本实施例中，此处，该参考电压修正模块为原点位置，输出的参考电压为0，进入到交流输出电压修正模块22的正向输入端中，然后电压转换模块1的交流输出端的交轴电压分量进入到交流输出电压修正模块22的反向端中，在交流输出电压修正模块22的比较下得到随输电线路变化而变化修正的交轴电压分量进入到电压闭环调节单元中进行电压闭环控制调节处理。

并且，在本实施例中，该电压闭环调节单元包括有谐振模块、情感控制模块以及电压整合模块；所述谐振模块的输入端与输出电压修正模块的输出端电连接；所述情感控制模块的输入端与输出电压修正模块的输出端电连接；所述电压整合模块的输入端分别与谐振模块和情感控制模块的输出端电连接，所述电压整合模块的输出端与电流闭环调节单元的第一输入端电连接。该电压闭环调节单元包括有第一谐振模块13、第一情感控制模块14以及直流电压整合模块15；所述第一谐振模块13的输入端与直流输出电压修正模块12的输出端电连接；所述第一情感控制模块14的输入端与直流输出电压修正模块12的输出端电连接；所述直流电压整合模块15的输入端分别与第一谐振模块13和第一情感控制模块14的输出端电连接，所述直流电压整合模块15的输出端与电流闭环调节单元的第一输入端电连接。该电压闭环调节单元还包括有第二谐振模块23、第二情感控制模块24以及交流电压整合模块25；所述第二谐振模块23的输入端与交流输出电压修正模块22的输出端电连接；所述第二情感控制模块24的输入端与交流输出电压修正模块22的输出端电连接；所述交流电压整合模块25的输入端分别与第二谐振模块23和第二情感控制模块24的输出端电连接，所述交流电压整合模块25的输出端与电流闭环调节单元的第一输入端电连接。显然，在此处，所述第一谐振模块13、第一情感控制模块14以及直流电压整合模块15构成直流电压闭环处理系统，随输电线路变化而变化修正的直轴电压分量进入到第一谐振模块13和第一情感控制模块14进行闭环调节，然后再经直流电压整合模块15输出闭环调节整合后的直轴电压分量；所述第二谐振模块23、第二情感控制模块24以及交流电压整合模块25构成交流电压闭环处理系统，随输电线路变化而变化修正的交轴电压分量进入到第二谐振模块23和第二情感控制模块24进行闭环调节，然后再经交流电压整合模块25输出闭环调节整合后的交轴电压分量。

显然，该电流闭环调节单元包括有直流电流闭环调节单元和交流电流闭环调节单元；所述直流电流闭环调节单元的第一输入端与直流电压整合模块15的输出端电连接，所述直流电流闭环调节单元的第二输入端与电流转换模块2的直流输出端电连接，所述直流电流闭环调节单元的输出端与载波调整电路3的第一输入端电连接；所述交流电流闭环调节单元的第一输入端与交流电压整合模块25的输出端电连接，所述交流电流闭环调节单元的第二输入端与电流转换模块2的交流输出端电连接，所述交流电流闭环调节单元的输出端与载波调整电路3的第二输入端电连接。该直流电流闭环调节单元包括有直流参考电流修正模块16、第一PID模块17、第三情感控制模块19以及直流电流整合模块18；所述第三情感控制模块19的输入端与电流转换模块2的直流输出端电连接；所述直流参考电流修正模块16的正向输入端与直流电压整合模块15电连接，所述直流参考电流修正模块16的负向输入端与电流转换模块2的直流输出端电连接；所述第一PID模块17的输入端与直流参考电流修正模块16的输出端电连接；所述直流电流整合模块18的正向输入端与第一PID模块17的输出端电连接，所述直流电流整合模块18的反向输入端与第三情感控制模块19的输出端电连接，所述直流电流整合模块18的输出端与载波调整电路3的第一输入端电连接。该交流电流闭环调节单元包括有交流参考电流修正模块26、第二PID模块27、第四情感控制模块29以及交流电流整合模块28；所述第四情感控制模块29的输入端与电流转换模块2的交流输出端电连接；所述交流参考电流修正模块26的正向输入端与交流电压整合模块25电连接，所述交流参考电流修正模块26的负向输入端与电流转换模块2的交流输出端电连接；所述第二PID模块27的输入端与交流参考电流修正模块26的输出端电连接；所述交流电流整合模块28的正向输入端与第二PID模块27的输出端电连接，所述交流电流整合模块28的反向输入端与第四情感控制模块29的输出端电连接，所述交流电流整合模块28的输出端与载波调整电路3的第二输入端电连接。依然，在此处，经电压闭环调节单元处理后的电压分量进入到电流闭环调节单元进行继续参与电流调节；输电线路的三相交流电压经电流转换模块2进行正交电流分解后得到的直轴电流分量进入到直流参考电流修正模块16中进行电流修正处理，以及进入到第三情感控制模块19中进行闭环调节处理，然后经过直流参考电流修正模块16处理后的直轴电流分量进入到第一PID模块17中进行PID调节修正，然后将经第一PID模块17处理后的直轴电流分量和经第三情感控制模块19处理的直轴电流分量汇合至直流电流整合模块18中进行整合修正，最终将修正后的直轴电压分量和电流分量输入到载波调整电路3中进行载波调节处理。同理，对于交轴分量的处理为：经电压闭环调节单元处理后的电压分量进入到电流闭环调节单元进行继续参与电流调节；输电线路的三相交流电压经电流转换模块2进行正交电流分解后得到的交轴电流分量进入到交轴参考电流修正模块中进行电流修正处理，以及进入到第四情感控制模块29中进行闭环调节处理，然后经过交轴参考电流修正模块处理后的交轴电流分量进入到第二PID模块27中进行PID调节修正，然后将经第二PID模块27处理后的交轴电流分量和经第三情感控制模块19处理的交轴电流分量汇合至交流电流整合模块28中进行整合修正，最终将修正后的交轴电压分量和电流分量输入到载波调整电路3中进行载波调节处理。

为了进一步描述本实施例，下面将结合该装置的主电路拓扑图进行阐述说明：如图2所示，本实用新型实施例所公开的三相四桥臂逆变器装置的主电路拓扑图，包括四个桥臂，开关管VT1与VT2串联构成A相桥臂，其桥臂中点为U1；VT3与VT4串联构成B相桥臂，其桥臂中点为U2；VT5与VT6串联构成C相桥臂，其桥臂中点为U3；所述A、B、C三相桥臂分别用于输出A、B、C三相交流电；VT7与VT8串联构成第四桥臂，其为中性线桥臂，桥臂的中心为U4，所述第四桥臂用于提供或控制逆变器的中线电流；ABC三相的桥臂中点U1、U2和U3分别与滤波电感L1、L2和L3的一端连接，滤波电感L1、L2和L3的另一端分别与滤波电容C1、C2和C3的一端连接；其各个连接点还分别连接三相负载Z1、Z2与Z3；第四桥臂的中点U4与滤波电感L4的一端连接；滤波电感L4的另一端与滤波电容C4的一端连接，滤波电容C4的另一端与负直流母线连接；当所述逆变器带有不平衡或者非线性负载时，第四桥臂为零序电流的流动提供路径，保证三相输出电压的平衡。所述第四桥臂中点的电压经过LC滤波，且经过所述滤波电容C4的电压不能突变，LC滤波器构成一个低通滤波器，用于抑制高频的共模干扰信号。为了达到控制该主电路运行的稳定性，便于控制高主电路的运行，本实用新型实施例需要产生稳定的PWM调制信号，其目的是利用PWM调制信号实时跟踪输电线路中电压电流的变化而变化，达到稳定系统运行的目的。本实用新型实施例主要是采用图1的结构来产生稳定的PWM调制信号。本实施例采用改进的双闭环控制方法，其具体过程为；

步骤1：将a-b-c静止坐标系转换到d-q-0坐标系的参考维度，即将逆变器输出电压Ua、Ub、Uc转换成Ud、Uq，用于电压外环的简化情感控制和谐振控制；

步骤2：将电感电流转换为到d-q-0坐标系，用于电流内环；

步骤3：采用简化情感控制对电压直流量进行无静差跟踪，谐振控制增大系统环路在两倍频处的环路增益；

步骤4：采用空间适量调制技术实现对逆变器的触发控制。

所述简化情感控制采用简化的情感控制器：情感控制器的结构包括杏仁体、眶额皮质、丘脑以及感官皮质这4个部分。杏仁体是情感学习的主要区域，它作为大脑的一部分在处理情绪的同时与眶额皮质、丘脑以及感官皮质保持协调一致。眶额皮质具有修正作用，对杏仁体内发生的情感学习过程起到监控作用，避免出现过学习和欠学习。两者综合控制作为信息处理后的输出。简化情感控制是在情感控制模型的基础上去除眶额皮质，并隐藏奖励信号，达到简化结构精简参数的目的，克服了情感控制器参数过多难于调节的缺点，同时控制器具有类PI控制结构，其参数能够根据被控对象的变化在线调整，增强了控制系统的抗干扰能力。代入杏仁体权值及交轴直轴电压可得，简化情感控制的输出为：

其中，sd1，sd2，sq1和sq2为可调参数；vd1，vdm，vq1，vqm为杏仁体权值；ed，eq为d轴和q轴的电压误差。

由上式可以看出，简化情感控制器具有PI结构，能够使得系统保持稳态，因为保留了杏仁体，简化的情感控制器仍然具有自校正能力。

所述谐振控制其传递函数形式：

其中ω0＝628rad·s^-1，ωc＝3.14rad·s^-1，kr＝25

第四桥臂流过中线电流是零序电流分量的3倍。因此控制逆变器第四桥臂电流实际上就是控制逆变器输出的零序电流。因此三相四桥臂逆变器第四桥臂的调制波表达式为

其中：in为中线电流，Ua，b，c为三相相电压。

显然，本实施例中的电压外环由情感控制器、谐振控制器构成；所述情感控制采用简化的情感智能控制器，具有优越于PI控制的自学习能力，且简化情感控制的阶数低于PR控制器，降低了控制系统设计的复杂度；所述谐振控制可增大控制系统在两倍频处的环路增益；内环采用传统的电流环，用以提高系统的稳定性。该装置采用改进的电压电流双闭环控制，改进的电压环使用简化情感控制器和谐振控制器，以减弱电压中性点零点漂移现象，满足控制需求；加入了参考电压前馈控制，进一步提高了电源系统的动态性能。本实用新型有助于解决三相四桥臂逆变器控制策略的问题，为优化电源电压不平衡，改进逆变器控制策略提供借鉴。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分相互参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。