（电力系统及其自动化专业论文）逆变器输出滤波器设计及电感分析研究.pdf

t h ed e s i g no fi n v e r t e r so u t p u tf i l t e r a n dr e s e a r c ho nt h ei n d u c t o r b y t a nl i p i n g b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 0 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g i n e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n da u t o m a t i o n i n c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rl ix i a o s o n g a p r i l ，2 0 1 1 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标明的内容外，本论文不包括其他 个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的 个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名： 日期：切l f 年够月哆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手 段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服 务。 本学位论文属于 1 、保密口，在 2 、不保密团。 年解密后适用本授权书。 ( 请在以上相应的方框内打“”) 作者签名：裤嘲 日期：训年矿 跏獬。而眯 y j | lf 日期q ，年5 月易同 ， 月2 垆 摘要 随着新能源的不断开发和分布式发电系统的推广以及不间断电源 ( u p s ) 的应用，作为它们核心技术的逆变器开始受到关注。但是由于逆变 器固有的特性，导致其输出电压中含有较多的高次谐波分量。如何减少 逆变器中的输出谐波含量，这一直是逆变器研究的热点问题。除了从逆 变器本身上来进行优化以外，就是l c 滤波。在l c 滤波器中，电感是必 不可少的重要元件之一，电感性能的好坏直接影响到滤波的效果。所以 在研究l c 滤波器时，对滤波电感进行分析这也是一个重要的课题。 本文首先论述了逆变器输出端滤波器的研究背景，l c 滤波器的研究 的现状以及存在的难点；介绍了逆变器的原理分类以及应用的范围。并 对单相和三相逆变器进行了详细的谐波分析，该分析内容用m a t l a b 进行了 仿真验证，另外提出了一种基于巴特沃思型传递函数的滤波器设计方法， 并用仿真软件对其进行仿真，证明此滤波器的设计方法可行。最后通过 对磁芯材料的分析，设计了一个环形电感，并通过计算分析得出其相应 的参数。 关键词：逆变器l c 滤波器滤波电感设计m a t l a b 仿真 a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to ft h en e we n e r g y ，d i s t r i b u t e dp o w e r s y s t e m s ，a n dt h ew i d eu s eo fu p s ，a st h e i rc o r et e c h n o l o g yo ft h ei n v e r t e r b e i n g m o r ea n dm o r ea t t e n t i o n b u ti n v e r t e rh a si t so w ni n h e r e n t c h a r a c t e r i s t i c s ，a n dt h eo u t p u tv o l t a g ec o n t a i n sm u c hm o r eh i g hs e c o n d a r y h a r m o n i cc o m p o n e n t h o wt om a k et h ei n v e r t e ro u t p u tv o l t a g ec o n t e n tl e s s h a r m o n i c ，i sb e c o m i n gah o tt o p i c i na d d i t i o nt oo p t i m i z et h ei n v e r t e rf r o m i t sp r i n c i p l e ，a n di n s t a l lt h eo u t p u tl cf i l t e rd e v i c e s oi ti s n e c e s s a r yt o r e s e a r c ht h eo u t p u tt e r m i n a lf i i t e ro ft h ei n v e r t e r i nl cf i l t e r ，i n d u c t a n c ei s o n eo ft h ei n d i s p e n s a b l ea n di m p o r t a n tc o m p o n e n t s ，a n di t sp e r f o r m a n c eh a s t h e d i r e c ti n f l u e n c eo ft h ef i l t e r i n ge f f e c t s oi nr e s e a r c ht h el cf i l t e r ， a n a l y s i so ff i l t e r i n gi n d u c t a n c e s ，i ti sav e r yi m p o r t a n ti s s u e t h i sd i s s e r t a t i o nf i r s td i s c u s s e st h er e s e a r c ho ft h ei n v e r t e r o u t p u t t e r m i n a lf i l t e r ，l cf i l t e rs t a t u so ft h er e s e a r c ha n dt h ed i f f i c u l t i e s t h e s e c o n d c h a p t e rp r e s e n t s t h e p r i n c i p l e o ft h ei n v e r t e r c l a s s i f i c a t i o n ， a p p l i c a t i o ns c o p e t h et h i r dc h a p t e ro fp r e s e n t st h es i n g l e - p h a s e a n d t h r e e p h a s e i n v e r t e r c a r r i e do nt h ed e t a i l e dh a r m o n i c a n a l y s i s ，a n d s i m u l a t e dw i t ht h em a t l a b t h ef o u r t hc h a p t e rp r o p o s e db a s e do nb a r t t r a n s f e rf u n o t i o no ff i l t e r d e s i g nm e t h o d ，a n dt h es i m u l a t i o ns o f t w a r e s i m u l a t i o n ，p r o o ft h i sf i l t e rd e s i g nm e t h o di sf e a s i b l e t h ef i f t hc h a p t e r b a s e do nt h ea n a l y s i so fm a g n e t i cm a t e r i a l s ，d e s i g nal o o pi n d u c t a n c ec o i l ， a n dt h r o u g ha n a l y s in gg e ts o m ep a r a m e n t e r k e yw o r d s ：i n v e r t e r , l cf i l t e r ，f i l t e ri n d u c t o r 目录 摘要。i a b s t r a c t i i 第1 章绪论i 1 1 背景1 1 2 谐波问题及其研究现状2 1 3 谐波抑制的研究现状4 1 4 逆变器输出谐波抑制策略以及存在的难点6 1 5 本文研究的内容及其成果7 第2 章逆变技术简介8 2 1 逆变技术发展的过程与现状8 2 2 逆变技术的应用领域9 2 3 逆变器的分类及主要技术指标10 2 4 脉宽调制的工作原理i1 2 5 并网型逆变技术12 2 6 小结l7 第3 章基于m a t l a b s im u lln k 逆变电路谐波仿真分析1 8 3 1m a t l a b s i m u l i n k 简介l8 3 2 逆变器输出电压波形的技术指标19 3 3 逆变电路输出电压谐波分析一2 0 3 4 小结3i 第4 章逆变器输出滤波器分析与设计3 2 4 1 滤波器介绍3 2 4 2 滤波器设计3 6 4 3 设计实例3 9 4 4 仿真分析及讨论4l 4 5 本章小结4 6 第5 章滤波电感的设计4 7 5 1 磁性材料简介4 1 5 2 电感器设计5 2 5 3 基于p o c o 磁性选型软件核算。5 8 5 4 小结61 第6 章总结和展望6 2 参考文献6 3 j l 受谢6 6 附录a ( 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文) 6 8 第1 章绪论 1 1 背景 随着工业、农业和人民生活水平的不断提高，除了需要电能成倍增长 外，对供电质量及供电可靠性的要求也越来越多，电力质量 ( p o w e r q u a l i t y ) 受到人们的日益重视。逆变技术的出现为解决目前存在 的供电质量问题提供了一种有效的途径。逆变技术的作用是电能质量较 差的电能转变为电能质量较高、能满足用户负载对电压和频率要求的交 流电能。它接在电网与用电设备之间，可以有效的屏蔽电网的各种干扰、 噪音和瞬态变化，为用电设备提供频率和电压稳定、干净、纯正的正弦 交流电源。 由于全球对能源短缺问题的认识不断提高，以及人类环境保护意识的 日益增强，各种利用可再生能源( r e n e w a b l ee n e r g y ) 的发电设备获得了 迅猛的发展。目前，大电网与分布式电网的结合( 如图1 1 ) ，被世界许 多能源和电力专家公认是节省投资，降低能耗、提高电力系统稳定性和 灵活性的主要方式，是2l 世纪电力工业的发展方向。此外，现在世界各 国都在提倡“绿色环保”，而我国电力系统的发电对环境造成了很大的破 坏，采用分布式发电，充分利用各地丰富的“清洁能源”，这对于我国可 持续发展的战略具有重大意义。分布式发电除了采用传统能源，例如水 力、煤炭、石油和原子能外，还广泛采用了新型替代能源。目前公认的 几种常用而且成本较低的系统是风能发电系统、光电池、微型气轮机、 燃料电池。在这些新型分布式发电系统中，电力电子设备在能量的变换 中起到了极其重要的作用。而这些电能转换装置的核心部件是逆变器。 童泣总线1 0 k v 母线 | 霉日 匿卜 图卜1分布式发电系统 但是由于逆变技术本身的原理决定着逆变器的输出含有大量的谐波， 这样将给电网带来很大的污染。因此有必要对s p w m 逆变器的输出端滤波 器进行研究。在滤波器中，电感是不可缺少的重要元件之一，电感性能 的好坏直接影响到滤波的效果。所以在研究滤波器时，有必要研究它普 遍用到的滤波电感。 1 2 谐波问题及其研究现状 理想的的电压或电流应该是工频基波电压或电流，其输出波形是严 格按照正弦规律变化的光滑曲线。谐波是指电压或电流中含有频率高于 工频的成分，谐波伴随着电网的发展而一直存在，但是由于早期的电力 谐波并没有对电能的使用造成危害，谐波问题没有引起人们的关注。随 着随着电力电子技术的飞速发展，各种功率开关器件以及其他非线性负载 得到了广泛应用，这一方面给电能变换带来了方便并提高了变换效率；另 一方面也导致谐波大量注入电网，使谐波对电网的污染日趋严重，电能 质量急剧下降。如何抑制电网谐波，改善电能质量成为近年来研究的热点。 谐波电流和谐波电压对公用电网是一种污染，由谐波引起的各种故 障和事故不断发生，如：湖南涟钢l9 9 8 年7 月，因5 次谐波超标，导致 豹南山l l0 k v 变电站停电16 小时；由于电气化铁路产生的负序电流和谐 波电流的影响，郑州电网继电保护误动，致使京广线中断数小时。因此， 谐波危害的严重性已引起了人们的高度重视。谐波电流、电压对电力系 统和用户的影响及危害，概括起来，大致有以下几个方面。 ( 1 ) 谐波对公用电网的污染 谐波对公用电网波形的污染使电能质量恶化，如果公用电网的谐 波特别严重，则不但使接入该电网的用电设备无法正常工作，甚至会造 成故障，使电网供电中断。 ( 2 ) 谐波对电力电子设备的危害 a 、谐波电流注入变压器，尤其是其中的3 次以及3 的倍数次谐波侵 入三角形连接的变压器时，会在其绕组中形成环流，使绕组发热。这样 将使得变压器的铜耗和铁耗增多，噪声增大。 b 、谐波将会加速电容器老化，由于电容器对电力谐波阻抗很小，谐波 电流叠加在电容器的基波上，使电容器电流变大、温度升高、损耗系数增 大、附加损耗增加，从而缩短电容器的使用寿命。严重时将引起电容器过 负荷甚至爆炸，影响电力系统安全运行。 c 、谐波对旋转电机来说，将会增加附加损耗。国际上一般认为电动 机在正常持续运行条件下，电网中负序电压不超过额定电压的2 ，如果 电网中谐波电压折算成等值基波负序电压大于这个数值，则附加功耗明 显增加。其次谐波还会引起电机发热、产生机械振动和噪声增大。 d 、谐波将增加输电线路功耗、易使电缆线路产生谐振过电压击穿绝 2 缘而损坏如果电网中含有高次谐波电流，那么，高次谐波电流会使输电 线路功耗增加。如果输电线是电缆线路，与架空线路相比，电缆线路对 地电容要大l0 2 0 倍，而感抗仅为其l 3 l 2 ，所以很容易形成谐波谐 振，造成绝缘击穿。 ( 3 ) 谐波将会影响继电保护和自动装置动作的可靠性。谐波干扰叠 加到极低的整定值上，则可能会引起负序保护装置的误动作，影响电力 系统安全。同时谐波谐波还会使电气测量仪表计量不准确。 ( 4 ) 谐波干扰通信系统的工作。电力线路上流过的3 、5 、7 、1 l 等幅值较大的奇次低频谐波电流通过磁场耦合，在邻近电力线的通信线 路中产生干扰电压，干扰通信系统的工作，影响通信线路通话的清晰度， 而且在谐波和基波的共同作用下，触发电话铃响，甚至在极端情况下， 还会威胁通信设备和人员的安全。 ( 5 ) 谐波对i t 设备的危害。谐波会使电视机、计算机的图形畸变， 画面亮度发生波动变化，并使机内的元件出现过热，使计算机及数据处 理系统出现错误。 由于谐波给用电设备造成很大的危害，很多国家都制定了限制谐波 的规定和国家标准，国际电工委员会( i e c ) 己于l9 8 8 年开始对谐波限定 提出了明确的要求。美国“i e e e 电子电气工程师协会”于19 9 2 年制定 了谐波限定标准i e e e l0 0 0 。在i e e e s t d 519 19 9 2 标准中明确规定了 计算机或类似设备的谐波电压畸变因数( t h d ) 应在5 以下，而对于医 院、飞机场等关键场所则要求t h d 应低于3 。我国水利电力部也在l9 8 4 年颁发了电力系统谐波管理暂行规定( s d l2 6 8 4 ) ，到19 9 4 年国家标 准g b t l4 5 4 9 9 3 电能质量公用电网谐波正式颁布。 ：电力系统谐波管 理暂行规定规定我国电网中任何一点的电压正弦波形畸变率均不得超 过表1 1 规定的极限值。 表1 1 电网电压正弦波形畸变率极限值 总电j l i 正弦波形各奇、偶次谐波电j k 用户供电电压 畸变牢极限值 正弦波形畸变率极限值( ) ( k v ) ( ) 奇次 偶次 o 38 5 042 0 0 6 或l0 4 o 31 7 5 3 5 或6 33 021 0 0 1 101 5l o 5 0 虽然各种谐波标准都不尽相同，但总的来说都是大同小异，并且所 有标准的都是基于以下三个目的： ( 1 ) 将电力系统电流和电压的畸变控制到允许的水平以内； ( 2 ) 以符合用户需要的电压波形向用户供电； ( 3 ) 不干扰其它系统( 如通讯系统) 的正常工作。 1 3 谐波抑制的研究现状 为了解决逆变器输出谐波的污染问题，其基本方案有两种：一种是 安装谐波补偿装置，对逆变器输出谐波进行有效滤波和补偿。目前，常用 的有无源滤波器、有源滤波器和混合滤波器。另一种是对逆变技术本身 进行研究和改进，使其输出谐波含量少；然而由于s p w m 逆变技术的特 点，只可能做到使输出谐波含量减少或是提高最低次谐波的落点，但不 能从根本上消除输出谐波存在，因而安装滤波器是必选方案。 1 3 1 有源滤波器 有源滤低通电子波器的电原理图如图1 2 。有源滤波器( a c t i v ep o w e r f i l t e r ，缩写为a p f ) 与无源滤波器的主要区别是，有源滤波器中含有有 源器件。滤波回路只有电阻r 、电容c 、和有源器件( 如运算放大器) 。 尼 o - = ) 图1 2有源电子低通滤波器的电原理图 19 71 年日本的m a c h i d a 首先提出了有源滤波器的原始模型”6 。19 7 6 年，美国的西屋电气公司的l g y u g i 提出了用p w m 逆变器结构构成有源 滤波器【46 1 ，确立了当今滤波器的基本结构。19 8 2 年，第一台采用g t o 作为 开关元件的电流源p w m 逆变器构成的有源滤波器( 8 0 0k v a ) 在日本研 制成功并投入使用。进入2 0 世纪8 0 年代后，随着大功率晶体管( g t r ) 、 大功率门极可关断晶闸管( g t o ) 和静电感应晶体管( s i t ) 等各种新型快速 器件的相继问世，p w m 技术的发展以及基于瞬时无功功率理论的谐波电 流瞬时检测方法的提出，都极大地促进了有源滤波技术的发展。 有源滤波器具有高度可控性和快速响应性，其具体特点如下： 4 ( 1 ) 实现了动态补偿，可对频率和大小变化的谐波以及变化的无功功 率进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应。 ( 2 ) 滤波特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的 危险。 ( 3 ) 补偿无功功率时不需要储能元件，补偿谐波时所需要储能元件 容量也不大； ( 4 ) 具有自适应功能，可以自动跟踪补偿变化的谐波，补偿性能不 受电网频率变化的影响。 尽管有源滤波器具有以上的优点，但是同时也存在以下的缺点 ( 1 ) 有源滤波器计算量较大，相应加大了检测过程的延迟时间： ( 2 ) 有源滤波器还难以实现大功率的滤波，并且成本较高。 ( 3 ) 当谐波频率很高时，运算放器开环增益不足，不能满足一般的 有源滤波器的需要。 ( 4 ) 在要求严格的滤波回路中，要求使用调谐电路调整到规定的谐 振点，许多有源滤波电路难以达到要求。 ( 5 ) 有源滤波电路要使用高精度电容与电阻，否则会产生振荡，且 电阻、运放等，会产生热噪声，使得电路的噪声增大。 在我国，直到2 0 世纪8 0 年代末期才有关于有源滤波方面文章的出现， 且论文中所采用的谐波检测方法陈旧，补偿效果不是很理想。进入2 0 世纪 9 0 年代，国内的多所高校和研究机构也加入到了有源滤波器的研究中来， 这方面的工作主要以理论研究和实验为主。总的说来，由于各种条件限制， 我国的有源滤波器的实际应用水平不高，范围不大。 1 3 2 无源滤波器 无源滤波器( p a s s i v ep o w e rf i l t e r ，p p f ) 是由电容器c 、电感器l 和电阻 器r 组成的滤波装置，就其滤波特性可分为低通滤波器、高通滤波器、 带通滤波器。在电力电子装置中，应用较多的无源滤波器为r c 滤波器和 l c 滤波器。 2 0 世纪初年美国和德国科学家分别发明了l c 滤波器，第二年美国第 一个多路复用系统的出现。2 0 世纪5 0 年代无源滤波器日趋成熟。自6 0 年代起由于计算机技术、集成工艺和材料工业的发展，无源滤波器发展 上了一个新台阶，并且朝着低功耗、高精度、小体积、多功能、稳定可 靠和价廉方向努力。其中小体积、多功能、高精度、稳定可靠成为7 0 年 代以后的主攻方向。8 0 年代，致力于各类新型滤波器的研究，努力提高 性能并逐渐扩大应用范围。9 0 年代至现在主要致力于把各类滤波器应用 于各类产品的开发和研制。 无源滤波器由于兼有无功补偿与滤除谐波的双重功能，且因其功率 大、成本低等优势在电力系统中得到了广泛的应用。无源滤波器与有源 滤波器相比具有下述优点： ( 1 ) 由于运算放大器受频带的限制，因而无法在高频领域应用。因 此无源滤波器在高频率范围内，有着有源滤波器无法比拟的优势。 ( 2 ) 无源滤波器结构简单，成本低，技术成熟，易于实现 ( 3 ) 在滤波器回路中，由于电容一般不能做成可调的元件，而电感 元件大多数线圈有可调措施，因此无源滤波器谐振点容易调整，而有源 难以实现。 但是无源滤波器也存在它的缺点，比方说它的补偿特性受电网阻抗 的影响，依赖于电网和负载的参数；不能对谐波和无功功率实现动态补偿； 有效材料消耗多，体积大等等。我国在5 0 年代后期才广泛使用无源滤波 器，当时主要用于话路滤波和报路滤波。经过半个世纪的发展，我国滤 波器在研制、生产和应用等方面已纳入国际发展步伐，但由于缺少专门 研制机构，集成工艺和材料工业跟不上来，使得我国许多新型滤波器的 研制应用与国际发展有一段距离。 1 4 逆变器输出谐波抑制策略以及存在的难点 逆变器输出谐波控制的目标是使输出电压谐波含量降到最低，以便 满足用电设备的要求。其主要衡量指标之一是输出电压的t h d ( t o t a l h a r m o n i cd i s t o r t i o n ) ，一般要求阻性负载满载时t h d 值小于2 ，非线 性负载的t h d 值小于5 。实现这些指标除了从逆变原理上来进行优化 以外，就是安装输出滤波装置。由于有源滤波器中的运算放大器有频带 限制的缺陷，使得有源滤波器在逆变器输出滤波领域难有长足的发展。 因此安装无源滤波是对逆变器谐波抑制的最有效途径。 目前用于逆变器输出谐波抑制方法一般采用l c 滤波电路。但是电感 l 和电容c 确定的方法有很多种，怎样使得设计的l 和c 值既能满足滤 波效果，又能使其元器件损耗最小、尺寸最优化。这一直是困扰电源设 计工程师的一个难点。文献【l0 】推荐单相逆变电路采用定k 型两元件和 三元件的r 型低通滤波器，但是定k 型低通滤波器的截止特性不好，往 往实际的截止频率和设计截止频率相差很大。文献【8 】提到在设计电感l 和电容c 时，要考虑串联电感l 的基本压降和并联电容的上的电流分量。 而文献 18 】则从电感电流纹波的大小的比较来确定电感值。上述各种方法 最终都是为了输出波形正弦化，输出t h d 值最小。但是由于l c 滤波电 6 路中总存在着寄生电感和寄生电容，这将导致任何一种理论的方法与实 际应用都是有差距的，这也是导致逆变器输出滤波器研究一直在寻找一 种最接近实际应用的方法的原因之一。 滤波器中电容一般是标准器件，很难达到可调。而电感可以通过绕线 或是选择磁芯材料来控制其设计值，因此电感设计是l c 滤波器中的设计 重点。电感设计首先要考虑电感量设计值是否精确，因为其直接影响到 滤波器的滤波的效果；其次要考虑电感的损耗，电感损耗过大将引起电 感发热，从而破坏绕线绝缘导致不可估量的恶性事件发生。电感的损耗 分为磁芯损耗和线圈损耗。磁芯损耗在低频率段，主要是由于磁滞引起 的；而在高频段则主要体现为涡流损耗和剩余损耗。线圈损耗主要是绕 线中含有电阻，它随着流过电感电流频率的增加而增大。同时线圈中的 电阻( 寄生电阻) 对滤波的效果也是很有影响的。因此如何使电感值达 到实际要求，又能使电感损耗最低、尺寸最优化，这一直是电感器设计 的难点。 1 5 本文研究的内容及其成果 本文的主要研究目标是对单相和三相逆变器进行滤波器设计以及对 滤波电感进行设计和分析研究。对实际逆变电源输出滤波器的设计具有 指导意义。本文第二章介绍了逆变器的原理分类以及应用的范围。第三 章对单相和三相逆变器进行了详细的谐波分析，并用m a t la b 进行了仿真 验证。第四章推荐了一种基于巴特沃思型传递函数的滤波器设计方法， 并用仿真软件对其进行仿真，证明此滤波器的设计方法可行。第五章通 过对磁芯材料的分析，设计了一个环形电感线圈，并用相关软件对其进 行了核算。 本文研究成果主要包括以下几方面 ( 1 ) 利用m a t l a b s i m u l i n k 仿真软件搭建了单相和三相s p w m 逆变电 路模型，并利用快速傅里叶分解的方法对单相和三相s p w m 逆变电路进 行了谐波分析，为滤波器的截止频率的选择提供了有力的依据。 ( 2 ) 推荐了一种基于巴特沃思传递函数型的l c 滤波器设计方法，并 通过仿真软件验证其设计方法的可行性。 ( 3 ) 通过实际计算和分析设计了基于铁硅铝磁芯材料的滤波电感，并 用利用软件件对其进行了优化设计。对工程应用具有指导意义。 7 第2 章逆变技术简介 所谓逆变，是指通过半导体功率开关器件( 如s c r 、g t o 、g t r 、i g b t 和功率m o s f e t 等) 的开通和关断作用，把直流电能变换成交流电能的一 种电力电子变换技术。 随着近年来随着我国能源需求快速增长，能源供应和环境保护压力 日益增大，温室气体减排形势十分严峻。我国正高度重视清洁能源发展， 风电、太阳能等新能源作为改善能源结构、应对气候变化的主要替代能 源，具有良好的发展前景。而风能、太阳能发电受资源变化的影响，其 输出功率将起伏波动很大，亦即从风电、光伏发电出口处等得到是电能 质量很差的原始电能，为满足上网的需要更加需要采用逆变技术将之变 为频率、电压和波形均符合国标要求的“绿色电能 ；因此逆变技术在新 能源发电领域的应用前景将越来越大。本章主要对逆变技术的发展过程、 应用的范围以及主要分类和基本原理等内容简要的介绍。 2 1 逆变技术发展的过程与现状 逆变技术的发展是是离不开电力电子器件的，电力电子技术的发展 促进逆变技术发展。逆变技术的原理早在19 31 年就有人开始着手研究， 从19 4 8 年美国西屋电气公司研制出第一台感应加热逆变器至今已有近 6 0 年历史了。逆变技术的大致可分为三个阶段。 2 0 世纪5 0 年代到8 0 年代称为传统的发展阶段，在这个阶段逆变电源 是采用晶闸管( s c r ) 作为逆变器的开关器件。由于晶闸管工作频率低，关 断电路复杂，效率低，功耗大等缺点导致逆变电路在p w m 调制中产生的正 弦波不够完善，且噪声大。 2 0 世纪8 0 年代末到21 世纪初，逆变电源是采用自关断器件作为逆变 器的开关器，逆变技术从应用低速器件、低开关频率逐渐向采用高速器 件，提高开关频率方向发展。逆变器的波形得到进一步的改善，体积进 一步减小，逆变效率进一步提高，正弦波逆变器的品质指标也得到很大 提高。 21 世纪至今为高效低污染阶段，其特点以逆变器的综合性能为主， 低速与高速开关器件并用，多重叠加与p w m 法并用。由于逆变器中输出变 压器和交流滤波器的重量和体积占主要部分，因此为了减少输出变压器 和交流滤波器的体积和重量，提高逆变器的功率密度，高频化一直是主 8 要发展方向之一。如提高逆变器的开关频率，采用软开关技术，但是提 高频率的同时也会使开关损耗增加、电磁干扰增大。这些难点一直在促 使我们不断的在研究改进。 总之，逆变技术的发展是随着电力电子技术、微电子技术和现代控 制理论的发展而发展，进入二十一世纪，逆变技术正向着频率更高、功 率更大、效率更高、体积更小的方向发展。 2 2 逆变技术的应用领域 由于用电设备对电源要求的多样话，采用单一的工频交流电源的供 电方式已经不能满足负荷的现实要求。因此很多产品和电气设备都要求 将不同形式的原始电能进行变换，已得到幅值和频率等参数符合各自要 求的电能。需要这种电能变换的场合很多，下面仅列举其中主要的一些 领域。 1 ) u p s ( u n i n t e r r u p t e dp o w e rs u p p l y ) 不间断电源系统：为了保证重 要设备的供电安全和可靠性，一般采用u p s 对其进行供电。如变电站内的 监控系统、通信系统和调度系统等设备。u p s 的原理就是将蓄电池中直流 电源逆变为交流电源给负荷供电。 2 ) 交流电机变频调速系统：这种应用主要是采用逆变技术，通过控制 交流电机的电压、电流及频率来对电机的转速进行调节。可广泛的用于 控制水泵、风机、轧机、机床、机车牵引、电梯、传动及空调器等领域。 ( 3 ) 汽车行业：由于汽车尾气对环境造成的污染越来越严重。发展电动 汽车是顺应时代的一个要求，也是提倡低碳生活的一个重要组成部分。 电动汽车的原理就是将蓄电池或燃料电池逆变为交流电源给汽车发动机 供电。 ( 4 ) 感应加热：由于逆变器输出侧的电压含有大量高频谐波，在涡流 效应下将会使金属发热，达到加热和融化的目的。电磁炉就是典型的应 用。 ( 5 ) 无功补偿和谐波治理：随这电力电子器件的广泛应用，其给电网 注入的谐波也是越来越多。在提倡绿色输电的当今社会，无功补偿和谐 波治理已经是一个重要的课题。而其逆变技术是期核心技术。 ( 6 ) 分布式发电系：分布式发电系统中的新能源，如风电、太阳能 发电等等将其接入电网中时，逆变技术是关键环节。 总之，逆变器技术已经涉及各行各业，以及各种领域的用电设备。 9 2 3 逆变器的分类及主要技术指标 2 3 1 逆变器的分类 逆变器一般分为单相和三相两大类，单相逆变器主要应用于小、中 功率的场合，而三相逆变器主要应用于中、大功率的场合。这两大类又 又可以根据不同的分类方法进行以下分类： ( 1 ) 根据输入直流电源的性质可分为电压型逆变电路和电流型逆变 电路。 ( 2 ) 根据所用的电路电子器件的换流方式不同，可分为自关断( 如 g t o ，g t r ，电力m o s f e t ，i g b t 等) 、强迫换流、交流电源电动势换流以 及负载谐振换流逆变电路等。 ( 3 ) 根据逆变电路结构不同，可分为半桥式、全桥式和推挽式逆变 电路。 ( 4 ) 根据电压和频率控制方式方法不同，可分为用阶梯波调幅或数 台逆变器通过变压器实现串、并联的移相调压( 此类逆变器称为方波或 阶梯波逆变器) 、脉冲宽度调制( p w m ：p u l s ew id t hm o d u la tio n ) 逆变 电路、脉冲幅值调制( p a n 4 ) 逆变电路。 ( 5 ) 按逆变器输出交流电的频率，分为工频逆变( 5 0 6 0 h z ) 、中 频逆变( 几百赫兹至几千赫兹) 和高频逆变( 十几千赫兹至十几兆赫兹) ； ( 6 ) 按交流输出能量的去向，可分为有源逆变和无源逆变。 各种形式的逆变技术都各有其特点和适用的领域，并在各种不同的 电器设备和产品中得到了广泛的应用。 2 3 2 逆变器的主要技术指标 逆变器有许多重要指标，其主要技术指标如下： 1 ) 额定容量 2 ) 额定功率 3 ) 输出功率因数 4 ) 逆交效率 5 ) 额定输入电压、电流 6 ) 额定输出电压、电流 7 ) 电压调整率 8 ) 负载调整率 9 ) 谐波因数 1 0 10 ) 总谐波畸变率 1 1 ) 畸变因数 2 4 脉宽调制的工作原理 方波逆变器的输出电压为方波，电路结构简单，是发展最早的一种 逆变器。但是方波逆变器输出电压t h d 值大，导致输出滤波器体积和重量 大，且对于电网电压和负载的波动，系统动态响应特性差。由多个方波 逆变器移相叠加构成了阶梯波逆变器。阶梯波逆变器虽然电压输出t h d 值 小，但是电路结构过于复杂。而脉宽调制逆变器，既有简洁的电路结构， 又有低t h d 的输出电压波形，因而得到了广泛应用。如果能够合理的解决 其开关损耗问题，它将同时兼有方波逆变器和阶梯波逆变器的二者的优 点。19 6 4 年，德国的a s c h o n u n g 等人把通信系统中的调制概念推广应用 与变频调速系统，为现代逆变技术的发展开辟了崭新的方向。经过三十 多年的发展，p w m 技术同益成熟并被广泛应用。下面介绍p w m 逆变技术的 基本概念和原理。 冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上，其效果是一 样的。其中冲量即指窄脉冲的面积，效果相同是指环节的输出响应波形 基本相同。如果把各种输出波形用傅里叶变换分析，则其低频段非常接 近，仅在高频段略有差异。这个称为面积等效原理，它是p w m 控制技术的 重要理论基础。如果把正弦波分成n 等份，就可以把正弦半波看成是由n 个彼此相连的脉冲序列组成的波形。如果把脉冲序列用相同数量的等幅 而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波中点重合， 且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积相等。这就是p w m 波形。根据面积 等效原理，p w m 波形和正弦半波是等效的。其实现方法如图2 1 所示，将 所希望得到的逆变输出电压波形( 调制波) 与载波信号相比，然后用比 较产生的控制信号去激励功率开关器件的导通和关断，就能得到所需要 的逆变器输出电压波形 - 删删地 i ( a ) 脉宽调制原理 图2 1 脉宽调制 t ( b ) p w m 脉冲的产生 脉宽调制技术的几个基本概念： 1 ) 载波比 载波信号频率 和调制信号频率办之比称为载波比，可以用来表 示 n = f d f , ( 2 1 ) 在多数情况下提高载波比对逆变器输出波形的质量和性能都有很大 的帮助。因为p w m 控制产生的谐波大多数都集中分布在载波频率的整数倍 附近，载波比n 越大意味着谐波频率越高，滤波器的体积和重量就越小。 2 ) 调制深度 调制波的幅值与载波信号的幅值之比称为调制比。可以用m 来表示。 m = 珥v o ( 2 - 2 ) 当m 1 时，称为过调，由于p w m 输出的大小不再是调制深度的线性函 数。由于线性调制区内的谐波分布情况比过调区好，且波形输出大小与 调制深度成正比关系，因此p w m 控制策略倾向于尽量扩大线性调制区的控 制范围 3 ) 开关频率与开关损耗 由图2 1 可以知道，逆变器中功率半导体开关器件的开关频率五 就等于载波信号的频率厂c ，由于开关器件采用的是硬开关模式，因而相应 会产生较大的开关损耗。开关损耗的计算方法就是在开关过程中将流过 开关的电流和电压进行相乘。器件的总损耗和开关频率成正比。由此可 知，虽然提高开关频率对改善波形质量和负载性能有利，但是这将增大 开关的损耗和增加电磁干扰，逆变器发热大。在进行实际设计时，开关 频率是一个需要综合考虑的因素。对于i g b t 逆变器，如果工作环境比较 理想，散热条件好的话开关频率一般不超过2 0 k h z ；中型功率的逆变器开 关频率一般为10 k h z ；大功率由于受到散热的限制，最高的开关频率可能 只有2 k h z 左右。 2 5 并网型逆变技术 前面所讨论的逆变技术我们称之为无源逆变技术，即负载侧为一个 无源元件，在可再生能源发电系统中，无源逆变技术只能应用于独立的与 电网无任何连接的系统，而随着环境保护以及能源危机的逐步重视，可再 生能源开发力度越来越大，其并网发电规模也逐步增大。 1 2 2 5 1 风机型并网逆变技术 ( 1 ) 风力发电简介 风能是一种洁净的可再生能源，在当今能源和环境问题日益受到关 注的情况下，利用风能进行发电日益受到人们的重视。我国风能资源丰 富，可开发利用的风能储量约1o 亿千瓦，其中陆地上风能储量约2 5 3 亿 千瓦，海上可开发和利用的风能储量约7 5 亿千瓦。我国新能源战略开始 把大力发展风力发电作为重点，按照国家规划，未来l5 年，全国风力发 电装机容量将达到2 0 0 0 万至3 0 0 0 万千瓦。 风力发电是将风能转换为电能的过程。图2 - 2 给出了完整的风力发 电系统结构图。其结构包括风力机及其控制器、转轴、变频器、发电机 及其控制器等部分。风速矿作为风力机及其控制器的输入信号，风力机 控制器与参考值进行比较，输出桨距角信号给风力机，调整其输出机械 转矩，和机械功率尸- 。转轴输出的机械功率尸- 输入到发电机中，发电机 的输出功率r 经过换流器输送到变压器中，最终输送至电网。 图2 - 2风力发电系统结构 ( 2 ) 风能并网逆变技术 1 )同步发电机并网系统 由于同步发电机的转速和电网频率是硬连接，而j x l 力资源具有较大 的随机性，因此发电机和电网之间使用交直交变换器可使风机在较大转 速范围内运行。交直交同步风力发电系统如图2 3 所示 甄轮 图2 - 3 交直交同步发电系统 1 3 由于同步发电机具有独立的励磁回路，无需再提供外接电源，因此 交直交变换器不需要四象限运行，小功率的发电机也可采用永磁发电机， 但由于同步发电机在低风速时输出电压较低，此时无法将能量回馈至电 网，因此实用的电路往往在直流侧加入一个b o o s t 升压电路( 如图3 所 示) 在低速时由升压电路先将整流器输出的直流电压提升，采用此电路 可使风力发电机运行在非常宽的调速范围，另外b o o s t 电路还可以调节 整流器入端( 即发电机输出端) 的电流波形，以改善其谐波失真和功率 因数，此电路结构在中小型并网系统中有着应用前景。 同步发电机型并网技术的优点： 控制电路简单可靠； 无最大、最小速度限制，调速范围宽； 发电机不承受高的d v d t ，电磁兼容性好； 对电网波动不敏感。 缺点： 三级变换( 整流、升压、逆变) 使系统效率下降2 3 ； 直流环节电容为高压、大容量，体积大、价格高； 网侧电感容量较大。 2 )双馈型风力并网发电系统 双馈( d o u bly - f e d ) 发电机在结构上与绕线型感应电动机相似，即 定子、转子均为三相对称，转子绕组电流由滑环引入，其电气原理如图 2 - 4 所示，发电机的定子通过接触器投入电网，转子通过四象限交直交 变换器与电网连接。其实质是通过调节转子电流的频率，相位及功率来 调节定子侧输出功率使之与风一轮输出功率相匹配，使风机运行在最大功 率点附近。 图2 - 4双馈式风力发电机 双馈风力发电系统的优点如下： 1 4 转子侧交直交变换器仅需要2 5 的风机额定功率，大大降低了电 源变换器的造价； 网侧及直流侧滤波电感、电容功率相应缩小，电磁干扰也大大降 低； 可方便地实现无功功率控制。 缺点如下： 双馈发电机由于必须使用双绕组以及滑环，发电机成本较高，且 无标准化设计方法； 调速范围较小，一般只能在额定转速的7 0 13 0 内调节 3 控制电路较复杂； 转子侧变