直流逆變器的設計說明

1、直流逆變器的設計說明1 逆變器技術發(fā)展歷程 逆變器技術的發(fā)展始終與功率器件及其控制技術的發(fā)展緊密結合，從開始發(fā)展至今經歷了五個階段： 第一階段：20世紀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70年代，可關斷晶閘管GTO及雙極型晶體管BJT的問世，使得逆變技術得到發(fā)展和應用； 第三階段：20世紀80年代，功率場效應管、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。 第四階段：20世紀90年代，微電子技術的發(fā)展使新近的控制技術如矢量控制技術、多電平變換技術、重復控制、模糊控制等技術在逆變領域得到了較好的應用，極大

2、的促進了逆變器技術的發(fā)展； 第五階段：21世紀初，逆變技術的發(fā)展隨著電力電子技術、微電子技術和現代控制理論的進步不斷改進，逆變技術正朝著高頻化、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95%。在歐洲，由于采用了無變壓器的設計和創(chuàng)新的拓撲結構，可實現更高的效率。例如，有一款產品（SMASunnyMinicentral8000TL）聲稱可到達98%的效率。更低的成本：大約0.2-0.3美元/瓦的價格已經被設定為2020年逆變器的價格目標，這意味著比目前售價降低50-75%。這個目標最有可能通過增加產量及改善學習曲線來實現。

3、更高的可靠性：目前，逆變器的MTBF（平均無故障時間）為510年。但很多人懷疑，是否有可能以合理的成本實現這一目標。在中近期，通過改進質量控制、更好地散熱并降低復雜性，MTBF大于10年的目標是可以實現的。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。下一代單元應使用通用的通信標準傳送更全面的系統(tǒng)信息，以實現先進的診斷功能，并能與公用服務機構通信，以支持電網的穩(wěn)定性。3 目前研究成果 3.1 合肥工業(yè)大學電氣與自動化工程學院的陳玲、張興、楊淑英，謝振等人在2009年在本院學報中提出了“帶不平衡負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)進行了設計，建立了基

4、于對稱分量法和雙同步旋轉d-q坐標系的雙環(huán)控制結構，電壓外環(huán)和電流內環(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載的能力。3.2 空軍雷達學院研究生管理大隊的石磊、陳媛娣、朱忠尼于2006年在該院學報發(fā)表了“基于DSP的SVPWM控制三相逆變器設計”。該設計從電壓矢量控制的基本原理出發(fā)，給出了SVPWM算法在TMS320LF2407上實現的軟件流程。實際編程實現了SVPWM波形輸出。系統(tǒng)具有控制精度高、實時性強、軟件編制容易等優(yōu)點。3.3 哈爾濱工程大學自動化學院的趙曉青、羅耀華于2008年在應用科技期刊發(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

5、了采用TMS320LF2407芯片，通過混合查表法產生三相SPWM正弦電壓的方法，并給出了部分程序源代碼，實驗結果可以滿足實際需要。3.4 東北大學信息科學與工程學院的閆士杰、冷冰、杜蘅等人于2012年在電機與控制學報發(fā)表“基于H重復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單相逆變器的基礎上，提出了一種H重復控制策略，解決了微型電網中，作為功率接口的三相四橋臂逆變器存在輸出波形畸變率大，跟蹤給定正弦波慢的問題。3.5 湖北工業(yè)大學電氣與電子工程學院的湯才剛、朱紅濤、李莉、陳國橋等人于2008年在現代電子技術期刊發(fā)表“基于PWM的逆變電路分析”。本文為了對PWM型逆變器電路

6、進行分析，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行了分析。使用雙蹤示波器對電路的輸出波形進行分析，給出了仿真波形。實踐表明：運用PWM控制技術能夠很好地實現逆變電路的運行要求。3.6 東北大學信息科學與工程學院的劉秀翀、褚恩輝、張化光等人于2010年在電機與控制學報發(fā)表“基于三相綜合補償的四橋臂逆變器控制”。本文針對四橋臂逆變器，提出了基于三相綜合補償的四橋臂控制方法。該補償策略用地四橋臂補償輸出不平衡因素，形成第四橋臂和各相橋臂綜合補償相電壓的模式，發(fā)揮出四橋臂結構的優(yōu)勢，在阻性（或感性

7、）不平衡負載條件下，增強了控制能力?；谌嗑C合補償策略，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，構造閉環(huán)控制結構，并給出四個橋臂的控制方法。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 東南大學電氣工程學院的楊云虎、周克亮、盧聞州等人于2011年在校學報發(fā)表了“三相PWM逆變器魯棒重復控制策略”。為了提高三相CVCF PWM逆變器波形的控制性能（同時具有動態(tài)響應快、穩(wěn)定誤差小和魯棒性好等優(yōu)點），提出了魯棒重復控制策略。首先采用魯棒控制理論對兩類不確定建模；然后引進一個虛擬的復不確定代替重復控制中的長延遲環(huán)節(jié)，將重復

8、控制器集成到魯棒反饋控制器設計之中形成魯棒重復控制方案。實驗結果表面，采用魯棒重復控制策略控制的三相逆變器，即使在非線性負載情況下也能保證輸出電壓的THD含量低、跟蹤精度高、響應快；并且在參數變化和負載突變擾動的情況下，仍具有良好的魯棒性。3.8 中國礦業(yè)大學信息與電氣工程學院的李文正于2008年在中國科技論文網發(fā)表“三相四臂逆變器的仿真設計”。本文首先用對稱分量法在不平衡負載下對三相四臂逆變器進行穩(wěn)態(tài)分析，驗證了三相四臂逆變器可以帶不平衡負載。本文在總結、分析其它控制方法的基礎上，建立了三維空間矢量調制策略，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制的原理及其算法實現。其次對三

9、相四臂逆變器在兩種坐標系下建立數學模型，提出本文所采用的一種基于正反向同步旋轉坐標變換的正序、負序和零序分量單獨控制的控制策略，實現了各個通道的解耦。3.9 南京航空航天大學航空電源航空科技重點實驗室的龔春英、熊宇、酈鳴、陳新、嚴仰光于2004年在電工技術學報上發(fā)表“四橋臂三相逆變電源的三維空間矢量控制技術研究”。本文介紹了四橋臂三相逆變器的三維空間矢量控制原理，給出了任意負載下空間矢量的運動軌跡表達式，還建立了三維空間矢量調制四橋臂逆變器MATLAB模型，并利用MATLAB仿真軟件對各種性質負載、對稱和不對稱負載及負載和輸入電壓突變情況進行了仿真研究。研究結果表明該法具有負載適應能力及帶不對

10、稱負載能力強、系統(tǒng)穩(wěn)定性好、結構簡單等優(yōu)點，并在DSP實驗平臺上進行了初步的實驗驗證，證明該法是可行的。3.10 湖南大學電氣與信息工程學院與廣西電力科學研究院的呂志鵬、羅安、蔣文倩、周柯、謝三軍等人于2012年在中國電機工程學報發(fā)表“四橋臂微網逆變器高性能并網H -控制研究”。本文提出了微網三相逆變器輸出電壓波形受電網畸變電壓、負載諧波電流和直流側電壓中點平衡的共同作用，為使直流側電壓中點維持穩(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構進行建模，采用H-控制策略構造高帶寬魯棒控制器對中線橋臂和三相橋臂進行統(tǒng)一控制。仿真和實驗表明，在較大中線電流和電網電壓畸變情況下，中線橋臂能

11、夠控制中點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，提升微網供電質量。3.11 華中科技大學、南昌交通大學、武漢理工大學、浙江大學的胡文華、馬偉明、劉春喜等人于2010年在電磁分析與應用期刊發(fā)表“三相逆變器不平衡負載的控制策略研究”。 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償逆變器的正、負和零序分量輸出電壓，但是，這種方法是很費時的，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)了兩種方法實現。仿真結果證實，該方法能夠有效地抑

12、制不平衡負載所造成的輸出電壓變形，并獲得高品質的電壓波形。3.12 馬來亞大學電氣工程系的Mohamad N. Abdul 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上分階段認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三階段18級別的混合動力的逆變器，它已經設計了最大數量的對稱水平。該逆變器具有利用傳統(tǒng)的六開關逆變器和使用級聯(lián)的H橋細胞構成的中等和低電壓的三電平階段，采用構建的兩個級別的主級。該算法的顯著特點是它能夠避免不良

13、的高頻率開關，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)消除冗余的數量。測試結果表明，所提出的算法達到了預期的功能和所有的主要假設已經得到了驗證。3.13 IEEE的高級會員Burak Ozpineci 、Madhu Sudhan Chinthavali, Leon M. Tolbert、H. Alan Mantooth和學生會員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）功率器件對功率轉換器的效率、重量、體積和可靠性產生影響。目前，只有商用的SiC肖特基二極管具有相

14、對較低的電流額定值。美國橡樹嶺國家實驗室與Cree和賽米控合作，建立了一個硅絕緣柵雙極型晶體管與SiC肖特基二極管混合動力的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果，并與一個類似的全硅逆變器比較結果。3.14 土耳其中東技術大學電氣與電子工程學院的Emre Ün 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逆變驅動器的近PWM狀態(tài)法降低了共模電壓/電流

15、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電流紋波特性進行了研究。這種方法徹底調查了其性能與常規(guī)方法相比的差異。理論，仿真和實驗結果表明，NSPWM具有優(yōu)異的共模和滿意的PWM紋波性能特點。3.15 IEEE高級會員Engin Ozdemir 、Leon M. Tolbert 、IEEE會員Sule Ozdemir在IEEE雜志發(fā)表“三相獨立光伏系統(tǒng)中6級二極管鉗位多電平逆變器的基本調頻”。 本文提出了一種二極管鉗位多電平逆變器的基頻調制（三相獨立光伏（PV）系統(tǒng)DCMLI）計劃。 系統(tǒng)由5個串聯(lián)連接的光伏組件，六個級別DCMLI產生基本三相輸出調制電壓，并

16、作為三相感應電動機的負載。為了驗證所提出的概念，用一個小規(guī)模的實驗室原型的仿真研究和實驗測量。結果表明：在三相獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)中基本頻率切換的可行性。3.16 馬來亞大學電氣工程學院的Mahrous E. Ahmed、Saad Mekhilef于2009年發(fā)表“少開關和低輸出電壓失真的多電平三相逆變器設計與實現”。本文提出并介紹了三相三級9個開關電壓源逆變器的設計和運作原則。提出的拓撲結構由源極和經典的三相逆變器的全橋功率開關之間插入三個雙向開關組成。其結果是，在逆變器的輸出端得到三電平的輸出電壓波形和一個顯著的負載諧波抑制。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

17、的傅立葉分析和設計已進行了優(yōu)化，以達到最低的總諧波失真。經典的三相逆變器的全橋電源開關工作在50Hz工頻，而輔助電路開關工作在兩倍的工頻。為了驗證所提出的拓撲結構，完成了仿真和分析。此外，原型的設計、實施和測試也已完成。參考文獻1 劉鳳君，三相四橋臂逆變器J，電源技術應用，2002，5（1-2）：1-4。2 孫進，侯振義，蘇彥明。三相四臂對逆變電源控制方法擴展功能的研究J，電工技術學報，2004，19（4）：61-65。3 阮新波。四橋臂三相逆變器的控制策略J，電工技術學報，2000.15（1）：61-64。4 楊松，曾鳴，蘇寶庫，重復控制算法在轉臺伺服系統(tǒng)中的應用J，電機與控制學報，2007

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