一種三相橋式雙頻逆變器仿真的實(shí)現(xiàn)

  隨著社會(huì)生產(chǎn)的日益發(fā)展，對(duì)能源的需求量不斷增長(zhǎng)，全球范圍內(nèi)的能源危機(jī)也日益突出，在近些年來(lái)，可再生能源引起了世界各國(guó)政府和能源專(zhuān)家的高度重視[1].目前，全世界很多國(guó)家都采取了風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等分布式發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行的措施。風(fēng)力發(fā)電需要用整流器把風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的交流電轉(zhuǎn)換成直流，再把直流逆變成交流。光伏發(fā)電也需要利用逆變器把直流轉(zhuǎn)換成交流再并入電網(wǎng)，并網(wǎng)逆變器是連接發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)的接口單元，也是研究熱點(diǎn)之一。其中研究新型拓?fù)渑c控制方法，使輸出電能質(zhì)量高而同時(shí)又提高效率便成為了研究重點(diǎn)[1-4].參考文獻(xiàn)[4-6]所研究的傳統(tǒng)的并網(wǎng)逆變器主拓?fù)洳捎萌嗳珮蚰孀兤?，采用PWM控制技術(shù)使輸出電流波形接近正弦，但該逆變器的6個(gè)開(kāi)關(guān)都工作在高頻，開(kāi)關(guān)損耗大。為了減少開(kāi)關(guān)損耗，參考文獻(xiàn)[7]采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，使逆變器工作在軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)，但這會(huì)使得逆變電路復(fù)雜化。參考文獻(xiàn)[8]采用多電平逆變技術(shù)改善輸出電壓質(zhì)量，減少了開(kāi)關(guān)損耗，但這又增加了電路結(jié)構(gòu)和控制方式的復(fù)雜性，同時(shí)由于主電路開(kāi)關(guān)元件數(shù)量成倍地增長(zhǎng)，不僅增加了系統(tǒng)成本，而且降低了系統(tǒng)的可靠性。基于雙頻變換的思想，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(kāi)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(duì)三相橋式雙頻逆變器進(jìn)行分析，設(shè)fH=NfL,即在低頻開(kāi)關(guān)的1個(gè)周期內(nèi)包含著N個(gè)高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)周期。1個(gè)開(kāi)關(guān)周期的高頻開(kāi)關(guān)和低頻開(kāi)關(guān)的狀態(tài)如表1所示，每種狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的導(dǎo)通電路如圖2所示。

    同一橋臂上下開(kāi)關(guān)互補(bǔ)導(dǎo)通。在狀態(tài)1中，高頻開(kāi)關(guān)Sap導(dǎo)通，低頻開(kāi)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(duì)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(duì)分離，實(shí)現(xiàn)高頻單元和低頻單元之間的無(wú)環(huán)流運(yùn)行。

    1.2 雙頻逆變器的控制策略

    對(duì)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(duì)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(lèi)電力電子功率變換裝置，控制電路簡(jiǎn)單，具有優(yōu)良的控制性能。設(shè)x（t）為開(kāi)關(guān)輸入信號(hào)，y（t）為開(kāi)關(guān)輸出信號(hào)，定義開(kāi)關(guān)函數(shù)k（t）如下：

    在1個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間為T(mén)ON,關(guān)斷時(shí)間為T(mén)OFF,并且TON+TOFF=TS,fS=1/TS為開(kāi)關(guān)頻率，D=TON/TS為控制信號(hào)vref的調(diào)制占空比，則開(kāi)關(guān)輸入信號(hào)x（t）與開(kāi)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(kāi)關(guān)周期內(nèi)參考信號(hào)經(jīng)過(guò)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(guò)RS觸發(fā)器來(lái)控制高頻單元各開(kāi)關(guān)。當(dāng)進(jìn)入下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期時(shí)，積分器通過(guò)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(duì)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(kāi)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L(zhǎng)la=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(kāi)關(guān)電流波形，圖6（b）為低頻開(kāi)關(guān)電流波形，圖6（c）為展開(kāi)后的高低頻開(kāi)關(guān)電流波形。在圖6（c）中給出了高低頻開(kāi)關(guān)電流的幅值對(duì)比，雖然高頻單元開(kāi)關(guān)頻率很高，但是流過(guò)的開(kāi)關(guān)電流很小，損耗低，而低頻單元開(kāi)關(guān)電流很大，但其工作在低頻狀態(tài)，開(kāi)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(kāi)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(guò)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(guò)少部分能量，通過(guò)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(lái)提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。為了進(jìn)一步說(shuō)明雙頻逆變器的優(yōu)勢(shì)，將雙頻逆變器與單個(gè)高頻逆變器各相測(cè)量值進(jìn)行對(duì)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(kāi)關(guān)工作在高頻狀態(tài)，開(kāi)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(guò)，因此開(kāi)關(guān)損耗比單個(gè)高頻逆變器開(kāi)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(duì)比曲線，通過(guò)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(kāi)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(guò)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(shì)，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(kāi)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。