三相逆变电源控制策略研究

南叶健 王 蔚

（长春工业大学电气与电子工程学院，吉林 长春 130012）

0 引言

在新能源发电领域，须将整流之后或直接产生的直流电能转换成三相市电，同时在其他对电源参数要求严格的领域，市电由于其谐波、负荷的投入和切出等原因出现波形失真，不能满足设备要求。因此本文研究三相逆变电源，用于得到稳定的、低谐波含量的输出电压、电流，同时亦可用于清洁能源发电并网环节。逆变器作为逆变电源中的核心器件，其控制策略十分关键。采用SVPWM方法的直流利用率更高，减少输出电压谐波的同时，它也能在逆变器状态转换时减少功率开关的动作频率。

本文在介绍SVPWM算法原理的基础上详细阐述了该算法的仿真实现过程，并在逆变器输出处加入PI控制，使得逆变电源能够获得更好的输出波形。最后在 MATLAB／Simulink环境下通过功能模块和基于M文件的S函数相结合的方法，建立了三相逆变电源的控制仿真模型。

1 整流和直流滤波电路

整流电路的作用就是将发电机端的交流电变为直流电供给负载。三相整流电路分为相控整流和不可控整流两种，其中相对于晶闸管相控整流电路的相移因子cosθ来说，不可控整流电路的相移因子cosθ更高，输入电流畸变更小。由功率因数PF＝vcosθ可知，不可控整流电路能够获得更理想的功率因数。并且整流电路输出的是脉动直流电压，电压波动很大，对逆变器电路不利，影响输出电压波形和稳定性。基于以上原因，本文选取电压型三相不可控整流。

2 三相逆变器调制策略分析

2.1 SVPWM技术原理

由电压型三相逆变器开关电路的拓扑结构我们定义上桥臂的开关开，下桥臂关时为1，否则为0。则得到8种开关模式（000）（001）（010）（011）（100）（101）（110）（111），其中有两个开关组合时电压值是0，还有6个非零电压值。把这8个电压定义在一个静止坐标系上，就可以得到图1。

图1 空间电压矢量图

为了利用开关器件的开关状态去实时控制和调节输出电压，从6个处于空间特定位置的开关状态矢量中，选择两个相邻矢量和零矢量去合成旋转空间矢量Uref，并且控制Uref的大小和相位用来实现三相逆变器输出电压的控制。以扇区Ⅰ为例，参考矢量Uref可由其相邻的两个电压矢量U1、U2及零矢量U0、U7合成，可通过计算得各矢量的作用时间。

2.2 SVPWM仿真实现

2.2.1 参考电压Uref扇区判断

表1 扇区与N值的关系

2.2.2 合成参考矢量的作用时间

然后我们以扇区Ⅰ为例，推出扇区Ⅰ内相邻电压矢量在一个开关周期内的作用时间：

根据上述方法，其他扇区相邻的基本电压矢量的作用时间也可得出（表2）。间。其中，X

表2 扇区编号与作用时间的关系

2.2.3 开关管的切换时间

最后我们需要计算各电压矢量的切换时间点，也就是各开关器件导通和关断的具体时刻。仍然以第Ⅰ扇区为例，令Ta＝（Ts－Tx－Ty）／4、Tb＝Ta＋Tx／2、Tc＝Tb＋Ty／2，最终可得每个采样周期Ts中各矢量切换点的数值如表3所示，将它们与一定频率和幅值的三角载波进行相应比较，就可得出所需的PWM波形。

表3 各扇区电压矢量的切换时刻

3 逆变电源输出波形的控制策略

并网逆变器作为并网发电系统的核心，控制系统的设计对于整个系统性能有很重要的影响，并网逆变器的控制策略多种多样，由于PI控制具有易实现、控制简单的特点，所以这里我们采用PI调节。

逆变器输出侧的电压状态方程经过abc／dq变换后，可得同步旋转坐标系下的三相并网逆变器的状态方程：

式中，ugd、ugq为电网电压；L为逆变器输出滤波总电感；ud、uq为电网电压经过abc／dq变换后的直轴和交轴电压。

此时将abc轴上的交流量全部转化为dq轴上的直流量，可以简化控制系统的分析和设计。但由状态方程可知d、q轴上存在耦合分量ωLigq、ωLigd，因此需要对其进行解耦控制。令：

其中Δud和Δuq为电流环PI调节器输出，此时就可以实现id、iq的独立控制。

4 仿真

使用MATLAB对三相逆变电源进行仿真，其中输入为380 V的三相对称电压。从图2可知，对于RLC负载，由SVPWM和PI控制的逆变电源都能很好地保持输出波形。

图2 负载为RLC时输出电压波形

5 结语

本文在Simulink下建立了仿真模型，通过PI控制SVPWM调制过程，实现对三相逆变电源的输出电压进行控制。仿真结果表明，该方法可以有效实现在不同负载情况下电源输出波形失真度小的目标，能够满足三相电源输出要求，可为进一步装置研制提供参考依据。

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