弟４６卷第６期
２０１２年６月
电力电子技术
ＰｈｗｅｒＥ１ｅｃｈｎｎｉｃｓ
Ｖｏｌ舶．ＮＤ，６
Ｊ∞ｅ
２０１２
三相四桥臂逆变器控制方法研究
董钺
（国家海洋技术中心，天津３００儿２）
摘要：在边远海岛建设的海洋能独立电站通常采用逆变器为用户供电，由于生活用电多为单相负载或非线性负载。因此采用四桥臂逆变器．可灵活、高效地为不对称负载及非线性负载提供三相对称电压。对三相四桥臂逆变器的数学模型及控制方法进行研究，针对常见方法中存在的问题，提出将逆变器各交流变量分别进行正负序ｄ，口，０变换，由前三桥臂调节输出电压正负序分量，由第四桥臂调节输出电压零序分量的控制方法，并在不同类型负载情况下．对该控制方法进行仿真与实验，验证了该方法的有效性。关键词：逆变器：三相；四桥臂；双闭环控制中围分类号：ＴＭ４６４
文献标识码：Ａ
文章编号：１０００一１００Ｘ（２０１２）Ｏ鲫０１６．０３
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ｌ
引言
为克服上述３种方法的缺点．可采用三相四
桥臂逆变器．既可保证输出电压质量。又具有体积
由于海岛生活用电多为单相负载或非线性负载。而生产用电一般为三相对称的电动机负载，因此需要逆变器输出形式为三相四线制，且要在负载不对称的情况下输出三相对称电压。目前通常采用３种方法为负载提供三相四线制电压：①三相三桥臂逆变器输出端接变压器，变压器次级采用ＹＯ接法为负载提供零线；②采用分裂电容中点箝位式三桥臂逆变器；③采用三单相逆变器，三相独
立控制，避免了输出电压不对称问题。但需直接对
小、电压利用率高、结构较为简单等特点。
由于存在第四桥臂，使得逆变器的解耦与空
间矢量调制方法较为复梨ｎ。此处在对四桥臂逆变
器的数学模型进行研究的基础上。提出在正负序
旋转坐标系下对输出电压、电感电流进行分解，由
前三桥臂对输出电压的正负序分量进行调节，由第四桥臂对输出电压的零序分量进行调节的控制方法，并且为保证动态性能，采用正、负、零序电
压、电流的双闭环控制。最后，在不同负载情况下，
正弦量进行控制，且所用电力电子器件较多，体积较大．成本较高。
通过仿真与实验对该方法的有效性进行了验证。
２
四桥臂逆变器数学模型
三相四桥臂逆变器拓扑结构如图１所示，零
基金项目：国家科技支撑计划课题一海洋能开发利用关键
技术研究与示范（２００８Ｂ从１５８０２）
定穑日期：２０１１—１２一１２
作者简介：董铖（１９８ｌ一），男，天津南开人，博士，工程师．研究方向为电力电子与分布式发电、微型电网技术。
１６
线电感不应为零１２．３】。
在图１中假定各电感值Ｌ．＝工。＝Ｌ。＝￡。＝￡，且以直流中点作为电压零点．可得四桥臂逆变器平均
值模型为：
万方数据
三相四桥臂逆变器控制方法研究
［ｉ；兰］＝Ｌ［兰｜；耋］＋￡［；；差］＋［兰］Ｉ卜剐引
（２）
图ｌ
四桥臂逆变器拓扑结构
Ｆｉｇ．１’Ｉｂｐｏｌｏｇｙ
ｓｔｍｃｔｕＭ０ｆｆｏｗ・ｋｇｉＩｌｖｅｎ盱
由于逆变器控制目标即为在负载不对称情况下，达到稳态后输出电压【“～ｕ＆ｕ西】Ｔ中只有正序分量，因此，由式（２）可知，电容电流中也只有正序分量，而负序分量与零序分量直接由滤波电感
流向负载。
由于采用常见的两种控制第四桥臂功率开关
的控制方法未能使第四桥臂完全补偿零序电压．
前三桥臂电压中仍含有零序分量。为实现零序分
量完全由第四桥臂进行控制，则应在稳态情况下，使第四桥臂电压除补偿零线电感压降外．还需补偿三相线电感的零序电流的压降。即：
舻一争警一Ｌ告一号Ｌ等
（３）
将式（３）代入式（１），并将３个分式相加，可得：‰＋‰＋‰＝“～＋‰＋‰。在稳态情况下，ＨＩ＋ｕｂ＋‰２
０。即前三桥臂电压中仅包含正负序分量，不包含零序分量。采用此种控制方式，即可使第四桥臂只控制零序分量，而前三桥臂只控制正负序分量。
对逆变器各交流变量进行正负序ｄ，ｇ，Ｏ变换，在正序ｄ，叮坐标系（逆时针旋转）下，正序分量为直流量，负序分量为２次谐波分量；在负序ｄ，ｑ坐
标系（顺时针旋转）下，负序分量为直流量，正序分量为２次谐波分量。故可在正负序旋转坐标系下，滤除直流分量后．对正负序分量分别进行控制。
以ｄ轴与口轴重合处为起始时刻。则正序变
换矩阵为：
＾ｌ
『ｓｉ删ｓｉｎ（研一２们）８ｉｎ（叫＋２们）］华÷Ｉ－ｃ０８研一ｃｏｓ（研一２州３）．ｃｏｓ（埘＋２耐３）Ｉ（４）
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ｌｌ，２ｌ／２ｌ，２
ｊ
将正序变换矩阵中的∞变为一ｎ，。即为负序变
万方数据
３
ｌ
Ｉ
ｌ，２１，２１，２
ｊ
憾心斟㈤㈤
ｃ剐滩］＋［毒卜，
３
四桥臂逆变器的控制方法
综上所述，在正负序旋转坐标系下，分别设计
输出电压、电感电流控制器对正负序分量进行控
制，作为前三桥臂的控制信号；设计零序控制器对
零序分量进行控制。作为第四桥臂的控制信号。
正序控制器ｄ，口分量给定值的矢量和的幅值
即为输出电压幅值，而分别改变ｄ，叮分量即可改
变三相输出电压的初始相位。由于不希望输出电压中有负序分量，因此。负序控制器中的给定值为零。由式（６），（７）可知，逆变器的正、负序部分均为二阶系统，而控制对象为输出相电压．因此为保证动态特性。采用输出电压外环、电感电流内环（状态反馈）的双闭环控制方法。
对正负序控制器输出的控制信号．分别进行正负序ｄ，ｇ反变换（通过Ｌ，Ｌ的逆矩阵），之后对于零序分量，由式（６）中零序分式可知，除电流压降外，第四桥臂电压嘶还需补偿动态过程
中输出相电压的零序分量‰，才能使‰＝０。因此
为保证动态特性，还应加入输出零序电压控制。
１７
３．１正负序控制器
进行叠加。作为前三桥臂电压信号。
３．２零序控制器
在稳态情况下，根据式（３）利用第四桥臂补偿零序
第４６卷第６期
２０１２年６月
电力电子技术Ｖ０１．４６．Ｎｏ．６Ｊｕｎｅ２０１２
Ｐｏ鹏ｒＥｌｅｃ昀ＩＩｉｃ８
由式（３）可知，需引入零序电流的负微分。对于稳态值．负微分在相位上相当于积分。因此对零
序电流进行Ｐｌ控制即可。比例部分正好补偿零序
电流在线路上产生的电阻压降．积分系数为如Ｚ，
３；为保证快速性，对输出电压零序分量进行比例控制。二者叠加作为第四桥臂控制信号．如图２所示。图３示出三相四桥臂逆变器总体控制结构。
广睁—２＝坚孙电流
Ｌ————————————————一霉序电压
图２第四桥臂控制结构
坯巴Ｆ豫．２
１１１ｅ
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负序二反变换
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订：ｌ
图３
四桥臂逆变器控制结构
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ｉｎｖｅ埘
３．３调制方式
与三相三桥臂逆变器相比．四桥臂逆变器对相电压的控制信号由ｋ‰ｕ。】７变为【‰一蜥ｚｌｂ一嘶‰一蝴，。而三桥臂逆变器空间矢量调制方式比载波调制方式直流电压利用率高的原因在于空间矢量调
制方式下的等效调制波为正弦波叠加３次锯齿波，即相电压控制信号中含有零序分量。而采用上
述控制方法的四桥臂逆变器，当负载电流有零序分量时，嘶即为零序电流压降，因此，相电压控制信号［‰一蜥‰一嘶‰一嘶］７亦为正弦波与零序分量的叠加，负载零序分量越大，直流电压利用率越高；同时四桥臂逆变器的开关矢量为１６个，扇区的划分较为复杂，因此，采用载波调制方式。４仿真及实验结果
４．１仿真结果
下面采用ＰｓＩＭ软件对前述四桥臂逆变器控制方法进行仿真．参数中直流电压为７６０ｖ．开关（载波）频率为２０ｋＨｚ，滤波电容为１００心，滤波
电感为ｌｍＨ，输出电压频率为５０Ｈｚ，输出电压有
效值为２２０Ｖ，正序电压环ｄ轴参考输入为３ｌｌ，正序电压环ｑ轴参考输入为Ｏ；ｄ，ｇ轴正序电压环比例系数分别为１０和１；ｄ，口轴负序电压环比例
１８
万方数据
系数皆为ｌ；ｄ，ｇ轴正、负序电压环积分系数皆为１；ｄ，ｇ轴正、负序电流环比例系数为Ｏ．８；ｄ，ｇ轴正、负序电流环积分系数为０．０ｌ；零序电压环比例系数为２００，零序电流环积分系数为１３２。零序电
流环比例系数为０．２５。
图４ａ为三相不对称阻性负载情况下的逆变
器输出相电压和负载电流波形．三相电阻分别为
１００Ｑ，２０Ｑ和４
ｎ；图４ｂ为三相不对称感性、容
性、阻性负载情况下的输出相电压和负载电流波形。其中，Ａ相负载为１Ｑ电阻串联１５ｍＨ电感，Ｂ相负载为５Ｑ电阻串联７５０“Ｆ电容，Ｃ相负载
为３０ｎ电阻：图４ｃ为两相断路、单相阻性负载情
况下的逆变器输出相电压、负载电流波形．其中电
阻为５Ｑ，接在Ｂ相。
聪麟
嚼徽皆鹣，，ｍｓ
黪溅
套∥慕等
Ｚ夭＝＝乒弋：：∥
，，ｎｌｓ
（ｂ）三帽不对称感性、容性、阻性负载情况下
（ｃ惮相阻性负载情况下
圈４仿具波形１
Ｆｉｇ．４
Ｓｉ姗ｌａｔｉｏｎ
ｗ聃ｅｆｏｍｓｌ
图５为带三相电动机、单相整流负载情况下的逆变器输出相电压、线电压、负载电流波形，其
中整流部分为单相整流桥。整流桥负载为１０ｎ电阻，接在Ａ相。
蕊獭鼢
设戆嬲
瓮麟
＼，’一’ｂ厂
Ｏ
ｌＯ
２０３０４０５０
ｆ，ｍｓ
，／ｍｓ
（ａ）相电压，线电压（ｂ）三相电流、零线电流
图５仿真波形２
ｎｇ．５
ＳＪ啦１１ｌａｔｊ仰啊ｖ幽硼砣
图中三相异步电动机功率为３０ｋＷ．整流桥滤波电容为１０００阻Ｆ，为限制初始电流，在整流桥与
电容之间串接ｌｍＨ电感。达稳态后，三相电压谐波畸变率分别为０．８８％，０．８ｌ％，０．７２％。（下转第２５页）
ＤＣ，ＤＣ变换器模糊控制和ＰＩＤ控制比较研究
时．变换器从启动到进入稳态采用ＰＩＤ控制器时
约需２４ｎｌｓ，而采用模糊控制器时缩短到１８ｍ。
５
结论
图６示出Ｂｏｏｓｔ变换器在额定运行情况下负
载突变时输出电压的变化过程。图６ａ示出负载从
Ｏ．３
此处基于Ｂ００８ｔ变换器平台．详细介绍了传统线性ＰＩＤ控制器和模糊控制器的设计及实现。
并对其设计所考虑的侧重点进行了详细的对比
Ａ突加到ｌＡ时情况。可见，采用ＰＩＤ控制器
时需要较长的恢复时间，约３０瑚，而采用模糊控
制器恢复时间只需１０ｍｓ：图６ｂ为负载从ｌＡ突卸到０．３Ａ，变换器分别采用两种控制器时输出
分析。为更好地了解两种控制器，分别将两种控制器引入到Ｂ００８ｔ变换器中，对其控制性能进行了实验对比。结果显示，模糊控制器相比ＰＩＤ控制器更能适应变换器工作点的变化。具有更好的
动态控制性能。
电压的变化。可见，采用ＰＩＤ控制器时输出电压出
现振荡．且恢复稳态运行时间长于采用模糊控制器时的情况。可知，模糊控制器相比传统的线性
ＰⅢ控制器更能适应变换器输入电压和输出负载
变化，即工作点的变化，具有更好的动态控制效果。
参考文献
【１】王国玉，韩璞，王东风，等．ＰＦｃ一咖串级控制在主
汽温控制系统中的应用研究【Ｊ】．中国电机工程学报，２００２，２２（１２）：５０一５５．
堙
＞
模糊糟制
‘
’
模糊控｛９＾ｋ
【２】邓卫华，张波，丘东元，等．电流连续型Ｂ∞ｓｔ变换
器状态反馈精确线性化与非线性ＰＩＤ控制研究【Ｊ】．中国电机工程学报，２００４，２４（８）：４５—５０．【３】
ｚｂｉ印ｉｗＩ血。鲫ｙ，Ｊ∞ｕ％Ｗ．Ｂｉａｌｅｋ．Ｓｕｐｅｒｖｉ８０ｒｙ
ｏｆａ
ＣｏｎｔＤ０ｌ
２￥
ｏ
ＰＩｄ控
制
ＰｌＤ控制
ｌ／（：０ｍｓ，格）【ａ）突加负载情况
』／【２０ｍｓ，格）Ｗｉｎｄ
Ｆｍ田．ＩＥＥＥ
７Ｉｈｎ８．蚰Ｐｏｗｅｒ
Ｓｙ８ｔ锄８，２０Ｄ７，
（ｂ）突卸负载情况
２２（３）：９８５—９９４．
【４】施三保，夏泽中．Ｄｃ，ＤＣ变换器的模糊自适应ＰⅢ控制
仿真研究【Ｊ】．武汉理工大学学报，２００６，２８（８）：２０—２３．
图６两种控制方式下负载变化过程
Ｆｉｇ．６
Ｔｈｅ１０ａｄ
ｃｌ姗ｇｅｐｒｏｃ髓ｓｉｎｇ岫ｄｅｒ
ｔｗｏ
ｏ蚰ｔｒＤｌｍｏｄｅ
（上接第１８页）
４．２实验结果
在实验平台上验证该控制方法的动态性能。
各交流变量分别进行正负序ｄ，叮变换，由前三桥臂对输出电压正负序分量进行控制，第四桥臂对
实验参数与仿真参数相同。其中零序电压环、电流环比例系数分别调整为２４，１．６。微处理器采用ＴＭｓ３２０ＬＦ２８１２型ＤＳＰ。采用连续增／减计数模式。
周期匹配时采样数据．在后半周期内进行数据处
输出电压零序分量进行控制的方法。以使逆变器在不对称负载及非线性负载的情况下，输出三相对称电压。由仿真及实验结果可知，该控制方法原
理清晰。负载适应性强。对于不同类型的不对称负载、非线性负载都体现出很好的动、稳态性能。尽
理．并将计算出的控制信号转换为比较寄存器的值。在定时器计数值为零时将其载入，形成下一周期ＰｗＭ输出。开始时三相负载对称运行。三相电阻
皆为５Ｑ。在某一时刻，Ａ相电阻突变至１５Ｑ，在此
管提出的控制方法较为复杂．需进行６次坐标变
换，但采用ＴＭＳ３２咀肥８１２型（定点）或２８３３５型
（浮点）ＤＳＰ，完全可在要求的开关频率（２０ｋＨｚ）下完成运算。
过程中的输出电压、负载电流波形如图６所示。
参考文献
【ｌ】
ｆ，（２０ｍｓ／格ｌ（ａ）输出电压波形
，“２０ｍｂ／格）（ｂ）负载电流波形
Ｒｙ∞ＭＪ，Ｄｅ
Ｃｏｎｔｒｏｌｍａｔｉｏｎ
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ＩＩｌｖｅ舾Ｖｉ丑＿Ｎ州４ｘ４Ｔｒ雠８ｆｏｒ－
Ｍａ虹ｉ】【ｍ肛ＥＥ豫啪．∞Ｐｏ骶ｒＥｋｃ叻ＩｌｉｃＢ，２００ｌ，
图６实验波形
Ｆｉｇ．６
１６（５）：６９４—７０１．
【２】刘秀狮，张化光，陈宏志．四桥臂逆变器中第四桥臂的
控制策略【Ｊ】．中国电机工程学报，２００７，２７（１１）：８７—９２．【３】陈新，龚春英，郦鸣，等．应用于三相变换器的三
维空间矢量调制【Ｊ】．南京航天航空大学学报，２００２，３４（２）：１４８一１５３．
Ｅｘｐｅｒｉｎｍｔａｌ
ｗ＂ｅｆｏｒ瑚
５结论
在对四桥臂逆变器数学模型进行分析的基础上．针对两种常见方法存在的问题．提出对逆变器
万方数据
三相四桥臂逆变器控制方法研究
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
董钺， DONG Yue
国家海洋技术中心,天津,300112电力电子技术
Power Electronics2012,46(6)
本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_dldzjs201206006.aspx
弟４６卷第６期
２０１２年６月
电力电子技术
ＰｈｗｅｒＥ１ｅｃｈｎｎｉｃｓ
Ｖｏｌ舶．ＮＤ，６
Ｊ∞ｅ
２０１２
三相四桥臂逆变器控制方法研究
董钺
（国家海洋技术中心，天津３００儿２）
摘要：在边远海岛建设的海洋能独立电站通常采用逆变器为用户供电，由于生活用电多为单相负载或非线性负载。因此采用四桥臂逆变器．可灵活、高效地为不对称负载及非线性负载提供三相对称电压。对三相四桥臂逆变器的数学模型及控制方法进行研究，针对常见方法中存在的问题，提出将逆变器各交流变量分别进行正负序ｄ，口，０变换，由前三桥臂调节输出电压正负序分量，由第四桥臂调节输出电压零序分量的控制方法，并在不同类型负载情况下．对该控制方法进行仿真与实验，验证了该方法的有效性。关键词：逆变器：三相；四桥臂；双闭环控制中围分类号：ＴＭ４６４
文献标识码：Ａ
文章编号：１０００一１００Ｘ（２０１２）Ｏ鲫０１６．０３
Ｓｔｕｄｙ０ｆｔｈｅＣ伽Ｉ仃ｏｌＭｅｔｈｏｄｏｆＴｈｒｅｅ－ｐｈａ鼬Ｆｏｕｒ－ｌｅｇＩｎｖｅｒｔ盯
ＤＯＮＧＹ∞
Ａ咖ｃｔ：ＭａＩｉＩｌｅ
ｅ腓ｒｇｙ
ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｍ
（№如槲Ｄｃ栅死ｃ蝴＆，ＩＩｅｒ，死嘞３００１１２，Ｃ＾讹）ｉ妇ｄ
ｐ删盯删∞ｉｎ
ｔｌＩｅ弛ｍｏｔｅ
ｓｕｐｐｌｉｅ８ｐｏｗｅｒｆｏｒ
ｉ８
ｃｕ咖ｍｅ措ｂｙｕｓｉｎｇｉＩｌ・
ｖｅ毗ｒ．Ｍ［０８ｔ０ｆｄａｉｌｙｌｏ日ｄ８Ｂ陀Ｂｉｎｇｌｅ—ｐｌＩａ∞衄ｄ∞ｎ－ｌｉＩｌｅ缸ｌｏａｄ８，８０ｆｏｌＪｒ—ｌｅｇ
ｓｙｍｍｅ试ｃ且ｌｖｏｌｔ丑酽ｌ曲聃ｙｍｍｅ证ｃａｌ肌ｄ玎伽出ｎｅ盯ｌｏ暑ｄｓ
ｉｌｌｖｅｎｅｒ
ａｂｋｔｏ叩ｐｐｌｙｔｈｒｅｅ－ｐＩｌａ船
ｎ谢ｂｉｌｙａＩＩｄｅｆｆ曲ｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅ｜ｔｕｄｉｅｓｔｌｌｅｍａ出ｍ撕ｃａｌ
ａｔ
ｍｏｄｅｌ∞ｄ∞ＴｒｂｄｍｅｔＩｌｏｄ０ｆｔｌｌｌｆｅｅ＿ｐｈ曲ｅ缸ｌｒ－ｌｅｇｉｎｖｅｒｌｅｒ．ｍｍｅｄｍｅｔｌｌｏｄ８，ｔＩｌｉＢ
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ｄ，叮，０耐ｂｍ玎ｃｅ钿ｎ器舱ｐｅ髓ｔｅｌｙ，ｐｏ娟ｖｅ舳ｄ
ｚ明∞ｃｏｍｐｏｎ曲ｔｉＢｃｏｍｐｅｎ８ａｔｅｄｂｙ∞ｔＩＩａｔｉｔｓｗａｉｌａｂｌ畸ｉｓｖａｌｉｄａｔｅｄ．
ｎｅｇ鲥ｖｅ
ｃ甜ｎｐｏｎｅｍｓ
ｂｙ如ｎｔ
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ｌ‘ｉｎｄ８“ｌｏａｄ
ｔｈｅ‰ｍＩ
ｌｅｇ．ＴＫ８ｍｅｔｌｌｏｄｉ８
８ｉ舢ｌａｔｅｄ柚ｄ
ｅｎｍｉｒ瑚ｗ她础÷地ｎｔ
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉ矾ｅｒｔｅｒ；ｔｌｍ∞一ｐｈ聃ｅ；ｆｏ叫－ｌｅｇ；ｄｏｕｂｌｅ－ｃｌｏ∞一ｌ∞ｐ
ｃｏｎ酬
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Ｄｅ、『ｅｌｏｐｒ嘴ｎｔａｎｄ
Ｅｘｐｌｏｉｔ撕∞（Ｎｏ．２００８Ｂ从１５８０２）
ｌ
引言
为克服上述３种方法的缺点．可采用三相四
桥臂逆变器．既可保证输出电压质量。又具有体积
由于海岛生活用电多为单相负载或非线性负载。而生产用电一般为三相对称的电动机负载，因此需要逆变器输出形式为三相四线制，且要在负载不对称的情况下输出三相对称电压。目前通常采用３种方法为负载提供三相四线制电压：①三相三桥臂逆变器输出端接变压器，变压器次级采用ＹＯ接法为负载提供零线；②采用分裂电容中点箝位式三桥臂逆变器；③采用三单相逆变器，三相独
立控制，避免了输出电压不对称问题。但需直接对
小、电压利用率高、结构较为简单等特点。
由于存在第四桥臂，使得逆变器的解耦与空
间矢量调制方法较为复梨ｎ。此处在对四桥臂逆变
器的数学模型进行研究的基础上。提出在正负序
旋转坐标系下对输出电压、电感电流进行分解，由
前三桥臂对输出电压的正负序分量进行调节，由第四桥臂对输出电压的零序分量进行调节的控制方法，并且为保证动态性能，采用正、负、零序电
压、电流的双闭环控制。最后，在不同负载情况下，
正弦量进行控制，且所用电力电子器件较多，体积较大．成本较高。
通过仿真与实验对该方法的有效性进行了验证。
２
四桥臂逆变器数学模型
三相四桥臂逆变器拓扑结构如图１所示，零
基金项目：国家科技支撑计划课题一海洋能开发利用关键
技术研究与示范（２００８Ｂ从１５８０２）
定穑日期：２０１１—１２一１２
作者简介：董铖（１９８ｌ一），男，天津南开人，博士，工程师．研究方向为电力电子与分布式发电、微型电网技术。
１６
线电感不应为零１２．３】。
在图１中假定各电感值Ｌ．＝工。＝Ｌ。＝￡。＝￡，且以直流中点作为电压零点．可得四桥臂逆变器平均
值模型为：
万方数据
三相四桥臂逆变器控制方法研究
［ｉ；兰］＝Ｌ［兰｜；耋］＋￡［；；差］＋［兰］Ｉ卜剐引
（２）
图ｌ
四桥臂逆变器拓扑结构
Ｆｉｇ．１’Ｉｂｐｏｌｏｇｙ
ｓｔｍｃｔｕＭ０ｆｆｏｗ・ｋｇｉＩｌｖｅｎ盱
由于逆变器控制目标即为在负载不对称情况下，达到稳态后输出电压【“～ｕ＆ｕ西】Ｔ中只有正序分量，因此，由式（２）可知，电容电流中也只有正序分量，而负序分量与零序分量直接由滤波电感
流向负载。
由于采用常见的两种控制第四桥臂功率开关
的控制方法未能使第四桥臂完全补偿零序电压．
前三桥臂电压中仍含有零序分量。为实现零序分
量完全由第四桥臂进行控制，则应在稳态情况下，使第四桥臂电压除补偿零线电感压降外．还需补偿三相线电感的零序电流的压降。即：
舻一争警一Ｌ告一号Ｌ等
（３）
将式（３）代入式（１），并将３个分式相加，可得：‰＋‰＋‰＝“～＋‰＋‰。在稳态情况下，ＨＩ＋ｕｂ＋‰２
０。即前三桥臂电压中仅包含正负序分量，不包含零序分量。采用此种控制方式，即可使第四桥臂只控制零序分量，而前三桥臂只控制正负序分量。
对逆变器各交流变量进行正负序ｄ，ｇ，Ｏ变换，在正序ｄ，叮坐标系（逆时针旋转）下，正序分量为直流量，负序分量为２次谐波分量；在负序ｄ，ｑ坐
标系（顺时针旋转）下，负序分量为直流量，正序分量为２次谐波分量。故可在正负序旋转坐标系下，滤除直流分量后．对正负序分量分别进行控制。
以ｄ轴与口轴重合处为起始时刻。则正序变
换矩阵为：
＾ｌ
『ｓｉ删ｓｉｎ（研一２们）８ｉｎ（叫＋２们）］华÷Ｉ－ｃ０８研一ｃｏｓ（研一２州３）．ｃｏｓ（埘＋２耐３）Ｉ（４）
）ｌ－ｌ，２
ｌｌ，２ｌ／２ｌ，２
ｊ
将正序变换矩阵中的∞变为一ｎ，。即为负序变
万方数据
３
ｌ
Ｉ
ｌ，２１，２１，２
ｊ
憾心斟㈤㈤
ｃ剐滩］＋［毒卜，
３
四桥臂逆变器的控制方法
综上所述，在正负序旋转坐标系下，分别设计
输出电压、电感电流控制器对正负序分量进行控
制，作为前三桥臂的控制信号；设计零序控制器对
零序分量进行控制。作为第四桥臂的控制信号。
正序控制器ｄ，口分量给定值的矢量和的幅值
即为输出电压幅值，而分别改变ｄ，叮分量即可改
变三相输出电压的初始相位。由于不希望输出电压中有负序分量，因此。负序控制器中的给定值为零。由式（６），（７）可知，逆变器的正、负序部分均为二阶系统，而控制对象为输出相电压．因此为保证动态特性。采用输出电压外环、电感电流内环（状态反馈）的双闭环控制方法。
对正负序控制器输出的控制信号．分别进行正负序ｄ，ｇ反变换（通过Ｌ，Ｌ的逆矩阵），之后对于零序分量，由式（６）中零序分式可知，除电流压降外，第四桥臂电压嘶还需补偿动态过程
中输出相电压的零序分量‰，才能使‰＝０。因此
为保证动态特性，还应加入输出零序电压控制。
１７
３．１正负序控制器
进行叠加。作为前三桥臂电压信号。
３．２零序控制器
在稳态情况下，根据式（３）利用第四桥臂补偿零序
第４６卷第６期
２０１２年６月
电力电子技术Ｖ０１．４６．Ｎｏ．６Ｊｕｎｅ２０１２
Ｐｏ鹏ｒＥｌｅｃ昀ＩＩｉｃ８
由式（３）可知，需引入零序电流的负微分。对于稳态值．负微分在相位上相当于积分。因此对零
序电流进行Ｐｌ控制即可。比例部分正好补偿零序
电流在线路上产生的电阻压降．积分系数为如Ｚ，
３；为保证快速性，对输出电压零序分量进行比例控制。二者叠加作为第四桥臂控制信号．如图２所示。图３示出三相四桥臂逆变器总体控制结构。
广睁—２＝坚孙电流
Ｌ————————————————一霉序电压
图２第四桥臂控制结构
坯巴Ｆ豫．２
１１１ｅ
ｃｏｎ啪ｌ８ｌｒＩｌｃｎ鹏ｏｆｔｌｌｅｆｏｕｒｄｌ－ｋｇ
瘫
寄
负序二反变换
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订：ｌ
图３
四桥臂逆变器控制结构
№．３ｎｅ伽酬８帅ｃｔｍ
ｏｆ岫・ｐ｝唧ｆｏｕｒ－ｌｅｇ
ｉｎｖｅ埘
３．３调制方式
与三相三桥臂逆变器相比．四桥臂逆变器对相电压的控制信号由ｋ‰ｕ。】７变为【‰一蜥ｚｌｂ一嘶‰一蝴，。而三桥臂逆变器空间矢量调制方式比载波调制方式直流电压利用率高的原因在于空间矢量调
制方式下的等效调制波为正弦波叠加３次锯齿波，即相电压控制信号中含有零序分量。而采用上
述控制方法的四桥臂逆变器，当负载电流有零序分量时，嘶即为零序电流压降，因此，相电压控制信号［‰一蜥‰一嘶‰一嘶］７亦为正弦波与零序分量的叠加，负载零序分量越大，直流电压利用率越高；同时四桥臂逆变器的开关矢量为１６个，扇区的划分较为复杂，因此，采用载波调制方式。４仿真及实验结果
４．１仿真结果
下面采用ＰｓＩＭ软件对前述四桥臂逆变器控制方法进行仿真．参数中直流电压为７６０ｖ．开关（载波）频率为２０ｋＨｚ，滤波电容为１００心，滤波
电感为ｌｍＨ，输出电压频率为５０Ｈｚ，输出电压有
效值为２２０Ｖ，正序电压环ｄ轴参考输入为３ｌｌ，正序电压环ｑ轴参考输入为Ｏ；ｄ，ｇ轴正序电压环比例系数分别为１０和１；ｄ，口轴负序电压环比例
１８
万方数据
系数皆为ｌ；ｄ，ｇ轴正、负序电压环积分系数皆为１；ｄ，ｇ轴正、负序电流环比例系数为Ｏ．８；ｄ，ｇ轴正、负序电流环积分系数为０．０ｌ；零序电压环比例系数为２００，零序电流环积分系数为１３２。零序电
流环比例系数为０．２５。
图４ａ为三相不对称阻性负载情况下的逆变
器输出相电压和负载电流波形．三相电阻分别为
１００Ｑ，２０Ｑ和４
ｎ；图４ｂ为三相不对称感性、容
性、阻性负载情况下的输出相电压和负载电流波形。其中，Ａ相负载为１Ｑ电阻串联１５ｍＨ电感，Ｂ相负载为５Ｑ电阻串联７５０“Ｆ电容，Ｃ相负载
为３０ｎ电阻：图４ｃ为两相断路、单相阻性负载情
况下的逆变器输出相电压、负载电流波形．其中电
阻为５Ｑ，接在Ｂ相。
聪麟
嚼徽皆鹣，，ｍｓ
黪溅
套∥慕等
Ｚ夭＝＝乒弋：：∥
，，ｎｌｓ
（ｂ）三帽不对称感性、容性、阻性负载情况下
（ｃ惮相阻性负载情况下
圈４仿具波形１
Ｆｉｇ．４
Ｓｉ姗ｌａｔｉｏｎ
ｗ聃ｅｆｏｍｓｌ
图５为带三相电动机、单相整流负载情况下的逆变器输出相电压、线电压、负载电流波形，其
中整流部分为单相整流桥。整流桥负载为１０ｎ电阻，接在Ａ相。
蕊獭鼢
设戆嬲
瓮麟
＼，’一’ｂ厂
Ｏ
ｌＯ
２０３０４０５０
ｆ，ｍｓ
，／ｍｓ
（ａ）相电压，线电压（ｂ）三相电流、零线电流
图５仿真波形２
ｎｇ．５
ＳＪ啦１１ｌａｔｊ仰啊ｖ幽硼砣
图中三相异步电动机功率为３０ｋＷ．整流桥滤波电容为１０００阻Ｆ，为限制初始电流，在整流桥与
电容之间串接ｌｍＨ电感。达稳态后，三相电压谐波畸变率分别为０．８８％，０．８ｌ％，０．７２％。（下转第２５页）
ＤＣ，ＤＣ变换器模糊控制和ＰＩＤ控制比较研究
时．变换器从启动到进入稳态采用ＰＩＤ控制器时
约需２４ｎｌｓ，而采用模糊控制器时缩短到１８ｍ。
５
结论
图６示出Ｂｏｏｓｔ变换器在额定运行情况下负
载突变时输出电压的变化过程。图６ａ示出负载从
Ｏ．３
此处基于Ｂ００８ｔ变换器平台．详细介绍了传统线性ＰＩＤ控制器和模糊控制器的设计及实现。
并对其设计所考虑的侧重点进行了详细的对比
Ａ突加到ｌＡ时情况。可见，采用ＰＩＤ控制器
时需要较长的恢复时间，约３０瑚，而采用模糊控
制器恢复时间只需１０ｍｓ：图６ｂ为负载从ｌＡ突卸到０．３Ａ，变换器分别采用两种控制器时输出
分析。为更好地了解两种控制器，分别将两种控制器引入到Ｂ００８ｔ变换器中，对其控制性能进行了实验对比。结果显示，模糊控制器相比ＰＩＤ控制器更能适应变换器工作点的变化。具有更好的
动态控制性能。
电压的变化。可见，采用ＰＩＤ控制器时输出电压出
现振荡．且恢复稳态运行时间长于采用模糊控制器时的情况。可知，模糊控制器相比传统的线性
ＰⅢ控制器更能适应变换器输入电压和输出负载
变化，即工作点的变化，具有更好的动态控制效果。
参考文献
【１】王国玉，韩璞，王东风，等．ＰＦｃ一咖串级控制在主
汽温控制系统中的应用研究【Ｊ】．中国电机工程学报，２００２，２２（１２）：５０一５５．
堙
＞
模糊糟制
‘
’
模糊控｛９＾ｋ
【２】邓卫华，张波，丘东元，等．电流连续型Ｂ∞ｓｔ变换
器状态反馈精确线性化与非线性ＰＩＤ控制研究【Ｊ】．中国电机工程学报，２００４，２４（８）：４５—５０．【３】
ｚｂｉ印ｉｗＩ血。鲫ｙ，Ｊ∞ｕ％Ｗ．Ｂｉａｌｅｋ．Ｓｕｐｅｒｖｉ８０ｒｙ
ｏｆａ
ＣｏｎｔＤ０ｌ
２￥
ｏ
ＰＩｄ控
制
ＰｌＤ控制
ｌ／（：０ｍｓ，格）【ａ）突加负载情况
』／【２０ｍｓ，格）Ｗｉｎｄ
Ｆｍ田．ＩＥＥＥ
７Ｉｈｎ８．蚰Ｐｏｗｅｒ
Ｓｙ８ｔ锄８，２０Ｄ７，
（ｂ）突卸负载情况
２２（３）：９８５—９９４．
【４】施三保，夏泽中．Ｄｃ，ＤＣ变换器的模糊自适应ＰⅢ控制
仿真研究【Ｊ】．武汉理工大学学报，２００６，２８（８）：２０—２３．
图６两种控制方式下负载变化过程
Ｆｉｇ．６
Ｔｈｅ１０ａｄ
ｃｌ姗ｇｅｐｒｏｃ髓ｓｉｎｇ岫ｄｅｒ
ｔｗｏ
ｏ蚰ｔｒＤｌｍｏｄｅ
（上接第１８页）
４．２实验结果
在实验平台上验证该控制方法的动态性能。
各交流变量分别进行正负序ｄ，叮变换，由前三桥臂对输出电压正负序分量进行控制，第四桥臂对
实验参数与仿真参数相同。其中零序电压环、电流环比例系数分别调整为２４，１．６。微处理器采用ＴＭｓ３２０ＬＦ２８１２型ＤＳＰ。采用连续增／减计数模式。
周期匹配时采样数据．在后半周期内进行数据处
输出电压零序分量进行控制的方法。以使逆变器在不对称负载及非线性负载的情况下，输出三相对称电压。由仿真及实验结果可知，该控制方法原
理清晰。负载适应性强。对于不同类型的不对称负载、非线性负载都体现出很好的动、稳态性能。尽
理．并将计算出的控制信号转换为比较寄存器的值。在定时器计数值为零时将其载入，形成下一周期ＰｗＭ输出。开始时三相负载对称运行。三相电阻
皆为５Ｑ。在某一时刻，Ａ相电阻突变至１５Ｑ，在此
管提出的控制方法较为复杂．需进行６次坐标变
换，但采用ＴＭＳ３２咀肥８１２型（定点）或２８３３５型
（浮点）ＤＳＰ，完全可在要求的开关频率（２０ｋＨｚ）下完成运算。
过程中的输出电压、负载电流波形如图６所示。
参考文献
【ｌ】
ｆ，（２０ｍｓ／格ｌ（ａ）输出电压波形
，“２０ｍｂ／格）（ｂ）负载电流波形
Ｒｙ∞ＭＪ，Ｄｅ
Ｃｏｎｔｒｏｌｍａｔｉｏｎ
Ｄ０ｎｃｋｅｒＲ
ｗ，Ｉｍｍ
Ｒ
Ｄ．Ｄｅ∞ｕｐｌｅｄ
０ｆ
ａ
ＦｏⅡ－ｌｅｇ
ＩＩｌｖｅ舾Ｖｉ丑＿Ｎ州４ｘ４Ｔｒ雠８ｆｏｒ－
Ｍａ虹ｉ】【ｍ肛ＥＥ豫啪．∞Ｐｏ骶ｒＥｋｃ叻ＩｌｉｃＢ，２００ｌ，
图６实验波形
Ｆｉｇ．６
１６（５）：６９４—７０１．
【２】刘秀狮，张化光，陈宏志．四桥臂逆变器中第四桥臂的
控制策略【Ｊ】．中国电机工程学报，２００７，２７（１１）：８７—９２．【３】陈新，龚春英，郦鸣，等．应用于三相变换器的三
维空间矢量调制【Ｊ】．南京航天航空大学学报，２００２，３４（２）：１４８一１５３．
Ｅｘｐｅｒｉｎｍｔａｌ
ｗ＂ｅｆｏｒ瑚
５结论
在对四桥臂逆变器数学模型进行分析的基础上．针对两种常见方法存在的问题．提出对逆变器
万方数据
三相四桥臂逆变器控制方法研究
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
董钺， DONG Yue
国家海洋技术中心,天津,300112电力电子技术
Power Electronics2012,46(6)
本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_dldzjs201206006.aspx