三相逆變器文獻(xiàn)綜述

1、三相逆變器文獻(xiàn)綜述1 逆變器技術(shù)發(fā)展歷程 逆變器技術(shù)的發(fā)展始終與功率器件及其控制技術(shù)的發(fā)展緊密結(jié)合， 從開始發(fā) 展至今經(jīng)歷了五個(gè)階段：第一階段： 20世紀(jì) 50-60 年代，晶閘管 SCR的誕生為正弦波逆變器的發(fā)展 創(chuàng)造了條件；第二階段： 20世紀(jì) 70 年代，可關(guān)斷晶閘管 GTO 及雙極型晶體管 BJT的問 世，使得逆變技術(shù)得到發(fā)展和應(yīng)用；第三階段： 20 世紀(jì) 80 年代，功率場效應(yīng)管、絕緣柵型晶體管、 MOS 控制 晶閘管等功率器件的誕生為逆變器向大容量方向發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。第四階段： 20世紀(jì) 90年代，微電子技術(shù)的發(fā)展使新近的控制技術(shù)如矢量控 制技術(shù)、多電平變換技術(shù)、 重復(fù)控制、 模糊

2、控制等技術(shù)在逆變領(lǐng)域得到了較好的 應(yīng)用，極大的促進(jìn)了逆變器技術(shù)的發(fā)展；第五階段： 21 世紀(jì)初，逆變技術(shù)的發(fā)展隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和 現(xiàn)代控制理論的進(jìn)步不斷改進(jìn)，逆變技術(shù)正朝著高頻化、高效率、高功率密度、 高可靠性、智能化的方向發(fā)展。2 逆變器的發(fā)展趨勢 更高的效率：目前，美國市場上的逆變器最高效率可達(dá) 95%。在歐洲，由于 采用了無變壓器的設(shè)計(jì)和創(chuàng)新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， 可實(shí)現(xiàn)更高的效率。 例如，有一款產(chǎn) 品( SMASunnyMinicentral8000TL )聲稱可到達(dá) 98%的效率。更低的成本：大約 0.2-0.3美元/瓦的價(jià)格已經(jīng)被設(shè)定為 2020 年逆變器的價(jià)格 目標(biāo)，這意味著比

3、目前售價(jià)降低 50-75%。這個(gè)目標(biāo)最有可能通過增加產(chǎn)量及改 善學(xué)習(xí)曲線來實(shí)現(xiàn)。更高的可靠性：目前，逆變器的 MTBF (平均無故障時(shí)間)為 510 年。但 很多人懷疑， 是否有可能以合理的成本實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。 在中近期， 通過改進(jìn)質(zhì)量 控制、更好地散熱并降低復(fù)雜性， MTBF 大于 10 年的目標(biāo)是可以實(shí)現(xiàn)的。通信功能：今天，逆變器可以記錄并借助制造商特定的協(xié)議傳遞信息。下一 代單元應(yīng)使用通用的通信標(biāo)準(zhǔn)傳送更全面的系統(tǒng)信息，以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的診斷功能，并能與公用服務(wù)機(jī)構(gòu)通信，以支持電網(wǎng)的穩(wěn)定性。3 目前研究成果3.1 合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院的陳玲、 張興、楊淑英， 謝振等人 在 2009

4、年在本院學(xué)報(bào)中提出了 “帶不平衡負(fù)載的三相四橋臂逆變器的研究” 。該 研究對三相四橋臂逆變器的控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)， 建立了基于對稱分量法和雙同 步旋轉(zhuǎn) d-q 坐標(biāo)系的雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)， 電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)均采用前饋解耦的控制 策略，使三相四橋臂逆變器帶有不平衡負(fù)載的能力。3.2 空軍雷達(dá)學(xué)院研究生管理大隊(duì)的石磊、陳媛娣、朱忠尼于 2006 年在該 院學(xué)報(bào)發(fā)表了“基于 DSP的SVPWM 控制三相逆變器設(shè)計(jì)” 。該設(shè)計(jì)從電壓矢量 控制的基本原理出發(fā)，給出了 SVPWM 算法在 TMS320LF2407 上實(shí)現(xiàn)的軟件流 程。實(shí)際編程實(shí)現(xiàn)了 SVPWM 波形輸出。系統(tǒng)具有控制精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、軟 件編

5、制容易等優(yōu)點(diǎn)。3.3 哈爾濱工程大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院的趙曉青、羅耀華于 2008 年在應(yīng)用科技期 刊發(fā)表“基于 DSP的三相 SPWM 逆變系統(tǒng)研究”。本文主要針對三相逆變系統(tǒng)， 介紹了采用 TMS320LF2407 芯片，通過混合查表法產(chǎn)生三相 SPWM 正弦電壓的 方法，并給出了部分程序源代碼，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以滿足實(shí)際需要。3.4 東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院的閆士杰、冷冰、杜蘅等人于2012 年在電機(jī)與控制學(xué)報(bào)發(fā)表 “基于 H重復(fù)控制的三相四橋臂逆變器研究” 。本文在三相 四橋臂逆變器解耦成三個(gè)單相逆變器的基礎(chǔ)上，提出了一種H重復(fù)控制策略，解決了微型電網(wǎng)中，作為功率接口的三相四橋臂逆變器存在輸出波形

6、畸變率大， 跟蹤給定正弦波慢的問題。3.5 湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院的湯才剛、 朱紅濤、 李莉、陳國橋等 人于 2008年在現(xiàn)代電子技術(shù)期刊發(fā)表 “基于 PWM 的逆變電路分析”。本文為了 對 PWM 型逆變器電路進(jìn)行分析，從 PWM 控制的基本原理出發(fā)，首先建立了逆 變器控制所需的電路模型，采用 IGBT 作為開關(guān)器件，并對單相橋式電壓型逆變 電路和 PWM 控制電路的工作原理進(jìn)行了分析。 使用雙蹤示波器對電路的輸出波 形進(jìn)行分析，給出了仿真波形。實(shí)踐表明：運(yùn)用 PWM 控制技術(shù)能夠很好地實(shí)現(xiàn) 逆變電路的運(yùn)行要求。3.6 東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院的劉秀翀、褚恩輝、張化光等人于 201

7、0 年在電機(jī)與控制學(xué)報(bào)發(fā)表“基于三相綜合補(bǔ)償?shù)乃臉虮勰孀兤骺刂啤?。本文針對 四橋臂逆變器， 提出了基于三相綜合補(bǔ)償?shù)乃臉虮劭刂品椒ā?該補(bǔ)償策略用地四 橋臂補(bǔ)償輸出不平衡因素， 形成第四橋臂和各相橋臂綜合補(bǔ)償相電壓的模式， 發(fā) 揮出四橋臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢， 在阻性（或感性）不平衡負(fù)載條件下， 增強(qiáng)了控制能力。 基于三相綜合補(bǔ)償策略， 文中針對電感電流為正弦波的特征， 采用積分算法逼近 電感電壓， 構(gòu)造閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)， 并給出四個(gè)橋臂的控制方法。 該控制方法避免了 微分算法引入的高頻干擾和通用濾波算法引入的相位偏移， 確保了輸出電壓收斂 于理想波形。3.7 東南大學(xué)電氣工程學(xué)院的楊云虎、周克亮、盧聞州

8、等人于 2011 年在校 學(xué)報(bào)發(fā)表了“三相 PWM 逆變器魯棒重復(fù)控制策略” 。為了提高三相 CVCF PWM 逆變器波形的控制性能 （同時(shí)具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、 穩(wěn)定誤差小和魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)） ， 提出了魯棒重復(fù)控制策略。 首先采用魯棒控制理論對兩類不確定建模； 然后引進(jìn) 一個(gè)虛擬的復(fù)不確定代替重復(fù)控制中的長延遲環(huán)節(jié)， 將重復(fù)控制器集成到魯棒反 饋控制器設(shè)計(jì)之中形成魯棒重復(fù)控制方案。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表面， 采用魯棒重復(fù)控制策 略控制的三相逆變器，即使在非線性負(fù)載情況下也能保證輸出電壓的 THD 含量 低、跟蹤精度高、響應(yīng)快；并且在參數(shù)變化和負(fù)載突變擾動(dòng)的情況下，仍具有良 好的魯棒性。3.8 中國礦業(yè)大學(xué)信

9、息與電氣工程學(xué)院的李文正于 2008 年在中國科技論文 網(wǎng)發(fā)表“三相四臂逆變器的仿真設(shè)計(jì)” 。本文首先用對稱分量法在不平衡負(fù)載下 對三相四臂逆變器進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析， 驗(yàn)證了三相四臂逆變器可以帶不平衡負(fù)載。 本 文在總結(jié)、 分析其它控制方法的基礎(chǔ)上， 建立了三維空間矢量調(diào)制策略， 提高了 電壓利用率，減少了諧波含量，介紹了三維空間矢量調(diào)制的原理及其算法實(shí)現(xiàn)。 其次對三相四臂逆變器在兩種坐標(biāo)系下建立數(shù)學(xué)模型， 提出本文所采用的一種基 于正反向同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換的正序、 負(fù)序和零序分量單獨(dú)控制的控制策略， 實(shí)現(xiàn) 了各個(gè)通道的解耦。3.9 南京航空航天大學(xué)航空電源航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的龔春英、 熊宇、酈鳴、

10、陳新、嚴(yán)仰光于 2004 年在電工技術(shù)學(xué)報(bào)上發(fā)表“四橋臂三相逆變電源的三維空 間矢量控制技術(shù)研究” 。本文介紹了四橋臂三相逆變器的三維空間矢量控制原理， 給出了任意負(fù)載下空間矢量的運(yùn)動(dòng)軌跡表達(dá)式， 還建立了三維空間矢量調(diào)制四橋 臂逆變器 MATLAB 模型，并利用 MATLAB 仿真軟件對各種性質(zhì)負(fù)載、對稱和 不對稱負(fù)載及負(fù)載和輸入電壓突變情況進(jìn)行了仿真研究。 研究結(jié)果表明該法具有 負(fù)載適應(yīng)能力及帶不對稱負(fù)載能力強(qiáng)、系統(tǒng)穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，并在 DSP實(shí)驗(yàn)平臺上進(jìn)行了初步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明該法是可行的。3.10 湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院與廣西電力科學(xué)研究院的呂志鵬、 羅安、 蔣文倩、周柯

11、、謝三軍等人于 2012 年在中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)發(fā)表“四橋臂微網(wǎng)逆 變器高性能并網(wǎng) H -控制研究”。本文提出了微網(wǎng)三相逆變器輸出電壓波形受電 網(wǎng)畸變電壓、 負(fù)載諧波電流和直流側(cè)電壓中點(diǎn)平衡的共同作用， 為使直流側(cè)電壓 中點(diǎn)維持穩(wěn)定， 并使輸出電壓波形跟蹤參考電壓， 針對一種四橋臂逆變器結(jié)構(gòu)進(jìn) 行建模，采用 H-控制策略構(gòu)造高帶寬魯棒控制器對中線橋臂和三相橋臂進(jìn)行 統(tǒng)一控制。 仿真和實(shí)驗(yàn)表明， 在較大中線電流和電網(wǎng)電壓畸變情況下， 中線橋臂 能夠控制中點(diǎn)輸入和輸出電流近似相等， 三相橋臂能夠使輸出電壓維持較低的諧 波畸變率，提升微網(wǎng)供電質(zhì)量。3.11 華中科技大學(xué)、南昌交通大學(xué)、武漢理工大學(xué)、浙

12、江大學(xué)的胡文華、 馬偉明、劉春喜等人于 2010 年在電磁分析與應(yīng)用期刊發(fā)表“三相逆變器不平衡 負(fù)載的控制策略研究” 。雖然傳統(tǒng)的對稱分量分解和疊加原理可以通過保持電壓 的平衡補(bǔ)償逆變器的正、負(fù)和零序分量輸出電壓，但是，這種方法是很費(fèi)時(shí)的， 且不適合于控制。 本文針對高功率中頻逆變電源， 提出了 P +共振（比例和諧振） 控制器，確保了三相不平衡負(fù)載下輸出電壓平衡。 該穩(wěn)壓器被證明適用于三相三 線系統(tǒng)和三相四線系統(tǒng)， 并開發(fā)了兩種方法實(shí)現(xiàn)。 仿真結(jié)果證實(shí)， 該方法能夠有 效地抑制不平衡負(fù)載所造成的輸出電壓變形，并獲得高品質(zhì)的電壓波形。3.12 馬來亞大學(xué)電氣工程系的 Mohamad N. Ab

13、dul Kadiry, Saad Mekhilef, and Hew Wooi Ping與 2010 年在電力電子日志發(fā)表 “三階段混合級聯(lián)多電平逆變 器的雙矢量控制策略” 。本文提出了一種在混合多電平逆變器的基礎(chǔ)上分階段認(rèn) 知的電壓控制算法的逆變器電壓向量圖。該算法被施加到控制一個(gè)三階段 18 級 別的混合動(dòng)力的逆變器， 它已經(jīng)設(shè)計(jì)了最大數(shù)量的對稱水平。 該逆變器具有利用 傳統(tǒng)的六開關(guān)逆變器和使用級聯(lián)的 H 橋細(xì)胞構(gòu)成的中等和低電壓的三電平階段， 采用構(gòu)建的兩個(gè)級別的主級。該算法的顯著特點(diǎn)是它能夠避免不良的高頻率開 關(guān)，盡管逆變器的直流電源電壓的選擇在中壓階段， 以最大限度地提高水平狀態(tài) 消

14、除冗余的數(shù)量。 測試結(jié)果表明， 所提出的算法達(dá)到了預(yù)期的功能和所有的主要 假設(shè)已經(jīng)得到了驗(yàn)證。3.13 IEEE 的高級會員 Burak Ozpineci 、Madhu Sudhan Chinthavali, Leon M. Tolbert、H. Alan Mantooth 和學(xué)生會員 Avinash S. Kashyap于 2009 年在 IEEE 發(fā)表 “Si IGBT 和碳化硅肖特基二極管制成的 55千瓦的三相逆變器” 。碳化硅（SiC） 功率器件對功率轉(zhuǎn)換器的效率、重量、體積和可靠性產(chǎn)生影響。目前，只有商用 的 SiC 肖特基二極管具有相對較低的電流額定值。 美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室與 C

15、ree 和賽米控合作，建立了一個(gè)硅絕緣柵雙極型晶體管與 SiC 肖特基二極管混合動(dòng)力 的 55 千瓦的逆變器， Cree 公司制造了更高的電流碳化硅取代硅 pn 二極管賽米 控車載肖特基二極管逆變器。 本文介紹了這些二極管電路仿真器模型的建立， 以 及逆變器的測試結(jié)果，并與一個(gè)類似的全硅逆變器比較結(jié)果。3.14 土耳其中東技術(shù)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院的 Emre n Ahmet M. Hava 于 2007 年在 IEEE 發(fā)表“一種為三相電壓源逆變器降低交換頻率并減少共模電 壓的接近 PWM 狀態(tài)的方法”的期刊。本文提出的用于三相 PWM 逆變驅(qū)動(dòng)器的 近 PWM 狀態(tài)法降低了共模電壓 / 電

16、流并確定了最佳的電壓矢量和它們的序列。 對電壓的線性度和輸出的直流交流總線和 PWM 電流紋波特性進(jìn)行了研究。 這種 方法徹底調(diào)查了其性能與常規(guī)方法相比的差異。理論，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， NSPWM 具有優(yōu)異的共模和滿意的 PWM 紋波性能特點(diǎn)。3.15 IEEE 高級會員 Engin Ozdemir 、 Leon M. Tolbert 、IEEE 會員 Sule Ozdemir 在 IEEE 雜志發(fā)表“三相獨(dú)立光伏系統(tǒng)中 6 級二極管鉗位多電平逆變器 的基本調(diào)頻”。 本文提出了一種二極管鉗位多電平逆變器的基頻調(diào)制 （三相獨(dú)立 光伏（ PV）系統(tǒng) DCMLI ）計(jì)劃。 系統(tǒng)由 5 個(gè)串聯(lián)連接的

17、光伏組件，六個(gè)級別 DCMLI 產(chǎn)生基本三相輸出調(diào)制電壓，并作為三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載。為了驗(yàn)證 所提出的概念，用一個(gè)小規(guī)模的實(shí)驗(yàn)室原型的仿真研究和實(shí)驗(yàn)測量。結(jié)果表明： 在三相獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中基本頻率切換的可行性。3.16 馬來亞大學(xué)電氣工程學(xué)院的 Mahrous E. Ahmed、Saad Mekhilef 于2009 年發(fā)表“少開關(guān)和低輸出電壓失真的多電平三相逆變器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)” 。本文提出 并介紹了三相三級 9個(gè)開關(guān)電壓源逆變器的設(shè)計(jì)和運(yùn)作原則。提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由 源極和經(jīng)典的三相逆變器的全橋功率開關(guān)之間插入三個(gè)雙向開關(guān)組成。其結(jié)果 是，在逆變器的輸出端得到三電平的輸出電壓波形和一個(gè)顯著的負(fù)

18、載諧波抑制。 提出的多電平逆變器的諧波含量與兩電平逆變器相比可以減少一半， 輸出波形的 傅立葉分析和設(shè)計(jì)已進(jìn)行了優(yōu)化， 以達(dá)到最低的總諧波失真。 經(jīng)典的三相逆變器 的全橋電源開關(guān)工作在 50Hz 工頻，而輔助電路開關(guān)工作在兩倍的工頻。為了驗(yàn) 證所提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，完成了仿真和分析。此外，原型的設(shè)計(jì)、實(shí)施和測試也已 完成。參考文獻(xiàn)1 劉鳳君，三相四橋臂逆變器 J ，電源技術(shù)應(yīng)用， 2002， 5（ 1-2）： 1-4。2 孫進(jìn)，侯振義，蘇彥明。三相四臂對逆變電源控制方法擴(kuò)展功能的研究J ，電工技術(shù)學(xué)報(bào)， 2004， 19（4）：61-65。3 阮新波。四橋臂三相逆變器的控制策略 J，電工技術(shù)學(xué)報(bào)，

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