DCAC逆变器的设计.docx

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DCAC逆变器的设计

1绪论

1.1DC/AC逆变器的基本概念

随着石油、煤和天然气等主要能源的大量使用，新能源的开发和利用越来越得到人们的重视。

利用新源的关键技术—逆变技术，能将蓄电池、太阳能电池和燃料电池等其它新能源转化的电能变换成交流电能与电网并网发电。

因此，逆变技术在新能源的开发和利用领域有着至关重要的地位。

现代逆变技术是建立在半导体器件、变流技术、电子技术、现代控制技术、现代电力电子技术等学科基础之上的，研究现代逆变电路的理论和应用的一门科学技术。

逆变（DC/AC）就是把直流电变成交流电的过程，完成此功能的电路则称为逆变电路，实现此过程的装置叫做逆变设备或逆变器，它与整流是相对应的概念。

它应用功率半导体器件，将直流电能转换成恒压恒频交流电能的一种静止变流装置，可以从蓄电池、太阳能电池等直流电能变换得到质量较高的、能满足负载对电压和频率要求的交流电能，供交流负载用电或与交流电网并网发电。

一般由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。

DC/AC逆变技术的基本原理是通过半导体功率开关器件（例如SCR、GTO、GTR、IGBT和功率MOSFET模块等）的开通和关断作用，来把直流电能变换成交流电能的，因此是一种电能变换装置。

由于是通过半导体功率开关器件的开通和关断来实现电能转换的，因此转换效率比较高。

但转换输出的波形却很差，是含有相当多谐波成分的方波。

而多数应用场合要求逆变器输出的是理想的正弦波，因此如何利用半导体功率开关器件的开通和关断的转换，使逆变器输出正弦波和准正弦波就成了DC/AC逆变器技术发展中的一个主要问题。

DC/AC逆变技术在交流电机的传动、不间断电源（UPS）、变频电源、有源滤波器、电网无功补偿器等许多场合得到了广泛的应用。

采用逆变技术是为了获得不同形式的电能，具有很多的优点：

（1）灵活调节输出电压或电流的幅度和频率，如交流电动机的变频调速；

（2）将直流电转换成交流电或其他形式的直流电，如DC/DC变换器；

（3）减小用电设备的体积和重量，节省材料；

（4）高效节能：

（5）动态响应快，控制性能好，电气性能指标好；

（6）保护快；

1.2逆变器的分类和用途

1.2.1逆变器的基本分类

常用逆变器主电路的基本形式有两种分类方法：

按照相数分类，可以分为单相和三相；按照直流侧波形和交流侧波形分类，可以分为电压型逆变器和电流型逆变器。

具体如图1-1：

三相

图1-1逆变器分类

Fig.1-1InverterCategories

DC/AC逆变器按拓扑结构划分，分为Buck型DC/AC逆变器，Boost型DC/AC逆变器，Buck-Boost型DC/AC逆变器。

按其转换频率的快慢又可以分为低频环节逆变技术和高频环节逆变技术。

传统的DC/AC逆变器采用低频环节逆变技术，主要有方波逆变器、阶梯波合成逆变器、正弦脉宽调制SPWM逆变器。

高频环节逆变技术为了克服低频环节逆变技术的缺点，Mr.Espclagc于1977年提出了可变高频环节逆变技术新概念。

该系统由一个并联逆变器和十二个晶闸管组成的周波变换器构成，具有简单的自适应换流、高频电气隔离、独立的有功能量和无功能量控制、固有的四象限工作能力等优点。

目前高频DC/AC逆变技术主要有：

单向电压源高频环节逆变技术、双向电压源高频环节逆变技术、电流源高频环节逆变技术、直流变换器型高频环节逆变技术。

1.2.2逆变器的用途

随着电力电子技术的高速发展，大量大功率开关器件相继出现，电力电子技术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：

（1）以直流发电机、蓄电池为主的直流电源的逆变场合；

（2）不间断交流电源的供电场合；

（3）新能源的开发和利用，太阳能、风能等可再生能源的并网逆变场合；

（4）开关稳压电源和专用电源，开关稳压电源有良好的稳压性能、体积小、重量轻；

（5）交流电动机的运动控制场合。

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；

逆变技术应用领域广泛，除了上面介绍的几点外，还可用于航天、化工、工业控制、机器人、军工等众多领域。

1.3DC/AC逆变器的发展背景和发展方向

1.3.1DC/AC逆变器的发展背景

现代电力电子技术的发展方向，是从以低频处理问题为主的传统电力电子学，向以高频技术处理问题为主的现代的电力电子学方向转变。

电力电子技术起始于二十世纪五十年代末六十年代初的硅整流器件，其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代。

DC-AC逆变理论和技术也在不断进步中。

一般认为，DC-AC逆变器的发展可以分为如下两个阶段：

1956-1980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，波形改善以多重叠加为主，体积重量较大，逆变效率低。

正弦波逆变器开始出现。

1960年以后，人们注意到改善逆变器波形的重要性，并开始进行研究。

这期间的1963年，F.G.Turnbull提出了“消除特定谐波法”，为后来的优化PWM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、转矩脉动最小等。

1980年到现在为高频化新技术阶段。

20世纪70年代后期，可关断晶闸管GTO、电力晶体管GTR及其模块相继实用化。

80年代以来，电力电子技术与微电子技术相结合，产生了多种高频化的全控器件，并得到了迅速发展，如功率场效应晶体管PowerMOSFET，绝缘门极晶体管IGT或IGST，静电感应晶体管SIT，静电感应晶闸管SITH、场控晶闸管MCT，MOS晶体管MGT、IEGT以及IGCT等。

这就使电力电子技术由传统发展时代进入到高频化时代。

在这个时代，具有小型化和高性能特点的新逆变技术层出不穷，特别是脉宽调制波形改善技术得到了飞速的发展。

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PWM法为主，体积重量较小，逆变效率高。

正弦波逆变器技术发展日趋完善。

今后，随着工业和科学技术的发展，对电能质量的要求将越来越高，包括市电电网在内的原始电能的质量可能满足不了设备的要求，必须经过电力电子装置变换后才能使用，而DC/AC逆变技术在这种变换中将起到重要的作用。

1.3.2DC/AC逆变器的发展方向

（1）大功率开关器件的研发

大功率开关器件及其应用技术是现代逆变技术发展的基础，大功率开关器件的发展进程。

主要表现在以下几个方面：

①从强迫关断发展到自关断；

②从中、小容量发展到大容量、超大容量；

③开关频率从几kHz发展到近100MHz；

④向集成化、多功能化的发展方向。

目前，MOSFET、IGBT、GTO、GTR等在逆变电路的开关器件的选用中占有优先地位，但SIT、SITH、MCT等新型开关器件正在研发和推广，必将取代MOSFET、IGBT、GTO、GTR等。

（2）提高逆变器的变换效率。

提高逆变器的变换效率，即降低逆变器的损耗。

逆变器的损耗主要包括开关损耗和驱动损耗。

驱动损耗是由功率开关管的栅极特性决定的，而开关损耗是由功率开关管的控制方式决定。

开关损耗是电压与电流波形的交叠而产生的，它随开关频率的提高而急剧增加。

当前，技术人员投入大量精力对软开关控制方式和软开关电路进行研究和实践，其目的之一就是要提高逆变器的变换效率，按控制方式，软开关技术可分为脉冲宽度调制、脉冲频率调制和脉冲移相调制三种控制方式.

软开关技术研究重点为：

新型的软开关控制方式；适用于不同软开关控制方式的控制电路的集成化；变换效率高的新型软开关电路。

（3）提高逆变器的工作可靠性和电磁兼容性。

2逆变器的主电路研究

2.1逆变系统基本工作原理

DC/AC逆变器的基本工作原理，以单相全桥式为例。

DC/AC逆变有四种工作状态，如图2-1所示。

当处于正半波逆变时，状态如图所示，开关管T2截止，T4导通，开关管Tl输入为正弦脉宽调制（SPWM）信号，当T1导通时，T3截止；当开关管Tl截止时，T3导通，状态如图2-1（b）所示，电流流经负载，T4、T3形成回路，滤波电感释放能量。

当处于负半波逆变时，开关管T4截止，T2导通，开关管T3输入为SPWM信号，当开关管T3导通时，Tl截止，状态如图2-1（c）所示；当开关管T3截止时，Tl导通，状态如图2-1（d）所示，电流流经负载，Tl、T2形成回路，滤波电感释放能量，从而实现DC/AC逆变。

图2-1DC/AC逆变器的基本工作原理图

Fig.2-1DC/ACinverterfundamentaloperatingprinciple

2.2SPWM波的生成原理及控制方法分析

所谓脉宽调制（PulseWidthModulationPWM）技术，就是在周期不变的条件下，改变脉冲波形的宽度（占空比）。

PWM技术是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。

PWM控制技术一直是逆变技术的核心技术之一。

采用PWM方式构成的变换器，其输入为固定不变的直流电压，可以通过PWM技术在同一变换器中既实现调压又实现恒频。

这种变换器，简化了主回路和控制回路的结构，因而体积小、重量轻、可靠性高，又因为它集调压、恒频于一身，所以调节速度快、系统的动态响应好，此外，采用PWM技术不仅能提供较好的变换器输出电压和电流波形，而且提高了变换器对交流电网的功率因素。

2.2.1PWM控制的理论基础

面积等效原理：

冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。

冲量指窄脉冲的面积。

效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。

低频段非常接近，仅在高频段略有差异。

用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。

（如图2-2）根据面积等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的，这就是PWM波形。

对于正弦波的负半周期，也可以用同样的方法得到PWM波形。

像这种脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形也称SPWM波形。

图2-2用PWM波代替正弦半波

Fig.2-2PWMsinewaveinsteadofhalf-wave

等幅PWM波和不等幅PWM波：

由直流电源产生的PWM波通常是等幅PWM波。

输入电源是交流，得到不等幅PWM波。

2.2.2PWM逆变电路及其控制方法

目前中小功率的逆变电路几乎都采用PWM技术。

逆变电路是PWM控制技术最为重要的应用场合。

PWM逆变电路也可分为电压型和电流型两种，目前实用的几乎都是电压型。

而其控制方法分为计算法和调制法。

（1）计算法是根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算PWM波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关器件的通断，就可得到所需PWM波形。

计算法的缺点是：

繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化。

（2）调制法是输出波形作调制信号，进行调制得到期望的PWM波；通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波；等腰三角波应用最多，其任一点水平宽度和高度成线性关系且左右对称；与任一平缓变化的调制信号波相交，在交点控制器件通断，就得宽度正比于信号波幅值的脉冲，符合PWM的要求。

调制信号波为正弦波时，得到的就是SPWM波；调制信号不是正弦波，而是其他所需波形时，也能得到等效的PWM波。

实际应用时主要是调制法，这里以单相桥式PWM逆变电路（如图2-4）为例来介绍其原理。

结合IGBT单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明：

设负载为阻感负载，工作时V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补。

控制规律：

uo正半周，V1通、V2断，V3和V4交替通断，负载电流比电压滞后，在电压正半周，电流有一段为正，一段为负，负载电流为正区间，V1和V4导通时，uo等于Ud，V4关断时，负载电流通过V1和VD3续流，uo=0，负载电流为负区间，io为负，实际上从VD1和VD4流过，仍有uo=Ud，V4断，V3通后，io从V3和VD1续流，uo=0，uo总可得到Ud和零两种电平。

uo负半周，让V2保持通，V1保持断，V3和V4交替通断，uo可得-Ud和零两种电平。

图2-3单相桥式PWM逆变电路

Fig.2-3Single-phasebridgePWMinvertercircuit

以单极性PWM控制方式（单相桥逆变）为例如图2-3：

在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。

ur正半周，V1保持通，V2保持断，当ur>uc时使V4通，V3断，uo=Ud，当ur

ur负半周，V1保持断，V2保持通，当uruc时使V3断，V4通，uo=0，虚线uof表示uo的基波分量。

波形见图2-4。

图2-4单极性PWM控制方式波形

Fig.2-4unipolarPWMcontrolmodewaveform

除此之外，单项桥式电路还可采用双极性调制。

由于对于开关器件通断控制的规律不同，它们的输出波形也有较大的差别。

2.3逆变器的主电路分析

本文的主电路分析主要通过高低频分类的各种逆变器进行分析比较，为下文的小功率光伏逆变器的设计作为理论基础。

2.3.1低频环节逆变技术逆变器

（1）方波逆变器主要有推挽式、全桥式电路结构。

推挽式方波逆变器由推挽逆变器、交流调压开关和输出滤波器构成。

如图所示：

推挽式方波逆变器主要是通过调节逆变器输出电压脉宽来实现调压功能的。

一种调压方法是调节功率开关S1、S2驱动信号占空比，从而改变输出电压Uab即Ucd的脉宽，如图2-5所示。

但这种调压方法存在明显缺点，即感性负载储能回馈到电网时，变压器T副边绕组感应有阴影部分电压，这部分电压随感性负载电感分量加大而加宽，纯电感负载时有效脉宽调节范围为0-Ts/2，而纯电阻负载时有效脉宽调节范围为0-Ts/4。

另一种调压方法是在变压器副边与输出交流滤波器之间加交流调压开关Ss，调节功率开关Ss驱动信号占空比，即可调节输出矩形波脉宽，交流开关将力一波电压变成脉宽可调的矩形波电压。

桥式方波逆变器电路拓扑及其原理波形如图2-6所示。

改变功率开关驱动信号相位，即可得到矩形波输出电压，调节a角可实现输出电压的稳定。

方波逆变器电路的特点为：

工频变压器体积、重量大，推挽式原边绕组利用率低，桥式绕组利用率高；输出四阶交流滤波器体积、重量大，位于功率通道的Lf1和Cf1有较大的损耗；对于电网电压和负载的波动，系统动态响应特性差;变压器和输出滤波电感产生的音频噪音大；推挽式电路拓扑简洁，功率开关电压应力高（2Ui），适用于输入电压逆变场合。

桥式电路功率开关数多，开关电压应力低（Ui），适用于高输入电压逆变场合。

图2-5推挽式逆变器电路拓扑及其原理波形

Fig.2-5push-pullinvertercircuittopologyandtheprincipleofwave

图2-6桥式方波逆变器电路拓扑及其原理波形

Fig.2-6bridgesquarewaveinvertercircuittopologyandtheprincipleofwave

（2）阶梯波合成逆变器

为了减小方波逆变器输出波形谐波含量，可采用DC/DC变换器和阶梯波合成逆变器级联式电路结构，如图所示。

阶梯波的阶高按正弦规律变化，如果每个周期阶梯波的阶梯数为2N，则需要N台单相逆变器或N/3台三相逆变器。

每个单相功率电路相同，可采用推挽、桥式或三相桥式电路。

大功率逆变器阶梯波合成常用的方法是移相迭加法，即将N个依次相移π/N、不同幅值的方波或矩形波迭加合成，最大限度地将某些低次谐波互相抵消，使合成波的谐波含量最小。

因此，梯波合成逆变器又称为应用“谐波抵消”（Harmoniccancellation）的逆变器。

每相输出变压器变比和绕组的联接方式由“谐波抵消”理论确定，N=6时变压器绕组联接方式及阶梯波合成波形。

阶梯波合成逆变器电路的特点为：

工频变压器体积、重量大，产生的音频噪音大;输出电压谐波含量很小，输出交流滤波器体积重量小；对于电网电压和负载的波动，系统动态响应特性好；输出滤波电感产生的音频噪声得到改善；电路拓扑复杂，功率开关数目多；逆变电路本身无调压功能，输出电压调节只能由由前级DC/DC变换器来实现；整机体积、重量仍较大。

（3）正弦脉宽调制SPWM逆变器

将正弦波（调制波）与高频载波（三角波）相交生成的正弦脉宽调制信号用来控制驱动逆变桥功率开关，便可得到脉宽宽度按正弦规律分布的SPWM波Uab,分为单极性和双极性正弦脉宽调制波。

正弦脉宽调制SPWM逆变器电路的特点为：

变压器仍工作在工频，体积大且笨重，体积与重量仅和输出电压频率有关，与逆变器开关频率无关，提高逆变器开关频率并不能减小变压器体积和重量；输出滤波器体积、重量小;对于输入电压和负载的波动，系统的动态响应特性好；变压器和输出滤波电感产生的音频噪音得到改善；功率器件开关频率高，开关损耗增加，降低了系统变换效率。

在低频环节DC/AC逆变技术中，由于工频变压器的体积和逆变器的开关频率无关，只和输出电压的频率有关。

为克服此缺点，必须采用高频环节逆变技术。

2.3.2高频环节逆变技术

用高频变压器替代低频环节逆变技术中的工频变压器，克服了频环节逆变技术的缺点，显著提高了逆变器特性。

按照功率传输方向，高频环节逆变技术可分为单向型（UnidirectionalPowerFlowMode）和双向型（Bi-directionalPowerFlowMode）两类;按照功率变换器类型，高频环节逆变技术可分为电压源（VoltageMode或BuckMode）和电流源（CurrentMode或Buck-BoostMode）两类。

必须强调的是，这里的Buck、Buck-BoostMode已不再是传统意义上完整的Buck、Buck-BoostMode变换器。

（1）电压源高频环节逆变技术

单向电压源高频环节逆变技术（如图2-7）。

在直流电源和逆变器之间加入一级高频电气隔离DC/DC变换器，使用高频变压器实现电压比调整和电气隔离，省掉了体积庞大且笨重的工频输出变压器，降低了音频噪音。

单向电压源高频环节逆变器，如图所示。

该电路结构具有单向功率流、三级功率变换（DC/HFAC/DC/LFAC）、变换效率和可靠性不够理想、但应用较广泛等特点。

图2-7单向电压源高频环节逆变器

Fig.2-7one-wayhigh-frequencylinkvoltagesourceinverter

针对单向电压源高频环节逆变器，各国学者提出了多种控制策略或改进。

其中相控谐振式单向电压源高频环节逆变器，使得功率器件实现了软开关，降低了开关损耗和系统的电磁干扰EMI。

但该电路拓扑十分复杂，降低了系统变换效率和可靠性。

双向电压源高频环节逆变技术。

双向电压源高频环节（高频脉冲交流环节）逆变器。

它具有双向功率流、两级功率变换（DC/HFAC/LFAC）等特点，这对提高逆变器效率和可靠性起到了关键作用。

该电路特别适用于有双向功率流的场合，可以用来构成UPS。

高频脉冲交流环节逆变器采用传统的PWM技术时周波变换器器件换流将打断漏感中连续的电流而造成不可避免的电压过冲。

由于这个原因，这类方案都需另外采用一些缓冲电路或有源电压箝位电路来吸收存储在漏感中的能量。

有源电压箝位电路是以增加功率器件数和控制电路的复杂性为代价的，故不十分理想。

（2）电流源高频环节逆变技术

该逆变器由高频逆变器、储能式变压器和周波变换器三部分组成。

高频逆变器将直流电压能量变换成脉动的电流能量储存在储能式变压器中，周波变换器将此高频脉动电流低频解调，经输出滤波电容滤波后供给负载，具有电路拓扑简洁、两级功率变换（DC/HFAC/LFAC）、DCM工作模式、易并联、变换效率高、动态响应速度快、可靠性高等特点，但功率开关电流应力大，仅适用于小功率逆变场合。

3小功率光伏并网系统的逆变器设计

太阳能光伏发电是一种将太阳光直接转换为电能的新型发电技术。

太阳光辐射能经过光伏蓄电池转换为电能，再经能量储存腔制与保护、能量变换等环节，使之可按人们的需要向负载提供直流电能或交流电能。

光伏蓄电池阵列所发出的电能为直流电，但大多数用电设备采用的是交流供电方式，所以系统中需要

有逆变器将直流电变换为交流电以供负载使用。

逆变器的效率将直接影响到整个系统的效率，因此，光伏系统逆变器的控制技术的研究具有重要意义。

3.1光伏发电的发展现状及前景

自1893年发现“光生伏打效应”和1954年第一块实用的光伏电池问世以来，因价格昂贵且光电转换效率低，光伏电池的早期应用主要局限于科学研究及军事、航空等特殊领域。

受20世纪70年代的石油危机和90年代的环境污染问题的影响，人们对能源和环境问题的认识不断提高，光伏发电越来越受到各国政府的重视，科研投入不断加大，鼓励和支持光伏产业发展的政策也不断出台。

3.1.1国外光伏发电现状及前景

以1997年美国的“百万太阳能光伏屋顶计划”为标志，日本及欧洲的德国、丹麦、英国和意大利等国也纷纷开始制定本国的可再生能源法案，掀起了大力发展光伏产业的高潮。

自1997年以来，全球光伏产业连续10多年以30%-60%的速度增长，世界光伏发电的高速发展主要表现在如下几个方面。

光伏电池产量持续增长。

多年来，光伏产业一直是世界增长速度最高和最稳定的领域之一，1996-2008年间，光伏电池产量以年均增长率超过40%的速度高速发展，产量从1996年的89MW增加到2006年的2521MW，增长了28倍。

光伏市场飞速膨胀。

各国政府接连不断出台的政策激励了光伏产业发展，如2004年德国补贴法修订后，德国市场2005年装机容量便达到了837MW,占全球市场的57%，政府政策对光伏产业的激励可想而知。

新技术不断出现，电池效率不断提高。

随着自动化程度和生产技术水平的提高，电池效率由现在的水平（单晶硅16%-18%，多晶硅15%-17%）向更高水平（单晶硅18%-20%，多晶硅16%-18%）发展。

如SunPower公司采用最先进的生产工艺，制造的背接触电池已经率先到达了效率为20%的目标。

光伏电池、组件的成本不断降低。

光伏电池自诞生以来，其价格就不断下降，从1996年到2003年，组件整体价格下跌了25%。

近几年，在德国和日本等极为优惠的经济政策激励下，国际光伏发电市场需求强劲，其前景已被越来越多的国家政府和金融机构所认识。

与其他发电方式相比，目前的光伏发电成本还很高，政府的激励政策是其发展的主要动因，日本和德国是其主要的市场。

许多国家和地区也都制定了光伏发电计划，世界总累计将安装18Gw。

到22世纪中叶，光伏发电成为人类的基础能源之一。

3.1.2国内光伏发电现状及前景

中国于1958年开始研究太阳电池，20世纪70年代起步发展光伏发电产业，90年代中期进入稳步发展时期。

近年来，中国太阳电池产量逐年稳步增加，到2005年底，其总产量超过250Mw。

中国光伏发电市场的发展历程为：

90年代初期，光伏发电主要应用在部队通信和工业领域，包括微波中继站、卫星通信地面站、程控电话交换机、水闸和石油管道的阴极保护系统等；从1995年开始主要应用在特殊领域和边远地区，逐步建立了示范型的光伏发电应用系统，建成各种规模的光伏电站40多座，推广应用家用光伏电源系统约15万套；为了弥补国内的技术空白，中国科学技术部于1996年11月下达了“1-5kw级并网逆变/控制一体化机”，“九五”国家重点科技攻关项目；2000年以后，中国的光伏技术已步入大规模并网发电阶段，开始建造100KWp级的光伏并网示范系统，2008年北京“绿色奥运”部分用电也将会由太