（检测技术与自动化装置专业论文）三相pwm逆变器新型控制策略研究.pdf

摘要 随着电力电子技术的迅猛发展，逆变技术广泛的应用在航天、航空、航海等 国防领域和电力系统、交通系统、工业控制等领域。逆变技术是一种高效节能技 术，利用逆变器的电动机调速节能，是节能的一大重点。逆变技术提供的无功功 率补偿器和电力有源滤波器，在市电电源环境和电磁环境保护方面，都起到了相 当大的作用。所以逆变器的研究发展，成为世界科技发展的一个热点。 论文首先分析了电流源型逆变器的特点，提出了确定其输出电流相位和幅值 的基本准则，然后利用电荷控制方法( c h a r g ec o n t r o l l e dm o d u l a t i o n ，c c m ) 对电 流源型逆变器进行控制分析，通过输出端的三相电流相位和幅值的比较，调节控 制信号的p w m 脉宽，来达到控制效果。 论文还对电压源型逆变器进行了研究，给出了其拓扑结构，并且介绍了电压 源型逆变器的基本工作准则。然后研究了一种新型的基于6 0 。坐标系的空间矢量 脉宽调制方法( s p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，s v p w m ) ，同时根据负载电 流方向和上、下电容电压的大小，利用正、负小矢量对电容中点电压的不同作用， 通过改变电压调整系数对正、负小矢量的作用时间进行调整，从而达到理想的控 制效果。 最后根据电压源型逆变器和电流源型逆变器各自的特点，以及两者之间的联 系和区别，尝试将两种逆变电路结合起来，组成一种混合型逆变器，以期能够体 现出与单独的使用c s i 或v s i 不同的控制优势。在论文中将通过仿真来验证这 种设想。 关键词：脉冲宽度调制电压源型逆变器电流源型逆变器混合型逆变器 a bs t r a c t t h et e c h n o l o g yo fi n v e r t e ri so n ek i n do fh i g h l ye f f e c t i v ee n e r g yc o n s e r v a t i o n t e c h n o l o g y u s i n ge l e c t r i cm o t o rv e l o c i t ym o d u l a t i o nw i t hi n v e r t e ri sab i gk e yp o i n t i ne n e r g yc o n s e r v a t i o n t h er e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t o ra n dt h ee l e c t r i cp o w e r a c t i v e f i l t e r u s i n gi n v e r t e rt e c h n o l o g yp l a y aq u i t em a j o rr o l e i nt h em a i n ss u p p l y e n v i r o n m e n ta n dt h ee l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n tp r o t e c t i o na s p e c t t h e r e f o r et h e r e s e a r c hd e v e l o p m e n ta b o u ti n v e r t e rb e c o m e sah o ts p o ti nt h ew o r l dt e c h n o l o g i c a l p r o g r e s s t h ec h a r a c t e r i s t i co fc u r r e n ts o u r c ei n v e r t e rw a sa n a l y z e df i r s t t h e nt h ew o r k i n g m e t h o do fc s lw a sg i v e n b a s i c p r i n c i p l e so fd e t e r m i n i n gt h ep h a s ea n g l ea n d a m p l i t u d ev a l u eo fc s io u t p u tc u r r e n tw a sp u tf o r w a r do nt h eb a s i so fa n a l y s i so ft h e g r i d - c o n n e c t i n gc i r c u i t t h e nu s i n gc h a r g ec o n t r o l l e dm o d u l a t i o nt oc o n t r o lt h e c u r r e n ts o u r c e i n v e r t e r b yc o m p a r i n gt h ep h a s ea n g l ea n da m p l i t u d ev a l u eo f t h r e e p h a s ec u r r e n t ，t h ep u l s ew i d t hw a sm o d u l a t e d t h e nt h ei n v e r t e rc a nb e c o n t r o l l e dw e l l t h ec i r c u i tl a y e rc o n t r o l p r i n c i p l e sa n dh i g h e rl a y e ra l g o r i t h m so fs y s t e m o p t i m i z a t i o no fv s lw e r es t u d i e di nt h i sp a p e r a n dan e wm e t h o df o rs v p w mb a s e d o n6 0 。c o o r d i n a t es y s t e mi sp r e s e n t e d t h i sm e t h o da d j u s t st h ew o r k i n gt i m eo f p o s i t i v ea n dn e g a t i v es m a l lv e c t o r sb yc h a n g i n gt h ev o l t a g ea d j u s t i n gc o e f f i c i e n t a c c o r d i n gt od i r e c t i o no fl o a dc u r r e n ta n dv o l t a g ev a l u eo fc a p a c i t a n c e ，a n dt h i sl e a d s t or e d u c i n gu n b a l a n c el e v e lo fn e u t r a l p o i n tv o l t a g eb e t w e e nc a p a c i t a n c e s l a s tah y b r i dc i r c u i to fav s ia n dac s l w a sp r e s e n t e d t h er e s u l t a n ti n v e r t e r p o s s e s s e san u m b e ro fm e r i t sf r o mb o t ht h ec o n s t i t u e n tc o n v e r t e r s o p e r a t i n g p r i n c i p l e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h eh y b r i di n v e r t e ri si l l u s t r a t e dw i t hr e s u l t so f e x p e r i m e n t a lp r o t o t y p e k e y w o r d s ：p w m ，v s i ，c s i ，r e s u l t a n ti n v e r t e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得：墨洼盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 工0 及签字日期：细， 年月碍日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 工喜灸 签字日期：舢，年月中日 导师弛涛 签字日期：7 晔日 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 二十一世纪是能源开发、资源利用与环境保护相互协调发展的世纪。在这个 世纪里，具有世界三大能源之称的石油、天然气和煤将逐渐被耗尽，氢能源与再 生能源将成为人类使用的主体能源，这种能源变迁将迫使发电方式产生一次重大 变革，具有高效、环保的燃料电池发电方式将成为主体发电方式。燃料电池输出 的是直流电，必须采用逆交技术将直流电能逆变成交流电能供给负载【l 】。 逆变技术是一种高效节能技术，利用逆变器的电动机调速节能，是节能的一 大重点。发展推广电动汽车，是改善大气环境的重要措施。利用燃料电池、风能、 太阳能、潮汐能、地热能等绿色能源发电，可以避免火力发电带来的严重污染。 将市电电源交流电能变换成直流电能存贮起来，然后在需要时再将直流电能逆变 成交流电能供负载使用，均与逆变技术直接相关。逆变技术提供的无功功率补偿 器和电力有源滤波器，在市电电源环境和电磁环境保护方面，都起到了相当大的 作用。 随着电力电子技术的高速发展，大量高功率开关器件相继出现，可以满足各 行各业对逆变技术的需求，逆变技术的应用领域越来越广泛【2 训。 ( 1 ) 交流电动机的变频调速 运用逆变技术将市电电网电压变换成电压和频率均可调节的交流电，对交流 电动机进行无级调速。变频调速技术在许多场合有广泛应用，如机床、风机、机 车牵引、电梯、空调等的控制。 ( 2 ) 新能源的开发和利用 目前，主要能源是煤、石油和天然气等，但这些能源日趋紧张，许多国家都 在进行新能源的开发和利用，如太阳能发电、风力发电、潮汐发电等。一般情况 下，这些发电设备输出的是直流电( 或者是不稳定的交流电，输出前变换成直流 电) ，运用逆变技术将其变换成5 0 h z 的交流电，直接提供给用电设备，或并入 市电电网。 ( 3 ) 提高市电电网的供电质量 随着国民经济的高速发展，供电质量日趋恶化，利用有源滤波器和交流电网 净化装置，可以大大改善市电电网的供电质量。有源滤波器和交流电网净化装置 是运用逆变技术来消除谐波和对无功分量进行补偿，以净化市电电网。 第一章绪论 ( 4 ) 不间断电源( u p s ) 大到某些系统工程，小到单台计算机，均需要不间断电源( u p s ) 的支持。 u p s 主要由蓄电池和逆变器组成。逆变器具有能量双向传输功能，在市电电网正 常供电时，逆变器工作于整流状态，给蓄电池充电。在市电电网断电的情况下， 逆变器工作于逆变状态，给用电设备提供5 0 h z 的交流电。 ( 5 ) 开关稳压电源和专用电源 传统的调整型直流稳压电源性能较好，但笨重且效率低。开关稳压电源是利 用逆变技术实现l f a c d c h f a c d c 的变换，得到稳定的直流输出。开关稳压 电源有良好的稳压性能，体积小、重量轻。 在电镀、蒸发镀膜、离子镀膜、静电喷涂、刷镀等表面工程领域广泛应用逆 变式开关电源。 对水、空气进行消毒除尘所用的臭氧发生器、超声波发生器和高压静电除尘 器中的电源均使用了逆变技术。 ( 6 ) 产生和利用电磁场 利用逆变技术产生交流电，进而产生交变磁场，金属在交变磁场中产生涡流 而发热，金属被加热。如高频和中频加热炉、电磁炉等。 磁悬浮列车是利用高尖技术产生一种磁场，使列车车轮和铁轨不完全接触， 减小摩擦，提高牵引效率，其中就利用了逆变技术。 ( 7 ) 电子镇流器 负阻性气体放电灯利用节能的电子镇流器，构成了“绿色照明”的新兴产业。 电子镇流器采用逆变技术实现负阻性气体放电灯的镇流，具有无频闪、效率高、 可调光、体积小、重量轻等优点。 ( 8 ) 家用电器 逆变技术用于家用电器，可以做到节能和改善性能。如平板电视、家用计算 机、微波炉、变频空调、电磁炉等均采用了逆变技术。 逆变技术的应用领域十分广泛，除上面介绍的几点外，逆变技术还可应用于 电力电子、航空、航天、化工、工业控制、机器人、军工等众多领域。 由此可以看出研究逆变技术对科技发展和社会进步都有着很重要的作用，所 以逆变技术的研究已经成为了全世界的热点。 1 2 逆变器的定义分类及主要技术指标 电能变换的类型有四种【5 】： ( 1 ) d c d c 变换器，它是将一种直流电能变换为另一种直流电能的变换器； 第一章绪论 ( 2 ) d c a c 变换器，它是将直流电能变换为交流电能的变换器，通常被称 为逆变器； ( 3 ) a c a c 变换器，它是将一种交流电能变换成为另外一种交流电能的变 流器； ( 4 ) a c d c 变换器，它是将交流电能变换为直流电能的变换器，通常被称 为整流器。 其关系如图1 1 所示 图1 1电能交换的四种类型 所以逆变器就是通过控制半导体功率开关的开通和关断作用，把直流电能转 变成交流电能的一种变换装置，是整流变换的逆过程【6 】【7 1 。 逆变器及逆变技术按输出波型，主电路拓扑结构、输出相数等方式来分类， 有多种逆变器，具体如下： ， f 方波逆变器 按输出电压波形分类： 正弦波逆变器 i 阶梯波逆变器 按输出交流电相数分类： f 单相逆变器 三相逆变器 i 多相逆变器 按输入直流电源性质分类： ( 量蒙鋈篓薹萋萎 按主电路拓扑结构分类： f 推挽逆变器 半桥逆变器 i 全桥逆变器 第一章绪论 按功率流动方向分类： 按负载是否有源分类： 按直流环节特性分类： 按输出交流电的频率分类： 呈纂篓羹 f 低频逆变器 l 高频逆变器 逆变器的主要技术指标如下i s 。 ( 1 ) 输入电压u ：逆变器直流输入电压的范围，它取决于功率开关管工作 时所能承受的最高电压( 包括功率开光管关断时所产生的过冲电压) 和逆变器的 输出电压范围； ( 2 ) 输出电压配：逆变器工作在额定输入电压时，交流输出电压的有效值； ( 3 ) 额定输出功率只：逆变器正常工作时，所能提供的最大输出功率； ( 4 ) 变换效率，7 ：逆变器的交流输出功率与直流输入功率之比； ( 5 ) 输出电压频率：逆变器的交流输出电压的重复频率； ( 6 ) 谐波因数i - i f ( h a r m o n i cf a c t o r ) ：逆变器的交流输出电流的某次谐波 分量有效值与基波分量有效值之比，第刀次谐波分量的谐波因数职可以写为： h f = 厶厶 ( 1 - 1 ) 式中厶交流输出电流的刀次谐波分量有效值； 交流输出电流的基波分量有效值。 ( 7 ) 总谐波畸变度t h d ( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ) - 逆变器交流输出各次 谐波分量的有效值与基波分量的有效值之比，即 t h d =( 1 2 ) 式中1 1 厶，厶，厶为基波分量与各次谐波分量的有效值。t h d 表明逆变器交流输 出的实际波形与其基波分量接近的程度。理想正弦波的t h d 应该为零。若逆变 4 器器变变 器器 器器 逆逆 变变 变变 节节 逆逆 逆逆 环环 向向 源源 频频 单双 有无 低高 第一章绪论 器的交流输出并入市电网，t h d 用来衡量谐波对市电电网的污染程度。 ( 8 ) 畸变因数d f ( d i s t o r t i o nf a c t o r ) ：某次谐波分量对波形畸变的贡献， 即 d f 2 者( 五+ 五+ + ) 1 - 3 ) 对于第刀次谐波来说，其畸变因数魍为 2 者 a 。4 ) ( 9 ) 功率因数以：有功功率与视在功率之比，即 厂= 二坠 ( 1 5 ) o p p 式中乓逆变器输出的有功功率； 乞逆变器输出的视在功率。 有功功率足为 乞= u , c o s g ( 1 - 6 ) 式中口逆变器的输出电压； 口逆变器的输出电流基波分量有效值五滞后输出电压既的相位角。 视在功率圪为 乞= u 1 = u 矸+ 露+ 鬈+ + e ( 1 - 7 ) 所以 2 名e a c = 争c o s 口= 丽1 c o s 口 ( 1 - 8 ) 从式( 1 2 ) 和式( 1 8 ) 可以看出，抑制谐波分量n - - i p a 减小t h d 和提高无。式 ( 1 8 ) 中，五是基波电流的相对值( 以电流有效值为基值) ，c o s 称为位移 因数( d i s p l a c e m e n tf a c t o r ) 。式( 1 8 ) 表明功率因数无是基波电流相对值和位 移因数的乘积。 ( 1 0 ) 最低次谐波l o h ( l o w e r - o r d e rh a r m o n i c ) ：与基波频率最接近的谐波。 1 3 逆变技术的发展过程及现状 1 3 1 逆变器的发展过程 逆变器的原理早在1 9 3 1 年就在有关文献中提到过，1 9 4 8 年，美国西屋电气 公司( w e s t i n g h o u s e ) 用汞弧整流器制成了3 0 0 0 h z 的感应加热用逆变器1 1 。 第一章绪论 1 9 4 7 年，第一只晶体管诞生，固态电力电子学随之诞生。1 9 5 6 年，第一只 晶闸管问世，标志着电力电子学的诞生，并开始进入传统发展时期。在这个时期， 逆变器( 逆变) 继整流器( 顺变) 之后开始发展。首先出现的是s c r 电压型逆 变器，1 9 6 1 年，w m c m u r r a y 与b d b e d f o r d 提出了改进型强迫换向式逆变器， 为当时s c r 逆变器的发展奠定了基础。1 9 6 0 年以后，人们注意到改善逆变器输 出电压波形的重要性，并开始进行研究。1 9 6 2 年，a k e m i c k 提出了“谐波中和 消除法”，即后来常用的“多重叠加法”，标志着正弦波逆变器的诞生。1 9 6 3 年， f g t u m b u l l 提出了“消除特定谐波法”，为后来的优化p w m 法奠定了基础，以 实现特定的优化目标，如谐波最小、效率最优、转距脉动最小等。 2 0 世纪7 0 年代后期，可关断晶闸管g t o 、电力晶体管g t r 及其模块相继 实用化。2 0 世纪8 0 年代以来，电力电子技术与微电子技术相结合，产生了各种 高频化的全控开关器件，并得到了迅速发展，如功率场效应管p o w e rm o s f e t 、 绝缘门晶体管i g t 或i g b t 、静电感应晶体管s i t 、静电感应晶闸管s i t h 、场控 晶闸管m c t ，以及m o s 晶体管m g t 等。这就使电力电子技术由传统发展时期 进入到高频化时期。在这个时期，具有小型化和高性能特点的新型逆变技术层出 不穷，特别是脉宽调制波形改善技术得到了飞速的发展【1 2 1 4 1 。 l9 6 4 年，由a s c h o n u n g 和h s t e m m l e r 提出的把通信系统调制技术应用到逆 变技术中的正弦波脉宽调制技术( s i n u s o d a p w m ，s p w m ) ，由于当时开关器件 的速度慢而未得到及时推广，直到1 9 7 5 年才由b r i s t o l 大学的s r b o w e s 等人把 s p w m 技术正式应用到逆变技术达到了一个新的高度。此后，各种不同的p w m 技术相继出现，如注入三次谐波的p w m 、空间向量调制s v m 、随机p w m 、电 流滞环p w m 等，成为高速开关器件逆变器的主导控制方式。至此，正弦波逆变 技术的发展已经基本完善。 一般认为，逆变技术的发展可以分成如下三个阶段【1 5 l ： 1 9 5 6 - - 1 9 8 0 年为传统发展阶段，这个阶段的特点是，开关器件以低速器件为 主，逆变器的开关频率较低，输出电压波形改善以多重叠加法为主，体积重量较 大，逆变效率较低，正弦波逆变技术开始出现； 1 9 8 1 - 2 0 0 0 年为高频化新技术阶段，这个阶段的特点是，开关器件以高速器 件为主，逆变器的开关频率较高，波形改善以p w m 为主，体积重量小，逆变效 率高，正弦波逆变技术的发展日趋完善； 2 0 0 0 年至今为高效低污染阶段，这个阶段的特点是以逆变器的综合性能为 主，低速与高速开关器件并用，多重叠加法与p w m 法并用，不再偏向追求高速 开关器件与高开关频率，高效环保的逆变技术开始出现。 6 第一章绪论 1 3 2 国内外对逆变器的研究现状 在当今的p w m 逆变器中，输出变压器和交流滤波器的体积重量占主要部 分。为了减小输出变压器和交流滤波器的体积重量、提高逆变器的功率密度，高 频化仍然是主要发展方向之一，如提高s p w m 逆变器的开关频率、采用交流传 动用变频器的内高频环( h i g hf r e q u e n c yl i n k ) 等。提高s p w m 逆变器开关频率 可以减小交流滤波器的体积重量，内高频环可以减小变压器的体积重量。但逆变 器的高频化也存在一些问题，如使开关损耗增加、电磁干扰增大。此外，导体的 集肤效应与邻近效应，电容的e s r 及磁元件的寄生参数等问题都需要解决，其 中最主要的就是开关损耗和电磁干扰问题。解决这些问题最有效的办法有两个， 一个是提高开关器件的速度，二是用谐振或准谐振的方式使逆变器的开关工作在 软开关状态。这就促使人们对谐振的研究产生了兴趣。1 9 7 0 年，f c s c h w a r z 提 出了电流谐振技术；1 9 7 5 年，n o s o k a l 提出了电压谐振技术，这两项技术都是 用l c 与开关器件共同组成一个串联或者并联谐振回路，利用回路在一个开关周 期中的全谐振使器件工作在零电流转换( 并联谐振) 或者零电压转换( 串联谐振) 的软开关状态，从而把开关损耗减4 , n 零。这就是最早的软开关方式。这种方式 虽然有效，但是它不能按照p w m 方式工作。2 0 世纪8 0 年代初，美国弗吉尼亚 电子技术中心( v p e c ) 对谐振技术进行了改进，提出了准谐振变换技术，即把 l c 回路在一个开关周期中的全谐振改成半谐振或者部分谐振，这才使得软开关 技术与p w m 技术的结合成为可能。由此掀起了一场准谐振变换器热，并在 d c d c 变换器中普遍使用。在此基础上，美国威斯康星( w i s c o n s i n ) 大学的 d m d i v a n 教授于1 9 8 6 年提出了直流谐振环软开关逆变技术；次年，o d p a t t e r s o n 和d m d i v a n 教授又提出了伪谐振支路( p s e u d o r e s o n a n tp o l e ) 软开关技术，受 到了电力电子学界的普遍关注，d m d i v a n 教授也因提出这项新技术而获得了 i e e e 工业应用分支优秀论文一等奖。此后，掀起了全球性研究软开关逆变技术 的热潮( i 6 】f 1 7 1 。 软开关逆变技术研究的最终目的，是实现p w m 软开关技术，也就是将软开 关技术引进到p w m 逆变器中，使它既能保持原来p w m 调制的优点，又能实现 软开关工作。为此，必须把l c 与开关器件组成一个谐振网络，使p w m 逆变器 只有在开关转换过程中才产生谐振，实现软开关转换，平时则不谐振，以保持 p w m 逆变器的特点。 p w m 软开关逆变技术是当今电力电子学领域最活跃的研究内容之一，是实 现电力电子技术高频化的最佳途径，也是一项理论性很强的研究工作。它的研究 对于逆变器性能的提高和进一步的推广应用，以及对电力电子学技术的发展，都 第一章绪论 有着十分重要的意义，是当前逆变器的发展方向之一。但在这里必须指出，软开 关并不是完全没有损耗，它只是减少了一些损耗，或是把开关器件本身的一部分 或者大部分开关损耗转移到了为实现软开关而附加的谐振电路的谐振元件上【l 引。 上述p w m 高频软开关技术产生的背景是为了克服传统逆变器的输出波形 差，具有较高的d u d t 和d i l d t ，以及由此而产生的开关应力和电磁干扰 ( e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，e m i ) 较大的缺点。在相同背景下，a k i r a 和n a b a e 等人针对大功率逆变器开关器件速度低的缺点，提出了多电平逆变器技术，成为 当前高压大功率逆变器的一个发展方向。与p w m 高频软开关技术的思路相反， 多电平逆变技术的出发点是通过对主逆变电路的结构进行改造，使所有逆变开关 都工作在基频或者低频，以达到减小开关应力、改善输出电压或电流波形的目的。 当今社会，逆变技术正在各行各业发展着越来越重要的作用，尤其是以下几 个方面，更有着其独特的历史使命【1 9 1 ( 1 ) 改善电能质量； ( 2 ) 高效节能； ( 3 ) 绿色环保； ( 4 ) 提高抗电磁干扰的能力。 1 4 本课题的研究内容和选题意义 随着国民经济的高速发展和国内外能源供应的紧张，电能的开发和利用显得 更为重要。目前，国内外都在大力开发新能源，如太阳能发电、风力发电、潮汐 发电等。一般情况下，这些新型发电装置输出不稳定的直流电，不能直接提供给 需要交流电的用户使用。为此，需要将直流电变换成交流电，需要时可并入市电 电网，这种d c a c 变换需要逆变技术来完成【2 0 】。 本文对电流源型逆变器和电压源型逆变器的特点和工作方式分别进行了研 究，然后对于电流源型逆变器采取电荷控制调制方法，对电压源型逆变器采用一 种新的基于6 0 。坐标转换的空间矢量脉宽调制方法。最后根据电压源型逆变器和 电流源型逆变器各自的特点，以及两者之间的联系和区别，尝试将两种逆变电路 结合起来，组成一种混合型逆变器，以期能够体现出与单独的使用c s i 或v s i 不同的控制优势。 本文用五章来论述： 第一章主要介绍了逆变器的研究背景、国内外的研究现状，以及逆变技术未 来的发展方向。 第一章绪论 第二章主要介绍了电流源型逆变器的基本工作准则，分析了电荷调制方法在 电流源型逆变器中的使用，最后通过仿真进行进步的探索。 第三章首先了介绍了电压源型逆变器和电流源型逆变器的对偶关系，然后对 电压源型逆变器基本工作准则进行了分析，并对空间矢量脉冲调制方法进行了研 究，最后通过仿真论证了方法的有效性及可行性。 第四章首先对电压源型逆变器和电流源型逆变器的特点进行了对比，然后尝 试将两种逆变器结合使用，以期达到更好的控制效果。在这章中，详细分析了这 种设想的可能性，最后也是通过仿真进行论证。 9 第二章电流源型逆变器的控制策略研究 第二章电流源型逆变器的控制策略研究 要实现电流源型逆变器的控制，必须根据有功和无功功率输出的要求，确定 逆变器所要输出电流的幅值、相位和频率。本章首先介绍了电流源型逆变器的定 义和特点，然后对其基本工作原理和逆变电路进行了分析，在此基础上推导出了 逆变器输出电流的幅值、相位参考值的确定方法。最后通过仿真，验证了电荷控 制方法在电流源型逆变器控制中所起的作用。 2 1 电流源型逆变器的基本工作准则 2 1 1 电流源型逆变器的定义和特点 理想的逆变器，从直流交到交流的功率总是一定的，没有脉动，直流电压波 形和电流波形中也不应该产生脉动。但在逆变器的实际电路中，因为逆变器的脉 动数等有限制，因而逆变器功率p 是脉动的。当逆变器的逆变功率p 的脉动波形 由直流电压来体现时，就称之为电流源型逆变器，如图2 1 所示，其直流电源即 为恒流源【2 。 图2 - 1 电流源型逆交器 电流源型逆变器的特点是： ( 1 ) 直流电源侧串联有较大的直流滤波电感厶： ( 2 ) 当负载功率因数变化时，交流输出电流的波形不变，即交流输出电流 1 0 第二章电流源型逆变器的控制策略研究 的波形与负载无关，交流输出电流的波形，通过逆变开关的动作，被直流电源电 感稳流成方波； ( 3 ) 在逆变器中，与逆变开关串联有反向阻断二极管v d , v d 6 ，而没有反 馈二极管，所以在逆变器中必须有释放换相时积蓄在负载电感中的能量的电路 ( 通常使用并联电容来吸收一部分能量) ； ( 4 ) 输出电压的相位随着负载功率因数的变化而变化，换相是在两个相邻 相之间进行的； ( 5 ) 可以通过控制输出电流的幅值和波形来控制其输出电流。 2 1 2 电流源型逆变器的工作过程分析 电流源型逆变器早期多半是选用晶闸管作为功率开关器件，本节就以晶闸管 电流源型逆变器作为例子进行分析。采用g t r 、m o s f e t 、i g b t 等大功率开关 器件的电流源型逆变器的电路结构和工作原理与晶闸管电流源型逆变器相同【2 2 】。 晶闸管电流源型逆变器的原理如图2 2 所示，电路中的电感l 很大，输入电 流i 可以认定为恒值。在一个周期内，每隔6 0 。触发一个晶闸管，触发的顺序为 s c r ，s c r s c r 。若控制角6 0 。 s 时，选择让逆变器输出零矢量更为合理。 ( 2 ) 当鲸 一占时，表明平均输出电流矢量在幅值上小于参考值k 。在这 种情况下，需要电流源逆变器输出一个与参考矢量b 方向接近的有效矢量。如 果同时考虑q 口，的符号，可以更有效地选择输出电流矢量。当鲰 0 时，表明平均输出电流矢量不仅在幅值上小于参考矢量k ，而且在相 位上超前参考矢量k 。在这种情况下，应该选择所有滞后于b 的有效矢量中 最靠近i c s i 的电流矢量。相反地，当鲸 - - g 且q q ， g 时，表明平均输出矢量在相位上超前于参考值b 。在这种情 况下，需要逆变器输出一个滞后于参考矢量。，的有效矢量。在这种情况下，可 以选择滞后于当前输出矢量6 0 。的有效矢量作为逆变器下一时刻的输出矢量。 ( 4 ) 类似地，当q ， s 时，选择令c s i 输出零矢量而不是与输出与荜。，方向近似相反的有效矢量的另一 个原因。 为了避免上述错误发生，本文的研究中采取了下面的编程手段：根据电流源 型逆变器的六个有效电流矢量，将d q 坐标系复平面分为六个扇形区域。为每 个区域独立编写一套算法，保证输出电流矢量与参考电流矢量樯的相位差始终 在+ 6 0 。之内。 2 3 系统仿真研究 在本章中，采用m a t l a b s i m u l i n k 仿真环境进行仿真实验。在仿真实验中， 对本节所讨论的电流源型逆变器的并网控制方法进行了实验和验证。下面选取实 验中典型电路及实验波形进行说明。 图2 7 是电流源型逆变器的s i m u l i n k 仿真电路图，其负载为阻感性负载。 u 图2 - 7电流源型逆变器的仿真电路 第一章电流源型逆变嚣的控制策略研究 曩曩雹墨昆囊墨曩 图2 - 8 是采用电荷控制调制方法获得的逆变器开关函数。开关函数的频率 可以通过在调制方法中改变电荷偏差的容许范围5 进行调整。 圈2 9 电流源型逆变嚣的输出电流波形 图2 - 9 是电流源型逆变器输出的电流波形，可以看出，每相相位之问均为相 差三分之一个周期。 第二章电流源型逆变器的控制策略研究 t s 图2 1 0 传统型p w m 电流源型逆变器输出的电压波形 图2 1 0 是利用传统p w m 控制电流源型逆变器在输出端的电压波形，可以 看出控制效果并不太好。 t s 图2 1 l 应用电荷控制法输出的电压波形 2 0 第二章电流源型逆变器的控制策略研究 图2 1 1 是在传统p w m 控制方法的基础上，加入电荷控制方法后，电流源 型逆变器输出的电压波形。可以看出，其控制效果较传统方法有了明显的改善， 在相同负载下，脉动明显降低。 2 4 本章小结 本章首先给出了电流源型逆变器( c s i ) 的定义，介绍了电流源型逆变器的 电路特点和基本运行准则。然后对传统的p w m 控制方式进行了一定的介绍，在 此基础上，详细描述了c s i 的电荷控制调制方法。 最后，通过仿真实验对电流源型的控制策略进行了验证，对逆变控制电路的 特点也有了进一步的认识。通过最后的仿真实验我们可以看出传统的调制方法的 效果并不是很完美，通过改进的电荷控制调制方法，控制效果有了明显的改善， 输出波形达到了更好的效果。并且电荷控制调制方法受直流环节电流纹波影响 小，输出波形到达稳态速度快，而且不会产生固定频率的高次谐波，大大降低了 发生谐振的可能性。 第三章电压源型逆变器的控制策略研究 第三章电压源型逆变器的控制策略研究 本章首先对电压源型逆变器和电流源型逆变器的基本特点进行了对比，然后 介绍了电压源型逆变器的基本工作原理，在此基础上推导出了逆变器输出电流的 幅值、相位参考值的确定方法。最后详细的介绍了电压源型逆变器的空间矢量脉 宽调制方法，并进行了仿真研究。 3 1 电压源型逆变器和电流源型逆变器的对偶关系 下图是电压源型逆变器( v s i ) 和电流源型逆变器( c s i ) 的拓扑结构图 e_ 工cb v $ i c s i 图3 1电压源型逆变器( v s i ) 和电流源型逆变器( c s i ) 的拓扑结构 从电路的结构上看，c s i 和v s i 有一定的对偶关系，这首先体现在二者的直 流环节上。c s i 的直流环节串有大电感，直流环节电流不能突变，呈现电流源特 性。在电机拖动中应用的c s i 通常采用电流闭环的可控整流器，维持直流环节电 流的稳定。而对于v s i ，采用更简单的不可控整流器就能获得稳定的直流电压源。 相比较而言，这是c s i 应用的一个弱点。 由于c s i 中电力电子器件中的电流始终是单向流动的，因此没有必要为电力 电子器件反并联二极管。为了实现p w m 运行，在c s i 中采用全控型器件是必要 的。 当c s i 负载为阻感性时，c s i 输出端所并联的交流电容也是实现p w m 运行 的一个必要条件【2 引。这些电容在c s i 进行p w m 运行时的作用包括： ( 1 ) c s i 输出的电流脉冲中除基波成分外，还有大量的高次谐波成分。c s i 输出端的电容为高次谐波提供通路，使流经负载的高次谐波大大减少。 第三章电压源型逆变器的控制策略研究 ( 2 ) 当c s i 某一相桥臂中的电力电子器件需要全部关断时，这一相的负载可 以通过并联的电容进行续流，从而降低电力电子器件关断时的盛协，缩短关断 时间。 通过分析c s i 输出端电容的作用，我们可以看出，在考虑c s i 和v s i 之间的 对偶关系时，还应该考虑逆变器不同负载之间的对偶：v s i 可以直接带阻感性负 载进行p w m 运行，而c s i 要带阻感性负载进行p w m 运行，必须在输出端并联 电容器。 3 2 电压源型逆变器的基本工作准则 3 2 。1 电压源型逆变器的定义和特点 理想的逆变器，从直流变到交流的功率总是一定的，没有脉动，直流电压波 形和电流波形中也不应该产生脉动。但在逆变器的实际电路中，因为逆变器的脉 动数等有限制，因而逆变器功率p 是脉动的。当逆变器的逆变功率p 的脉动波形 由直流电流来体现时，就称之为电压源型逆变器，如图3 2 所示，其直流电源即 为恒压源。 图3 - 2电压源型逆变器 电压源型逆变器的特点是： ( 1 ) 逆变器直流电源侧有较大的直流滤波电容e ； ( 2 ) 当负载功率因数变化时，交流输出电压的波形不变，即交流输出电压 的波形与负载无关。交流输出电压的波形，通过逆变开关的动作被直流电源电容 e 上的电压钳位成方波； ( 3 ) 在逆变器中，与逆变开关并联有反馈二极管喝一吼，交流电压与负 第三章电压源型逆变器的控制策略研究 载无关，是方波； ( 4 ) 输出电流的相位随着负载功率因数的变化而变化，换流是在同桥臂开 关管之间进行的； ( 5 ) 可以通过控制输出电压的幅值和波形来控制其输出电压。 3 2 2 电压源型逆变器的工作过程分析 电压源型逆变器根据输出相数可以分为单相逆变器和三相逆变器。其中单相 逆变器，由于受到功率器件容量、零线( 中性线) 电流、电网负载平衡要求和用 电负载的性质( 如三相交流异步电动机等) 的限制，单相逆变器容量一般都在 1 0 0 k v a 以下，大容量的逆变电路多采用三相形式。 下面重点介绍三相电压源型逆变器。 图3 3 三相电压源型逆变器电路原理图 图3 3 所示为三相电压源型逆变器的基本电路。图中标出了电压源的中性点， 在大部分应用中并不需要该中性点。s 瓯采用g t o 、g t r 、i g b t 、m o s f e t 等自关断器件，日d 6 是与s 疋反并联的二极管，其作用是为感性负载提供续 流回路，图中三和r 为负载相电感和相电阻。 在图2 3 中，开关器件墨最使用开关频率较低时，一般适宜作0 - - 4 0 0 h z 方 波逆变，与其反并联的续流二极管，可采用普通整流二极管。在该电路中，当控 制信号为三相互差1 2 0 。的方波信号时，可以控制每个开关导通1 8 0 。( 1 8 0 。导电型) 或1 2 0 。( 1 2 0 。导电型) 。相邻两个功率元件的导通时间互差6 0 。 ( 1 ) 1 8 0 。导电型 2 4 第三章电压源型逆变器的控制策略研究 图3 4 三相电压型方波逆变器驱动波形 由图3 4 可见，逆变桥中3 个桥臂上部和下部开关元件以18 0 。间隔交替开通和 关断，s 足以6 0 。的相位差依次开通和关断，在逆变器输出端形成口、b 、c 三 相电压。逆变输出电压波形与电路接法和“导通型有关，但不受负载影响。 在0 c o t 1 r 3 期间，开关器件s 和文及& 被施加正向驱动脉冲而导通，负 载电流经s 和& 被送到c i 和c 相绕组，然后经b 相负载和开关最流回电源。在 耐= 万3 时刻，& 的驱动脉冲下降到零电平，& 迅速关断，由于感性负载电流 不能突变，c 相电流将由与& 反并联的二极管b 提供，e 相负载电压被钳位到零 电位，其他两相电流通路不变。当& 被关断时，不能立即导通s ，以防止& 没 完全关断而出现同一桥臂的两个元件& 、s 同时导通而造成短路，必须保证有 一段时间r ，在该时间内同一桥臂的两个元件都不通，称之为死区时间或互锁延 迟时间。经互锁延迟时间丁后，与& 同一桥臂的下部元件s ，被施加正向驱动脉 冲而导通。当及中续流结束时( 续流时间取决于负载电感和电阻值) ，c 相电流 反向经s 流回电源。此时负载电流由电源送出，经s 和口相负载，然后分流到b 相和c 相负载，分别经& 和s 流回电源。 在m t = 2 7 r 3 时刻，最的驱动脉冲由高电平下降到零时最关断，b 相电流由 皿续流。鼠关断后经互锁延迟时间丁，同一桥臂上部元件最被施加正向驱动脉 冲而导通。当续流结束时，b 相电流改变方向由& 流入b 相负载，此时电流由电 源送出，经s 和s 及口、b 相负载汇流到c 相。由此，可以分析整个周期中各管 乳 o 是 o s o & o s o & o 第三章电压源型逆变器的控制策略研究 的运行工况。 理想情况下，每个开关元件和与其反并联的二极管承受的电压为直流电源电 压u ，电流为各相负载电流。但由于线路分布电感和功率器件结电容及二极管的 反向恢复特性