10.3电气隔离型逆变器

83 10.3 电气隔离型逆变器逆变器广泛应用于以直流发电机、 蓄电池、 太阳能电池和燃料电池为主直流电源的逆变场合。 随着石油、 煤和天然气等主要能源的日益紧张， 新能源的开发和利用越来越得到人们的重视。 利用新能源的关键技术——逆变器能将蓄电池、 太阳能电池和燃料电池等其他新能源转化的电能变换成交流电能与电网并网发电，故它在新能源的开发和利用领域有着至关重要的地位。按照交流用电负载与输入直流电源电气隔离元件的工作频率， 逆变器可分为低频环节和高频环节两大类；按照交流输出能量的去向，逆变器可分为无源逆变和并网逆变两大类。本节系统地从方波、阶梯波合成、脉宽调制等低频环节逆变器到单向电压源、高频脉冲直流环节、双向电压源、 电流源、 直流变换器型等高频环节逆变器， 从无源逆变器到可再生能源并网逆变器， 论述了逆变技术的研究现状与发展，并给出了各类逆变器的电路结构、电路拓扑和原理波形。10.3.1 低频环节逆变技术方波、 阶梯波合成、 脉宽调制逆变器的共同点是， 用来实现电气隔离和调整电压比的变压器工作频率等于输出电压频率，其体积大、笨重、音频噪音大，故称为低频环节逆变器。低频环节逆变器电路结构，如图 10-46 所示。该电路结构由工频或高频逆变器、工频变压器以及输入、输出滤波器构成。直流电源 滤波器 工频或高频逆变器 工频变压器 滤波器 交流负载图 10-46 低频环节逆变器电路结构1. 方波逆变器方波逆变器的输出电压为方波， 是最简单、 发展最早的一种逆变器。 其电路拓扑主要有推挽式、 半桥式和全桥式三种，如图 10-47 所示。方波逆变器具有如下特点： （ 1）电路结构简洁，单级功率变换 DC-LFAC，双向功率流，功率开关工作频率低，变换效率高； （ 2）输出电压总的谐波畸变度达 48%，变压器和输出滤波器的体积与重量大、音频噪音大； （ 3） 对于电网电压和负载的波动，系统动态响应特性差。**N11N12Ui*N2 u2V1V2RLLLTub1ub2u1u1D1D2i 2 0u b 20u b 10u 20i 2t 1t 3t 2ttttt 4 t 5(a) 推挽电路 (b) 推挽电路原理波形84 V1V3D1D3V2V4D2D4**N1N2u2i2Uii iLZ0i 2θ S 1 S 4D 1D 4D 2D 3S2S30i iS1S4S2S320U i N 2 /N 100u b e1 u b e 4u b e 3u b e 2-U i N 2 /N 1u 22222ttttt（ c）全桥电路 （ d）全桥电路原理波形图 10-47 方波逆变器电路拓扑及其感性负载时的原理波形2．阶梯波合成逆变器为了减小方波逆变器输出波形的谐波含量，可以将多个方波逆变器移相叠加，从而构成阶梯波合成逆变器。阶梯波的阶高按正弦规律变化，若每个周期阶梯波的阶梯数为 2N，则需要 N 台单相方波逆变器或 N/3 台三相方波逆变器。 每个功率电路相同， 可采用推挽、 桥式或三相桥式电路。 阶梯波合成逆变器的电路结构及其 N=6时原理波形，如图 10-48 所示。阶梯波合成逆变器具有如下特点： （ 1） 单级功率变换 DC-LFAC、 双向功率流、 功率开关工作频率低、变换效率高，但电路拓扑复杂、功率开关数多； （ 2）当阶梯数为 18 时， THD为 9.48%，输出滤波器的体积与重量小，音频噪音得到改善； （ 3）变压器的体积、重量大； （ 4） 对于电源电压和负载的波动，系统动态响应特性好； （ 5）输出电压的调节难度较大。（ a）电路结构85 T1T2T3T4T5T6相角 = 0°30 °60 °90 °120 °150 °u1u2u3u4u5u6uttttttuu1u2-u 6u3-u 5U 3＇U 2＇U1＇U 1＇(U 2＇－ U 1＇ )/2(U 2＇－ U1＇ )/2(U3＇－ U 2＇ )/2(U 3＇－ U2＇ )/2T/12 T/6 T/3 T/2 T000000（ b）变压器绕组联接 （ c） 原理波形图 10-48 阶梯波合成逆变器的电路结构及其 N=6时原理波形3．脉宽调制逆变器若将正弦参考波与高频三角形载波相交生成的正弦脉宽调制信号，用来控制驱动逆变桥的功率开关， 则可输出谐波含量小的正弦脉宽调制电压波。 如果合理地解决功率器件的高频开关损耗， 那么脉宽调制逆变器将同时兼有方波逆变器和阶梯波合成逆变器二者之优点。正弦脉宽调制 SPWM原理波形，如图 10-49 所示。（ a）单极性 SPWM (b) 双极性 SPWM 图 10-49 正弦脉宽调制 SPWM原理波形脉宽调制逆变器具有如下特点：（ 1）电路拓扑简洁，单级功率变换 DC-LFAC，双向功率流，变换效率高；（ 2）变压器仍工作在工频、体积大且笨重，其体积与重量仅和输出电压的频率有关，与逆变器的开关频率无关；（ 2）输出电压 THD和输出滤波器的体积、重量小；（ 3）对于输入电压和负载的波动，系统的动态响应特性好；（ 4）变压器和输出滤波电感产生的音频噪音得到改善；（ 5）功率器件的开关频率高，开关损耗增加，降低了变换效率。86 10.3.2 高频环节逆变技术用高频变压器替代低频环节逆变器中的工频变压器， 克服了低频环节逆变器的缺点， 显著提高了变流器特性。因此，该技术引起了人们的极大研究兴趣，取得了显著的研究成果。按照功率的传输方向， 高频环节逆变器可分为单向型和双向型两类； 按照功率变换器的类型， 高频环节逆变器可分为电压源型和电流源型， 或直流变换器型和周波变换器型两类。 直流变换器型高频环节逆变器，又可分为为平滑直流型、工频全波整流型两种。因此，高频环节逆变器的种类颇多，其类型划分也较复杂。本文将高频环节逆变器细分为单向电压源、双向电压源、（单向与双向）电流源、直流变换器型等。1．单向电压源高频环节逆变器单向电压源高频环节逆变器电路结构，由高频逆变器、高频（储能）变压器、高频整流器、 PWM逆变器、以及输入、输出滤波器构成，如图 10-50 所示。这类逆变器具有单向功率流、三级功率变换（ DC-HFAC-DC-LFAC）、变换效率较高、技术成熟，应用广泛等特点。滤波器 高频逆变器 （储能）变压器 整流器 滤波器 PWM 逆变器 滤波器(a) 电路结 构(b) 推挽正激式电路图 10-50 单 向电压 源高频 环节逆 变器2．高频脉冲直流环节逆变器高频脉冲直流环节逆变器较好地解决了单向电压源高频环节逆变器器的开关损耗和 EMI，如图10-51 所示。 这类软开关逆变器具有拓扑简洁、 单向功率流、 准三级功率变换 （ DC/HFAC/HFPDC/LFAC） 、功率开关实现 ZVS、变换效率高、输出电压纹波小等优点。滤波器 高频逆变器 高频变压器 整流器 无功吸收支路 三态 DPM逆变器 滤波器(a) 电路结 构(b) 有源箝 位正激 式电路图 10-51 高 频脉冲 直流环 节逆变 器87 3．双向电压源高频环节逆变器基于 Forward 变换器的双向电压源高频环节逆变器电路结构， 由高频逆变器、 高频变压器、 周波变换器、以及输入输出滤波器构成，具有双向功率流、两级功率变换（ DC-HFAC-LFAC）、变换效率高、输出电压纹波小、可靠性高等优点，如图 10-52(a) 所示。这类方案需采用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，如图 10-52(b) 所示。串联谐振式双向电压源高频环节逆变器解决了功率器件数和控制电路的复杂性这一固有的缺陷，如图 10-52(c) 所示。只要双向开关 S5 和 S6 也和电流过零点同步，就可以同时解决开关损耗和电磁干扰问题。滤波器 高频逆变器 高频变压器 周波变换器 滤波器(a) 电路结构(b) 有源电压箝位式 (c) 串联谐振式图 10-52 双向电压源高频环节逆变器将具有周波变换器换流重叠的双极性移相、 单极性移相控制策略， 应用于双向电压源高频环节逆变器中，也可以较好地解决了固有的电压过冲现象。4．电流源高频环节逆变器基于 Flyback 变换器的电流源高频环节逆变器， 如图 10-53 所示。 这类逆变器由高频逆变器、 高频储能变压器、周波变换器以及输入、输出滤波器构成，具有拓扑简洁、两级功率变换 DC-HFAC-LFAC、变换效率高、可靠性高、容量小、输出电压纹波大等特点。滤波器 高频逆变器 高频储能变压器 周波变换器 滤波器(a) 电路结构(b) 推挽式电路图 10-53 电流源高频环节逆变器88 5．直流变换器型高频环节逆变器单向直流变换器型高频环节逆变器电路结构， 如图 10-54 所示。 该电路结构由高频逆变器、 高频 （储能）变压器、高频整流器、工频逆变桥、输入和输出滤波器构成。滤波器 高频逆变器 高频（储能）变压器 整流器 滤波器 工频逆变桥(a) 电路结构(b) 正激式图 10-54 单向直流变换器型高频环节逆变器如果将这类逆变器用于太阳能电池发电系统中去， 即将该方案应用于有源逆变场合， 则充分体现出了该电路结构的优越性； 如果将这类逆变器用于无源逆变场合， 其结果是空载、 容性负载、 甚至轻载时输出正弦电压波形畸变严重，仅在恒定阻性负载时输出波形较好，也就是说负载适应能力差。为了解决图 10-54 所示电路结构的固有缺陷， 可以采用双向直流变换器型和双向正反激组合直流变换器型高频环节逆变器，如图 10-55 所示。直流电源 滤波器 高频逆变器 高频 (储能 ) 变压器 整流 / 逆变器 滤波器 极性反转逆变桥 负载（ a）双向直流变换器型直流电源 滤波器 高频逆变器 高频变压器 整流器 滤波器 极性反转逆变桥 负载（ b） 双向正反激组合直流变换器型图 10-54 双向直流变换器型与双向正反激组合直流变换器型高频环节逆变器电路结构10.3.3 可再生能源并网逆变技术1. 可再生能源低频环节并网逆变技术可再生能源低频环节并网逆变器电路结构， 如图 10-55 所示。 该电路结构由工频或高频逆变器、 工频变压器、以及输入、输出滤波器构成，具有电路结构简洁、双向功率流、单级功率变换 (DC-LFAC)、变换效率高、变压器体积和重量大、音频噪音大等特点。89 太阳能电池或蓄电池 滤波器 工频或高频逆变器 工频变压器 滤波器 交流电网图 10-55 可再生能源低频环节并网逆变器电路结构可再生能源低频环节并网逆变器， 可以由方波、 阶梯波合成、 脉宽调制等逆变器来实现。 其拓扑族包括推挽式、推挽正激式、半桥式、全桥式等电路，如图 12 所示。(a)推挽式 (b)推挽正激式(c)半桥式 (d)全桥式图 10-56 可再生能源低频环节并网逆变器拓扑族2．可再生能源高频环节并网逆变技术可再生能源高频环节并网逆变器电路结构， 如图 10-57 所示。 该电路结构由高频逆变器、 高频变压器、整流器、极性反转逆变桥、以及输入、输出滤波器构成，具有高频电气隔离、电路结构简洁、单向功率流、三级功率变换器 (DC-HFAC-HFPDC-LFAC)、直流变换级工作在 SPWM、极性反转逆变桥功率开关电压应力低且为 ZVZCS等特点，特别适用于可再生能源的有源逆变场合。太阳能电池电流 直流侧电流 高频变压器电压 整流后的电压 滤波后的电压 电网电压太阳能电池 滤波器 高频逆变器 高频变压器 整流器 滤波电感 极性反转逆变桥图 10-57 可再生能源高频环节并网逆变器电路结构太阳能阵列电压 Ui 先由高频逆变器转换为高频电压，经高频变压器隔离、传输、电压比调整，再经高频交流 / 低频交流变换，输出的低频交流电送到交流电网中。 HFAC-LFAC变换可以是高频整流器和极性反转逆变桥的级联，也可以是周波变换器。90 可再生能源高频环节并网逆变器拓扑族， 包括单管正激式、 并联交错单管正激式、 推挽式、 推挽正激式、双管正激式、并联交错双管正激式、半桥式、全桥式等电路，如图 10-58 所示。其中，前四个电路适用于低压输入场合；后四个电路适用于高压输入场合。(a)单管正激式 (b)并联交错单管正激式(c)推挽式 (d)推挽正激式(e)双管正激式 (f)并联交错双管正激式(g)半桥式 (h)全桥式图 10-58 可再生能源高频环节并网逆变器拓扑族91 本章小结功率因数校正变换技术在电网谐波抑制和电能利用率的提高方面起到了十分重要的作用。 本章主要论述了功率因数校正变换技术的基本原理、 类型、 电路拓扑、 控制策略以及功率因数与谐波失真的关系、国际电工委员会 IEC1000-3-2 电磁兼容标准、各种电力电子设备适用的范围。本章还论述了适用于低输出电压的电压调整模块 VRM的电路结构及其控制策略。 随着 VRM进一步向高功率密度、高变换效率的趋势发展， VRM设计所涉及的技术越来越多，主要包括电路拓扑、高开关频率、磁设计、软开关技术、同步整流技术、并联技术、热处理技术、电磁兼容技术等。因此， VRM的设计是一门综合性技术。本章从低频环节逆变器（方波、阶梯波合成、脉宽调制） 、高频环节逆变器（单向电压源、高频脉冲直流环节、双向电压源、电流源、直流变换器型） ，从无源逆变器到可再生能源并网逆变器，论述了逆变器的研究现状与发展。 低频环节逆变器适用于对变换效率和成本有高的要求、 对体积和重量要求不太高的场合； 而高频环节逆变器， 则适用于对体积、 重量有高的要求、 对变换效率和成本要求不太高的场合。逆变器正朝着高功率密度、高变换效率、高可靠性、无污染、智能化和集成化的方向发展，在以直流发电机、蓄电池、太阳能电池和燃料电池为主直流电源的场合，具有广泛的应用前景。