基于三次谐波注入的三相四桥臂逆变器并联环流抑制方法

摘要

一种基于三次谐波注入的三相四桥臂逆变器并联环流抑制控制策略。该方法在三相三桥臂逆变器并联电压电流双环控制的基础上(1)，针对两个三相四桥臂逆变器模块(2)(3)并联的拓扑，将电压环输出的三相电流基准信号合成零序电流基准信号(4)，使每个模块第四桥臂中线电感电流经过误差放大器跟踪零序电流基准信号，实现两台三相四桥臂逆变器中线电流均流，达到抑制中线电流环流保护功率管提高变换器效率的目的。同时将两模块电流环输出信号合成的两个三次谐波信号(5)相加(6)取平均值(7)作为注入到两逆变器模块三相和中线调制信号中的公用三次谐波信号(8)，消除三次谐波信号中的零序调制分量，抑制由主电路滤波器参数不一致、开关管开关时间不一致等因素，产生的瞬时零序环流。该方法具有几个突出的优点：1)有效抑制了中线电流环流；2)控制环路简单；3)不影响并联逆变器的三次谐波注入，提高了直流电压利用率。

说明书

技术领域：

本发明涉及的是一种基于三次谐波注入的三相四桥臂逆变器并联环流抑制方法，属电能变换装置中的控制技术。 

背景技术：

目前新能源、飞机及电动汽车等分布式发电系统中，采用SPWM控制的三相四桥臂逆变器以其三相解耦、带不对称负载能力、短路限流等优点得到广泛的应用。随着电力电子设备功率等级的不断提高，逆变器并联技术将多个逆变模块堆叠，共同给负载提供电能，成为逆变器扩容和降低开关管电流应力优先选择。 

由于逆变器并联不同于传统的直直变换器的并联，当多台逆变器共直流母线进行扩容并联时，要求每台逆变器模块输出的幅值和相位一致，防止模块之间的环流。环流将导致各个模块之间功率的不平衡，增加额外的损耗，严重的时候甚至会损坏主电路中的器件。同时三次谐波注入有利于提高直流电压利用率，降低逆变器输入直流母线电压等级，提高输出波形质量。实际中各个模块的主电路参数和主功率管开关时间等不可能是一致的，这些因素引起的三次谐波不对称势必导致环流问题的加剧。因此非常有必要研究一种基于三次谐波注入的三相四桥臂逆变器并联环流抑制控制策略。 

发明内容：

本发明旨在提出一种适用于三次谐波注入的三相四桥臂逆变器并联环流抑制方法。 

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是，在传统的基于平均电流控制的三相三桥臂并联均流控制策略的基础上，将三相电流基准信号相加得到中线零序电流基准，每个并联模块中线电感电流经过PI调节跟踪中线零序电流基准得到第四桥臂调制信号，该调制信号与载波交截产生SPWM开关信号控制第四桥臂开关管。实现多个模块并联第四桥臂电感电流均流的目的。 

在传统逆变器控制策略中通过三次谐波注入方法提高直流电压利用率。本发明采用的控制策略中若通过每个模块自身电流环输出调制信号合成三次谐波作为三次谐波注入时，由于各模块之间电路主电路参数和主功率管开关时间的不对称等原因将会产生模块间生成三次谐波不对称的问题。当三次谐波信号注入到本模块桥臂调制信号，将会在并联模块之间产生零序环流。本发明在上述三次谐波注入策略的基础上将各个模块的三次谐波信号相加取平均值作为所有逆变模块共用的三次谐波信号，该信号与每个模块的各个桥臂调制信号相加，生成的调制信号与载波交截产生SPWM开关信号。该方法消除了零序环流分量，实现逆变模块的功率平衡。 

附图说明：

附图1是本发明的三相四桥臂逆变器并联三次谐波注入的环流抑制方法控制策略结构示意图。附图1中的标号名称：(1)——三相均流控制单元；(2)——三相四桥臂逆变器模块1；(3)——三相四桥臂逆变器模块2；(4)——中线电流基准信号生成单元；(5)逆变模块1三次谐波生成单元；(6)逆变模块2三次谐波生成单元；(7)无零序环流分量的三次谐波信号生成单元；(8)三次谐波信号。 

附图2是本发明对于中线电感电流环流的抑制效果主要波形示意图。 

附图3是未采用本发明中零序环流抑制方法时模块之间零序环流效果主要波形示意图。 

附图4是采用本发明中零序环流抑制方法时三相负载平衡状态下模块之间零序环流抑制效果主要波形示意图。 

附图5是采用本发明中零序环流抑制方法时三相不平衡状态下模块之间零序环流抑制效果主要波形示意图。 

附图1中的主要符号名称： 

V_in——输入直流电压，C1、C2——输入滤波电容，Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8——逆变模块1主功率管开关信号，L_A1、 L_B1、L_C1、——模块1三相滤波电感，IL_A1、IL_B1、IL_C1、——模块一三相滤波电感电流，L_N1——模块1中线电感，IL_N1——模块1中线电感电流，Q9、Q10、Q11、Q12、Q13、Q14、Q15、Q16——逆变模块2各桥臂主功率管开关信号，L_A2、L_B2、L_C2、——模块2三相滤波电感，IL_A2、IL_B2、IL_C2、——模块一三相滤波电感电流，L_N2——模块1中线电感，IL_N2——模块1中线电感电流，C_A、C_B、C_C——三相输出滤波电容，R_A、R_B、R_C——三相负载，V_A、V_B、V_C——三相输出电压，V_aref、V_bref、V_cref——三相输出电压基准信号，T_a1、T_b1、T_c1——模块1三相电流环输出误差信号，T_a2、T_b2、T_c2——模块2三相电流环输出误差信号，I_nref——中线电流参考信号，TFH——三次谐波信号。 

具体实施方式：

附图1是带三次谐波注入的三相四桥臂逆变器并联环流抑制方法控制策略结构示意图，其控制电路部分主要由三相电感电流均流控制器(1)、中线电流基准信号生成控制器(4)、三次谐波生成器(5)(6)(7)、几个主要部分组成。其中三相电感电流均流控制器首先由反馈的三相输出电压与基准电压比较，经过运算放大器组成的比例积分环节得到三相电流环的电流基准信号，然后通过LEM采样得到各个逆变模块三相电感电流的反馈值与共用的电流基准信号进行比较，经过运算放大器组成的比例积分环节得到各模块三相前三个桥臂的调制信号，该调制信号与载波交结经过SPWM调制进而得到三相前三个桥臂主功率管的开关信号。 

将共用的三相电感电流基准信号相加，得到三相三桥臂的零序电流基准信号，作为各个逆变模块第四桥臂中线电感电流的基准信号。各模块中线电感电流经过LEM采样与零序电流基准信号进行比较经过比例积分环节得到调制信号与载波交结获得各逆变模块第四桥臂主功率管SPWM开关信号。 

将各模块三相电流环输出误差信号T_a1、T_b1、T_c1和T_a2、T_b2、T_c2分别合成得到本模块的三次谐波信号，然后将各三次谐波信号相加取平均值，所获得的三次谐波信号平均值叠加到各个逆变模块三相桥臂和中线第四桥臂的调制信号中实现三次谐波注入。合成后的调制信号 与载波交截得到SPWM开关信号控制主功率管的开关。 

工作原理： 

下面根据附图1，叙述本发明的具体工作原理，对应的电路关键波形见附图2-附图5. 

对于共直流母线的并联三相三桥臂逆变器基于平均电流控制的双环均流控制方式是常用的控制策略。若将三相四桥臂逆变器并联，第四桥臂与前面三个桥臂一样也会存在环流问题的。开关管的参数不对称是造成该环流问题一个主要的原因。假设附图1中Q7与Q16存在同时导通的状态，假设该状态为状态A，而Q8与Q15也存在同时导通的状态，设该状态为状态B。如果在N个开关周期中处于状态A的周期要多于状态B的周期，那么在N个开关周期之后状态周期的不平衡导致的IL_N1和IL_N2的变化率不同将会产生中线电流不平衡的状态，甚至超过主功率管的允许值，损坏主电路。该过流过程通过附图2中的中线电流环流波形可以体现。 

本发明参考了三相四桥臂逆变器第四桥臂提供三相零序电流通路的工作原理，瞬时零序电流为瞬时三相三桥臂电感电流之和。因此为了实现并联三相四桥臂逆变器第四桥臂中线电流均流，可以采用三相电流环电流基准信号之和作为第四桥臂零序电流基准信号来生成。通过反馈第四桥臂电感电流与零序电流基准信号经过比例积分环节得到调制信号实现第四桥臂均流。 

为了提高直流电压利用率，优化输出波形，需要在并联三相四桥臂逆变器中叠加三次谐波信号。建立模块1的电流环误差信号模型： 

d_a1＝(i_aref-i_a1)G_i

d_b1＝(i_bref-i_b1)G_i

d_c1＝(i_cref-i_c1)G_i

上式中d_n1为电流环每一相的电流环输出误差信号，d_nref为每相电流环基准信号，i_n1为每相电感电流反馈信号，G_i为电流环传递函数。同理可以得到模块2的电流环误差信号模型： 

d_a2＝(i_aref-i_a2)G_i

d_b2＝(i_bref-i_b2)G_i

d_c2＝(i_cref-i_c2)G_i

当两模块满足滤波器不平衡、开关时间不对称等状态不平衡条件时，采用共电压环均流，但是电感电流反馈值会存在误差。以A相为例，假设两模块电感电流平均值为i_a，模块一电感电流i_a1＝i_a+Δi_a，则模块二电感电流i_a2＝i_a-Δi_a，并可以此类推到B相和C相。虽然误差量可以通过PI调节器调制保持平衡实现均流，但是当采用三次谐波注入的时，三次谐波是由PI调节器输入不平衡导致的输出的瞬时不平衡。假设三次谐波生成传递函数为G_s，则模块一、模块二的三次谐波分别为： 

S₁＝(d_a1+d_b1+d_c1)×G_s

＝[(i_aref-i_a)+(i_bref-i_b)+(i_cref-i_c)]×G_i×G_s+(Δi_a+Δi_v+Δi_c)×G_i×G_s

S₂＝(d_a2+d_b2+d_c2)×G_s

＝[(i_aref-i_a)+(i_bref-i_b)+(i_cref-i_c)]×G_i×G_s-(Δi_a+Δi_b+Δi_c)×G_i×G_s

由上面两式可以看出，两个模块都存在一个(Δi_a+Δi_b+Δi_c)×G_i×G_s的不受控零序分量，若叠加到三相电流环输出误差信号和第四桥臂，该不受控的量相当于在模块的调制信号中叠加了一个零序分量进而产生零序环流问题，大大提高两模块同相电感电流的环流。同时根据建模结果该零序环流分量不会因为负载的减轻而减小。当负载减小时会使电感电流产生明显的畸变。该零序环流问题在附图3的波形图中有明确的体现。 

根据推导结果，零序分量是由叠加的三次谐波中不受控的零序成分引起的，根据公式，两模块的零序分量幅值相等相位相反。 

S₁＝(d_a1+d_b1+d_c1)×G_s

＝[(i_aref-i_a)+(i_bref-i_b)+(i_cref-i_c)]×G_i×G_s+(Δi_a+Δi_b+Δi_c)×G_i×G_s

S₂＝(d_a2+d_b2+d_c2)×G_s

＝[(i_aref-i_a)+(i_bref-i_b)+(i_cref-i_c)]×G_i×G_s-(Δi_a+Δi_b+Δi_c)×G_i×G_s

若将两个模块的三次谐波分量中的零序成分消除，则可以解决零序环流问题。本发明中的控制策略就是将三次谐波叠加后取平均值得到新的三次谐波信号。 

$S_3=\frac{S_1+S_2}{2}=[(i_{\mathrm{aref}}-i_a)+(i_{\mathrm{bref}}-i_b)+(i_{\mathrm{cref}}-i_c)]\times G_i\times G_s$

该信号在控制电路中的注入方式与之前的相同。控制策略结果体现附图4的负载平衡状态的波形图中，同时通过附图5体现了该控制策略不会影响并联三相四桥臂逆变器带不平衡负载的能力。这与建模结果是相吻合的。