第4章 逆变电路(1)

1、1济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-8-6 第四章第四章直流直流/ /交流逆变器交流逆变器 复习上节内容复习上节内容 1. 光伏电池原理光伏电池原理 2. 光伏电池的数学模型（技术参数）光伏电池的数学模型（技术参数） 3. 光伏电池的转换效率及其影响因素光伏电池的转换效率及其影响因素 4. 热斑现象及多峰现象热斑现象及多峰现象 5. 光伏并网系统的体系结构光伏并网系统的体系结构 1） 集中式结构集中式结构2） 交流模块式结构交流模块式结构 3） 串型结构串型结构4）多支路结构（串、并联）多支路结构（串、并联） 5）主从结构主从结构6）直流模块式结构直流模块式结构 2济南大学物理学院济

2、南大学物理学院 2021-8-6 第四章第四章直流直流/ /交流逆变器交流逆变器 4.1 逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理 交流侧接电网，为交流侧接电网，为有源逆变有源逆变。 交流侧接负载，为交流侧接负载，为无源逆变无源逆变。 一、逆变的概念一、逆变的概念 逆变逆变与整流相对应，直流电变成交流电。与整流相对应，直流电变成交流电。 3济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-8-6 以以单相桥式逆变电路单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理为例说明最基本的工作原理 t uo 负载 S 1 S 2 S 3 S 4 io u o U d S1-S4是桥式电路的是桥式电路的4个臂，由电

3、力电子器件及个臂，由电力电子器件及 辅助电路组成。辅助电路组成。 t i o 电阻负载电阻负载时，负载电流时，负载电流io和和uo的波形相同，相位也相同。的波形相同，相位也相同。 4济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-8-6 阻感负载阻感负载时，时，io相位滞后于相位滞后于uo，波形也不同。，波形也不同。 t Uo i o t1t2 如图所示电压型逆变器直流侧采用足够容量的电容如图所示电压型逆变器直流侧采用足够容量的电容 滤波，因此滤波，因此直流侧电压基本不变直流侧电压基本不变， 逆变器的输出逆变器的输出 电压为幅值与直流电压幅值相等的电压为幅值与直流电压幅值相等的方波电压方波电压。

4、n其输出电流波形取决于负载对方波电压的响应其输出电流波形取决于负载对方波电压的响应 5济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-8-6 若考虑到负载的若考虑到负载的无功无功 缓冲缓冲，则所用开关管，则所用开关管 必须必须具有电流双向流具有电流双向流 通的能力通的能力，为此可采，为此可采 用单向功率管反向并用单向功率管反向并 联联续流二极管续流二极管的组合的组合 来实现开关管的电流来实现开关管的电流 双向流通特性。双向流通特性。 6济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-8-6 二、逆变器的类型二、逆变器的类型 1. 1. 依据直流电源的特性不同可分为：依据直流电源的特性不同可分为： 电压

5、型逆变器电压型逆变器VSI VSI 电流型逆变器电流型逆变器CSI CSI 逆变器中直流侧必须设置逆变器中直流侧必须设置储能元件储能元件，如，如电感元电感元 件件和和电容元件电容元件。 储能元件的储能元件的作用作用：直流侧的：直流侧的滤波滤波作用；作用；缓冲缓冲负负 载的无功能量。载的无功能量。 7济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-8-6 当逆变器直流侧设置当逆变器直流侧设置电容元件电容元件且电容容量足且电容容量足 够大时，此时由于直流侧的低输出阻抗，因而够大时，此时由于直流侧的低输出阻抗，因而 呈现出呈现出电压源特性。电压源特性。 当逆变器直流侧设置当逆变器直流侧设置电感元件电感元

6、件且电感值足够大且电感值足够大 时，此时由于直流侧的高输出阻抗，因而呈现出时，此时由于直流侧的高输出阻抗，因而呈现出 电流源特性电流源特性。 8济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-8-6 单相半桥单相半桥 单相全桥单相全桥 推挽逆变推挽逆变 2. 按逆变器电路结构不同分为：按逆变器电路结构不同分为： 3. . 按开关器件不同及换流关断方式不同可分为：按开关器件不同及换流关断方式不同可分为： 半控型逆变器半控型逆变器全控型逆变器全控型逆变器 4. 按逆变器按逆变器输出波形输出波形的不同逆变器可分为：的不同逆变器可分为： 方波逆变器方波逆变器阶梯波逆变器阶梯波逆变器正弦波逆变器正弦波逆变器

7、 9济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-8-6 5. 按逆变器输出频率的不同逆变器可分为：按逆变器输出频率的不同逆变器可分为： 工频逆变器工频逆变器中频逆变器中频逆变器高频逆变器高频逆变器 6. 按逆变器输出交流电的按逆变器输出交流电的相数相数的不同逆变器可分为：的不同逆变器可分为： 单相逆变器单相逆变器三相逆变器三相逆变器多相逆变器多相逆变器 两电平逆变器两电平逆变器多电平逆变器多电平逆变器 7. 按逆变器按逆变器输出电平输出电平的不同逆变器可分为：的不同逆变器可分为： 10济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-8-6 4.2 电压型逆变器（电压型逆变器（VSI） 电压型逆变器

8、有以下电压型逆变器有以下主要特点：主要特点： 1. 直流侧有直流侧有足够大的储能电容足够大的储能电容元件，直流侧呈现出元件，直流侧呈现出 电压源特性。电压源特性。 2. 逆变器输出电压波形为逆变器输出电压波形为方波方波或或方波脉冲方波脉冲，该波形，该波形 与负载无关。与负载无关。 3. 逆变器输出的逆变器输出的电流波形电流波形则取决于则取决于负载负载，且输出电，且输出电 流的流的相位相位随负载随负载功率因数功率因数的变化而变化。的变化而变化。 11济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-8-6 4.2.1 电压型方波逆变器电压型方波逆变器 1.电压型单相方波逆变器电压型单相方波逆变器 a)

9、 t t O O ON b) o Um - -Um io t1t2 t3t4 t5t6 V1V2V1V2 VD1VD2VD1VD2 1） 电压型单相半桥方波逆变器电压型单相半桥方波逆变器 工作原理工作原理 V1和和V2栅极信号在一周栅极信号在一周 期内各半周正偏、半周期内各半周正偏、半周 反偏，两者互补，输出反偏，两者互补，输出 电压电压uo为矩形波，幅值为为矩形波，幅值为 Um=Ud/2。 12济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-8-6 V1或或V2通时，通时，io和和uo同方向，同方向， 直流侧向负载提供能量；直流侧向负载提供能量； VD1或或VD2通时，通时，io和和uo反向，反

10、向， 电感中贮能向直流侧反馈。电感中贮能向直流侧反馈。 VD1、VD2称为称为反馈二极反馈二极 管管,它又起着使负载电流它又起着使负载电流 连续的作用，又称连续的作用，又称续流二续流二 极管极管。 a) t t O O ON b) o Um - -Um io t1t2 t3t4 t5t6 V1V2V1V2 VD1VD2VD1VD2 13济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-8-6 2) 全桥逆变电路全桥逆变电路 共四个桥臂，可看成两共四个桥臂，可看成两 个半桥电路组合而成。个半桥电路组合而成。 两对桥臂交替导通两对桥臂交替导通 180。 输出电压和电流波形与输出电压和电流波形与 半桥电路

11、形状相同，幅半桥电路形状相同，幅 值高出一倍。值高出一倍。 改变输出交流电压的有改变输出交流电压的有 效值只能通过改变直流效值只能通过改变直流 电压电压Ud来实现。来实现。 14济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-8-6 3) 全桥逆变电路的全桥逆变电路的移相调压方式移相调压方式 u t O t O t O t O t O b) G1 u G2 u G3 uG4 uo io t1t2 t3 io uo V3的基极信号比的基极信号比V1落后落后 （0 180）。）。V3、V4的的 栅极信号分别比栅极信号分别比V2、V1的前的前 移移180- 。输出电压是正负。输出电压是正负 各为各为 的

12、脉冲。的脉冲。 工作过程工作过程 t1时刻前时刻前V1和和V4导通，导通， uo=Ud。 15济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-8-6 3) 全桥逆变电路的全桥逆变电路的移相调压方式移相调压方式 u t O t O t O t O t O b) G1 u G2 u G3 uG4 uo io t1t2 t3 io uo 工作过程；工作过程； t1时刻时刻V4截止，而因负截止，而因负 载电感中的电流载电感中的电流io不能突变，不能突变， V3不能立刻导通，不能立刻导通，VD3导通导通 续流，续流，uo=0。 t2时刻时刻V1截止，而截止，而V2不不 能立刻导通，能立刻导通，VD2导通续流

13、，导通续流， 和和VD3构成电流通道，构成电流通道，uo=- Ud。 16济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-8-6 3) 全桥逆变电路的全桥逆变电路的移相调压方式移相调压方式 u t O t O t O t O t O b) G1 u G2 u G3 uG4 uo io t1t2 t3 io uo 工作过程：工作过程： 到负载电流过零并开始反向时，到负载电流过零并开始反向时， VD2和和VD3截止，截止，V2和和V3开始导开始导 通，通，uo仍为仍为-Ud。 t3时刻时刻V3截止，而截止，而V4不能不能 立刻导通，立刻导通，VD4导通续流，导通续流，uo再再 次为零次为零。 改变改变

14、 就可调节输出电压就可调节输出电压。 17济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-8-6 带中心抽头变压器带中心抽头变压器 的逆变电路的逆变电路 交替驱动交替驱动两个两个IGBT，经变压器耦，经变压器耦 合给负载加上矩形波交流电压。合给负载加上矩形波交流电压。 两个二极管的作用也是提供两个二极管的作用也是提供无功能无功能 量的反馈通道量的反馈通道。 Ud和负载参数相同，变压器匝比和负载参数相同，变压器匝比 为为1：1：1时，时，uo和和io波形及幅值与全桥波形及幅值与全桥 逆变电路完全相同。逆变电路完全相同。 与全桥电路相比较与全桥电路相比较 比全桥电路少用比全桥电路少用一半开关器件一半开

15、关器件。 器件承受的电压为器件承受的电压为2Ud，比全桥，比全桥 电路高一倍。电路高一倍。 必须有一个必须有一个变压器变压器。 4）带中心抽头变压器的逆变电路）带中心抽头变压器的逆变电路 18济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-8-6 4.2.2 电压型阶梯波逆变器电压型阶梯波逆变器 电压型阶梯波逆变器的拓扑结构种类主要包电压型阶梯波逆变器的拓扑结构种类主要包 括：括：变压器移相叠加变压器移相叠加结构、结构、级联移相叠加级联移相叠加结构结构 以及以及多电平多电平结构。结构。 多电平结构的电压型阶梯波逆变器多电平结构的电压型阶梯波逆变器 虽然与阶梯波一样，但习惯上称其为虽然与阶梯波一样，

16、但习惯上称其为 多电平，并且电平数为其波峰到波谷多电平，并且电平数为其波峰到波谷 所包含的阶梯数。所包含的阶梯数。 19济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-8-6 三电平逆变器工作原理三电平逆变器工作原理 直流侧电压通过两个串直流侧电压通过两个串 联的分压电容、将电联的分压电容、将电 压分为三个等级，将压分为三个等级，将 两个电容串联的中点两个电容串联的中点 定义为中性点定义为中性点n。 每一相需要每一相需要4个功率开关个功率开关 管，管，4个续流二极管，个续流二极管， 两个两个箝位二极管箝位二极管。 20济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-8-6 三电平逆变器工作原理三电平逆

17、变器工作原理 其实每一相所需的开其实每一相所需的开 关器件个数为关器件个数为2(n-1)、 箝位二极管个数为箝位二极管个数为 2(n-2)、直流分压电容、直流分压电容 个数为个数为n-1，其中，其中n为为 电平数。电平数。 21济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-8-6 箝位二极管箝位二极管能在中间两能在中间两 个功率开关管导通时把电个功率开关管导通时把电 平箝在零电位，同时在开平箝在零电位，同时在开 关管导通时提供电流通道关管导通时提供电流通道 防止电容短路。防止电容短路。 其中每一个功率开关管其中每一个功率开关管 承受正向阻断电压为承受正向阻断电压为V Vdc dc/2 /2 22

18、济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-8-6 所谓三电平是指逆变所谓三电平是指逆变 器交流侧每相输出电器交流侧每相输出电 压相对于直流侧电压压相对于直流侧电压 有三种可能的取值，有三种可能的取值， 即：正电压、零电平即：正电压、零电平 和负电压。和负电压。 以以A相为例，电容相为例，电容C1、 C2为变换电路提供为变换电路提供2个个 相同的直流电压，二相同的直流电压，二 极管极管Da1、Da2用于电用于电 平箝位。平箝位。 中点箝位式三电平逆变器拓扑结构 23济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-8-6 当同时开通当同时开通Sa1、Sa2 ， 关断关断Sa3、Sa4时，在逆时，在逆

19、 变电路输出端可以获得变电路输出端可以获得 一个正电压一个正电压Vdc/2； 中点箝位式三电平逆变器拓扑结构 同时开通同时开通Sa2、Sa3 ，关，关 断断Sa1、Sa4时，输出电压时，输出电压 为为0； 同时开通同时开通Sa3、Sa4 ， 关断关断Sa1、Sa2时，可在时，可在 输出端得到一个负电输出端得到一个负电 压压-Vdc/2 。 24济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-8-6 从中点箝位式三电平逆变器动态工作过程可以看出从中点箝位式三电平逆变器动态工作过程可以看出: n开关状态开关状态A和和0间、间、0和和B间可以相互自由过度，间可以相互自由过度，A和和B 间不能直接过度，必

20、须通过中间状态间不能直接过度，必须通过中间状态0来过度，不允许输来过度，不允许输 出电位的跳变；出电位的跳变； n对主开关器件控制脉冲是有严格要求的，每一相总是对主开关器件控制脉冲是有严格要求的，每一相总是 相邻的两个开关器件开通，其它两个器件关断，以防止相邻的两个开关器件开通，其它两个器件关断，以防止 同一桥臂短路。即：同一桥臂短路。即：Sa1与与Sa3，Sa2与与Sa4的驱动脉冲都要的驱动脉冲都要 求是互补的，同时每一对主开关器件要遵循先断后通的求是互补的，同时每一对主开关器件要遵循先断后通的 原则，即在脉冲中必须加入死区时间；原则，即在脉冲中必须加入死区时间； n为了保证主电路开关器件的

21、安全工作，必须使调制成为了保证主电路开关器件的安全工作，必须使调制成 的脉冲波有最小脉宽和最小间歇宽度的限制，以保证最的脉冲波有最小脉宽和最小间歇宽度的限制，以保证最 小脉冲宽度大于开关器件的导通时间，最小脉冲间歇宽小脉冲宽度大于开关器件的导通时间，最小脉冲间歇宽 度大于开关器件的关断时间。度大于开关器件的关断时间。 三电平逆变器的控制要求三电平逆变器的控制要求 25济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-8-6 26济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-8-6 E /4 N iaibic E /4 P E /4 ABC E /4 O T a 2 D a 2 T c 2 D c 2

22、T b 2 D b 2 T a 1 D a 1 T b 1 D b 1 T c 1 D c 1 T a 3 T b 3 T c 3 D a 3 D b 3 D c 3 D c 8 T a 8 D a 8 T b 8 D b 8 T c 8 D c 7 T a 7 D a 7 T b 7 D b 7 T c 7 D c 6 T a 6 D a 6 T b 6 D b 6 T c 6 D c 5 T a 5 D a 5 T b 5 D b 5 T c 5 T a 4 D a 4 T b 4 D b 4 T c 4 D c 4 五电平逆变器五电平逆变器 27济南大学物理学院济南大学物理学院 2021

23、-8-6 但是随着电平数的增加，直流侧串联电容也是但是随着电平数的增加，直流侧串联电容也是 随之增加，因此还要考虑各电容电压之间的平衡随之增加，因此还要考虑各电容电压之间的平衡 问题，这也是多电平逆变电路发展中的一个难点问题，这也是多电平逆变电路发展中的一个难点 ，和研究的关键点。，和研究的关键点。 那么采用什么方法来控制这些逆变电路中的开那么采用什么方法来控制这些逆变电路中的开 关管的通断，使得输出接近正弦波，目前常用的关管的通断，使得输出接近正弦波，目前常用的 方法就是方法就是PWM控制方法。控制方法。 28济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-8-6 4.3 电流型逆变电路电流型逆

24、变电路 直流电源为直流电源为电流源电流源的逆变电路称为电流型逆变电路。的逆变电路称为电流型逆变电路。 电流型逆变电路主要特点：电流型逆变电路主要特点： 1. 直流侧串直流侧串大电感大电感，电流基本无脉动，相当于电流源。，电流基本无脉动，相当于电流源。 2. 交流输出电流为交流输出电流为矩形波矩形波，与负载阻抗角无关，输，与负载阻抗角无关，输 出电压波形和相位因负载不同而不同。出电压波形和相位因负载不同而不同。 3. 直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不必给开关器直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不必给开关器 件反并联二极管。件反并联二极管。 4. 电流型逆变电路中，采用电流型逆变电路中，采用半控型

25、器件半控型器件的电路仍应的电路仍应 用较多，换流方式有用较多，换流方式有负载换流负载换流、强迫换流强迫换流。 29济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-8-6 电路分析电路分析 由四个桥臂构成，每个桥臂的由四个桥臂构成，每个桥臂的 晶闸管各串联一个晶闸管各串联一个电抗器电抗器，用来限，用来限 制晶闸管开通时的制晶闸管开通时的di/dt。 采用采用负载换相负载换相方式工作的，要方式工作的，要 求负载电流略超前于负载电压，即求负载电流略超前于负载电压，即 负载略呈负载略呈容性容性。 电容电容C和和L 、R构成构成并联谐振电并联谐振电 路路。 输出电流波形接近输出电流波形接近矩形波矩形波，含，

26、含 基波和各奇次谐波，且谐波幅值远基波和各奇次谐波，且谐波幅值远 小于基波。小于基波。 单相桥式电流型（并联谐单相桥式电流型（并联谐 振式）逆变电路振式）逆变电路 30济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-8-6 工作波形分析工作波形分析 在交流电流的一个周期内，在交流电流的一个周期内， 有有两个稳定导通阶段两个稳定导通阶段和和两个换两个换 流阶段流阶段。 t1t2：VT1和和VT4稳定导通稳定导通 阶段，阶段，io=Id，t2时刻前在时刻前在C上建上建 立了立了左正右负左正右负的电压。的电压。 在在t2时刻触发时刻触发VT2和和VT3开开 通，开始进入换流阶段。通，开始进入换流阶段。

27、由于换流由于换流电抗器电抗器LT的作用，的作用， VT1 和和VT4不能立刻关断，其电不能立刻关断，其电 流有一个减小过程，流有一个减小过程，VT2和和VT3 的电流也有一个增大过程。的电流也有一个增大过程。 图图4-13 并联谐振式逆变电路工作波形并联谐振式逆变电路工作波形 31济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-8-6 4个晶闸管全部导通，负个晶闸管全部导通，负 载电容电压经两个并联的放载电容电压经两个并联的放 电回路同时放电。电回路同时放电。 一个回路是经一个回路是经LT1、 VT1、VT3、LT3回到回到 电容电容C。 另一个回路是经另一个回路是经LT2、 VT2、VT4、LT

28、4回到回到 电容电容C。 当当t=t4时，时，VT1、VT4电流减电流减 至零而关断，直流侧电流至零而关断，直流侧电流Id 全部从全部从VT1、VT4转移到转移到VT2、 VT3，换流阶段结束换流阶段结束。 图图4-13 并联谐振式逆变电路工作波形并联谐振式逆变电路工作波形 32济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-8-6 t 图图4-13 并联谐振式逆变电路工作波形并联谐振式逆变电路工作波形 晶闸管需一段时间才能恢复正向阻晶闸管需一段时间才能恢复正向阻 断能力，断能力，t4时刻换流结束后还要使时刻换流结束后还要使 VT1、VT4承受一段反压时间承受一段反压时间t ，t= t5- t4应

29、大于晶闸管的关断时间应大于晶闸管的关断时间tq。 为保证可靠换流应在为保证可靠换流应在uo过零前过零前t = t5- t2时刻触发时刻触发VT2、VT3，t 为触发引为触发引 前时间前时间 ttt io超前于超前于uo的时间的时间 （负载的功率因数角负载的功率因数角） t t t 2 把把t 表示为电角度表示为电角度 （弧度）可得（弧度）可得 22 t t 33济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-8-6 基本的数量关系基本的数量关系 io展开成傅里叶级数可得展开成傅里叶级数可得 ttt I i 5sin 5 1 3sin 3 1 sin 4 d o 负载电压有效值负载电压有效值Uo和直

30、流电压和直流电压Ud的关系的关系 其基波电流有效值其基波电流有效值Io1为为 d d 1o 9 .0 2 4 I I I 2 cos) 2 cos( 22 cos)cos( 2 dsin2 1 d 1 o o )( o )( d U U ttU tuU AB cos 11. 1 cos22 dd o UU U 34济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-8-6 作业：作业： 什么是电压型逆变电路？什么是电什么是电压型逆变电路？什么是电 流型逆变电路？二者各有何特点？流型逆变电路？二者各有何特点？ 35济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-8-6 36济南大学物理学院济南大学物理学院 2021-8-6 4.2 换流方式换流方