王冶滔 ，方芳 ， 田磊 ， 厉孟 ， 张焱冰 ， 谢桢



基于前馈解耦的三相逆变器双环控制器设计

王冶滔1，方芳1， 田磊2， 厉孟3， 张焱冰1， 谢桢1

（1．海军工程大学电气工程学院，武汉 430033；2. 海军大连地区装备修理监修室，辽宁大连 116041；3.海军驻青岛造船厂军事代表室，山东青岛 266005)

建立了两相同步旋转坐标系下三相逆变器数学模型，构建了其电压电流双环控制方案。为了提高系统的动态响应特性及抗扰能力，在电压外环和电流内环中引入了前馈控制和解耦控制，并由此提出该控制器的设计方法，通过40kVA样机实验表明，该控制器具有良好的动态和稳态性能。

三相逆变器 前馈控制 解耦控制

0 引言

电压电流双闭环控制逆变器具有良好的稳定性、可靠性，在逆变器中得到越来越广泛的应用[1-4]，按电流内环反馈量的不同，双闭环控制可以分为两类：一类是以电容电流为反馈量，此类控制方案对负载扰动电流的抑制能力较强，但是无法实现软件限流功能；一类是以电感电流为反馈量，此类控制方案可以通过软件来实现对电感电流的限流，但是此方案对负载扰动电流的抑制能力则不如前者。为兼得两类方案的优点，可在以电感电流为内环反馈量的方案中加入负载电流前馈补偿，由于电压环包含了负载电流前馈，电流环包含了输出电压前馈，因此有效地改善了系统的动态响应及抗扰能力。由于在dq坐标系下，旋转3/2变换在系统的d轴和q轴之间引入了强耦合，为此还需要加入了d轴和q轴的解耦控制。本文提出了一种基于前馈解耦的三相逆变器双环控制器设计方法，通过40kVA实验样机的实验结果表明，按照该方法设计的控制系统具有良好的动态性能，在负载突变的情况下能实现快速的跟踪。

1 三相逆变器数学模型

根据KVL定理，可得如下的状态方程[5]

d轴

q轴

由式（2）可得三相逆变器LC滤波器在同步旋转坐标系下的模型框图如图2所示：

2 三相逆变器双环控制

从图2所示的LC滤波器的在dq坐标系下的数学模型可以看出，旋转3/2变换在系统的d轴和q轴之间引入了强耦合[6]，为此采用前馈解耦的双环控制策略，整体控制结构如图3所示，其中图（a）为整体控制框图，为了方便双环控制参数设计可将图（a）的d轴控制器简化为图（b）所示。

2.1电流内环设计

引入负载电流前馈和电容电压前馈解耦后，由系统控制框图3可以得到电流内环控制框图，如图4所示。

为简化分析，将PI调节器传递函数写成零极点的形式，即：

由于采样保持环节的存在，给反馈信号带来了延迟，为了平衡这一延迟，在给定信号通道中，加入相同的延迟环节，进行滞后校正。实际上就是要求反馈电流信号检测和无功指令电流信号检测相一致。因此其电流内环环的结构形式，如图15(a)所示，等效为如图15(b)。

可得电流内环简化的结构如图6所示。

3 仿真与实验

实验中采用与仿真的参数，实验波形如图7所示，可以看出，动态响应快，稳态性能好，验证了本文控制参数整定方案的正确性。

4 结论

本文基于标幺值和前馈解耦设计了40 kW三相逆变器，实验结果表明，采用前馈解耦的三相逆变器输出电压波形畸变率小，具有良好的动态响应，指令跟踪能力强，负载突变对输出电压的影响小。

[1] 王伟栋. 光伏发电变流器及控制研究[D]. 成都：西南交通大学，2010.

[2] 宋更付. 10 kW充放电系统的研究[D]. 北京：北京交通大学，2010.

[3] 谭国成. 基于PWM的蓄电池充放电装置的研究与设计[D]. 广州：华南理工大学，2011.

[4] 洪庆祖. 三相电压型PWM整流器的设计研究[D]. 广州：华南理工大学，2012.

[5] 王恒利，付立军，肖飞，等. 三相逆变器不平衡负载条件下双环控制策略 [J]. 电网技术，2013，37(2)：398-404.

[6] Yaramasu V， Wu B， Rivera M，et al． Cost-function based predictive voltage control of two-level four-leg inverters using two step prediction horizon for standalone power systems[C] // Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC)． Florida， USA：IEEE， 2012：128 - 135．

Design of Double-loop Controller for Three-phase Inverter Based on Feed-forward Decoupling Control

Wang Zhitao1, Fang Fang1, Tian Lei2, Li Meng3, Zhang Yanbing1, Xie Zhen1

(1. Naval University of Engineering, Wuhan 430033; 2. Navy Dalian Area Equipment Maintenance Supervisor, Dalian 116041, Liaoning, China; 3. Military Representatives Office of Navy in Qingdao Shipbuilding Factory, Qingdao 266005, Shandong, China)

TM464

A

1003-4862（2015）01-0077-04

2014-07-25

王冶滔(1980-), 男，硕士生。研究方向：电气工程电机与电器。