劉國瑞

（國網(wǎng)山西省電力公司調(diào)度控制中心，山西 太原 030001）

電力系統(tǒng)用三相UPS的逆變器控制策略研究

劉國瑞

（國網(wǎng)山西省電力公司調(diào)度控制中心，山西 太原 030001）

逆變器作為電力系統(tǒng)UPS（Uninterruptible Power Supply）的輸出端，直接向調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)、變電站遠(yuǎn)動(dòng)通訊裝置、故障信息子站等提供高質(zhì)量、高可靠性的交流凈化電源。針對(duì)傳統(tǒng)逆變器存在的輸出電壓波形質(zhì)量差，直流電壓利用率低，諧波含有率高等問題，建立了三相PWM逆變器在三相靜止坐標(biāo)系和兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。研究了其基于電壓空間矢量和電壓電流雙閉環(huán)控制的逆變器控制策略，并在Matlab的Simulink中進(jìn)行了系統(tǒng)仿真。仿真結(jié)果表明，控制策略合理，滿足電力系統(tǒng)用UPS要求。

逆變器；脈寬調(diào)制；解耦控制；空間矢量

0 引言

伴隨著電力系統(tǒng)自動(dòng)化、智能化程度的不斷提高，UPS（Uninterruptible Power Supply） 在電力調(diào)度通信自動(dòng)化設(shè)備、變電站遠(yuǎn)動(dòng)通訊裝置、圖形網(wǎng)關(guān)機(jī)、繼電保護(hù)故障信息子站等系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛，其輸出電壓的品質(zhì)已成為影響電力調(diào)度和變電站通訊自動(dòng)化系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素。逆變器作為電力系統(tǒng)UPS的輸出端，是整個(gè)UPS系統(tǒng)的核心，傳統(tǒng)的三相逆變器大多采用基于三角載波控制的對(duì)稱規(guī)則采樣或不對(duì)稱規(guī)則采樣進(jìn)行控制，對(duì)稱規(guī)則采樣法輸出電壓波形諧波含量非常高，不對(duì)稱規(guī)則采樣雖然使電壓輸出波形得到了一定程度的改善，但其對(duì)直流電壓母線利用率偏低，且在帶整流型負(fù)載和非線性負(fù)載時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)慢、輸出電壓波形嚴(yán)重畸變。本文針對(duì)傳統(tǒng)逆變器存在的問題，建立了三相PWM逆變器在三相靜止坐標(biāo)系和兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，研究了其基于電壓空間矢量和電壓電流雙閉環(huán)控制的逆變器控制策略，并在Matlab的Simulink中進(jìn)行了系統(tǒng)仿真。仿真結(jié)果表明，控制策略合理，滿足電力系統(tǒng)用UPS要求[1,2]。

1 三相PWM逆變器的數(shù)學(xué)模型及雙閉環(huán)PI控制策略

1.1 三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型

分析數(shù)學(xué)模型是理論研究和設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)和基礎(chǔ)，建立三相電壓型橋式逆變器的數(shù)學(xué)模型，是分析和研究三相PWM逆變系統(tǒng)的基礎(chǔ)。逆變器的開關(guān)模型可以準(zhǔn)確模擬其在不同負(fù)載條件下的瞬態(tài)時(shí)域模型，其缺點(diǎn)是開關(guān)非線性，工程上通常利用狀態(tài)空間平均法建立線性模型，研究其頻域轉(zhuǎn)換特性。圖1是三相逆變電源主電路，由三相逆變橋、三相濾波器組成。假定三相濾波器對(duì)稱、一致，濾波電感為L1，濾波電容為C1，而R0代表電感損耗、線路阻抗及開關(guān)開通和關(guān)斷損耗的總效應(yīng)。

圖1 三相逆變電源主電路

根據(jù)圖1可得三相逆變器在三相abc靜止坐標(biāo)系下的狀態(tài)空間平均模型。

1.2 兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型

三相靜止坐標(biāo)系下的狀態(tài)空間平均模型是一個(gè)多輸入、多輸出、強(qiáng)耦合的控制對(duì)象，其交流側(cè)是隨時(shí)間變化的交流量，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)相當(dāng)復(fù)雜。采用坐標(biāo)變換，建立三相逆變器，在以電網(wǎng)基波頻率同步旋轉(zhuǎn)的dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型如下。

從式（2）和式（3）可看出，經(jīng)過坐標(biāo)變換，逆變器已由多輸入、多輸出簡化為兩輸入、兩輸出，但該模型輸入輸出之間仍存在耦合。

1.3 dq坐標(biāo)系下的解耦控制策略

在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，4個(gè)狀態(tài)變量ud、Id、up、Iq相互耦合，不利于控制器設(shè)計(jì)，經(jīng)過解耦后方能單獨(dú)控制ud、Id、uq、Iq。

根據(jù)圖1所示的三相PWM逆變器的電路結(jié)構(gòu)，由基爾霍夫KVL、KCL可得

由式（6）—（9）可以構(gòu)成圖2所示的電壓電流雙環(huán)解耦控制系統(tǒng)。

圖2 逆變器系統(tǒng)解耦控制框圖

式（8）與（9） 構(gòu)成電流內(nèi)環(huán)反饋控制器，其輸出為外環(huán),由式（6）與（7）構(gòu)成的電壓控制器和輸出電壓反饋構(gòu)成電壓外環(huán)，在電壓外環(huán)的作用下實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的穩(wěn)定控制。式（8）與（9）構(gòu)成的電流控制器與輸出電流反饋構(gòu)成電流內(nèi)環(huán)，其輸出作為外環(huán)的給定。此外，整個(gè)系統(tǒng)通過引入負(fù)載電流和輸出電壓前饋，提高了調(diào)節(jié)器控制精度和系統(tǒng)響應(yīng)速度，使逆變器抗干擾和承受非線性負(fù)載的能力進(jìn)一步得到加強(qiáng)。利用輸出電壓空間矢量ud和uq，在電壓空間矢量SVPWM控制技術(shù)的調(diào)節(jié)下，得到逆變器6個(gè)開關(guān)器件的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而使得逆變器在電壓電流雙環(huán)控制下，輸出額定正弦波電壓。

2 空間矢量PWM控制技術(shù)

2.1 電網(wǎng)電壓和參考電壓空間矢量

設(shè)電網(wǎng)電壓為三相對(duì)稱電壓。

電網(wǎng)電壓和參考電壓在空間矢量控制系統(tǒng)中定義如下。

a)電網(wǎng)電壓空間矢量。

式（11）中，電網(wǎng)電壓空間矢量在兩相靜止坐標(biāo)系中被分解為Usα、Usβ， a=ei2π/3。

b)參考電壓空間矢量。

式（12）中，參考電壓空間矢量Uref在兩相靜止坐標(biāo)系中被分解為Urα、Urβ，a=ei2π/3。

2.2 電壓空間矢量計(jì)算的簡化

圖3為空間電壓矢量分布圖。

圖3 空間電壓矢量分布圖

根據(jù)Uref在α、β軸上的坐標(biāo)值Urα、Urβ可以計(jì)算出Uref與α軸夾角γ的正切值，，通過反正切函數(shù)即可求得γ，進(jìn)而確定空間矢量的作用時(shí)間T1、T2。此計(jì)算方法理論簡單，容易理解，但由于反正切函數(shù)計(jì)算復(fù)雜，CPU頻率達(dá)到72 MHz才能勉強(qiáng)滿足控制要求，下面介紹一種工程上常用的簡單算法，根據(jù)參考電壓來判斷所屬扇區(qū)和作用時(shí)間。

a）矢量的作用時(shí)間。

由圖3可知，參考電壓矢量Uref可由它所在扇區(qū)的2個(gè)空間矢量及零矢量合成得出，因此通過參考電壓矢量Uref可計(jì)算出6個(gè)空間矢量在各扇區(qū)的作用時(shí)間，以Uref在圖3所示的第I扇區(qū)為例。

式中，Ts為CPU采樣周期，為直流側(cè)電壓矢量。

根據(jù)式（13） 和（14），可以算出V4（100）和V6（110） 在一個(gè)控制周期內(nèi)的作用時(shí)間T1和T2，在其余各扇區(qū)內(nèi)均有此類似關(guān)系。

零矢量的作用時(shí)間為T0=Ts-T1-T2。

b）扇區(qū)的選擇。

根據(jù)參考電壓矢量Uref及其在α、β坐標(biāo)系的分量Urα、Urβ，定義

若X＞0，則A=1，否則A=0；

Y＞0，則B=1，否則B=0；

Z＞0，則C=1，否則C=0。

則控制過程中可通過N=A+2B+4C來判斷參考電壓空間矢量屬于哪一個(gè)扇區(qū)。

c）開關(guān)矢量的合成。

工程上為最大限度減少開關(guān)損耗，逆變器調(diào)制過程中每次僅允許切換1只開關(guān)管，七段空間矢量合成方法可滿足次要求，即每個(gè)矢量控制以（000）開始和結(jié)束，中間加以矢量（111），這樣就可以保證每次只切換1只開關(guān)管。表1為各扇區(qū)開關(guān)矢量分配表。圖4為第I扇區(qū)內(nèi)空間矢量作用時(shí)間圖。

表1 各扇區(qū)開關(guān)矢量分配表

通過以上分析可知，此方法首先計(jì)算判斷參考電壓所屬扇區(qū)，然后通過各扇區(qū)開關(guān)矢量分配表得知開關(guān)管切換順序，再計(jì)算矢量作用時(shí)間后即可合成參考電壓空間矢量，整個(gè)過程不涉及復(fù)雜計(jì)算，控制簡單，且非常易于數(shù)字化CPU實(shí)現(xiàn)[3-5]。

圖4 第I扇區(qū)內(nèi)空間矢量作用時(shí)間圖

3 系統(tǒng)仿真

圖5為基于空間矢量控制和電壓電流雙閉環(huán)控制策略的三相電壓型PWM逆變器仿真系統(tǒng)模型圖。系統(tǒng)的部分仿真參數(shù)為：輸出濾波電感0.4 mH，輸出濾波電容100μF，輸出電阻忽略不計(jì)，輸出負(fù)載容量4 kVA，開關(guān)頻率20 kHz，采用可變步長ode23tb，仿真時(shí)間為0.1 s。圖6—圖9所示為逆變器仿真模型在負(fù)載功率因數(shù)為0.8，輸入直流電壓380 V的情況下系統(tǒng)的仿真結(jié)果圖。

圖5 三相電壓型PWM逆變器仿真模型圖

4 仿真分析

由圖6可知，三相輸出電壓波形對(duì)稱且相差1 200 V，且通過Simulink中的RMS模塊可測得，穩(wěn)態(tài)時(shí)A相電壓有效值為126.4 V。由圖7可知，三相輸出電流波形在感性負(fù)載時(shí)仍然對(duì)稱，且未發(fā)生畸變，通過Simulink中的RMS模塊可測得，穩(wěn)態(tài)時(shí)A相電壓有效值為10.44 A。由圖8可知，逆變器在帶感性負(fù)載時(shí)，電壓波形和電流波形和負(fù)載性質(zhì)相同，功率因數(shù)為0.8。由圖9可知，逆變器在感性負(fù)載時(shí)，電壓波形畸變率很低，其總諧波含有率僅有1.23%，低于國標(biāo)規(guī)定的5%。由圖6—圖9可以看出，采用基于電壓空間矢量控制和電壓電流雙閉環(huán)的逆變器控制策略，達(dá)到了預(yù)期的控制效果，電壓電流波形對(duì)稱，畸變率低，諧波含有率低，負(fù)載適應(yīng)能力強(qiáng)[6]。

圖6 輸出三相相電壓波形圖

圖7 輸出三相相電流波形圖

圖8 輸出A相電壓電流波形圖

圖9 A相輸出電壓總諧波畸變圖

5 結(jié)束語

本章深入研究了三相逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，確定了將三相橋式逆變器作為主要研究對(duì)象。針對(duì)三相橋式逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，建立了三相電壓型PWM逆變器在各種坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，選擇了基于電壓空間矢量PWM的電壓電流雙閉環(huán)控制方式，給出了逆變器系統(tǒng)的解耦控制框圖，最后在Matlab/ Simulink中對(duì)逆變器仿真模型進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果對(duì)實(shí)際應(yīng)用有較強(qiáng)的借鑒意義。

a）設(shè)計(jì)方法可行，控制策略選取合理，仿真模型建立正確。

b）逆變器輸出功率因數(shù)范圍寬，輸入直流母線電壓范圍寬，輸出電壓電流精度高，輸出電壓電流的THD低。

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Research of PWM Inverter Control Strategy in Three-phase UPS for Power System

LIU Guorui

（State Grid Shanxi Electric Power Corporation,Dispatching&Control Center, Taiyuan,Shanxi 030001,China)

As the UPS output terminal, inverter directly supplies purified AC power source with high quality and high reliability for power dispatching automation system, substation RTU and relay protection fault information subsystem. In order to improve the wave form quality, utilization efficiency of DC voltage, and decrease total harmonic distortion, a three- phase PWM inverter mathematical model is established in the three- phase stationary coordinate system and two- phase rotating coordinate system in this paper. In addition, the control strategy based on voltage space vector and voltage- current dual- loop control is studied, and it is simulated under Matlab/Simulink. The simulating result has proved that the control strategy is practicable and reasonable, and it can meet the requirement for UPS in power system.

inverter；PWM；decoupling control；space vector

TM464

A

1671-0320（2016）02-0018-05

2015-12-10，

2016-01-20

劉國瑞(1984)，男，山西運(yùn)城人，2010年畢業(yè)于太原理工大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化工業(yè)，碩士，工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自動(dòng)化。