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三相逆变器的数字单周期控制研究


蒋真1,2王后生1,2,董艳博1,2

(1.南瑞集团(国网电力科学研究院)有限公司, 南京 210000)

2.国电南瑞科技股份有限公司,南京 210000)

摘要: 单周期控制技术在三相逆变器控制中得到了应用。单周期控制一般采用模拟方式来实现,积分时间常数受到器件参数影响。采用数字控制方式来实现单周期控制不仅可以克服模拟单周期控制存在的一些缺点,还可以发挥数字控制的优势。本文根据单周期控制的基本原理,研究了三相全桥逆变器数字单周期控制算法,仿真结果和实验结果验证了算法的正确性和可行性,表明数字单周期控制技术可应用于三相逆变器控制中。

关键字:单周期控制,数字控制,三相逆变器

 

Research on Digital One-Cycle Control for Three-Phase Inverter

JIANG Zhen1,2Wang Hou Sheng1,2Dong Yan Bo1,2

(1.NARI Group CorporationState Grid Electric Power Research Institute,Nanjing 210000,China.2.NARI Technology Development Co., Ltd., Nanjing 210000,China.)

AbstractOne-cycle control (OCC) has been broadly applied in Three-Phase inverter control. One-cycle control is almost realized by means of analog circuit at present. The integral time is affected by the device parameters. The digital one-cycle control can combine both advantages of one-cycle control and digital control. Based on the basic principle of one-cycle control, the digital one-cycle control algorithm for three-phase inverter is introduced.The simulation results and experimental results justify above theoretical analysis and prove that digital one-cycle control is applicable to the inverter control.

KeywordsOne-Cycle Control, Digital Control, Three-Phase Inverter

 


逆变技术作为一种重要的电能变换技术已经广泛应用于交流电机调速、不间断电源、新能源开发等领域。单周期控制控制技术(OCC)的基本思想是通过对占空比的控制来控制开关量在一个开关周期内的平均值等于参考值[1]具有控制电路结构简单、易于实现、稳定性好、响应速度快等优点[1-2],在三相逆变器控制中得到了应用[3-5]。模拟方式单周期控制存在积分时间常数受到器件参数影响[6],积分器不能瞬间复位的问题,采用数字控制方式来实现单周期控制不仅可以克服模拟单周期控制存在的一些缺点,还可以发挥数字控制的优势[7-9]

本文对三相全桥逆变器进行了研究,根据单周期控制的基本原理得到了三相全桥逆变器的数字单周期控制算法,对算法进行了仿真验证,并搭建了实验平台对控制算法进行了实验验证,实验结果验证了算法的正确性和可行性。

1  单周期控制三相逆变器原理

 

三相逆变器主电路

如图1所示为三相全桥逆变器的主电路,正常工作时,vANvBNvCN在一个开关周期内的平均值为:

 

(1)  

由此可以得到每个开关周期内的平均模型如图2所示。

 

三相逆变器开关周期平均模型

由于开关频率远大于电网频率,电感两端电压在一个开关周期内的平均值近似为0,所以ABC三点相对于O点电压在一个开关周期内的平均值为:

 

(2)  

由三相输出电压对称可得:

 

(3)  

由图2还可以得到:

 

(4)  

联立(3)(4)两式计算可以得到:

 

(5)  

(5)式代入(4)式,结合(2)式可得:

 

(6)  

(6)式化简并写成矩阵形式:

 

(7)  

(1)式代入(7)式可得:

 

(8)  

(8)即为三相输出电压在一个开关周期内平均值的控制方程,由式(8)可以得到每个开关周期内三相全桥逆变器驱动的占空比控制方程,即数字单周期控制算法

2 数字单周期控制算法研究

由式(8)得到增广矩阵并变换可得:

 

(9)  

由式(9)可得式(8)存在无穷多组解,式(9)一组解为:

 

(10)  

由于uaoubouco为正弦量,而占空比的范围为0-1,式(10)虽然能满足式(8),但没有实际意义,进一步取一组解为:

 

(11)  

考虑到占空比的范围为0-1,设uao幅值为uaomax (uao max >0),可得:

 

(12)  

 

3 uaomax/VIN-k1函数曲线

为了确定k1的值,作uaomax/VIN-k1曲线如图3所示,图3中阴影部分即为k1uaomax/VIN可取值的范围。为了提高直流电压利用率,取uaomax/VIN0.5,此时k10.5。将k1=0.5代入式(11)可得:

 

(13)  

(13)即为三相全桥逆变器单周期控制算法的占空比控制方程。

3 仿真验证

利用Matlab/Simulink对控制算法进行了仿真验证,其中输入电压为380V,输出电压有效值为110V,单相额定输出功率为400W

4为空载时的仿真波形,A相输出电压THD0.01%,图5为满载时的仿真波形,A相输出电压THD0.02%,仿真结果验证了控制算法的正确性

 

双极性算法空载仿真波形

 

双极性算法满载仿真波形

 

双极性算法vNO仿真波形

6vNO仿真波形,与式(5)相符。

4  实验验证

为了验证控制算法的正确性和可行性,设计并搭建了三相全桥逆变器的实验平台,对控制算法进行了实验验证实验平台参数如表1所示

1 实验平台参数

直流电压VIN

380V

输出相电压有效值Uo

110V

输出电压频率fo

50Hz

单相输出功率Po

400W

开关频率fs

18kHz

滤波电感L

3mH

滤波电容C

10μF

 

7 双极性算法空载实验波形

 

8 双极性算法满载实验波形

7为逆变器在空载条件下三相输出相电压波形,A相电压THD1.0%;图8为满载时三相输出相电压波形和A相电感电流波形,A相电压THD2.7%。从实验结果可以看出在不同负载条件下,输出电压THD均满足要求,验证了控制算法的正确性和可行性。

5  结语

本文对数字单周期控制三相逆变器的基本原理进行了分析,推导出了三相逆变器的数字单周期控制算法,进行了仿真及实验验证。仿真和实验结果验证了控制算法的正确性和可行性,表明数字单周期控制可应用于三相逆变器控制。

参考文献

[1] Keyue M. Smedley, Slobodan Cuk. Dynamics of One-Cycle Controlled Cuk Converters. IEEE Transactions on Power Electronics, 1995, 10(6): 634-639.

[2] K. Mark Smith, Zheren Lai, Keyue M. Smedley. A New PWM Controller with One Cycle Response. IEEE Transactions on Power Electronics, 1999, 14(1): 142-150.

[3] 付勋波. 单周期控制在风力发电并网逆变器中的应用. 变流技术与电力牵引, 2008, 4: 30-34.

[4] 陈贤明, 吕宏水, 刘国华, . 单周控制的三相PWM逆变器仿真研究.大功率变流技术, 2009, 6: 1-5.

[5] Yang Chen, Keyue Ma Smedley. One-Cycle-Controlled Three-Phase Grid-Connected Inverters and Their Parallel Operation. IEEE Transactions on Power Electronics, 2004, 19(5): 663~671.

[6] 杜雄, 周雒维, 罗全明, . 单周控制三相PFC中积分时间常数的影响. 中国电机工程学报, 2006, 26(9): 120-125.

[7] 凌雁波. 数字单周期控制技术的研究与应用[D].南京航空航天大学, 2009.

[8] 纪晓泳. 改进数字单周期控制双向AC-DC变换器研究[D]. 武汉理工大学, 2017.

[9] 周杰. 磁悬浮轴承开关功放的单周期数字控制算法研究[D]. 南京航空航天大学, 2017.

           

作者简介

蒋真(1986-),男,硕士,研究方向为电力电子技术。

 

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