第1章 绪论
1.1 逆变器研究现状及发展趋势
逆变器，是一种通过控制功率开关器件的开通和关断，把直流电变成交流电的电力电子变换器。在当下人类面临着石油、天然气和煤等化石燃料逐渐被耗尽的能源危机，人们越来越注重新能源开发、资源合理利用与环境保护互相协调发展。氢能源与可再生能源正慢慢取代化石燃料成为人类主体能源，能源结构的改革也将促使发电方式的不得不改革创新，以氢能源和可再生能源为燃料的电池发电方式，不仅能源利用率高而且对环境污染低[9]。这种新的发电方式将随着科技的发展逐渐称为主体发电方式。因此，逆变技术在新能源的开发和利用领域有着至关重要的作用[9]。 SPWM (Sinusoida— PWM )正弦脉宽调制法，它是 1964 年由 A.Schonung和 H．Stemmler 将通讯系统的调制技术应用到逆变器而产生[9]。SPWM 技术应用到逆变技术中，使逆变器的性能得到很大的提升。从而使逆变技术得到广泛的应用，也使得正弦波逆变技术高速发展。SPWM 是一种比较好的波形改善法，其原理简单，通用性强，控制和调节性能好，且具有消除谐波、调节和稳定输出电压的多重作用[10]。随着科技的发展，又出现了多种 PWM 技术，主要有三次谐波注入的 PWM 、空间矢量脉宽调制法（SVPWM ），电流滞环 PWM 等，这些新兴的调制方法已经成为高速开关器件逆变器的主要调制法。 目前国内外专家学者对于逆变电源控制方法的研究主要有 PID 控制、无差拍控制、双环反馈控制、重复控制、滑模变结构控制、模糊控制以及神经网络控制等[11]。 PID 控制因其原理简单易懂，稳定可靠，使用中不依赖于精确的系统模型等优点，而成为在工业控制领域应用最为广泛的控制方法。无差拍控制是根据逆变电源系统的状态方程和输出反馈信号以及所要求的下一时刻参考输出量计算出下一个开关周期的脉冲宽度的方法，但其对系统参数变化过于灵敏，系统稳定性较差。滑模变结构控制与智能控制结合运用是现在研究的一个热门方向，模糊控制、神经网络控制和专家系统也开始向着结合应用的方向发展。现在单一的控制方式已经趋于过时，多种控制方式结合应用的方式已经兴起。
........
1.2 三相逆变器输出电压不平衡介绍
三相逆变器输出电压不平衡主要有两种原因[12]：1、三相逆变器三相电路参数的不统一。2、所接三相负载不对称。三相逆变器带不平衡负载时导致其输出电压不平衡最常见的原因。对于输出阻抗为零的理想逆变器而言这两种情况不会引起三相输出电压不平衡，但实际三相逆变系统都有一定的输出阻抗，因此会引起输出电压的不平衡。 负载情况对逆变器的设计及性能有着很大影响，然而一般情况下为了便于设计而选择在平衡负载下进行设计，但是在实际使用中，很多情况下逆变器是接不平衡负载甚至非线性负载。对于三相逆变器输出三相电压不平衡一般用电压不平衡度来衡量，而对于不平衡度的定义有很多，如基于三相输出电流最大值与最小值之差定义的，基于最大线电流与最小线电流之差定义的和基础输出电压的对称分量定义的。本文采用第三种定义法来计算输出电压不平衡度： 负序电压不平衡度=（负序电压有效值/正序电压有效值）×100% 三相电压电流不平衡会给用电设备及电网带来很多危害，主要有表现在一下几方面：不平衡的三相电流会导致电机转动不平衡会发出噪声甚至抖动，输出功率大大降低，负荷大时会发生过流故障，保护器频繁动作。措施不够时会使电动机温升过高甚至烧毁，严重影响电机安全可靠的运行。会导致对以负序分量为启动信号的原件在非启动情况下误启动（电网中含有谐波时多发），影响设备的正常运行，严重影响电网系统稳定运行。不平衡三相电压会导致用电设备对电能的利用率下降。因为最大相电流不能超过额定值,因此在一些特殊情况下，只带单相负载时，设备对电能的利用率很低。
..........
第2章 三相三线制逆变器数学模型及输出电压不平衡分析
2.1 三相逆变器在不同坐标系下的数学模型
为了使得三相逆变器能有很好的带不平衡负载的能力，选择三相三线制拓扑结构（图 2-1）作为逆变器的主电路拓扑，因为此结构没有零序分量干扰。 分析和研究抑制三相逆变器输出电压不平衡的方法，首先要建立三相逆变器的数学模型。参考文献[20]通过状态空间平均法对逆变器进行建模，通过此方法，可以建立三相逆变器在三相静止坐标系下的数学模型，然后通过坐标变换可得到三相逆变器在两相静止坐标系及两相旋转坐标系下的数学模型，为三相逆变器控制器的设计理论基础。由于负载电流波形随负载的变化而变化，因此可以把负载电流作为扰动信号处理。这样的处理也是为了使得在此建模方式下设计的控制器可以适应带不同的负载。将负载电流作为扰动量，根据图 2-1 中三相逆变器主电路拓扑，把电感电流和电容电压作为状态量，对逆变器列写KVL、KCL 方程.
.........
2.2 三相三线制逆变器输出电压不平衡分析
导致三相逆变器输出电压不平衡最常见的原因是三相负载不平衡。对于输出阻抗为零的理想逆变器而言这两种情况不会引起三相输出电压不平衡，但实际三相逆变系统都有一定的输出阻抗，因此会引起输出电压的不平衡。 三相三线制逆变器主电路拓扑如图 2-1 所示，由三相逆变桥、三相滤波电感 L 、电容C 组成。逆变器三相之间对称参数相同，根据桥臂平均等效模型可得主电路在三相静止坐标系下的大信号平均等效模型，如图 2-8 所示。由对称分量法可知三相电压可以分解为正序零序分量、负序电压分量、和零序电压分量。当三相电压平衡时，仅存在正序电压分量，零序和负序分量为零。当三相电压不平衡时，则三种分量都存在，就使得三相电压不平衡。而在三相三线制逆变电路中零序分量可以不用考虑，因此三相三线制逆变器输出电压不平衡主要是因为输出电压中含有负序分量，而且负序分量表现为周期性。
...........
第 3 章 三相逆变器带不平衡负载控制系统设计及仿真分析 ...... 20
3.1 电压电流闭环控制器设计 ..... 20
3.1.1 电流环设计 ...... 22
3.1.2 电压环设计 ...... 24
3.2 重复控制器设计 ..... 27
3.2.1 重复控制理论基础 .......... 27
3.2.2 重复控制系统结构 .......... 29
3.2.3 重复控制器参数设计 ...... 31
3.3 三相逆变器控制系统仿真模型构建及带不平衡负载仿真分析 ......... 35
3.3.1 PI 双闭环控制系统仿真 ........ 35
3.3.2 复合控制系统仿真 .......... 37
3.4 本章小结 ......... 40
第 4 章 逆变器控制系统硬件及软件设计 ...... 41
4.1 主电路功率器件的选取 ......... 41
4.2 三相逆变器控制系统硬件设计 ..... 41
4.3 控制系统软件设计流程 ......... 45
4.4 本章小结 ......... 47
第 5 章 逆变器带不平衡负载的实验分析 ...... 48
5.1 实验平台 ......... 48
5.2 实验结果分析 ......... 48
5.3 本章小结 ......... 50
第5章 逆变器带不平衡负载的实验分析
5.1 实验平台
实验平台如图 5-1 所示，通过实验来验证本文提出的控制方法能有效抑制逆变器带不平衡负载时输出电压不平衡。本文先对逆变器在复合控制下带平衡负载进行实验研究，三相平衡负载下测得输出电压波形如图 5-2。然后进行带不平衡负载的研究，让 ABC 三相负载中的 C 相的负载突然降低测得三相输出电压波形如图 5-4。最后对逆变器在电压电流双环控制下带不平衡负载研究，让 ABC 三相负载中的 C 相降为半载测的电压波形如图 5-3 所示。图 5-3 为逆变器在电压电流双环控制下带不平衡负载的三相电压波形，从图中可以明显看出 A、B 两相的相对来说较为平衡但幅值相较于平衡负载时有所下降，C 相因负载原因与 AB 两相幅值相差较多，输出的三相电压不平衡，且电压波形也较差，说明双环控制对于抑制由不平衡负载导致输出三相电压不平衡的能力较差。
...........
总 结
随着各种各样的用电设备的使用，用户对电能质量的要求也越来越高，为了能使用电设备安全稳定的运行，对电能质量改善的研究变得越来越重要了。而逆变技术对于改善电能质量有着重要的作用。本文主要针对逆变器输出电压不平衡进行研究。对负载不平衡而导致三相逆变器输出电压不平衡进行分析研究，通过改进控制算法来抑制逆变器输出电压不平衡，并进行仿真及实验验证。所得结论如下：
（1）分析三相三线制逆变器接三相负载不平衡时，逆变器输出三相电压不平衡的原因，这主要是由不平衡电压中负序电压分量造成的，而且负序分量是周期的。一般的双环控制有较好的动态响应却不能消除这种周期性扰动，而重复控制却能很好的抑制周期性扰动但动态响应较差。因此本文将两种控制方法结合起来使用，来提高逆变器带不平衡负载输出电压的质量。
（2）建立三相三线制在不同坐标系下的数学模型，为控制系统的设计提供基础。分析逆变器在两相旋转坐标系下的数学模型，确立在此坐标系下对电压电流闭环控制器的设计。分析在旋转坐标系下三相逆变器的数学模型与单相半桥逆变器的数学模型之间的联系，解决了重复控制器的设计所需精确的逆变器模型。确立了在旋转坐标系下对重复控制器的设计。
（3）在SIMULINK 中建立逆变器的仿真模型。比较PI 双闭环控制系统与 PI加重复控制的复合控制系统的带不平衡负载的能力。搭建实验平台，对逆变器分别在两种控制方法下带平衡负载进行实验研究。对实验结果进行对比分析，结果显示逆变器在复合控制下抑制由不平衡负载导致输出三相电压不平衡的能力远远超过双环控制。
.........
参考文献(略)