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为了解决微型电网中,作为功率接口的三相四桥臂逆变器存在输出波形畸变率大,跟踪给定正弦波慢的问题。在三相四桥臂逆变器解耦成三个单相逆变器的基础上,提出了一种H∞重复控制策略。首先依据内模控制原理,对每个单相逆变器建立了包含输出滤波器的逆变器系统模型,设计了重复控制的电压控制器。然后基于H∞控制原理,加入了稳定补偿器,以保证H∞最优性能。这就使逆变器的输出波形快速跟踪参考正弦波,逆变器输出电压畸变率明显小于常规控制方法。仿真和实验结果表明,不论在负载突变等大干扰情况下,还是在负载不平衡或者非线性的情况下,逆变
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第
16
卷第
9
期
2012
年
9
月
电机与控制学报
ELECTRIC MACHINES
AND
CONTROL
Vo
l.
16
No.9
Sep. 2012
基于
H
∞重复控制的三相四桥臂逆变器研究
闰士杰,
冷冰,
杜荷
(东北大学信息科学与工程学院,辽宁沈阳
110819
)
摘
要:为了解决微型电网中,作为功率接口的三相四桥臂逆变器存在输出波形畸变率大,跟踪给
定正弦波慢的问题。在三相四桥臂逆变器解搞成三个羊相逆变器的基础上,提出了一种
H
∞重复
控制策略。首先依据内模控制原理,对每个羊相逆变器建立了包含输出滤波器的逆变器系统模型,
设计了重复控制的电压控制器。;然后基于
H
∞控制原理,加入了稳定补偿器,以保证
H
∞最优性能。
这就使逆变器的输出波形快速跟踪参考正弦泼,逆变器输出电压畸变率明显小于常规控制方法。
仿真和实验结果表明,不论在负载突变等大干扰情况下,还是在负载不平衡或者非线性的情况下,
逆变器都能够保持完好的电压输出特性和良好的动态特性。
关键词:三相四桥臂逆变器;单相逆变器
H
∞重复控制;解辑控制;稳定补偿器
中图分类号
:TM464
文献标志码
:A
文章编号:
1007-449X(2012)0
弘
0039
一
09
Research
00
the three-phase four-Ieg ioverter
based
00
H
∞
repetitive
cootrol
YAN
Shi-jie
,
LENG
Bing
,
DU
Heng
(School
o
fI
nforrnation
and
Engineering
,
Northeastern
University
,
Shenyang
110819 ,
China)
Abstract:
Three-phase four-leg inverter as power interface in micro-grid had problems that the harmonic
distortion of the output voltage was high and the wave tracking of the output voltage was slow. In order
to
solve these problems , an
H
∞
repetitive
control strategy was proposed based on the three-phase four-leg in-
verter being decoupled into three single-phase inverters. Firstly , an inverter system model with an output
filter was established and a voltage controller of repetitive control
was
designed based on internal model
control theory for each single-phase inverte
r. Then according
to
H
∞
control
theory , a stable compensator
was added into system to ensure optimum
H
∞
performance.
This led to inverter output tracking reference
sinusoidal waveform rapidly and a lower hannonic distortion than the conventional control methods. The
results of simulation and experiment show that the inverter voltage output characteristics and dynamic
characteristics are excellent , under conditions of the load varying suddenly and in the case of an imbal-
ance load or nonlinear.
Key
words:
three-phase four-leg inverter; single-phase inverter;
H
∞
repetitive
control; decoupling con-
trol; stable compensator
收稿日期:
2012
-02 -09
基金项目:辽宁省自然科学基金
(20102068
)
你看简介:闰士杰(1
964
一)
,男,博士,副教授,研究方向为电力电子与电力传动、电力交换和新能源发电;
冷
冰(1
987
一)
,男,硕士研究生,研究方向为电力交换和新能源发电;
杜 街
(1981
一)
,男,博士研究生,研究方向为检测技术与自动化装置。
通讯作者:闰士杰
40
电机与控制学报
第
16
卷
。引言
在太阳能发电和风力发电的微型电网中,三相
三桥臂逆变器是主要的功率接口单元。近年来,由
于不平衡负载和非线性负载的大量存在,使得其在
微型电网中的应用受到了限制。为此,采用三相四
桥臂逆变器[
1-5]
来解决此类问题。三相四桥臂逆变
器的控制方法很多,主要有以下几种控制策略:
1 )
最大误差电流调节方法
[1]
。该方法是基于电流滞
环的双环调节策略。外环采用电压环,内环采用电
流滞环的。由于其控制原理简单,并且实现了电压
和电流的双环控制,故可以达到比较好的控制效果,
在四桥臂逆变器的控制中有一定的优势。在这种控
制方法中,由于电压外环以交流量瞬时值为
PI
调节
变量,所以虽然引入了前馈的控制策略,也很难实现
无静差调节,存在一定的误差。在大负载,或者非线
性负载接人时,控制效果更差。
2)
基于正序、负序、
零序分量的双环控制策略
[3
-4]
。该方法利用比例积
分
(proportional
integral ,
PI)
调节器来控制正序信
号,将负序和零序分量调节为零,从而获得三相对称
输出电压。对称分量的分解虽然公式计算原理简
单,理论上是一种较好的方法,但是实际中在对三相
交流量进行分解时牵涉到交流变量的移相问题,控
制电路复杂,需要经过多次坐标变换,实现起来比较
复杂,且精度不高。
3)
三次谐波注人控制法
[5]
。该
方法在三相交流调制信号的基础上,注入三次谐波,
可以提高输出电压幅值。虽然该方法在一定程度上
提高了电压利用率,非常适于驱动电动机的逆变器,
但不太适于微型电网中的逆变器。的三维空间矢
量调制策略[卜
7]
。该方法是在三相逆变器常用的二
维空间矢量调制技术的基础上演变、拓宽而来。它
是针对三相四桥臂逆变器,将四个桥臂的开关控制
用一个电压综合矢量来拟合。虽然这种控制法比传
统的二维空间矢量控制法仅仅多了一维,但其合成
矢量对应的分量很多,在控制时难以选出合适的分
量。在系统要求上,当三相负载不平衡时控制三相
输出电压的对称性不好。
5)
中性点控制法
[8]
。该
方法的基本原理是控制交流输出中性点和直流母线
电压的中点等电位,则桥臂输出电压仅决定于本桥
臂控制,三相完全解捐。实际上把三相四桥臂逆变
器解捐成三个半桥电路,然后电压环采取
PI
调节
器,电流环采用比例(
proportional ,
P)
调节器分别控
制。调制采用传统的正弦脉冲宽度调制(
sinusoidal
pulse width modulation , SPWM)
,它的控制比较简单,
但是电压利用率较低。以上控制方法中,都采用了
PI
调节器,均把电压有效值或电压幅值作为被控
量,这就导致了给定正弦波与输出波形之间存在很
大相移。特别是负载为非线性时,会产生很大畸变。
针对以上问题,本文在基于三相四桥臂逆变器中提
出了
H
∞重复控制策略。该策略主要基于重复控制
的快速跟踪能力,利用
H
∞的最优性能指标,使输出
电压快速跟踪正弦波给定,从而使逆变器具有良好
的动态特性和鲁棒性。
1
控制方案和控制任务
本文研究的三相四桥臂逆变器拓扑结构如图
1
所示,其等效电路如图
2
所示。
图
1
三相四桥臂逆变器的拓扑结构
Fig.
1
Topology
of
three-phase four-leg inverter
U
nA
主+
L
A
9
、
Mw
U
,,"
丛,
L
B
3
V
wψ
U.,c
鸟,
Lc
9
Vw
叭
U""
LN
Jte
vwwv
UN
JN
2
图
2
三相四桥臂逆变器等效电路
Fig.
2 Equivalent circuit of three-phase four-leg inverter
在图
2
中
,
u
nA
、
U
nB
",\
u
nC
为逆变器
A
、
B
、
C
相输
出
,
U
nN
为
N
相(零桥臂)输出。为便于分析,设直流
母线电压的
112
处为参考点。应用文献
[2
],解捐
后的等效电路如图
3
所示。
U
nA
二与
L
A
/(kptl )
f
、「飞
J
飞
,
Er
」「
4-
、
0J
、
, B
主+
LB/(kpt
I)
U.,c
主才'
Lc/(kpt
I)
。「
!N
UN
"
图
3
解稿后的等效电路图
Fig.
3
Decouple
equivalent circuit
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