電壓型逆變器主電路優(yōu)化策略研究

李龍洲

(渭南師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院，陜西渭南714000)

電壓型逆變器主電路優(yōu)化策略研究

李龍洲

(渭南師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院，陜西渭南714000)

逆變器可將直流電能變換為交流電能，可用于構(gòu)成各種交流電源，在實(shí)際中得到廣泛應(yīng)用.現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展對逆變器的電壓等級、設(shè)備容量和諧波含量等指標(biāo)提出了更高的要求.分析了電壓型逆變器主電路結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施，并在MATLAB/Simulink中進(jìn)行了仿真分析.仿真結(jié)果表明所采用的優(yōu)化策略可使逆變器輸出獲得更高的電能質(zhì)量、更低的諧波含量.

逆變器;多電平;鏈?zhǔn)竭B接;多重化

0 引言

逆變器是通用變頻器核心部件之一，起著非常重要的作用［1］.它的基本作用是在控制電路的作用下將直流電轉(zhuǎn)換為頻率和電壓都任意可調(diào)的交流電，可滿足不同場合的電能要求，因此得到廣泛的應(yīng)用.隨著工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，對逆變器在電壓等級、設(shè)備容量和諧波含量等指標(biāo)方面都提出了更高的水準(zhǔn)，這就需要對逆變器在電路結(jié)構(gòu)和控制策略上開展進(jìn)一步的研究，滿足不同電源用戶的需求.

1 電壓型逆變器的工作原理

逆變器通過直流電源獲得能量，為了使直流側(cè)的電壓或電流恒定，并與負(fù)載進(jìn)行無功功率的交換，在逆變器直流側(cè)必須設(shè)置儲(chǔ)能元件［2］.采用大電容作為儲(chǔ)能和濾波元件的逆變器稱為電壓型變流器(voltage source inverter，VSI)，而采用大電感的稱為電流型變流器(current source inverter，CSI).VSI在體積、控制和與系統(tǒng)接口特性等方面占據(jù)明顯的優(yōu)勢.另外，受器件發(fā)展和成本等因素的影響，長期以來，VSI在理論研究和實(shí)際應(yīng)用中一直占據(jù)主導(dǎo)地位.

VSI的基本工作原理如圖1所示.圖1(a)中，在左邊直流側(cè)通過并聯(lián)較大的電容保證直流電壓穩(wěn)定;在右邊交流側(cè)接入系統(tǒng)時(shí)通過串聯(lián)電感抑制電流波動(dòng);連接交直流側(cè)的電容及開關(guān)器件即為電壓型逆變器的主電路.

由于電壓型變流器中電壓Ud不變，而直流電流id是雙向流動(dòng)的，因此開關(guān)不但應(yīng)具有不對稱可控關(guān)斷能力，而且應(yīng)具有雙向電流導(dǎo)通能力.通常采用不對稱可關(guān)斷器件與二極管反并聯(lián)構(gòu)成開關(guān)閥，如圖1 (b)所示.圖1(c)給出了單個(gè)開關(guān)閥的工作原理示意圖.假定變流器中電容電壓Ud為恒定，且其正極與可關(guān)斷器件的陽極相連接.當(dāng)可關(guān)斷器件導(dǎo)通時(shí)，直流正極與A點(diǎn)相連接，這樣交流輸出電壓就跳變?yōu)?Ud.若此時(shí)的電流是從+Ud流向A點(diǎn)，則功率就從直流側(cè)流向交流側(cè)，即處于逆變狀態(tài).

2 主電路優(yōu)化措施

如何獲得現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展所需要的更高電能質(zhì)量、更低諧波含量、更好電磁兼容性以及更低開關(guān)損耗的優(yōu)質(zhì)電源，已經(jīng)成為該領(lǐng)域研究的關(guān)鍵問題，這也是逆變器主電路設(shè)計(jì)所要面對和解決的問題［3－5］.通過采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)手段可以達(dá)到解決上述問題的目的.

2.1 多電平技術(shù)

多電平逆變器實(shí)際上也是通過多個(gè)電平臺(tái)階合成階梯波來使輸出電壓來逼近正弦，電平數(shù)量越多，輸出波形便具有更好的諧波頻率，每個(gè)開關(guān)器件所承受的電壓應(yīng)力越小，且無需均壓電路，開關(guān)損耗少，可以得到優(yōu)良的諧波特性［6］.

下面，比較二電平逆變器和三電平逆變器的輸出特性.仿真在相同的外部條件下進(jìn)行，相關(guān)參數(shù)如下:直流側(cè)電容為560μF，其初始電壓設(shè)為530/2V，輸出端接三相負(fù)載中的有功為1kW，感性無功為500Var.二電平和三電平逆變器輸出線電壓分別為圖2和圖3.圖4和圖5分別為圖2和圖3所示線電壓的總諧波失真(total harmonic distortion，THD)的分析(THD值分別為68.59%和35.26%).進(jìn)行對比后，可以看出三電平逆變器的輸出電壓在波形上更加接近正弦波，對應(yīng)的諧波含量明顯少于二電平逆變器.

從理論上來看，可以設(shè)計(jì)任意的N電平的逆變器，但電平數(shù)的增加也意味著控制復(fù)雜度的大大提高，在實(shí)際中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況合理選取.

2.2 鏈?zhǔn)竭B接技術(shù)

鏈?zhǔn)竭B接技術(shù)是提高逆變器容量和輸出電壓等級的有效方式，其基本電路結(jié)構(gòu)為逆變器每相都采用多個(gè)單相全橋電路串聯(lián)鏈接起來，而每個(gè)單相全橋電路的直流側(cè)為電容獨(dú)立供電，互不影響，若某單元出現(xiàn)故障可將其旁路，不影響整個(gè)系統(tǒng)的工作，交流側(cè)為依次串聯(lián)結(jié)構(gòu).圖6為四級鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)多電平逆變器，圖6(a)為其A相電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，圖6(b)為其交流輸出的電壓波形.

圖6 四級鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)多電平逆變器

2.3 多重化技術(shù)

多重化技術(shù)是提高逆變器裝置容量和降低輸出電壓諧波的有效措施.電壓型逆變電路和電流型逆變電路都可以實(shí)現(xiàn)多重化，其主要原理是將若干逆變電路的輸出按照一定的相位差組合起來，使它們所含的某些主要諧波分量相互抵消，得到更加近似于正弦波形的輸出電壓.

圖7為四重化逆變器，圖7(a)為四重化逆變器主電路結(jié)構(gòu)圖，圖7(b)為逆變器A相交流輸出的電壓波形.在圖中，通過對觸發(fā)脈沖的控制，可以使四個(gè)變流器輸出相電壓依次相差，再通過四臺(tái)變壓器連接到系統(tǒng)母線上.從理論上來講，多重化的級數(shù)與諧波消除的效果成正比，但是級數(shù)的增加也意味著控制難度大大增加.

圖7 四重化逆變器

下面通過仿真來分析四重化技術(shù)的逆變器的輸出特性，圖8為四重化技術(shù)的逆變器空載特性模型.其中，兩個(gè)電容參數(shù)值均為C=4820×10－4F，初始電壓設(shè)置為V0=9560V.其A相的空載輸出電壓如圖9所示，利用MALAB中的FFT Analysis功能，對A相空載輸出電壓進(jìn)行分析，如圖10所示.從分析結(jié)果來看，A相電壓的THD值為3.77%，優(yōu)于國家規(guī)定的電網(wǎng)電壓諧波畸變率小于5%的限值.由此可見，主電路采用四重化技術(shù)的逆變器有效地降低了諧波.

圖8 四重化技術(shù)的逆變器空載特性模型

圖9 A相空載電壓

圖10 A相空載電壓幅頻特性

3 結(jié)語

本文對逆變器主電路的多電平技術(shù)、鏈?zhǔn)竭B接技術(shù)和多重化技術(shù)三種優(yōu)化措施進(jìn)行了分析，并對針對優(yōu)化方法進(jìn)行了仿真研究，驗(yàn)證了其正確性和有效性.仿真結(jié)果采用優(yōu)化技術(shù)后逆變器的輸出電壓在形狀上更加接近正弦波，有效降低了諧波成份，達(dá)到了改善電能質(zhì)量的效果.

［1］何湘寧，陳阿蓮.多電平變換器的理論和應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［2］Jurgen.K.Sternke.Switching Frequency Optimal PWM Control of a Three-level Inverter［J］.IEEE Trans on Power Electronics，1996，7(3):487－496.

［3］孫元章，趙枚，黎雄，等.STATCOM控制的電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2001，25(11):1－5.

［4］洪乃剛.電力電子和電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的MATLAB仿真［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［5］周文生，姚鋼，宋文祥.中點(diǎn)箝位型三電平逆變器控制方法的綜合研究［J］.電氣傳動(dòng)自動(dòng)化，2008，6(2):6－9.

［6］Nabae A，Takahashi I，Akagi H.A New Neutral-point-clamed PWM Inverter［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，1981，17(5):518－523.

【責(zé)任編輯 牛懷崗】

Research on the Main Circuit Optimization Strategy of Voltage Source Inverter

LI Long-zhou
(School of Physics and Electrical Engineering，Weinan Normal University，Weinan 714000，China)

Inverter can transform DC power to AC power and it can be used to create various AC power and widely used in practice.The development of modern industry put forward higher requirements on inverter such as voltage levels，equipment capacity and harmonic content and the other indicators.This paper analyzes the main circuit of optimization measures voltage inverter，and simulation is carried out in the MATLAB/Simulink.Simulation results show that optimization strategy can achieve higher inverter output power quality and lower harmonic content.

inverter;multi-level;chain connection;multiple

book=82,ebook=64

TM761

A

1009—5128(2012)06—0033—04

2012—03—14

渭南師范學(xué)院科研計(jì)劃項(xiàng)目(12YKZ051)

李龍洲(1962—)，男，陜西蒲城人，渭南師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院工程師.研究方向:電機(jī)控制技術(shù).