基于LCL濾波的三相電壓型逆變器

王高高+陳猛+李景忠

摘 要：文中提出了一種基于LCL型濾波器的雙環控制三相電壓型逆變器。在Matlab中搭建逆變器模型，使用雙閉環（電壓外環、電流內環）控制方式與SVPWM（空間矢量脈寬調制）算法生成PWM波。結果表明，該逆變器具有很好的輸出諧波抑制性能和帶非線性負載能力。

關鍵詞：三相逆變；LCL型濾波；雙閉環；諧波抑制

中圖分類號：TP39；TM501 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）02-00-03

0 引 言

三相電壓型逆變器因其能輸出恒頻、穩壓的三相電，在工業領域得到了廣泛運用[1]。國內外有關三相電壓型逆變器的研究也很多。

文獻[1，2]提出了幾種基于LC濾波器的電壓型逆變器模型，從控制系統的閉環數目上看，主要分為單閉環、雙閉環兩種；從控制方法角度分析，主要包括滑模控制、PID控制、重復控制等。

與SPWM算法相比，SVPWM算法的優點在于算法簡單，適合數字實現。采用SVPWM算法時，直流電壓利用率比采用SPWM算法時高約15.47%，能夠有效減少輸出諧波含量，降低開關管工作頻率，減少開關損耗[1]。

關于LCL型逆變器的研究風靡當下，文獻[3，4]詳細介紹了LCL濾波器的設計方法，并指出LCL型濾波器對諧波具有更強的抑制能力。本文在以上研究成果的基礎上，擬提出一種基于LCL濾波的雙閉環PI-PI控制下的三相電壓型逆變器，并對逆變器輸出諧波、帶負載能力進行了研究。

1 三相逆變器模型

三相全橋電壓型逆變器主電路拓撲如圖1所示。

其中，Udc為直流側電壓，選擇電感L1上的電流i1k，電容C上的電壓uck，以及電感L2上的電流i2k作為狀態變量（k=a， b，c），建立了基于LCL型濾波的三相電壓型逆變器在三相靜止坐標系下的狀態方程，如式（1）所示：

式中：uk（t）為橋臂輸出電壓，uok（t）為負載電壓。

通過坐標變換，將三相靜止坐標系中的基波正弦變量轉換為同步旋轉坐標系中的直流變量，逆變器在同步旋轉坐標系中的狀態方程如式（2）所示：

式中：ud（t），uq（t）為橋臂輸出電壓的d，q分量，ucd（t），ucq（t）為電容電壓的d、q分量，i1d（t），i1q（t），i2d（t），i2q（t）分別為電感L1，L2上電流的d，q分量，uod（t），uoq（t）為負載端電壓的d，q分量，ω為基波角頻率。

根據式（2）得到逆變器系統在dq坐標系下的數學模型，如圖2所示。

2 控制系統方案

2.1 雙閉環控制

由式（2）可知，系統dq軸電流除受控制量ud和uq影響外，還受耦合量ωL1i1q，ωL2i2q，ωCu1q和-ωL1i1d，-ωL1i2d，-ωCu1d的影響。控制器的設計可基于（2）式中i1d，i1q，ucd，ucq，i2d，i2q狀態變化量整定來建立原系統狀態反饋，采用雙環控制技術消除它們對系統參數的影響。經abc-dq變換之后，即可采用PI控制。在dq坐標系中實現電壓外環、電感電流內環的雙閉環控制，用外環電壓誤差的控制信號控制電流，通過調節電流使輸出電壓跟蹤參考電壓值。內外環控制通常能夠改善系統的動態特性與負載補償及dq軸的解耦關系。由上述理論得出的逆變器雙環控制系統結構如圖3所示。檢測電感L1電流i1k，電感L2電流i2k，以及三相負載電壓uok，經abc-dq變換后進入電壓外環控制，輸出參考電流，再進入電流內環控制，輸出調整電壓，經Park反變換dq-αβ，進入SVPWM發生器生成PWM波。

2.2 SVPWM算法原理

三相電壓瞬時值可以用一個以角速度ω=2πf旋轉的空間矢量電壓表示。當旋轉一周時，逆變器就能輸出一個固定周期的三相正弦波電壓，當落入某一子扇區后，用該子扇區的兩個邊界矢量和零矢量合成電壓可得到最佳合成效果。

如圖4所示，θ為的相角，設在一個開關周期T內，按逆時針方向旋轉，一個邊界矢量作用時間為Tx，另一邊界矢量作用時間為Ty，零矢量作用時間為T0。則有：

矢量旋轉公式如式（4）所示[1]：

其中，k=U/Udc，U為的幅值，x為每個子扇區逆時針方向的起始邊緣矢量，即x分別為0°，60°，120°，180°，240°，300°。控制系統SVPWM模塊如圖5所示。

3 系統參數

三相電壓型逆變器的各項參數見表1所列，輸出額定電壓為ur=63/V。

4 仿真分析

為進一步探究三相逆變器控制性能，在Matlab中搭建系統模型并仿真。

4.1 帶阻性負載

圖6～8所示為逆變器帶三相對稱阻性負載（單相電阻為5.74 Ω）時輸出的三相電壓uoabc、電流i2abc波形，以及A相輸出電壓uoa諧波FFT分析。

可以看出，逆變器輸出電壓波形平滑、幅值穩定，諧波含量較低，僅為0.04。

4.2 帶非線性負載

圖9、圖10所示分別為逆變器帶三相對稱阻感性負載（單相電阻為5.74 Ω，電感為0.03 H）時，逆變器輸出電壓uoabc與電流ioabc波形。

可見，輸出電壓、電流波形質量均較佳，即逆變器具有較好的帶非線性負載能力。

5 結 語

文中建立的同步旋轉坐標系下三相電壓型逆變器模型采用電壓外環、電感電流內環的雙閉環PI控制。仿真結果表明，該逆變器具有良好的輸出特性，對諧波有很強的抑制能力，具有較好的帶負載能力。

參考文獻

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