基于升降壓斬波電路的三相DC/AC 逆變器研究*

陳 榮

(中國石油大學(華東)信息與控制工程學院，山東 青島266580)

隨著全球能源供應的日益緊張，人們對采用可再生能源的分布式發電技術日益關注［1］。風能發電、太陽能發電和燃料電池等分布式發電系統的高效運行都有賴于電力電子技術。但是，分布式發電系統自身的瞬時輸入功率與輸入電壓變化范圍較大，因而對電能變換的主要環節——電壓源型逆變器的要求很高，如，要求系統高效運行功率范圍寬，具有寬范圍輸入電壓適應能力等。傳統的三相電壓型逆變器有著自身的缺點:一方面輸出電壓的幅值最大只能達到直流輸入電壓值，逆變器工作效率隨著輸出功率的減少而明顯下降［2-3］;另一方面，常用DC/AC 轉換器多采用三相橋式主電路，輸入為單輸入，特別是在軟開關技術應用技術方面存在一定欠缺。為了解決上述問題，需要在直流電源與逆變器之間增加Boost 升壓電路以適應直流輸入電壓的變化，增加一級硬開關DC/DC 電能變換，整機效率和可靠性必然受到影響［4-6］;為了延長電力電子器件的壽命和工作的可靠性，需要考慮器件的軟開通和關斷問題［7］。為了解決上述問題，我們提出了一種單元化基于升降壓斬波電路的三相DC/AC 變換電路，本文對其基本的工作原理進行了詳細分析，并給出了單相和三相DC/AC 逆變器的參數設計。

1 主電路拓撲及基本工作原理

圖1 所示為單相供電主電路拓撲圖。電路由兩個升降壓斬波電路組成。從主電路拓撲圖1 可以看出，該電路存在兩個電源輸入端，一個電源輸出端，故又可以稱為兩輸入單輸出DC/AC 逆變器。

圖1 新型DC/AC 變換器主電路拓撲

當S1導通時，續流二極管D1關斷，輸入、輸出被隔離，其等效電路如圖2(a)所示。在電源電壓E1作用下，電感電流iL線性增長，電感儲能。當S1關斷時，電感儲能以自感電動勢形式釋放，續流二極管D1導通，其等效電路如圖2(b)所示。電感電流iL通過濾波電容C1、負載電感L 和負載電阻R，負載電壓平均值與輸入電壓E1極性相反。由于采用的升降壓斬波電路，輸出電壓可以高于輸入電壓，也可以低于輸入電壓［8］。

圖2 升降壓斬波電路工作模式

為了實現DC/AC 轉換器功能，需要S1/S2與S3/S4搭配使用。當需要輸出電壓的反向部分時，開關器件S2常通，開關器件S1起到調節輸出電壓的功能。同樣，當需要輸出電壓的正向部分時，開關器件S4常通，開關器件S3起到調節輸出電壓的功能。常規的升降壓斬波電路，主要用來進行DC/DC 變換，要求輸出電壓波動小，抗干擾能力強，在用做DC/AC 變換時，要求輸出連續可變，追求的是快速跟隨性能，具體實現可通過實時調節升降壓斬波電路的占空比實現。

為了實現輸出信號對給定正弦信號的高質量跟蹤，常用的控制脈沖生成方法是高頻三角波調制方法。高頻調制方法是三角調制波與正弦參考波進行實時比較，產生需要的控制脈沖，即所謂的SPWM 控制，其優點是系統的開關器件工作頻率固定，便于濾除諧波信號。利用升降壓斬波電路實現正弦波時，是由正反兩組電路輸出正弦波的正負半波。在采用開環控制時，直接使用比例微分控制，既保證了波形輸出正弦的質量又可以很好的保證響應的快速性，但輸出電壓的幅值受到輸入電壓的控制，相應控制框圖如圖3 所示。當基準正弦波Vref從零開始增加，通過比例積分控制環節后與高頻三角波信號做比較產生PWM 信號，PWM信號控制再與給定信號過零信號配合控制開關器件S1、S2、S3、S4的通斷，從而輸出相應的電壓信號。

圖3 系統開環PD 控制框圖

若要實現三相DC/AC 變換器，只需要將3 個上述單元進行組合即可實現，具體實現如圖4 所示。

圖4 三相DC/AC 實現框圖

2 單相DC/AC 逆變器仿真研究

為了驗證前面的理論分析和方案的可行性，利用PSIM 軟件仿真［9］，仿真參數如下:三角載波頻率為50 kHz;調制參考波為50 Hz 正弦波，L1= L2=10 μH，C1=C2=100 μF，負載電阻R=12 Ω，負載電感L=2 mH。圖5 為由PSIM 軟件搭建的單相開環比例微分控制三角波調制原理圖。

圖5 單相開環比例微分控制三角波調制原理圖

圖6 單相開環控制效果對比圖

首先對比例控制和比例微分控制的效果進行對比，仿真結果如圖6 所示。從圖6 可以看出在正弦電壓過零，幅值開始上升時，采用比例控制的要比采用比例微分控制的響應速度要慢，逼近正弦的效果比后者要差，因而在開環控制時選用了比例微分控制。圖7 所示為固定給定參考信號，輸入電壓變化時仿真波形。從圖7 我們可以看出，輸入電壓幅值發生變化，響應的輸出電壓幅值也發生變化。由上面的仿真結果可知，采用高頻三角波調制法可以實現輸出電壓跟蹤給定參考正弦波變化。

圖7 輸入電壓變化時仿真波形

3 三相DC/AC 逆變器仿真研究

在前面分析的基礎上，搭建了基于升降壓電路的三相DC/AC 逆變電路進行仿真，具體參數如下:三角載波頻率為50 kHz;調制參考波為50 Hz 正弦波，L1=L2=10 μH，C1=C2=100 μF，負載為三相電機。圖8 為由PSIM 軟件搭建的三相PD 控制三角波調制原理圖。

圖8 三相PD 控制三角波調制原理圖

圖9(a)為流過電動機三相繞組的電流仿真波形，9(b)為加在電動機繞組兩端的電壓仿真波形，9(c)為A 相電壓、電流仿真波形。仿真結果表明，采用雙輸入電壓、單輸出電壓的DC/AC 逆變器，其輸出電壓可較好的跟蹤給定參考正弦信號變化，達到了預期的設計目的。

圖9 電機負載仿真波形

4 結論

由仿真和實驗結果可知，基于升降壓電路的三相DC/AC 逆變器方案是可行的，可以實現高頻功率變換下的升壓和降壓工頻逆變輸出。在開環控制情況下采用比例微分控制，仿真結果中輸出電壓電流波形的正弦度較好，如果尋找到更優的控制方法，其輸出電壓可完美逼近正弦參考波形。預期該電路可以用于非隔離式UPS、通信電源和電氣傳動裝置中。

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