三相逆变器文献综述

1 三相逆变器文献综述1 逆变器技术发展历程逆变器技术的发展始终与功率器件及其控制技术的发展紧密结合， 从开始发展至今经历了五个阶段：第一阶段： 20 世纪 50-60 年代，晶闸管 SCR 的诞生为正弦波逆变器的发展创造了条件；第二阶段： 20 世纪 70 年代，可关断晶闸管 GTO 及双极型晶体管 BJT 的问世，使得逆变技术得到发展和应用；第三阶段： 20 世纪 80 年代，功率场效应管、绝缘栅型晶体管、 MOS 控制晶闸管等功率器件的诞生为逆变器向大容量方向发展奠定了基础。第四阶段： 20 世纪 90 年代，微电子技术的发展使新近的控制技术如矢量控制技术、 多电平变换技术、 重复控制、 模糊控制等技术在逆变领域得到了较好的应用，极大的促进了逆变器技术的发展；第五阶段： 21 世纪初，逆变技术的发展随着电力电子技术、微电子技术和现代控制理论的进步不断改进，逆变技术正朝着高频化、高效率、高功率密度、高可靠性、智能化的方向发展。2 逆变器的发展趋势更高的效率：目前，美国市场上的逆变器最高效率可达 95%。在欧洲，由于采用了无变压器的设计和创新的拓扑结构， 可实现更高的效率。 例如， 有一款产品（ SMASunnyMinicentral8000TL ）声称可到达 98%的效率。更低的成本： 大约 0.2-0.3 美元 /瓦的价格已经被设定为 2020 年逆变器的价格目标，这意味着比目前售价降低 50-75%。这个目标最有可能通过增加产量及改善学习曲线来实现。更高的可靠性：目前，逆变器的 MTBF （平均无故障时间）为 5～ 10 年。但很多人怀疑， 是否有可能以合理的成本实现这一目标。 在中近期， 通过改进质量控制、更好地散热并降低复杂性， MTBF 大于 10 年的目标是可以实现的。通信功能：今天，逆变器可以记录并借助制造商特定的协议传递信息。下一代单元应使用通用的通信标准传送更全面的系统信息，以实现先进的诊断功能，2 并能与公用服务机构通信，以支持电网的稳定性。3 目前研究成果3.1 合肥工业大学电气与自动化工程学院的陈玲、 张兴、 杨淑英， 谢振等人在 2009 年在本院学报中提出了 “带不平衡负载的三相四桥臂逆变器的研究” 。 该研究对三相四桥臂逆变器的控制系统进行了设计， 建立了基于对称分量法和双同步旋转 d-q 坐标系的双环控制结构， 电压外环和电流内环均采用前馈解耦的控制策略，使三相四桥臂逆变器带有不平衡负载的能力。3.2 空军雷达学院研究生管理大队的石磊、陈媛娣、朱忠尼于 2006 年在该院学报发表了 “基于 DSP 的 SVPWM 控制三相逆变器设计” 。 该设计从电压矢量控制的基本原理出发，给出了 SVPWM 算法在 TMS320LF2407 上实现的软件流程。实际编程实现了 SVPWM 波形输出。系统具有控制精度高、实时性强、软件编制容易等优点。3.3 哈尔滨工程大学自动化学院的赵晓青、罗耀华于 2008 年在应用科技期刊发表“基于 DSP 的三相 SPWM 逆变系统研究” 。本文主要针对三相逆变系统，介绍了采用 TMS320LF2407 芯片，通过混合查表法产生三相 SPWM 正弦电压的方法，并给出了部分程序源代码，实验结果可以满足实际需要。3.4 东北大学信息科学与工程学院的闫士杰、冷冰、杜蘅等人于 2012 年在电机与控制学报发表 “基于 H∞ 重复控制的三相四桥臂逆变器研究” 。 本文在三相四桥臂逆变器解耦成三个单相逆变器的基础上，提出了一种 H∞ 重复控制策略，解决了微型电网中，作为功率接口的三相四桥臂逆变器存在输出波形畸变率大，跟踪给定正弦波慢的问题。3.5 湖北工业大学电气与电子工程学院的汤才刚、 朱红涛、 李莉、 陈国桥等人于 2008 年在现代电子技术期刊发表 “基于 PWM 的逆变电路分析” 。 本文为了对 PWM 型逆变器电路进行分析，从 PWM 控制的基本原理出发，首先建立了逆变器控制所需的电路模型，采用 IGBT 作为开关器件，并对单相桥式电压型逆变电路和 PWM 控制电路的工作原理进行了分析。 使用双踪示波器对电路的输出波形进行分析，给出了仿真波形。实践表明：运用 PWM 控制技术能够很好地实现逆变电路的运行要求。3.6 东北大学信息科学与工程学院的刘秀翀、褚恩辉、张化光等人于 20103 年在电机与控制学报发表“基于三相综合补偿的四桥臂逆变器控制” 。本文针对四桥臂逆变器， 提出了基于三相综合补偿的四桥臂控制方法。 该补偿策略用地四桥臂补偿输出不平衡因素， 形成第四桥臂和各相桥臂综合补偿相电压的模式， 发挥出四桥臂结构的优势， 在阻性 （或感性） 不平衡负载条件下， 增强了控制能力。基于三相综合补偿策略， 文中针对电感电流为正弦波的特征， 采用积分算法逼近电感电压， 构造闭环控制结构， 并给出四个桥臂的控制方法。 该控制方法避免了微分算法引入的高频干扰和通用滤波算法引入的相位偏移， 确保了输出电压收敛于理想波形。3.7 东南大学电气工程学院的杨云虎、周克亮、卢闻州等人于 2011 年在校学报发表了 “三相 PWM 逆变器鲁棒重复控制策略” 。 为了提高三相 CVCF PWM逆变器波形的控制性能 （同时具有动态响应快、 稳定误差小和鲁棒性好等优点） ，提出了鲁棒重复控制策略。 首先采用鲁棒控制理论对两类不确定建模； 然后引进一个虚拟的复不确定代替重复控制中的长延迟环节， 将重复控制器集成到鲁棒反馈控制器设计之中形成鲁棒重复控制方案。 实验结果表面， 采用鲁棒重复控制策略控制的三相逆变器，即使在非线性负载情况下也能保证输出电压的 THD 含量低、跟踪精度高、响应快；并且在参数变化和负载突变扰动的情况下，仍具有良好的鲁棒性。3.8 中国矿业大学信息与电气工程学院的李文正于 2008 年在中国科技论文网发表“三相四臂逆变器的仿真设计” 。本文首先用对称分量法在不平衡负载下对三相四臂逆变器进行稳态分析， 验证了三相四臂逆变器可以带不平衡负载。 本文在总结、 分析其它控制方法的基础上， 建立了三维空间矢量调制策略， 提高了电压利用率，减少了谐波含量，介绍了三维空间矢量调制的原理及其算法实现。其次对三相四臂逆变器在两种坐标系下建立数学模型， 提出本文所采用的一种基于正反向同步旋转坐标变换的正序、 负序和零序分量单独控制的控制策略， 实现了各个通道的解耦。3.9 南京航空航天大学航空电源航空科技重点实验室的龚春英、 熊宇、 郦鸣、陈新、严仰光于 2004 年在电工技术学报上发表“四桥臂三相逆变电源的三维空间矢量控制技术研究” 。 本文介绍了四桥臂三相逆变器的三维空间矢量控制原理，给出了任意负载下空间矢量的运动轨迹表达式， 还建立了三维空间矢量调制四桥4 臂逆变器 MATLAB 模型，并利用 MATLAB 仿真软件对各种性质负载、对称和不对称负载及负载和输入电压突变情况进行了仿真研究。 研究结果表明该法具有负载适应能力及带不对称负载能力强、系统稳定性好、结构简单等优点，并在DSP 实验平台上进行了初步的实验验证，证明该法是可行的。3.10 湖南大学电气与信息工程学院与广西电力科学研究院的吕志鹏、 罗安、蒋文倩、周柯、谢三军等人于 2012 年在中国电机工程学报发表“四桥臂微网逆变器高性能并网 H -∞控制研究” 。 本文提出了微网三相逆变器输出电压波形受电网畸变电压、 负载谐波电流和直流侧电压中点平衡的共同作用， 为使直流侧电压中点维持稳定， 并使输出电压波形跟踪参考电压， 针对一种四桥臂逆变器结构进行建模，采用 H-∞控制策略构造高带宽鲁棒控制器对中线桥臂和三相桥臂进行统一控制。 仿真和实验表明， 在较大中线电流和电网电压畸变情况下， 中线桥臂能够控制中点输入和输出电流近似相等， 三相桥臂能够使输出电压维持较低的谐波畸变率，提升微网供电质量。3.11 华中科技大学、南昌交通大学、武汉理工大学、浙江大学的胡文华、马伟明、刘春喜等人于 2010 年在电磁分析与应用期刊发表“三相逆变器不平衡负载的控制策略研究” 。 虽然传统的对称分量分解和叠加原理可以通过保持电压的平衡补偿逆变器的正、负和零序分量输出电压，但是，这种方法是很费时的，且不适合于控制。 本文针对高功率中频逆变电源， 提出了 P +共振 （比例和谐振）控制器， 确保了三相不平衡负载下输出电压平衡。 该稳压器被证明适用于三相三线系统和三相四线系统， 并开发了两种方法实现。 仿真结果证实， 该方法能够有效地抑制不平衡负载所造成的输出电压变形，并获得高品质的电压波形。3.12 马来亚大学电气工程系的 Mohamad N. Abdul Kadiry, Saad Mekhilef, and Hew Wooi Ping 与 2010 年在电力电子日志发表 “三阶段混合级联多电平逆变器的双矢量控制策略” 。 本文提出了一种在混合多电平逆变器的基础上分阶段认知的电压控制算法的逆变器电压向量图。该算法被施加到控制一个三阶段 18 级别的混合动力的逆变器， 它已经设计了最大数量的对称水平。 该逆变器具有利用传统的六开关逆变器和使用级联的 H 桥细胞构成的中等和低电压的三电平阶段，采用构建的两个级别的主级。该算法的显著特点是它能够避免不良的高频率开关， 尽管逆变器的直流电源电压的选择在中压阶段， 以最大限度地提高水平状态5 消除冗余的数量。 测试结果表明， 所提出的算法达到了预期的功能和所有的主要假设已经得到了验证。3.13 IEEE 的高级会员 Burak Ozpineci 、 Madhu Sudhan Chinthavali, Leon M. Tolbert、 H. Alan Mantooth 和学生会员 Avinash S. Kashyap于 2009 年在 IEEE 发表“ Si IGBT 和碳化硅肖特基二极管制成的 55 千瓦的三相逆变器” 。 碳化硅 （ SiC）功率器件对功率转换器的效率、重量、体积和可靠性产生影响。目前，只有商用的 SiC 肖特基二极管具有相对较低的电流额定值。 美国橡树岭国家实验室与 Cree和赛米控合作， 建立了一个硅绝缘栅双极型晶体管与 SiC 肖特基二极管混合动力的 55 千瓦的逆变器， Cree 公司制造了更高的电流碳化硅取代硅 pn 二极管赛米控车载肖特基二极管逆变器。 本文介绍了这些二极管电路仿真器模型的建立， 以及逆变器的测试结果，并与一个类似的全硅逆变器比较结果。3.14 土耳其中东技术大学电气与电子工程学院的 Emre ü n Ahmet M. Hava 于 2007 年在 IEEE 发表“一种为三相电压源逆变器降低交换频率并减少共模电压的接近 PWM 状态的方法”的期刊。本文提出的用于三相 PWM 逆变驱动器的近 PWM 状态法降低了共模电压 /电流并确定了最佳的电压矢量和它们的序列。对电压的线性度和输出的直流交流总线和 PWM 电流纹波特性进行了研究。 这种方法彻底调查了其性能与常规方法相比的差异。理论，仿真和实验结果表明，NSPWM 具有优异的共模和满意的 PWM 纹波性能特点。3.15 IEEE 高级会员 Engin Ozdemir 、 Leon M. Tolbert 、 IEEE 会员 Sule Ozdemir 在 IEEE 杂志发表“三相独立光伏系统中 6 级二极管钳位多电平逆变器的基本调频” 。 本文提出了一种二极管钳位多电平逆变器的基频调制 （三相独立光伏（ PV）系统 DCMLI ）计划。 系统由 5 个串联连接的光伏组件，六个级别DCMLI 产生基本三相输出调制电压，并作为三相感应电动机的负载。为了验证所提出的概念，用一个小规模的实验室原型的仿真研究和实验测量。结果表明：在三相独立光伏发电系统中基本频率切换的可行性。3.16 马来亚大学电气工程学院的 Mahrous E. Ahmed、 Saad Mekhilef 于 2009年发表“少开关和低输出电压失真的多电平三相逆变器设计与实现” 。本文提出并介绍了三相三级 9个开关电压源逆变器的设计和运作原则。提出的拓扑结构由源极和经典的三相逆变器的全桥功率开关之间插入三个双向开关组成。其结果6 是，在逆变器的输出端得到三电平的输出电压波形和一个显著的负载谐波抑制。提出的多电平逆变器的谐波含量与两电平逆变器相比可以减少一半， 输出波形的傅立叶分析和设计已进行了优化， 以达到最低的总谐波失真。 经典的三相逆变器的全桥电源开关工作在 50Hz 工频，而辅助电路开关工作在两倍的工频。为了验证所提出的拓扑结构，完成了仿真和分析。此外，原型的设计、实施和测试也已完成。7 参考文献[1] 刘凤君，三相四桥臂逆变器 [J]，电源技术应用， 2002， 5（ 1-2）： 1-4。[2] 孙进，侯振义，苏彦明。三相四臂对逆变电源控制方法扩展功能的研究 [J]，电工技术学报， 2004， 19（ 4） ： 61-65。[3] 阮新波。四桥臂三相逆变器的控制策略 [J]，电工技术学报， 2000.15（ 1） ： 61-64。[4] 杨松， 曾鸣， 苏宝库， 重复控制算法在转台伺服系统中的应用 [J]， 电机与控制学报， 2007，11（ 5） ： 508-511。[5] 孙驰，张国安，魏光辉，一种新颖的三相四桥臂逆变器电流调节方案研究 [J]，电机与控制学报， 2004， 8（ 2） ： 165 - 169， 182。[6] 陈宏志， 刘秀狲， 四桥臂三相逆变器的解耦 [J ] ， 中国电机工程学报， 2007， 27（ 9） ： 74-79。[7] 周克敏， Doyle J C ， Glover K ， 鲁棒与最优控制 [M] ， 北京： 国防工业出版社， 2002:281-305。[8] 郦鸣，基于 DSP 的空间矢量控制四桥臂逆变器研究： [硕士学位论文 ] 。南京：南京航空航天大学， 2002 年。[9] 陈新，龚春英，郦鸣等，应用于三相变换器的三维空间矢量调制 [J]，南京航空航天大学学报， 2002， 34（ 2） ： 148? 153。[10] 刘凤君，现代逆变技术及应用 [M] 。电子工业出版社， 2005。[11] 徐德鸿，电力电子系统建模及控制 [M] ，机械工业出版社， 2010。[12] 周卫平， 吴正国， 唐劲松等， SVPWM 的等效算法及 SVPWM 与 SPWM 的本质联系 [J]，中国电机工程学报， 2006， 26(2)： 133-136。[13] 吴浩伟，段善旭，徐正喜，一种新颖的电压控制型逆变器并网控制方案 [J]．中国电机工程学报， 2008， 28(33)： 19— 24。[14] 吕志鹏， 罗安， 荣飞等，电网电压不平衡条件下微刚 PQ 控制策略研究 [J]，电力电子技术， 2010， 44(6)： 71— 74。[15] 邓占锋，朱东起，姜新建，三相四线制下中线谐波电流治理的新方法 [J]，电力系统自动化设备， 2002， 26(8) ： l5-19。[16] C. Rech, H. Pinheiro, H. A. Gr ü ndling, H. L. Hey, and J. R. Pinheiro, “ Comparison of digital control techniques with repetitive integral action for low cost pwm inverters, ” IEEE Trans. Power Electron., vol. 18, no. 1, pp. 401 – 410, Jan. 2003. 8 [17] C. Rech, H. Pinheiro, H. A. Gr ü ndling, H. L. Hey, and J. R. Pinheiro, “ A modified discrete control law for ups applications, ” IEEE Trans. Power Electron., vol. 18, no. 5, pp. 1138 –1145, Sep. 2003. [18] Y . Tzou, S. Jung, and H. Yeh, “ Adaptive repetitive control of PWM in- verters for very low THD AC- voltage regulation with unknown loads, ” IEEE Trans. Power Electron., vol. 14, no. 5, pp. 973– 981, Sep. 1999. [19] V . F. Montagner, E. G . Carati, and H. A. Gr ü ndling, “ An adaptive linear quadratic regulator with repetitive controller applied to uninterruptible power supplies, ” in Proc. 35th Annu. Meeting IEEE Ind. Appl. (IAS ’ 00), Rome, Italy, Oct. 2000, vol. 4, pp. 2231 – 2236. [20] J. Liang, T. C. Green, G. Weiss, and Q. C. Zhong, “ Hybrid control of multiple inverters in an island-mode distribution system, ” in Proc. IEEE Power Electron. Spec. Conf. (PESC’ 03), Acapulco, Mexico, Jun.2003, vol. 1, pp. 61 – 66.