单相buck型逆变器有源直流滤波技术研究本科学位论文.docx

单相buck型逆变器有源直流滤波技术研究本科学位论文.docx

《单相buck型逆变器有源直流滤波技术研究本科学位论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《单相buck型逆变器有源直流滤波技术研究本科学位论文.docx（26页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

单相buck型逆变器有源直流滤波技术研究本科学位论文

福州大学至诚学院

本科生毕业设计（论文）

题目：

单相Buck型逆变器有源直流滤波技术研究

姓名：

学号：

系别：

电气工程系

专业：

电气工程及其自动化

年级：

指导教师：

2016年4月26日

独创性声明

本毕业设计（论文）是我个人在导师指导下完成的。

文中引用他人研究成果的部分已在标注中说明；其他同志对本设计（论文）的启发和贡献均已在谢辞中体现；其它内容及成果为本人独立完成。

特此声明。

论文作者签名：

日期：

关于论文使用授权的说明

本人完全了解福州大学至诚学院有关保留、使用学位论文的规定，即：

学院有权保留送交论文的印刷本、复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅；学院可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印、数字化或其他复制手段保存论文。

保密的论文在解密后应遵守此规定。

论文作者签名：

指导教师签名：

日期：

单相Buck型逆变器有源直流滤波技术研究

摘要

本文主要叙述了单相Buck电路和逆变器的工作原理，并搭建单相Buck型逆变器的控制及驱动电路，通过分析了直流侧电流分量，在此基础上对逆变器的控制策略及直流侧的谐波补偿方法进行研究。

最后用PSIM仿真软件对不同条件下的波形进行了验证。

随着科技发展，对能源的需求日渐增大，之前持续的对世界化石能源的大力开发利用对环境造成的污染问题也日益严重，逐渐成为了世界经济可持续发展最大的阻碍。

作为逆变技术的一种应用，Buck直流变换器型逆变器得到了很好的发展。

Buck直流变换器型逆变器可以将直流低压变成各种不同的交流高压，在实际生产生活中有着很重要的作用。

本文采用PWM波形控制逆变器的功率开关作为逆变器的控制方法，引用有源滤波技术（DCAPF）补偿有负载产生的纹波电流，实现抑制直流侧的低频纹波。

文中对在滞环控制方式下有源滤波器的工作原理和SPWM调制波的产生进行了分析。

并对主电路的关键参数进行设计。

最后通过PSIM仿真软件对本次研究Buck型逆变器有源直流滤波技术进行仿真，通过对波形的分析、观察验证文中所选逆变器控制方式以及谐波的抑制方法的可行性。

关键词：

逆变器，控制策略，APF,低频纹波，PSIM

SinglePhaseTypeBuckInverterActiveFcFilterTechnologyResearch

Abstract

Thisarticlemainlysingle-phaseBuckinvertertypeactivefilterintheshapeofhigh-frequencylinkinverterdctransformcircuittopologyandtheworkingprincipleisanalyzed.Onthebasisofthecontrolstrategyofinverteranddcsideharmonicscompensationmethodswerestudied.

Alongwiththedevelopmentofscienceandtechnology,thegrowingdemandforenergy,beforecontinuingtotheworldoffossilenergyvigorouslythedevelopmentandutilizationofenvironmentalpollutionproblemisincreasinglyserious,hasbecometheworld'slargesteconomysustainabledevelopment.Asanapplicationoftheinvertertechnology,Buckdctransformwareinverterhasbeenverygooddevelopment.Buckdctransformwareinverterdclowvoltagecanbeturnedintoavarietyofdchighvoltage,intheactualproductionhasaveryimportantroleinthelife.

ThispaperadoptsPWMwaveformcontroloftheinverterpowerswitchasinvertercontrolmethod,referenceactivefilteringtechnology（DCAPF）haveripplecurrentofpowercompensation,achievethelowfrequencyrippleofdcside.Inthispaper,onthehysteresiscontrolmodeoftheactivefilterworkingprincipleandthegenerationofSPWMwavemodulationisanalyzed.Andkeyparametersofmaincircuitdesign.

FinallybyPSIMsimulationsoftwareforthestudyofactivetypeBuckinverterdcfiltersimulationtechnology,throughtheanalysisofwaveform,observingverifytheselectedinvertercontrolmode,andthefeasibilityoftheharmonicsuppressionmethod.

Keywords:

inverter,controlstrategyofAPF,lowrippleandPSIM

目录

第1章绪论1

1.1引言1

1.2低频电流纹波1

1.2.1低频电流纹波的产生1

1.2.2低频电流纹波的危害2

1.2.3低频电流纹波的抑制方法2

1.3本论文研究的意义3

1.4本论文研究的内容3

第2章单相Buck型逆变器电路结构与控制策略4

2.1单相Buck型逆变器电路构成及基本原理4

2.2控制策略4

2.3Buck型逆变器模拟SPWM控制设计5

2.3.1控制电路分析和设计5

2.3.2电压比例积分调节器5

2.3.3逻辑判断电路6

第3章低频电流纹波的抑制方法8

3.1有源电力滤波技术9

3.2滞环控制方案分析9

3.3APF的优点10

3.3.1补偿由负载产生的谐波电流10

3.3.2提高电网负载的输入阻抗10

3.4有源滤波器的构成及工作原理11

3.4.1主电路拓扑结构及输入电流分析11

3.4.2工作原理15

第4章单相Buck型有源直流滤波器关键电路参数的设计16

4.1主电路参数设计16

4.2功率开关管18

4.3采样电路19

第5章仿真及实验结果20

5.1滤波电感仿真试验结果20

5.1.1电感电流输出电压仿真试验结果20

5.1.2输出电压仿真试验结果21

5.1.3直流电网输入侧试验结果22

结论24

参考文献25

谢辞26

第1章绪论

1.1引言

DC/AC逆变器技术可以实现将直流电变换为交流电的一种装置，逆变技术自从大功率可控的半导体元器件得到发展后，逆变技术日趋成熟。

为了得到更高的质量，可以满足负载上所需的电压和频率在规定范围的交流电流，滤波技术的研究愈显重要。

利用新的技术生产高品质的新能源已经是今后科技发展的趋势，随着电子设备功能日趋完善，对电源的要求也越来越高。

DC/AC逆变电源作为逆变电源的一种，有它独特的功用。

Buck电路作为一种最基本的DC/AC拓扑，结构比较简单，输出电压小于输入电压。

正是由于Buck电路的特点，基于DC-AC变换的新型逆变电路同样在各个领域有着广泛的应用。

谐波不仅使能源利用率降低，造成资源能源浪费，减少用电设备寿命，更为重要的是由谐波引起的安全故障和严重事故频发，给社会和人们的财产和生命安全带来危害:

1）污染公用电网。

2）危害输电线路的安全:

输电线路的阻抗因电网频率的升高而增加，进而导致输电线路附加损害的增大，从而影响供电电压。

3）高频率的谐波会引起原本正常工作的系统出现了串联谐振及并联谐振问题，从而引起危险的过电压或过电流问题。

4）影响旋转电机的正常运行。

5）加速电力电容器的老化，使其绝缘性变差，容易被击穿，从而带来更大的经济负担[1]。

1.2低频电流纹波

纹波电流，我们一般指的是电路中的高于正常电流频率的谐波成分，可划分为低频纹波或者高频纹波两种。

我们一般采用总谐波失真THD来描述交流系统中纹波电流的谐波程度。

1.2.1低频电流纹波的产生

现以逆变器输入电流构成分析低频电流纹波的产生，逆变器输出电压为

，输入电流为

，（其中ωt为输出角频率，V为输出电压有效值，I为输出电流有效值）；假设输入侧直流电压Vd恒定，系统无损失可得逆变器输入电流表达式为：

公式（1-1）

化简上式可以得到：

公式（1-2）

如式（1-2）所示，无论逆变器采用哪种控制方式，其输入电流均由两部分构成，一部分为恒定的直流分量，另一部分为低频交流谐波分量，其频率为输出频率的两倍，这就是输入电流的低频纹波[1]。

1.2.2低频电流纹波的危害

当逆变器输出功率包含两路脉冲电源时，电源侧就会生成低频脉冲电，低频脉冲电流对直流而言如果所占比例较大时，能造成直流侧电源系统工作不正常，效率下降；对于新能源电力供应，降低使用量，且对高压直流母线造成污染，影响设备的正常运行。

1.2.3低频电流纹波的抑制方法

电流纹波包括高频和低频两种成分，对于高频电流纹波来说，可以采用无源滤波器来抑制，即添加由无源元件（R、L和C）组成的滤波器[4]。

但它只能滤除高频纹波成分，无法滤除低频分量。

针对低频电流纹波的抑制方法有很多种，较为常见的就是引入有源滤波器，也有较为新颖的方法如添加谐振控制器或者使用本次设计方案所采用的是引入有源滤波器的方法。

此次研究内容是在Buck型逆变器有源直流滤波电路的基础上进行的，图1-1为有源滤波器的原理图，从直流侧提供信号经过比较运算用于控制和驱动APF滤波。

图1-1直流有源滤波器结构框图

1.3本论文研究的意义

通过完成课题任务设计，对电力电子器件的工作原理有了更加深入的了解，熟悉掌握逆变器的电路结构及其工作原理，对逆变器的直流侧的基波分量级输入电流进行了分析和计算，认为逆变器的直流侧有谐波，通过谐波产生的原因进行分析来找出抑制方法。

通过电路的设计和分析，对本课程通过波形分析的方法进行验证结果，通过PSIM软件进行设计电路的仿真，验证最后得出的波形是否符合设计要求。

1.4本论文研究的内容

本文主要针对单相逆变器的直流有源滤波器技术进行研究分析，通过DC/AC2201kVA单相Buck型逆变器直流有源滤波电路，电路拓扑完成后，输出电压的反馈控制策略、输入电流纹波抑制方法、稳态原理特性、关键电路参数设计准则，在理论研究的基础上，进行了稳态和动态仿真分析，仿真结果在稳态仿真结果的情况下，在不同的输入电压和负载条件下，在动态仿真结果的情况下，输入电压突变和突变载荷。

通过仿真结果来验证所设计的电路及参数是否满足逆变器的技术要求。

具体内容有：

1．研究单相Buck型逆变器有源直流滤波电路结构与控制策略；

2．研究单相Buck型逆变器低频电流纹波抑制策略；

3．研究单相Buck型逆变器稳态原理特性和关键电路参数设计准则；

4．1kVA450VDC/AC220V50HzAC单相Buck型逆变器及其有源直流滤波器的仿真分析。

第2章单相Buck型逆变器电路结构与控制策略

2.1单相Buck型逆变器电路构成及基本原理

单相Buck型逆变器是由两组Buck型电路组合而成。

如图2-1所示，电路由直流电源、功率开关管S1-S4、电感L、电容C、负载电阻R组成，其工作原理是当功率开关管S1、S4导通，S2、S3截止时，负载电压Uo=Ud。

当功率开关管S1、S4截止，S2、S3导通时，负载电压Uo=-Ud。

我们让以上两种状态以频率f轮流切换导通截止，输出电压Uo将变成交变方波，从而把直流电变成了交流电。

其中电感L、电容C起滤波作用，通过电路拓扑，加入APF滤波电路和SPWM控制电路，就可实现单相Buck型逆变器直流有源滤波。

图2-1逆变原理图

2.2控制策略

图2-2是逆变器功率开关管的控制原理图与波形图。

其图中的正弦波是通过给定的基准电压信号与输出电压信号通过比较器进行比较得出的电压误差信号，其误差信号与输出电压反馈信号通过比例积分电路得到SPWM调制波。

再用高幅值的三角波与它进行比较从而输出的波形即为SPWM控制波。

（a）电路图（b）输出波形图

图2-2逆变器电压控制及输出波形图

2.3Buck型逆变器模拟SPWM控制设计

由于逆变器是通过四个功率开关管的通断来控制输出电压，所以采用SWPM波形通过波形的高低电平来控制功率管的通断。

2.3.1控制电路分析和设计

单相Bock逆变器的功率管控制采用的是输出电压反馈跟踪的单闭环控制，设置电压采样电路的增压为0.1，采样结果再与基准电压相减得到误差电压，该信号控制驱动电路产生驱动信号对单相PWM逆变器中的开关管进行控制。

在这个过程中PI调节器起着至关重要的作用，如何调节其参数极为重要。

一般来说，PI调节器的设置规则是在保持系统具有高动态性能下，尽量避免PI调节器的输出电压一直达到限幅值。

2.3.2电压比例积分调节器

调节器中电压外环用于补偿系统的元器件误差导致的缺陷，抵消电感中的直流分量，使最后输出的电压U0更接近于正弦波形；电压调节器是一个比例积分环节，电路如图2-3所示；电压比例积分调节器的主要功能是对输出端的电压U0进行采样后与给定标准电压

Ur之间的误差信号处理，使反馈信号跟踪标准电压信号。

图2-3电压比例积分调节器

电压调节器的表达式可写为：

公式（2-1）

一般在模拟电路系统中R1=R2，所以

公式（2-2）

令

，则：

公式（2-3）

所以电压调节器的比例系数为

积分系数为

2.3.3逻辑判断电路

逻辑判断电路是用来判断PWM信号控制逆变器中究竟是那对功率管驱动；从逆变器的主结构原理分析可知，当电感电路正向流通，即ilf>0时，主电路为上管工作，对应的桥臂二极管续流；当电感电流负向流通，即ilf<0时，主电路为下管工作，对应的桥臂二极管续流。

图2-4逻辑判断图

第3章低频电流纹波的抑制方法

在滤波器在现有的系统中，通常使用以下的谐波抑制方案；采用无源LC滤波器谐波滤波、无源滤波方案根据低谐波滤波器；采用多脉波整流方案也可以抑制低次谐波；交直流设备分散，加入功率因数校正功率电子设备（功率因数修正：

PFC）电路；这些方案都有其自身的特点；无源滤波器通常被称为LC滤波器，滤波装置，谐波的滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合平行的来源，除了过滤效果，但也考虑到需要的无功功率补偿。

图3-1a给出了单调谐滤波器的电路原理图。

图3-1a电路原理图图3-1b特性曲线

滤波器对n次谐波的阻抗为：

公式（3-1）

特性曲线如图3-1b所示。

在谐振频率处，

，因为

很小，n次谐波主要经

分流，很少流入电网。

因此只要将滤波器的谐振次数定为需要滤除的谐波次数,非线性负载中的该次谐波将大部分流入滤波器,而不流经电网,从而达到滤波的目的。

无源滤波器具有结构简单、成本低、可同时补偿无功功率的优点。

该技术的成熟和易于维护，但无源滤波器，有很多缺陷：

对于低阶谐波滤波器，除了滤波器的谐波分量，它是很难避免的基本元件，这使得无源滤波器的容量大大增加；同时，无源滤波器的滤波特性取决于电网参数，以及电网阻抗和频率的操作系统和负载变化的负载。

因此，无源滤波器的优化设计难度更大，在电网中的谐波和无源滤波器的优化设计也很容易。

除去这些，随着频率转换系统的不断发展，该技术的应用将受到更大的限制。

3.1有源电力滤波技术

采用PWM（pulsewidthmodulation）控制变流器构成的有源电力滤波器（activepowerfilter,APF）,确立了APF的完整概念和主电路拓扑结构；有源滤波器分为并联型APF、串联型APF以及串并组合型APF,它们的电路结构分别如图3-2所示[3]。

图3-2APF电路结构图

3.2滞环控制方案分析

滞环控制就是采用补偿电流跟踪控制策略。

其控制原理图如图3-3所示。

图3-3滞环比较控制原理图

在该控制方法中，滞环控制技术就是将谐波检测的电流信号通过电流调节器产生的电流基准信号，在去实际电感电流为补偿电流信号，将实际电感电流信号与电流基准信号通过滞环比较器进行比较从而产生功率管的控制信号，通过控制功率管从而补偿电网中的谐波电流。

3.3APF的优点

基于前面的理论分析和设计的APF，这段总结了直流有源滤波器的优点。

3.3.1补偿由负载产生的谐波电流

通过对输入电流的分析，它是已知的直流电源系统的输出电压的频率的2倍时，单相逆变器的负载是必需的；APF是在逆变器的输入端，主要是为了补偿提供逆变器因为负载而产生的电网电流中所产生的纹波电流直；所以，直流有源电力滤波器在整个系统中其本质是一个受控电流源。

3.3.2提高电网负载的输入阻抗

假设直流电网中注入干扰电流i，如图3-4所示，电网电压相应产生的脉动量为：

图3-4直流侧电流分析图

在直流电源系统中，直流电源的输出阻抗和负载的输入阻抗分别为：

公式（3-2）

直流APF本质上是一个受控电流源，此时注入电网的补偿电流和负载电流存在如下关系：

公式（3-3）

则包括直流APF在内的等效负载电流为：

公式（3-4）

3.4有源滤波器的构成及工作原理

3.4.1主电路拓扑结构及输入电流分析

图3-5单相Buck型逆变器主电路

在图3-5中逆变器电路由功率开关管VT1-VT6，续流二极管VD1-VD6组成，输出侧电解电容C1、C2，电感L1、L2组成。

该电路由Buck电路组成。

每个桥臂按照直流变换器调制，使A和B两点的电压分别为：

公式（3-5）

公式（3-6）

式中，

公式（3-7）

可以得到S1和S3的占空比分别为：

公式（3-8）

公式（3-9）

使D桥臂电压为：

公式（3-10）

式中，功率开关

S5的占空比为：

公式（3-11）

A、D点之间的电压差的基波分量为：

公式（3-12）

B、D点之间的电压差的基波分量为：

公式（3-13）

若忽略滤波电感上的低频压降，则两个输出滤波电容上的电压分别为：

公式（3-14）

公式（3-15）

两个输出滤波电容上流过的电流ic1和ic2分别为

公式（3-16）

公式（3-17）

负载电流为

公式（3-18）

式中，Io为负载电流有效值，φL为负载阻抗角。

若忽略电容电流中和电感电流高频纹波成分，则电感Lf1和Lf2电流表达式为：

公式（3-19）

公式（3-20）

从附加桥臂中点D流出的电流表达式为：

公式（3-21）

忽略高频电流纹波，流过功率开关S1、S3和S5的电流为：

桥臂输入侧电流为：

公式（3-22）

输入电流ii中所含有的二次谐波分量ii2为

纯阻性负载情况下，φL=0，则：

公式（3-23）

设分子为M，则：

公式（3-24）

设角度0<θ<π/2，且：

要使M=0恒成立，则

公式（2-20）

3.4.2工作原理

图3-6单相Buck型逆变器主电路经上小节公式推导可知，根据逆变器与Buck型有源滤波功率管工作状态，可分解为图3-6所示的两种状态。

现以图3-6作出主电路工作原理的分析。

（a）S1、S4、S6工作状态（b）S2、S3、S6工作状态

图3-6主电路工作状态图

首先是第一种工作状态，功率管S1、S4、S6导通时，直流电流ii经S1流入Lf1（滤除高频谐波），流出Lf1后分两路，一路是一部分谐波经过电容Cf1形成电流ic1见公式3-16。

另一路是一部分谐波与直流分量一起经过负载Uo，负载中的谐波分量后流经电容Cf2形成电流ic2见公式3-17。

这时若令iD为零，则系统中无谐波成分，所以在D点处让S6导通加入有源滤波，则达到有源滤波效果。

其次是第二种工作状态，功率管S2、S3、S5导通时，工作原理同第一种状态，只不过电流的方向发生了变化。

第4章单相Buck型有源直流滤波器关键电路参数的设计

单相Buck型有源直流滤波器的结构如图4-1所示，有源直流滤波电路主要由三个电路结构构成，除了Buck型逆变器直流有源滤波器的主电路，应该还有逆变器的功率开关管的控制回路和有源滤波器的输入控制回路。

其基本结构如图4-1所示:

图4-1直流有源滤波系统框图

4.1主电路参数设计

选择的主要电路参数是合适的，不仅决定系统是否正常工作，而且还影响系统的补偿性能和整个系统的成本，因此对主电路的参数尤为重要。

由于直流电网电压为450V并且输出功率为1kVA单相逆变器负载的输出电压为220V/50Hz，则电流有效值为：

公式（4-1）

单极性调制时，当S1、S4导通时：

公式（4-2）

且在一个载波周期内，UO的变化很小，可以认为S1、S4同时导通时电感电流iL线性增加，其增加量为：

公式（4-3）

4-3式中可以看出当D=0.5时△iL有最大值：

公式（4-4）

由

得

公式（4-5）

即：

公式（4-6）

由于输出电压的THD的角度取决于有源滤波器中的滤波电容，但在恒定输出电压的情况下，滤波电容器可增加反应电流，使整个系统体积和重量增大，降低了系统的效率。

为了降低无功分量的输出功率，滤波器的电容电流最好不大于额定输出电流为1/5。

在满负荷的输出电流的有效值是：

公式（4-7）

所以：

无功电流有效值

滤波电容Cf为：

公式（4-8）

LC低通滤波器的传递函数为（RL为负载）：

公式（4-9）

基于以上结论，选择需要基频设计滤波器的低频范围，并通过开关调制在高频段有效衰减输出电压通过高频开关谐波产生谐波的设计。

即需要满足：

公式（4-10）

式中f0为基波频率，fc为开关频率，5

逆变器输出交流电压的频率fO为50Hz，开关频率fs设为50kHz，在K1=K2=6时，此时的电感值