不平衡、非线性负载条件下的三相四桥臂逆变器控制方法与流程

本发明涉及输配电技术领域，具体是一种不平衡、非线性负载条件下的三相四桥臂逆变器控制方法。

背景技术：

近年来，我国大力发展包括新能源在内的分布式发电，以应对全球经济发展的需求和能源日益匮乏的困局。目前，在电力系统中，逆变器已成为电源系统必不可少的组成部分，其作为分布式发电系统能量转换与控制过程中的核心组成，影响和决定着整个系统的稳定、安全、可靠、效率，甚至使用寿命和成本，已然成为分布式发电发展和应用中的关键。

但与此同时，配电网中不平衡、非线性负载在用户侧、电网侧大量存在且日益增多。不平衡负载会引起逆变器的三相输出电压不对称，是导致电力系统中三相输出不对称的主要原因，而非线性负载则会导致逆变器输出波形发生畸变，产生大量的直流分量、谐波分量，恶化电能质量。由于传统三相三桥臂逆变器受限于自身拓扑结构，无法控制其滤波电容中点与直流母线电压中点间的电位关系，不具备带不平衡负载能力，因此，近年来对不平衡、非线性负载条件下三相逆变器的控制技术研究受到了广泛关注。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种不平衡、非线性负载条件下的三相四桥臂逆变器控制方法，解决配电网中不平衡、非线性负载导致的逆变器三相输出电压不对称、波形畸变问题，实现不平衡、非线性负载条件下三相四桥臂逆变器的三相输出电压对称输出，同时对其中直流分量、谐波分量进行有效抑制。

本发明的目的是以下技术方案实现的：

一种不平衡、非线性负载条件下的三相四桥臂逆变器控制方法，包括如下步骤：

步骤一、实时采样三相四桥臂逆变器三相输出电压幅值、相位、频率，分解处理后通过abc/dq0坐标变换实现对其的解耦控制；

步骤二、结合重复控制技术和PI控制技术分别对d、q、0轴进行闭环控制，达到控制目标；

步骤三、在dq0/abc坐标变换后采用基于abc坐标系的三维空间矢量调制技术，实现对三相四桥臂逆变器四个桥臂的触发控制。

进一步的，所述步骤一的具体实现过程如下：

a)实时采样三相四桥臂逆变器三相输出电压幅值、相位，并将三相输出电压分解为正序、负序、零序电压分量：

${\stackrel{\·}{U}}_a={\stackrel{\·}{U}}_{a\left(1\right)}+{\stackrel{\·}{U}}_{a\left(2\right)}+{\stackrel{\·}{U}}_{a\left(0\right)}---\left(1\right)$

${\stackrel{\·}{U}}_b={\stackrel{\·}{U}}_{b\left(1\right)}+{\stackrel{\·}{U}}_{b\left(2\right)}+{\stackrel{\·}{U}}_{b\left(0\right)}---\left(2\right)$

${\stackrel{\·}{U}}_c={\stackrel{\·}{U}}_{c\left(1\right)}+{\stackrel{\·}{U}}_{c\left(2\right)}+{\stackrel{\·}{U}}_{c\left(0\right)}---\left(3\right)$

式(1)～(3)中脚标(1)、(2)、(0)分别代表正序、负序、零序分量；

b)将分解三相四桥臂逆变器三相输出电压得到的正序、负序、零序分量分别进行Park变换，实现解耦控制：

进一步的，所述步骤二结合重复控制技术和PI控制技术分别对d、q、0轴进行闭环控制，使d轴电压分量控制目标为220√2V，q轴和0轴电压分量控制目标为0V，

其中重复控制方面，将上一个工频周期某时刻的采样值与控制目标进行比较计算得到输出偏差，并与本工频周期对应时刻比较计算得到的偏差进行累加，作为被控对象的反馈量，并将累加值继续应用到下一个周期，循环往复；

PI控制方面，将以载波周期为单位采样得到的采样值与控制目标比较计算得到输出偏差，并直接作为被控对象的反馈量。

本发明通过采用三相四桥臂逆变器，利用其能够实现三相电压输出相互独立的特点，提出了一种不平衡、非线性负载条件下的三相四桥臂逆变器控制方法，解决了配电网中不平衡、非线性负载导致的三相电压不对称、波形畸变问题，满足了目前对三相逆变器同时带不平衡、非线性负载能力日益增高的需求。

附图说明

图1为三相四桥臂逆变器拓扑结构示意图；

图2为本发明不平衡、非线性负载条件下的三相四桥臂逆变器控制方法的控制原理框图；

图3为本发明中重复控制的基本原理框图；

图4为本发明中不平衡、非线性负载条件下的三相四桥臂逆变器三相输出电压仿真波形图。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

请参考图1及图2，本发明提供一种不平衡、非线性负载条件下的三相四桥臂逆变器控制方法，包括如下步骤：

步骤一、实时采样三相四桥臂逆变器三相输出电压幅值、相位、频率，分解处理后通过abc/dq0坐标变换实现对其的解耦控制。

所述步骤一的具体实现过程如下：

a)实时采样三相四桥臂逆变器三相输出电压幅值、相位，并将三相输出电压分解为正序、负序、零序电压分量：

${\stackrel{\·}{U}}_a={\stackrel{\·}{U}}_{a\left(1\right)}+{\stackrel{\·}{U}}_{a\left(2\right)}+{\stackrel{\·}{U}}_{a\left(0\right)}---\left(1\right)$

${\stackrel{\·}{U}}_b={\stackrel{\·}{U}}_{b\left(1\right)}+{\stackrel{\·}{U}}_{b\left(2\right)}+{\stackrel{\·}{U}}_{b\left(0\right)}---\left(2\right)$

${\stackrel{\·}{U}}_c={\stackrel{\·}{U}}_{c\left(1\right)}+{\stackrel{\·}{U}}_{c\left(2\right)}+{\stackrel{\·}{U}}_{c\left(0\right)}---\left(3\right)$

式(1)～(3)中脚标(1)、(2)、(0)分别代表正序、负序、零序分量。

b)将分解三相四桥臂逆变器三相输出电压得到的正序、负序、零序分量分别进行Park变换，实现解耦控制：

分析式(4)～(6)可知：

1)当三相负载平衡时，三相四桥臂逆变器输出电压无负序、零序分量，在dq0坐标系下合成的空间矢量相对于dq0坐标系静止，在d轴和q轴上的分量为某一定值，在0轴上分量为0；

2)当三相负载不平衡时，三相四桥臂逆变器输出电压中正序分量与1)情况一致；负序分量合成的空间矢量在dq平面内的旋转方向和dq0坐标系相反，在dq坐标轴上投影是正弦量的2倍频，在0轴上的投影为0；零序分量在dq0坐标系下由0轴表征，是0轴上的正弦量。

3)实时采样三相四桥臂逆变器三相输出电压幅值、相位，并对其进行离散傅里叶变换：

$u_o=\underset{n=0}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}\[b_n\cos {\mathrm{n\ω}}_{1}t+a_n\sin {\mathrm{n\ω}}_{1}t\]---\left(7\right)$

式(7)中n代表正弦量倍频次数，a_n、b_n(n≠0,1)分别为各次谐波正弦项和余弦项的幅值。

分析式(7)可知：

当三相负载非线性时，三相四桥臂逆变器输出电压可分解为基波分量与直流分量、高次谐波分量。

在dq0坐标系中，基波分量合成的空间矢量与三相负载平衡时情况类似；直流分量、谐波分量在dq坐标轴上投影为正弦量的n-1倍频，在0轴上投影为0。

综上所述，只需分别对d、q、0轴进行闭环控制，达到控制目标，即可实现对三相四桥臂逆变器三相输出电压的解耦控制。

步骤二、结合重复控制技术和PI控制技术分别对d、q、0轴进行闭环控制，达到控制目标。

具体的，结合重复控制技术和PI控制技术分别对d、q、0轴进行闭环控制，使d轴电压分量控制目标为220√2V，q轴和0轴电压分量控制目标为0V。

重复控制方面，将上一个工频周期某时刻的采样值与控制目标进行比较计算得到输出偏差，并与本工频周期对应时刻比较计算得到的偏差进行累加，作为被控对象的反馈量，并将累加值继续应用到下一个周期，循环往复，如图3所示。

PI控制方面，将以载波周期为单位采样得到的采样值与控制目标比较计算得到输出偏差，并直接作为被控对象的反馈量。

步骤三、在dq0/abc坐标变换后采用基于abc坐标系的三维空间矢量调制技术(3D SVM)，实现对三相四桥臂逆变器四个桥臂的触发控制。

仿真分析

为验证本发明的可行性和有效性，基于MATLAB/Simulink进行仿真分析。

仿真说明：模拟不平衡非线性负载，对三相四桥臂逆变器进行开环、闭环控制实验。

仿真参数：取a相负载为1kΩ，b相负载为2kΩ的正向半波负载、c相负载为2kΩ的反向半波负载。

仿真分析：仿真结果如图4所示，可知开环、闭环控制前后，三相四桥臂逆变器三相输出电压波形由紊乱迅速趋近于正弦波，表明本发明能够有效控制不平衡、非线性负载条件下的三相四桥臂逆变器三相输出电压。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。