一种基于3次谐波注入的并联三相四桥臂逆变器均流控制策略挤压爆破
真空度传感器陈轶涵;任磊;邓翔;龚春英
【摘 要】三相四桥臂逆变器(3p41)在三相三桥臂逆变器的基础上引入第四桥臂,使得三相能够解耦控制并具备带不对称负载能力,在此基础上采用3次谐波注入可以提高逆变器的直流电压利用率.若将多个三相四桥臂逆变器单元共直流母线并联,能够实现扩容.但是并联单元的电感电流若不采取控制,会导致环流问题,严重时会损坏逆变器.在基于平均电流均流控制策略的基础上,采用一种适用于模拟电路实现的3次谐波注入方式.由于主电路元器件参数的不对称性,并联单元各自生成的3次谐波不对称,增大了并联单元之间的零序环流.针对该问题,提出一种基于各并联单元3次谐波信号平均值法的三相四桥臂逆变器并联均流控制策略.在保留3次谐波注入的同时使得并联模块四个桥臂电感电流得到控制,消除环流,实现了并联桥臂均流.最后通过仿真和实验验证了控制策略的正确性. 【期刊名称】《电工技术学报》
【年(卷),期】2016(031)004
【总页数】10页(P104-113)校正死亡率
【关键词】并联三相四桥臂逆变器;平均电流控制;零序环流;3次谐波注入
【作 者】陈轶涵;任磊;邓翔;龚春英
【作者单位】南京航空航天大学江苏省新能源发电与电能变换重点实验室 南京 210016;南京航空航天大学江苏省新能源发电与电能变换重点实验室 南京 210016;南京航空航天大学江苏省新能源发电与电能变换重点实验室 南京 210016;南京航空航天大学江苏省新能源发电与电能变换重点实验室 南京 210016
【正文语种】中 文
【中图分类】TM46
国家自然科学基金资助项目（51377079）。
航空机载电源系统经历了从低压直流、交流恒速恒频、交流变速恒频到高压直流电源系统的发展过程，目前飞行器上普遍应用的主电源系统既有270V高压直流，也有400Hz恒频交
流与变频交流[1,2]。为了给机载三相交流负载供电，三相中频逆变电源作为机载静止功率变换的重要环节，其需求在不断增加，功率容量也逐步提高。三相四桥臂逆变器区别于传统的三相三桥臂逆变器，以其三相解耦控制以及不对称负载能力等优势受到国内外学者的广泛关注。文献[3,4]通过引入了第四桥臂，使三相逆变器具备三相控制解耦与带不平衡负载的能力，并证明第四桥臂能够独立于前三组桥臂控制。文献[5]通过四桥臂调制信号注入3次谐波，使直流电压利用率提高了14%，使得逆变器能够以更低的输入电压工作，从而提高了变换器的效率。
随着多电与全电飞机的出现，为了降低动力系统的体积重量，机载设备越来越多采用电能为其直接提供能量，从而对于机载二次电源的功率等级提出了更高的要求。受当前高频开关器件功率等级的限制，多台逆变器单元共直流母线并联成为广泛采用的扩容方式。该方式具备以下几个优点：①扩容方式简便，不需要重新设计拓扑；②多台设备的并联能够实现冗余备份功能；③控制策略简单易实现。
但是共直流母线并联方式将带来环流问题，严重时将损坏变换器。为了抑制环流成分，文献[6,7]采用主从控制的逆变器并联环流抑制方法，但是无法实现并联单元之间的冗余工作。
文献[8,9]提出一种无线并联的方案既实现了冗余工作，又实现了逆变器之间的无线并联，但其动态性能较差。文献[10]对于逆变器环流问题提出了基于平均电流控制的双环均流控制方法，在抑制了环流的同时实现了并联模块间的独立工作，且动态性能良好。
上述对于逆变器并联研究大多是对于单相或者三相三桥臂逆变器的并联，而对于三相四桥臂逆变器并联均流控制策略以及相应的3次谐波注入方法探讨较少。同时，目前的并联均流控制策略多基于复杂的数学运算[8,9,11]。而对于中频并联逆变器，由于基波频率远高于工频逆变器，基于复杂运算的数字均流控制方法将影响系统每个基波周期的开关次数。因此在输出谐波质量要求较高的中频逆变器场合，往往采用易于模拟电路实现的控制策略。
本文基于三相四桥臂并联逆变器拓扑，分析了并联拓扑四个桥臂环流生成机理，并据此采用一种基于桥臂电感电流瞬时值反馈的平均电流均流控制方法。为了提高直流电压利用率，提出一种基于模拟电路实现的3次谐波生成方式，并揭示了由此所导致的三相零序环流的生成机理。在此基础上，提出一种基于3次谐波平均值注入方法的三相四桥臂逆变器并联控制策略。最后通过仿真与实验验证了该控制策略是有效的。
本文以两台中频三相四桥臂并联逆变器系统作为研究对象，主电路拓扑如图1所示。图中Q
1～Q16为主开关管；La1、Lb1、Lc1、La2、Lb2和Lc2为三相输出滤波电感；Ln1、Ln2为第四桥臂电感用来抑制中线电流开关纹波；Ca、Cb和Cc为三相输出滤波电容；Ra、Rb和Rc为三相负载阻抗；Va、Vb和Vc为三相输出电压。两台并联逆变器单元共用输入直流母线，输入电压为Vdc；iLZ为三相负载零序电流。
1.1 并联三相四桥臂逆变器的桥臂电路模型
文献[12,13]中采用相桥臂平均法将每个桥臂由受控电压和电流源构成的平均电路模型代替，并由此得到逆变器的大信号模型。将该方法拓展到两单元并联三相四桥臂拓扑，建立该拓扑大信号模型，模型如图2所示。其中da1、db1、dc1、dn1、da2、db2、dc2和dn2为并联各桥臂开关周期占空比信号；ip1、ip2为并联单元输入直流电流；Vdc为输入直流电压；ia1、ib1、ic1、in1、ia2、ib2、ic2和in2为各桥臂输出电感电流；ia、ib和ic为三相负载电流。
假设并联单元主电路参数平衡，其中输出滤波电容Ca=Cb=Cc=Cf；中线电感Ln1=Ln2；三组输出滤波电感La1=Lb1=Lc1=La2=Lb2=Lc2=Lf。
由图2并联系统大信号模型得到桥臂电路方程
并联模块零序电流定义为三相电感电流之和，三相四桥臂逆变器桥臂零序电流模型为
根据式（5）可推导得到并联系统的零序电流模型为
式中，VZ为输出电压零序分量，由式（6）可见，并联系统第四桥臂零序电流由负载零序电流和输出电压零序成分导致的零序电流组成。
由于两路逆变器四个并联桥臂的调制信号相互独立，且为不可控分量，若不采取均流措施，将造成两路逆变器的四个桥臂功率管出现交错直通现象。以第四桥臂为例，等效于图1中功率管Q7与 Q16、Q8与Q15之间发生直通。关于三相并联逆变器环流的成分组成，文献[11]通过对并联三相逆变器大信号分析，将并联三相三桥臂逆变器环流分解为正序、负序和零序分量。
灭蚊机环流通常定义为两并联桥臂电感电流之差的1/2，以第四桥臂为例，假设第四桥臂环流为Δin，第四桥臂环流为
基于式（1）～式（4）的并联桥臂大信号模型，增大滤波电感能够减小电感电流变化率，能够起到减小环流变化率dΔin/dt的目的。但是因为环流存在累积效应，若控制策略中电感
电流为不控量，经过若干个开关周期的累积，依然可能出现环流过大导致损坏主电路。相对于三相四桥臂逆变器其他三个桥臂的滤波电感，并联第四桥臂电感值通常更小，因此在这段累积工作区内，电感电流的上升斜率更大，所形成的中线环流会随着每次直通现象的产生出现叠加累积，最终导致两台逆变器单元第四桥臂电感电流值超出了桥臂功率管的电流承受能力。
累加效应的结果如图3的Saber仿真所示，仿真模型输入电压300V，输出电压115V/400Hz，并联单元采用如图3a所示开关时间延迟与超前的不对称方式，模拟开关管开关状态的不一致，根据图3b仿真结果，以第四桥臂为例，两并联单元第四桥臂电感电流由于环流的累积效应出现不断增大的趋势。同样道理，A、B和C三相并联桥臂电感电流也可能因为同样的累积效应出现损坏。因而需要对拓扑的四个桥臂电流均采取措施以抑制桥臂环流。
1.2 基于平均电流控制的桥臂均流控制策略
为了抑制三相四桥臂逆变器A、B和C桥臂并联环流，本文采用如图4所示的控制策略。
该控制策略共用一个电压环，每相电流环共用一个电流基准信号，iLa1、iLb1、iLc1、iLa2、iLb2和iLc2分别为并联模块三相电感电流反馈值。Sa1、Sb1、Sc1、Sa2、Sb2和Sc2为并联单元各电流环输出信号。图4 中S1、S2分别为并联单元各自注入的3次谐波信号，该信号生成方式将在第2节说明。
A、B和C桥臂采用的基于平均电流控制的均流策略具备以下三个特点：
（1）各并联单元能够实现冗余工作，当一台或几台并联单元停机，不影响其他单元正常工作。
（2）控制简便，易通过模拟电路实现，更适用于中频逆变器的并联场合。
（3）电流环的加入能够起到短路限流保护的作用，不需要额外的限流环。
为了抑制第四桥臂并联环流，设iLn1、iLn2为第四桥臂电感电流反馈值。通过均流控制策略实现第四桥臂均流时达到的控制目标，即
结合式（5）和式（6），推导得到
为了实现如式（9）所示控制目标，要求第四桥臂电感电流反馈信号跟踪本模块零序分量，从而实现并联模块第四桥臂均流的独立控制。基于图4所示A、B和C桥臂基于平均电流的均流控制策略，前三个并联桥臂公共电压环输出信号为irefa、irefb和irefc，分别作为三相电感电流参考信号，定义irefn为第四桥臂电流基准，iref0为并联单元三相零序电流基准，根据式（6）第四桥臂电感电流基准与A、B 和C桥臂电感电流基准关系需满足
式中，irefn作为第四桥臂零序电流分量的基准信号，irefn与反馈第四桥臂电感电流比较，经过第四桥臂电流环补偿网络实现调制，该输出信号能够实时跟踪第四桥臂电感电流的变化，实现并联模块第四桥臂电感电流均流，第四桥臂控制框图如图5中点划线框图部分所示。
为了提高逆变器的直流电压利用率，通常采用3次谐波注入的方式，如文献[15,16]采用空间矢量调制方法（SVPWM）直接注入3次谐波，但是该方式如引言所述难以采用模拟控制实现。文献[5]在分析了三相四桥臂逆变器调制信号与输入直流电压关系的基础上，提出在三相四桥臂逆变器四个桥臂调制信号中注入3次谐波，并以此3次谐波作为第四桥臂调制信号的注入方法。该控制策略不仅实现了对A、B和C三相的独立控制，使其输出对称的三相
电压，而且能够降低对电源电压等级的要求，提高电源电压的利用率。3次谐波注入能够提高直流电源电压利用率约14%[3]。但是该3次谐波生成依赖数字信号处理的计算，不适用于模拟控制的中频逆变器。无线存储
2.1 3次谐波注入及其零序环流
为了生成能够跟踪三相调制波相位与幅值的3次谐波，需要获得调制波的幅值和相位信号。理想工作条件下，采用平均电流控制的A、B和C桥臂电流环输出信号主要成分是与基波频率一致的正弦波。将三相电流环输出正弦波信号用图6方式合成，得到的信号的主要成分是3倍的基波频率成分，且该3次谐波信号能够跟踪调制信号的幅值和相位。假设Sa、Sb和Sc为三相电流环输出调制信号，该3次谐波生成方式的表达式为
该3次谐波生成方法采用模拟电路容易实现，可以采用如图7所示电路得到跟踪电流环输出信号幅值、相位的3次谐波信号，图7中r为电阻阻值；S为运算得到的3次谐波信号。得到并联系统控制策略框图如图8所示。
但是并联三相四桥臂逆变器系统中，并联单元元器件参数、开关时间很难做到完全一致，
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即使采用如图8所示共电流基准均流措施，动态过程中电感电流瞬时反馈值会存在误差。以A相为例，假设两并联单元电感电流平均值反馈量为iLa，瞬时环流反馈量为ΔiLa，此时并联模块一电感电流反馈值iLa1=iLa+ΔiLa，则模块二电感电流iLa2=iLa-ΔiLa，以此类推到B相和C相。误差量可以通过电流环补偿网络调制，实现平均值的均衡。当采用如图8中3次谐波注入方式时，3次谐波是由误差信号产生的，假设电流环输出调制信号至3次谐波信号的生成电路的传递函数为Gs，S1、S2为两并联单元3次谐波信号，Gi为电感电流误差至电流环输出调制信号的传递函数，即电压环的输出信号。两并联模块3次谐波满足
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