文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2010)08-0077-04
目前,，伴隨著新能源的利用以及電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)要求的提高，新型逆變器已經(jīng)成為研究熱點(diǎn),。為了提高電源系統(tǒng)的容量和可靠性,，多臺(tái)逆變器級(jí)聯(lián)的電源系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。多個(gè)電源模塊級(jí)聯(lián)分擔(dān)負(fù)載功率,，使主電路開關(guān)器件電流應(yīng)力大大減小,，功率密度大幅提高，可從根本上提高可靠性,。為了提高波形質(zhì)量,，提高功率等級(jí)，主要采取3種方式[1-2]：(1)將容量小但開關(guān)速度相對較快的器件串聯(lián)或并聯(lián),，以達(dá)到容量和開關(guān)速度要求,；(2)多臺(tái)獨(dú)立的小容量變換器并聯(lián)使用，(3)尋求新的主電路拓?fù)?，如采用多電平?jí)聯(lián)方案和多重化主電路實(shí)現(xiàn)大容量的變換器,。參考文獻(xiàn)[3]中，逆變器的并聯(lián),，在一定程度上提高了功率器件的能量等級(jí),，但由于傳統(tǒng)逆變器并聯(lián)存在器件的均壓、均流問題,，使得控制復(fù)雜,；參考文獻(xiàn)[4]提出了一種新型并網(wǎng)逆變器，其結(jié)構(gòu)簡單,、易于控制,，但逆變器開關(guān)管處于高頻開關(guān)狀態(tài)，增加了開關(guān)損耗,；參考文獻(xiàn)[5-6]提出了雙頻變換的思想,，即系統(tǒng)由高頻單元和低頻單元共同構(gòu)成，其中低頻單元對高頻單元進(jìn)行分流,，傳輸大部分功率,，而高頻單元傳輸小部分功率，提高了系統(tǒng)的性能,?；陔p頻變換的思想，本文研究了一種新型三相橋式雙頻逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),，并進(jìn)行理論分析提出其控制策略,。
1 雙頻逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制策略
1.1 雙頻逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理
三相橋式雙頻逆變器是在傳統(tǒng)三相橋式逆變電路的基礎(chǔ)上構(gòu)成的，如圖1所示,。在該電路圖中,，Sap~Scn屬于高頻逆變橋,，工作在高頻狀態(tài)；Slap~Slcn,、Lla~Llc屬于低頻逆變橋,，且開關(guān)Slap~Slcn工作在低頻狀態(tài)。La,、Ca,、Lb、Cb,、Lc,、Cc構(gòu)成雙頻逆變電路的濾波器，Ra,、Rb,、Rc為系統(tǒng)負(fù)載。
以A相橋臂為例對三相橋式雙頻逆變器進(jìn)行分析,，設(shè)fH=NfL,，即在低頻開關(guān)的1個(gè)周期內(nèi)包含著N個(gè)高頻開關(guān)狀態(tài)周期。1個(gè)開關(guān)周期的高頻開關(guān)和低頻開關(guān)的狀態(tài)如表1所示,，每種狀態(tài)所對應(yīng)的導(dǎo)通電路如圖2所示,。
同一橋臂上下開關(guān)互補(bǔ)導(dǎo)通。在狀態(tài)1中,，高頻開關(guān)Sap導(dǎo)通,，低頻開關(guān)Slap導(dǎo)通。在所構(gòu)成的回路中,，電感電壓和電感電流有下列關(guān)系：
由相同方法對其余3種狀態(tài)分別進(jìn)行分析得到,，電感La兩端電壓在Up-Uo與UN-Uo之間轉(zhuǎn)換，其電流則相應(yīng)地出現(xiàn)上升狀態(tài)和下降狀態(tài)且電壓和電流不受低頻電路的影響,。而在低頻單元中,，電感Lla兩端的電壓在UPN,、UNP和0三者之間轉(zhuǎn)換,，電感Lla的電流則相應(yīng)出現(xiàn)上升、下降和保持不變3種狀態(tài)(fH=4fL),，其波形如圖3所示,。因此采用適當(dāng)?shù)目刂撇呗钥梢詫?shí)現(xiàn)高頻電感電流和低頻電感電流同時(shí)可控的效果，兩單元功能相對分離,，實(shí)現(xiàn)高頻單元和低頻單元之間的無環(huán)流運(yùn)行,。
1.2 雙頻逆變器的控制策略
對于三相橋式雙頻逆變器的高頻單元采用單周控制，低頻單元采用電流滯環(huán)控制,，首先對高頻單元的控制策略進(jìn)行分析,。單周控制其通用性強(qiáng),，適用于各類電力電子功率變換裝置，控制電路簡單,，具有優(yōu)良的控制性能,。設(shè)x(t)為開關(guān)輸入信號(hào)，y(t)為開關(guān)輸出信號(hào),，定義開關(guān)函數(shù)k(t)如下：
在1個(gè)開關(guān)周期內(nèi),，開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間為TON，關(guān)斷時(shí)間為TOFF,，并且TON+TOFF=TS,，fS=1/TS為開關(guān)頻率，D=TON/TS為控制信號(hào)vref的調(diào)制占空比,，則開關(guān)輸入信號(hào)x(t)與開關(guān)輸出信號(hào)y(t)之間的關(guān)系為：
利用單周控制原理[7],，式(8)可以得出雙頻逆變器高頻單元的控制電路如圖4所示。
在1個(gè)開關(guān)周期內(nèi)參考信號(hào)經(jīng)過一個(gè)PI調(diào)節(jié)器與采樣信號(hào)的積分進(jìn)行比較,，比較器輸出到RS觸發(fā)器的R端,，RS觸發(fā)器S端由時(shí)鐘脈沖控制，通過RS觸發(fā)器來控制高頻單元各開關(guān),。當(dāng)進(jìn)入下一個(gè)開關(guān)周期時(shí),，積分器通過復(fù)位信號(hào)進(jìn)行復(fù)位，然后重復(fù)上述工作狀態(tài),。雙頻逆變器的低頻單元傳輸大部分能量,，對高頻單元進(jìn)行分流，采用電流滯環(huán)控制,，使低頻單元電流快速跟蹤高頻單元電流,。低頻單元開關(guān)控制電路如圖5所示。
2 雙頻逆變器的仿真分析
本文基于Matlab/Simulink建立了仿真模型,，仿真參數(shù)設(shè)置如下：直流母線電壓Udc=600 V,；濾波電感La=Lb=Lc=4 mH；低頻單元電感為Lla=Llb=Llc=2 mH,；負(fù)載電阻Ra=Rb=Rc=5 Ω,；濾波電容Ca=Cb=Cc=100 μF；高頻單元工作頻率為10 kHz,，低頻單元工作頻率約為2 kHz,，仿真結(jié)果如圖6~8所示。圖6(a)為高頻開關(guān)電流波形,，圖6(b)為低頻開關(guān)電流波形,，圖6(c)為展開后的高低頻開關(guān)電流波形。在圖6(c)中給出了高低頻開關(guān)電流的幅值對比，雖然高頻單元開關(guān)頻率很高,，但是流過的開關(guān)電流很小,，損耗低，而低頻單元開關(guān)電流很大,，但其工作在低頻狀態(tài),，開關(guān)頻率僅為高頻單元的1/5，因此雙頻逆變器大大降低了開關(guān)損耗,。
在0.06 s時(shí)將輸出參考電壓由幅值200 V,、頻率50 Hz突變?yōu)榉?00 V、頻率25 Hz,，圖7為系統(tǒng)輸出電流波形圖,。通過圖7可以得出輸出電流波形快速跟蹤參考電壓，低頻逆變器單元傳輸大部分能量,，而高頻單元流過少部分能量,，通過高頻單元和低頻單元電流的疊加后，雙頻逆變器輸出的電流性能得到改善,，因此在光伏并網(wǎng),、電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中可以利用雙頻逆變器的特點(diǎn)來提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。為了進(jìn)一步說明雙頻逆變器的優(yōu)勢,，將雙頻逆變器與單個(gè)高頻逆變器各相測量值進(jìn)行對比分析,，結(jié)果如表2所示。雙頻逆變器與高頻逆變器輸出電流的THD基本相同,，但是高頻逆變器開關(guān)工作在高頻狀態(tài),，開關(guān)電流大，損耗高,；而雙頻逆變器的高頻單元電流很小,，能量主要由低頻單元流過，因此開關(guān)損耗比單個(gè)高頻逆變器開關(guān)損耗要低,。圖8為雙頻逆變器和高頻逆變器在100 V~200 V之間不同的6組電壓下的效率對比曲線,，通過曲線可以發(fā)現(xiàn)，雙頻逆變器效率要明顯高于高頻逆變器的效率,。
本文研究了三相橋式雙頻逆變電路,，從理論分析了工作模態(tài)并得出其控制策略。雙頻逆變器大大降低了開關(guān)損耗,，提高了輸出效率,、輸出電流總的諧波畸變率,，輸出波形動(dòng)態(tài)性能好,，并能夠快速跟蹤參考信號(hào)，通過仿真驗(yàn)證了理論分析的正確性。雙頻逆變器具有獨(dú)特的優(yōu)勢,，必將會(huì)在光伏并網(wǎng)以及電機(jī)的高性能調(diào)速等方面降低開關(guān)損耗,，為提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能提供一種新的解決思路。
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