混合型逆变器控制系统中零序电流的研究*

杨　哲,　于　飞，　魏永清

(海军工程大学 电气工程学院，湖北 武汉　430033)



混合型逆变器控制系统中零序电流的研究*

杨哲,于飞，魏永清

(海军工程大学 电气工程学院，湖北 武汉430033)

摘要：针对传统大功率逆变器所存在的问题，对混合型逆变器控制系统进行了介绍。系统采用了逆变器并联的形式以减少流入电机的谐波电流，但是在混合型逆变器控制系统中存在的零序电流会增加逆变器损耗。针对系统中存在的零序电流，推导了零序电流的数学模型，并分析了零序电流的产生原因，最终采用一种基于零轴电流反馈控制的控制方法。该方法算法简单，不需要改变电路的拓扑结构，适用于传统的正弦脉宽调制控制策略。利用MATLAB/Simulink软件搭建了混合型逆变器控制系统模型，并对其零序电流的控制进行了仿真验证。结果表明该方法对零序电流有明显抑制作用。

关键词：混合型逆变器； 谐波电流； 零序电流； 正弦脉宽调制

0引言

传统的大功率交流电机传动系统采用的逆变器类型主要有普通交直交三相逆变器、交交变频器、变压器耦合的多脉冲逆变器等。这些大功率传动系统的变换电路研究比较成熟，但是在实现大功率交流传动的同时，在性能上没有什么突破。传统方式对电网污染十分严重，一般需要增加谐波治理装置；而近些年所关注的新型逆变器如多电平逆变器多为高压大功率逆变器，对于低压大功率的传动系统鲜有涉及。

针对低压大功率传动系统所存在的问题，本文采用了混合型逆变器这种控制方式进行电机控制。混合型逆变器控制系统是基于传统的交直交三相逆变器系统，利用多逆变器并联技术与有源滤波器原理实现了在低压大功率条件下对电机的调速控制，同时解决了传统控制方式电网污染严重、谐波畸变率高等问题。混合型逆变器控制系统由两台逆变器并联构成，一台负责提供负载功率，另一台负责消除负载电流中的谐波。由于结构类似于多逆变器并联，故在两台逆变器之间会产生一个只流过逆变器而不流入负载的电流，即零序电流。零序电流会增加流过功率开关器件的电流，增加逆变器的损耗，严重时会烧毁逆变器。对于零序电流所带来的问题，国内外学者在这方面做过大量工作。如文献[1]中提出将逆变器的直流侧进行物理隔离，以实现抑制零序电流的目的；文献[2-4]中介绍了通过在逆变器交流侧增加多绕组变压器的方法实现电气隔离，以此抑制零序电流。这一类的方法都需要添加额外的电气元件，不但增加了系统的成本还使系统结构变得复杂。在文献[5]中提出了将两个并联三相逆变器视为一个六相逆变器进行控制，但需要将两个逆变器进行统一控制，不适合模块化设计。还有一些文献中提出了采用空间矢量调制方法，如文献[6]中提出了改变零序参考电压的方案，虽然易于模块化设计但是实现较为复杂。为了简单有效地解决零序电流的问题，本文采用了一种适用于传统正弦脉宽调制(SPWM)的零序电流控制策略。该方法不需要改变电路拓扑结构且算法实现简单。

本文首先对电机侧逆变器在旋转坐标系下的数学模型和控制策略进行了推导和分析；在此基础上对混合逆变器系统中零序电流的产生原因进行了分析，并将零序电流控制方法与混合型逆变器控制相结合；最后经仿真验证该方法能有效减小混合逆变器控制系统中零序电流，保证了系统安全稳定的运行。

1电机侧单个逆变器数学模型和控制策略

电机侧单个三相逆变器的开关模型如图1所示。

图1　三相逆变器开关模型

定义功率器件开关函数，

(1)

将直流母线的负端选作参考点，利用基尔霍夫定律得到开关函数的模型：

idc=[sasbsc][iaibic]T

(2)

[uaubuc]T=[sasbsc]Tudc

(3)

(4)

式中：sa、sb、sc——逆变器A、B、C三相的开关函数；

ia、ib、ic和ua、ub、uc——逆变器A、B、C三相的相电流和相电压；

uAN、uBN、uCN——电机A、B、C三相电压；

L——逆变器交流侧滤波电感；

uN——异步电机三相绕组中点相对于参考点电压。

对电压和电流取平均值，以桥臂a为例，

(5)

式中：da——桥臂a的开关占空比。

将式(5)代入式(2)～式(4)，可得三相逆变器的平均模型：

(6)

控制系统采用了间接矢量控制方法。为了便于对三相逆变器的控制进行线性分析，将上面所得到的静止坐标系下的三相逆变器平均值模型变换为同步旋转坐标系下。

ddtidiqi0éëêêêêêùûúúúúú= 1Ldddqd0éëêêêêùûúúúúudc-1Luduqu0éëêêêêêùûúúúúú-1L003uNéëêêêêùûúúúú

(7)

dd、dq、d0——d、q、0轴占空比分量。

根据式(7)可以看出，单个逆变器在同步旋转坐标系下的d轴与q轴含有交叉耦合项。在单个逆变器控制系统中，0轴的等效电路是开路的，系统中不存在零序电流，所以一般不对其进行控制，如图2所示。

图2　单个逆变器0轴等效电路图

本文对电机的控制采用了间接矢量控制方法，控制框图如图3所示。系统由转速外环和电流内环构成。转速外环的主要目的是维持电机转速的稳定，电流内环的目的是根据外环输出的电流指令进行电流控制，以此实现正弦波电流控制。系统采用磁链开环控制，减小了电机参数的影响，简化了系统结构。

图3　单个逆变器间接矢量控制框图

2混合型逆变器控制系统零序电流的研究

混合型逆变器控制系统同样采用了间接矢量控制，相对于单个逆变器带电机运行，混合型逆变器能更好地降低输出电流的谐波畸变率，提高控制的可靠性。混合型逆变器系统建模与单个逆变器建模相类似，结构框图如图4所示。为电机提供功率的逆变器称为主逆变器，主逆变器仍采用转速外环与电流内环控制。其平均值模型与单个逆变器的平均值模型相同。另一台逆变器称为从逆变器，采用了电流闭环控制，通过跟随主逆变器电流偏差量对主逆变器的输出电流中的谐波进行补偿，以此实现消除谐波的目的。

图4　混合型逆变器控制框图

从结构图中可以看到，混合型逆变器具有并联逆变器的特点，因此主逆变器与从逆变器在同步旋转坐标系下的模型不仅在d轴和q轴上含有交叉的耦合项，在0轴上也形成了回路。这就为零序电流提供了通路。其0轴等效电路如图5所示。

图5　混合型逆变器0轴等效电路图

(8)

(9)

式中：i0和i0′——主逆变器和从逆变器的零序电流量。

3仿真结果及分析

本文采用了MATLAB/Simulink软件进行了仿真研究。仿真参数如下： 三相异步电机额定电压380V，频率50Hz，Rr=0.228Ω，Rs=0.087Ω，Llr=0.8mH，Lls=0.8mH，Lm=37.4mH，直流电压E=650V，电机极对数p=2，电机的额定功率PN=20kW，电机额定转速nN=1440r/min，转动惯量J=0.05kg·m2。转速给定初始值为148rad/s，转子磁通给定为0.72Wb，空载运行。

图6所示波形为单个逆变器带电机运行时的零序电流波形。图7(a)和图7(b)分别为无零序电流控制的混合型逆变器零序电流波形与主从逆变器A相电流波形。通过将图6与图7(a)对比可知，单个逆变器0轴电路是开路的，而混合型逆变器中产生了幅值较大零序电流，证明了混合型逆变器中0轴电路形成了回路。

图8(a)和8(b)分别是有零序电流控制的混合型逆变器零序电流波形与主从逆变器A相电流波形。通过对比图7与图8可知，混合型逆变器加入0轴反馈电流控制后，其零序电流得到了有效的抑制，主从逆变器中的相电流得到了明显的改善。

图6　单个逆变器零序电流

图7　无零序电流控制

图8　有零序电流控制

图9为主逆变器A相电流的傅里叶分析，通过对比图9(a)和9(b)可知，通过对零序电流的控制，相电流中的谐波畸变率明显减小，说明对零序电流的有效控制能够减少逆变器输出电流的谐波含量。

图9　主逆变器A相电流傅立叶分析

4结语

本文以混合型逆变器控制系统为研究对象，对系统中零序电流的产生进行了分析说明，并采用了一种基于零轴电流反馈控制的方法对零序电流进行抑制。该方法具有算法简单，不改变电路拓扑结构的优点。最后在MATLAB/Simulink环境下对控制系统性能进行了仿真验证。对有零序电流控制和无零序电流控制进行对比分析，结果表明，该零序电流控制方法能够有效地对零序电流进行抑制，并能提高逆变器输出电流的质量，减小谐波畸变率，保证了系统的安全稳定运行。

【参 考 文 献】

[1]KAWABATA T， HIGASHINO S. Parallel operation of voltage source inverters[J]. IEEE Transactions on Industry Applications， 1988，24(2)： 281-287.

[2]HOLTZ J， LOTZKAT W， WERNER K H. A high-power multitransistor-inverter uninterruptable power supply system[J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 1988，3(3)： 278-285.

[3]DIXON J W， OOI B T. Series and parallel operation of hysteresis current-controlled PWM rectifiers[J]. IEEE Transactions on Industry Applications， 1989，25(4)： 644-651.

[4]WALKER L H. 10MW GTO converter for battery peaking service [J]. IEEE Transactions on Industry Applications， 1990，26(1)： 63-72.

[5]FUKUDA S， MATSUSHITA K. A control method for parallel-connected multiple inverter systems[C]∥7th International Conference on Power Electronics and Variable Speed Drives， London， UK， 1998.

[6]YE Z， BOROYEVICH D， CHOI J Y， et al. Control of circulating current in two parallel three-phase boost rectifiers[J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2002，17(5)： 609-615.

[7]胡维昊,王跃,姚为正,等.直驱型变速恒频风力发电系统中零序环流的研究[J].中国电机工程学报,2009(27)： 99-105.

[8]魏永清,张晓锋,乔鸣忠.采用参考电压调节的并联逆变器控制技术[J].电机与控制学报,2011,15(2)： 84-88.

[9]付勋波,鄂春良,李建林,等.直驱风电系统中并联逆变器的仿真建模与分析[J].高电压技术,2008,(10)： 2228-2233.

[10]魏永清,张晓锋,乔鸣忠.用于电机传动系统的多逆变器并联控制技术[J].电机与控制学报,2010,14(2)： 36-40.

[读者群]

《电机与控制应用》杂志的读者包括电机与控制领域内从事科研、设计、生产的工程技术人员，全国各大高等院校师生，企业经营、管理、营销、采购人员，各类产品代理分销渠道人员以及最终用户等，遍及电力、石油、冶金、钢铁、交通、航天、工控、医疗、机械、纺织、矿山等多个行业。

杂志读者群专业、稳定、层次高，无论是交流前沿技术、实践经验，还是传递行业信息，开展企业及产品的广告宣传都能达到事半功倍的效果。

Research of Zero Sequence Current in Hybrid Inverters Control System*

YANGZhe,YUFei,WEIYongqing

(Department of Electrical Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

Abstract：Introduc the hybrid inverters control system for solving the problems of traditional power inverter. The inverter parallel form to reduce the harmonic current which flows into the motor was used, but the zero sequence current in the hybrid inverters would increase inverter loss. For the zero-sequence current exist in system, the mathematical model of zero sequence current was derived, and the causes of zero sequence current was analyzed. Finally, a control method based on the t feedback control of zero axis curren was taken. The method had simple algorithm without changing the circuit topology and was suitable for sinusoidal pulse width modulation. MATLAB/Simulink software to build a model of hybrid inverters control system was taken, and its zero sequence current control carries out simulation. The results show that the method of zero sequence current significantly inhibited.

Key words：hybrid inverters; harmonic current; zero sequence current; sinusoidal pulse width modulation

收稿日期：2015-09-21

中图分类号：TM 464

文献标志码：A

文章编号：1673-6540(2016)04- 0008- 05

作者简介：杨哲(1989—)，男，硕士研究生，助理工程师，研究方向为电力电子与电力传动。

*基金项目：国家自然科学基金项目(51307180)