新型高效率單相逆變器

李 東 黃怡飛

（南方電網(wǎng)超高壓輸電公司貴陽局，貴陽 401325）

1 引言

逆變器在諧波治理、無功補償、高壓直流輸電、電機驅(qū)動等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。這些應(yīng)用領(lǐng)域不僅要求輸出功率大，轉(zhuǎn)換效率高，而且要求輸出電壓電流波形質(zhì)量良好。但在實際應(yīng)用中，受功率器件開關(guān)損耗的限制，系統(tǒng)只能工作于較低的變換頻率，這就影響了電壓電流波形質(zhì)量[1-5]。

為了改善輸出電能質(zhì)量，提高功率等級，目前主要采取以下三種方式[6-12]：①將容量小但開關(guān)速度相對較快的器件串聯(lián)或并聯(lián)以達(dá)到容量和開關(guān)速度的要求；②將多臺獨立的小容量變換器并聯(lián)使用；③尋求新的主電路拓?fù)洌绮捎枚嚯娖郊壜?lián)方案和多重化主電路實現(xiàn)大容量的變換器。采用多個器件串并聯(lián)運行方案的優(yōu)點在于主電路的基本拓?fù)洳蛔儯到y(tǒng)的控制方式也不變，但存在著器件的均壓均流問題，而且器件的串并聯(lián)運行還將降低系統(tǒng)的可靠性。采用多臺小容量變換器并聯(lián)運行，容易在并聯(lián)單元之間形成環(huán)流，為了協(xié)調(diào)每個變換器之間的工作情況和控制各單元的功率輸出，要針對每個變換器實施均流控制，這樣增加了并聯(lián)運行控制的復(fù)雜性，也影響了系統(tǒng)可靠性。多電平結(jié)構(gòu)的逆變器、以及采用共用直流電壓源的多重化結(jié)構(gòu)的逆變器，都會使主電路開關(guān)數(shù)量成倍的增加，電路結(jié)構(gòu)和控制方式的復(fù)雜性大大增加，而且由于功率元件的大量增加，不僅增加了系統(tǒng)成本，而且降低了系統(tǒng)的可靠性[13-15]。因此，研究新型的高效率逆變器具有很高的實用意義。

本文提出了一種新型的高效率單相逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由一個高頻半橋單元和一個低頻半橋單元級聯(lián)而成，高頻半橋采用電壓反饋控制，主要決定輸出電壓的波形，低頻半橋采用電流反饋控制，主要決定輸出功率，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以在保證輸出電壓波形質(zhì)量的同時保證逆變器高效運行。仿真結(jié)果表明，該拓?fù)涞妮敵鲭妷翰ㄐ钨|(zhì)量與高頻逆變器相類似，而效率卻有大幅度提高。

2 工作原理分析

傳統(tǒng)的單相半橋逆變器拓?fù)涞膬蓚€開關(guān)均工作于高頻率、大電流的狀態(tài)下，若需要提高輸出的電能質(zhì)量，就必須提高開關(guān)頻率，相應(yīng)地開關(guān)損耗就會增大。在傳統(tǒng)單相半橋拓?fù)涞幕A(chǔ)上，要想提高逆變器的效率，就要減小高頻開關(guān)的開關(guān)損耗，因此采用在普通單相半橋逆變器主電路拓?fù)浠A(chǔ)上增加一個半橋支路，使其工作于低頻狀態(tài)，且跟蹤輸出電流的大小。此電路有兩條支路，且工作在不同的頻率下，故稱其為雙頻單相逆變器。

新型高效率逆變器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。在 Cd1、Cd2、VT1、VT2、Lf、Cf、R0組成的傳統(tǒng)單相半橋逆變器的基礎(chǔ)上，新增加了由全控開關(guān)器件 VTa1、VTa2組成的半橋及跟蹤電感 La，圖 2即為該拓?fù)涞钠骄Ｐ汀?/p>

圖1 新型高效逆變器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 新型高效逆變器電路平均模型

由圖2可知，使流過新增支路的電流iLa跟蹤流過濾波電感 Lf的電流 iLf，從而減小流過 VT1、VT2的電流 is。若使 iLa=iLf，則流過高頻開關(guān) VT1、VT2的電流將會很小，同時使 VTa1、VTa2工作在低頻狀態(tài)下，VT1、VT2工作在高頻狀態(tài)下。流過高頻開關(guān)的電流小，流過低頻開關(guān)的電流相對大，并保持輸出電流不變，則系統(tǒng)整體的開關(guān)損耗就會降低，從而提高了系統(tǒng)的效率。

3 控制策略

圖1中低頻半橋的主要功能是控制逆變器的輸出功率，高頻半橋則主要用于提高逆變器輸出電壓電流波形質(zhì)量，改善系統(tǒng)性能。因此對高頻支路采用電壓反饋控制，低頻支路采用電流跟蹤控制。對于高頻部分，這里假定：在開關(guān)周期內(nèi)，直流側(cè)輸入電壓恒定；高頻開關(guān)頻率遠(yuǎn)大于電網(wǎng)頻率。

具體的控制電路如圖3所示。由于高頻半橋的主要功能是控制波形質(zhì)量，因此應(yīng)采用能夠消除靜態(tài)誤差的PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制。通過采樣逆變器輸出電壓u0與電壓參考信號uref進(jìn)行比較，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器以及限幅，得到的信號與高頻三角載波比較從而獲得高頻半橋的開關(guān)控制信號。低頻半橋的主要功能是控制逆變器的輸出功率，即需使電感La上的電流跟蹤Lf上的電流，因此應(yīng)選擇跟蹤速度較快的滯環(huán)控制。滯環(huán)比較器通過設(shè)置一定的環(huán)寬 H，使得電流在一定的誤差范圍內(nèi)快速變化，具有良好的動態(tài)性能，由于低頻半橋的電流不直接作為逆變器的輸出量，因此雖然滯環(huán)控制存在一定的誤差，但不會影響輸出的電能質(zhì)量。

圖3 控制電路

4 仿真驗證

為了驗證所提出的拓?fù)浼翱刂品桨傅目尚行约靶阅埽?PSIM搭建電路進(jìn)行仿真驗證，具體參數(shù)設(shè)置如下：

（1）逆變器輸出功率Pout=1100W。

（2）輸出電壓有效值U0=220V，輸出電流有效值I0=5A。

（3）直流輸入電壓Ud=700V。

（4）高頻半橋三角載波頻率fc=20k，低頻半橋滯環(huán)寬度H=0.01。

（5）濾波器電感Lf=1.5mH，跟蹤電感La=3mH，濾波電容Cf=2.2μF，直流側(cè)穩(wěn)壓電容Ct=474μF。

（6）負(fù)載用純阻性負(fù)載代替，R=20?。

仿真結(jié)果如圖 4～6所示，由圖4(a)為工作于高頻狀態(tài)下的全橋逆變器輸出電壓波形，圖 4(b)為新拓?fù)漭敵鲭妷翰ㄐ危蓛蓚€圖對比可以看出，所提出的新拓?fù)涞妮敵鲭妷翰ㄐ钨|(zhì)量與傳統(tǒng)高頻逆變電路相近。圖5為逆變器輸出電流波形，由圖可知，輸出電流為標(biāo)準(zhǔn)正弦波，電流紋波較小，輸出電能質(zhì)量良好。圖6為流過高頻半橋的電流波形，可以看出，流過工作于高頻狀態(tài)的開關(guān)管的電流很小，因此，盡管開關(guān)管工作于高頻狀態(tài)，其開關(guān)損耗將會很小，由此提高了逆變器的工作效率。

圖4 傳統(tǒng)全橋逆變器與新拓?fù)漭敵鲭妷簩Ρ?/p>

圖5 逆變器輸出電流波形

圖6 高頻半橋輸出電流波形

5 結(jié)論

本文提出了一種高效率的單相逆變器拓?fù)洌撏負(fù)錇橐活惞δ芊蛛x的雙頻變換器，其低頻變換器主要用于處理輸出功率，高頻變換器主要用于改善輸出電壓電流波形質(zhì)量，用于解決目前高頻化開關(guān)損耗增加、功率處理能力降低的矛盾。

通過理論分析和仿真結(jié)果可知，該拓?fù)湓谝欢ǔ潭壬咸岣吡四孀兤鞯男剩敵鲂盘柕男阅芤灿兴纳啤Ｇ覍崿F(xiàn)方法比較簡單，利用電流跟蹤控制，減小流過高頻開關(guān)的電流，使逆變器工作雙頻狀態(tài)下，從而減小高頻開關(guān)損耗提高了逆變器的效率。

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