传统CSI逆变器储能电感电流不稳定，如何解决？
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联合主办
中国电工技术学会
北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室
联合承办
中国电工技术学会轨道交通电气设备技术专委会
国家高速列车技术创新中心
《电气技术》杂志社
会议日期/地点
2019年10月25-27日/山东青岛
输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室（重庆大学）、西南交通大学电气工程学院、国网江苏省电力有限公司检修分公司的研究人员苗轶如、刘和平、华泽玺、刘静、程章格，在《电工技术学报》2019年第2期上撰文（论文标题为“基于直流侧储能电感电流最优给定的三相电流源型逆变器控制策略”）指出，传统三相电流源型逆变器在空间矢量调制过程中，直流侧储能电感电流在一个载波周期内通常被视为恒定，忽略了储能电感的充放电过程，导致储能电感电流出现断续或持续增加的问题。
首先对传统三相电流源型逆变器直流侧拓扑做出改进，深入分析调制过程中电流源型逆变器的三种工作模式，提出任意工作条件下储能电感电流最优给定值的计算方法，并针对改进拓扑设计调制策略以维持储能电感电流的稳定。然后，建立两相旋转坐标系下三相电流源型逆变器的交流侧数学模型，据此设计电压内环与电流外环闭环控制系统。
仿真和实验结果表明，直流储能电感的最优给定电流能够满足交流侧的电流需求且电流可以维持在限定值附近，同时逆变器负载电流能够精确跟随给定，系统具有良好的稳态和动态性能，证明了所提调制及控制策略的可行性与正确性。
逆变器按照直流侧电源特性分为电压源型逆变器（Voltage Source Inverter, VSI）与电流源型逆变器（Current Source Inverter, CSI）。VSI只能工作在直流电压恒定且高于交流侧电压峰值的场合，并且输入电流脉动大，需要插入死区防止出现上、下桥臂直通。与VSI相比，CSI具有升压作用，无需直通保护等优点。在单级升压大容量变换场合，尤其是光伏电池并网系统中，CSI相比VSI更加适用。
近年来国内外学者对电流源型逆变器的研究已经取得了显著的成果。文献[9]以配电网无功补偿为背景，将电流型空间矢量调制策略（Space Vector Pulse Width Modulation, SVPWM）运用到静止无功发生器中，取得了一定的补偿效果，但是未考虑储能电感电流充放电的问题。
文献[10]分析了CSI叠流时间的作用机理，根据当前电流、电压的极性关系，采用正锯齿或负锯齿载波信号以减小叠流时间产生的非线性误差。文献[11,12]分别针对CSI的共模电压、共模电流问题，对电流型空间矢量调制技术进行了改进，共模电压、共模电流得到有效抑制。
文献[13]为了实现对储能电感电流的控制，在储能电感前增加一个电流源型整流器，通过控制占空比实现对母线电感电流的控制，提出了电流最大调制比控制策略，即在不出现过调制的前提下使母线电流保持最小，降低损耗。但是该拓扑是基于交流-直流- 交流（AC-DC-AC）类型的变换器，前级需要一个大功率的三相交流电源，不适用于DC-AC逆变器。
文献[14-16]在直流侧引入准Z源电流源型变换器，从理论上推导出该拓扑的几种工作模式与运行范围，量化了输出电压与控制变量及功率因数之间的关系。但是未能对准Z源电流源型逆变器的输出电压控制策略进行研究，且系统结构过于复杂。文献[17]在直流电源与储能电感之间增加了一个H桥环节，实现直流电压到电流的变换，能够在不影响交流输出的前提下实现直流储能电感电流的稳定，但是开关器件数量过多，损耗增大。
相较以上两种拓扑结构，文献[18]对传统电流源型逆变器拓扑结构进行了改进，在储能电感上并联旁路开关器件，通过对开关器件的控制能够有效抑制直流侧储能电感电流的不断增加，降低储能电感的设计值。但是没有给出直流侧储能电感电流的具体控制方法以及基于改进拓扑结构的调制策略。
文献[19]针对三相电流源型永磁同步电机驱动系统，在两相旋转坐标系下分别采用不同的解耦方法设计出几种定子电流控制策略，但是仅对交流侧进行建模，未考虑空间矢量调制过程中对储能电感电流的影响。文献[20]从电机控制系统在两相旋转坐标系（dq轴系）下的解耦性、抗扰动能力以及鲁棒性三个方面对实系数、复系数两种形式的PI调节器展开研究，为PI调节器的选取、参数设置提供借鉴。
文献[21]针对逆变器并网装置中电流所产生的高次谐波问题，提出了一种集无差拍控制和改进型重复控制于一体的复合控制策略，能够有效改善波形质量且稳态、动态性能良好。
本文在现有研究基础上，以三相电流源型PWM逆变器作为研究对象，针对改进后的CSI拓扑结构的三种工作模式进行分析，提出一种基于储能电感电流控制的调制策略以及储能电感电流最优给定值的确定方法，在dq轴系下设计负载电流的双闭环控制系统。最后通过仿真与实验对比验证了论文提出的调制与控制策略的正确性。
图22 CSI样机外观图
仿真与实验结果一致证明了本文提出的调制策略与控制方法的可行性，解决了传统CSI逆变器储能电感电流断续或持续增加的问题，最终得到以下结论：
1）在改进型CSI拓扑中引入续流开关模式，在调制过程中能够根据直流储能电感电流与指令值的大小关系，确定当前开关周期对续流模式和充磁模式的选择。实现了储能电感电流的主动控制，解决了传统三相CSI储能电感电流断续或持续增加的问题。
2）推导出储能电感电流最优给定值的确定方法，能够根据元器件参数与期望负载电流的幅值、频率计算得到。仿真与实验结果均证明了该设计值在满足交流侧电流需求的前提下能够将储能电感电流维持在一个尽量小的范围，有效提高电流利用率并降低损耗。
3）本文在两相同步旋转坐标系下设计了电压内环-电流外环控制系统，负载电流的控制效果良好，无稳态误差，动态响应快，与储能电感电流之间不存在耦合关系，能够独立控制。