基于升降壓斬波電路的三相DC/AC 逆變器研究*

陳 榮

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)信息與控制工程學(xué)院，山東 青島266580)

隨著全球能源供應(yīng)的日益緊張，人們對(duì)采用可再生能源的分布式發(fā)電技術(shù)日益關(guān)注［1］。風(fēng)能發(fā)電、太陽能發(fā)電和燃料電池等分布式發(fā)電系統(tǒng)的高效運(yùn)行都有賴于電力電子技術(shù)。但是，分布式發(fā)電系統(tǒng)自身的瞬時(shí)輸入功率與輸入電壓變化范圍較大，因而對(duì)電能變換的主要環(huán)節(jié)——電壓源型逆變器的要求很高，如，要求系統(tǒng)高效運(yùn)行功率范圍寬，具有寬范圍輸入電壓適應(yīng)能力等。傳統(tǒng)的三相電壓型逆變器有著自身的缺點(diǎn):一方面輸出電壓的幅值最大只能達(dá)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(zhuǎn)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(guān)技術(shù)應(yīng)用技術(shù)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(yīng)直流輸入電壓的變化，增加一級(jí)硬開關(guān)DC/DC 電能變換，整機(jī)效率和可靠性必然受到影響［4-6］;為了延長(zhǎng)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(guān)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(duì)其基本的工作原理進(jìn)行了詳細(xì)分析，并給出了單相和三相DC/AC 逆變器的參數(shù)設(shè)計(jì)。

1 主電路拓?fù)浼盎竟ぷ髟?/h2>

圖1 所示為單相供電主電路拓?fù)鋱D。電路由兩個(gè)升降壓斬波電路組成。從主電路拓?fù)鋱D1 可以看出，該電路存在兩個(gè)電源輸入端，一個(gè)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?fù)?/p>

當(dāng)S1導(dǎo)通時(shí)，續(xù)流二極管D1關(guān)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(zhǎng)，電感儲(chǔ)能。當(dāng)S1關(guān)斷時(shí)，電感儲(chǔ)能以自感電動(dòng)勢(shì)形式釋放，續(xù)流二極管D1導(dǎo)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(fù)載電感L 和負(fù)載電阻R，負(fù)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(shí)現(xiàn)DC/AC 轉(zhuǎn)換器功能，需要S1/S2與S3/S4搭配使用。當(dāng)需要輸出電壓的反向部分時(shí)，開關(guān)器件S2常通，開關(guān)器件S1起到調(diào)節(jié)輸出電壓的功能。同樣，當(dāng)需要輸出電壓的正向部分時(shí)，開關(guān)器件S4常通，開關(guān)器件S3起到調(diào)節(jié)輸出電壓的功能。常規(guī)的升降壓斬波電路，主要用來進(jìn)行DC/DC 變換，要求輸出電壓波動(dòng)小，抗干擾能力強(qiáng)，在用做DC/AC 變換時(shí)，要求輸出連續(xù)可變，追求的是快速跟隨性能，具體實(shí)現(xiàn)可通過實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)升降壓斬波電路的占空比實(shí)現(xiàn)。

為了實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)對(duì)給定正弦信號(hào)的高質(zhì)量跟蹤，常用的控制脈沖生成方法是高頻三角波調(diào)制方法。高頻調(diào)制方法是三角調(diào)制波與正弦參考波進(jìn)行實(shí)時(shí)比較，產(chǎn)生需要的控制脈沖，即所謂的SPWM 控制，其優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)的開關(guān)器件工作頻率固定，便于濾除諧波信號(hào)。利用升降壓斬波電路實(shí)現(xiàn)正弦波時(shí)，是由正反兩組電路輸出正弦波的正負(fù)半波。在采用開環(huán)控制時(shí)，直接使用比例微分控制，既保證了波形輸出正弦的質(zhì)量又可以很好的保證響應(yīng)的快速性，但輸出電壓的幅值受到輸入電壓的控制，相應(yīng)控制框圖如圖3 所示。當(dāng)基準(zhǔn)正弦波Vref從零開始增加，通過比例積分控制環(huán)節(jié)后與高頻三角波信號(hào)做比較產(chǎn)生PWM 信號(hào)，PWM信號(hào)控制再與給定信號(hào)過零信號(hào)配合控制開關(guān)器件S1、S2、S3、S4的通斷，從而輸出相應(yīng)的電壓信號(hào)。

圖3 系統(tǒng)開環(huán)PD 控制框圖

若要實(shí)現(xiàn)三相DC/AC 變換器，只需要將3 個(gè)上述單元進(jìn)行組合即可實(shí)現(xiàn)，具體實(shí)現(xiàn)如圖4 所示。

圖4 三相DC/AC 實(shí)現(xiàn)框圖

2 單相DC/AC 逆變器仿真研究

為了驗(yàn)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(shù)如下:三角載波頻率為50 kHz;調(diào)制參考波為50 Hz 正弦波，L1= L2=10 μH，C1=C2=100 μF，負(fù)載電阻R=12 Ω，負(fù)載電感L=2 mH。圖5 為由PSIM 軟件搭建的單相開環(huán)比例微分控制三角波調(diào)制原理圖。

圖5 單相開環(huán)比例微分控制三角波調(diào)制原理圖

圖6 單相開環(huán)控制效果對(duì)比圖

首先對(duì)比例控制和比例微分控制的效果進(jìn)行對(duì)比，仿真結(jié)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(shí)，采用比例控制的要比采用比例微分控制的響應(yīng)速度要慢，逼近正弦的效果比后者要差，因而在開環(huán)控制時(shí)選用了比例微分控制。圖7 所示為固定給定參考信號(hào)，輸入電壓變化時(shí)仿真波形。從圖7 我們可以看出，輸入電壓幅值發(fā)生變化，響應(yīng)的輸出電壓幅值也發(fā)生變化。由上面的仿真結(jié)果可知，采用高頻三角波調(diào)制法可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓跟蹤給定參考正弦波變化。

圖7 輸入電壓變化時(shí)仿真波形

3 三相DC/AC 逆變器仿真研究

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

圖8 三相PD 控制三角波調(diào)制原理圖

圖9(a)為流過電動(dòng)機(jī)三相繞組的電流仿真波形，9(b)為加在電動(dòng)機(jī)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(jié)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(hào)變化，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。

圖9 電機(jī)負(fù)載仿真波形

4 結(jié)論

由仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)現(xiàn)高頻功率變換下的升壓和降壓工頻逆變輸出。在開環(huán)控制情況下采用比例微分控制，仿真結(jié)果中輸出電壓電流波形的正弦度較好，如果尋找到更優(yōu)的控制方法，其輸出電壓可完美逼近正弦參考波形。預(yù)期該電路可以用于非隔離式UPS、通信電源和電氣傳動(dòng)裝置中。

［1］ 錢照明，張軍明，呂征宇，等.我國(guó)電力電子與電力傳動(dòng)面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2004，19(8):10-22.

［2］ 明正峰，倪光正，鐘彥儒.軟開關(guān)技術(shù)三相PWM 逆變器及效率的分析研究［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2003，18(4):30-34，45.

［3］ 石昆，章堅(jiān)民，李陽春，等.基于DSP 的三相光伏并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電子器件，2011，34(3):273-277.

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［7］ 陳道煉.DC-AC 逆變技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［8］ 賀益康.潘再平.電力電子技術(shù)［M］.北京:科學(xué)技術(shù)出版社，2010.［9］ 野村弘，藤原憲一郎，吉田正伸.使用PSIM 學(xué)習(xí)電力電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.胡金庫(kù)，賈要勤，王兆安，譯.西安:西安交通大學(xué)出版社，2009.