MW级电压源型并网变换器的设计与仿真开题报告

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1. 研究目的与意义（文献综述）

一、 选题的意义及背景（逆变器结构综述)

逆变器的发展大致分为传统发展，高频化新技术和软开关技术降损耗三个阶段，先后出现了方波逆变技术、阶梯波合成逆变技术、脉宽调制技术、高频环节逆变技术、软开关逆变技术等多种技术形式。第一阶段为1956年～1980年。1956年，第一只晶闸管问世开始了电力电子技术新时代，同期出现了SCR电压型逆变器。第一阶段的主要特点是:开关器件以低速为主，开关频率较低，波形改善以多重叠加为主，体积重量较大，逆变器整机效率低，正弦波逆变器开始出现。第二阶段是高频化新技术阶段，时间段是1980至今，功率场效应管和绝缘栅极管IGBT等全控开关管出现，这使逆变技术进入高频时代。这一阶段的特点是:开关器件以高速器件为主，逆变器的开关频率较高，波形改善以PWM法为主，体积重量较小，正弦波逆变器技术发展日趋完善，逆变器效率较高。第三阶段是在第二阶段基础上为了提高效率、减少损耗提出来的软开关逆变器，是逆变器发展主要方向之一。第三阶段特点是开关频率进一步提高，注重降低功率损耗和抑制EMI干扰，提高逆变器的综合性能。

1. 逆变器传统拓扑

逆变器的种类很多，可以按照很多不同的形式进行分类，根据本文研究的内容，这里将着重讨论逆变器的拓扑结构。从电路拓扑来看，传统逆变器拓扑结构主要有推挽式、全桥式、半桥式、多电平结构以及高频环节逆变器。

1.1 推挽式逆变器

推挽式逆变器电路拓扑如图1所示，该逆变器电路结构简单，驱动电路无须隔离，可靠性高，并且不会出现直通短路的现象，在后备式UPS和中小功率场合中广泛应用，适用于低压大电流输入的电源系统前级部分。该电路存在以下缺点:1)由于其输出电压为准方波，波形失真度大，总谐波含量远远大于5%。如果采用四阶LC滤波器，其总谐波含量可以控制在2%以下，但滤波器昂贵笨重，且动态响应速度慢;2)由于整个电路工作于低频状态，故变压器比较笨重，并且噪声大;3)原边绕组利用率低，相同功率下其电流有效值较高，开关管电压应力高;4)整机效率低。

1.2 桥式逆变器

传统桥式逆变器分为全桥式和半桥式两种，如图2所示。全桥式一般用在功率较大的场合，而半桥式用在中小功率场合。桥式逆变器的好处是:1)开关频率高，变压器和输出滤波电感产生的音频噪音得到改善;输出滤波器体积、重量小;2)对于输入电压和负载的波动，系统的动态响应特性好;3)控制灵活，可以工作在自换流和负载换流两种模式下，且不要依赖变压器，是一种最广泛的拓扑形式。但其仍有以下不足:1)变压器仍工作在工频，其体积大是产品小型化必须解决的问题;2)功率器件开关频率高，开关损耗增加，降低了系统变换效率;3)单个器件所能承受的电压值无法得到突破性的提高，而多个同类器件串连使用又存在均压、保护、驱动复杂等诸多问题;

1.3 多电平逆变器

多电平PWM逆变器是指输出电压波形的电平数等于3或大于3的逆变器，电平数越多输出电压波形中谐波含量越少，多电平逆变器主电路的典型结构如图3所示。多电平逆变器的优点:输出电压电平数的增加使输出电压THD较低;开关器件承受的电压应力减小，无需使用均压电路，开关损耗和EMI小。但是其THD相对纯正弦波还是较大;电路所用开关器件的数目增多，成本增加;电容均压比较复杂和困难

由上面分析可见，传统拓扑的逆变器存在着下列不足:第一，输出端必须有交流滤波器，电感、交流电容等元件体积大、价格高，而且无功损耗较大。第二，同一桥臂上下两个开关管在状态转换时可能出现直通短路故障，特别在高频状态下更容易出现。第三，在输出电压过零和峰值时刻，由于开关频率恒定，驱动脉冲宽度变得非常窄;而由于控制电路、驱动电路不可避免地存在阻抗和延迟，这可能导致驱动出现脉冲丢失而使输出电压失真，第四，开关损耗大，使电路总体效率低下。

2基于DC-DC直流变换器新型逆变器

2.1组合DC－DC直流变换器逆变器拓扑

SlobodanCuk和R.W.Erickson在1978年依据推挽电路的工作原理，提出了一种新型CUK组合式逆变器，该逆变器由两组电流可以双向流动的CUK直流变换器组成，负载跨在两组CUK变换器的输出端。两组CUK变换器按照推挽电路工作原理对称工作，实现交流电压的稳定输出。1983年，SlobodanCuk和R.D.Middlebrook总结了此类新型组合式逆变器的特点，得到可以由任意类型的电感电流可以双向流动DC－DC变换器组合成的新型逆变器模型，其电路框图如图4所示。

研究表明，各种新型组合式逆变器如Buck型逆变器、Boost型逆变器、Buck-Boost型逆变器等都具有Cuk逆变器的特点，具体的电路拓扑形式如图5所示。可以实现较高的稳态精度和优异的动态响应速度，相对于其他类型逆变器具有较低的电流纹波。并且两组DC－DC直流变换器独立工作，因此控制简单，系统稳定。越来越多的学者对组合式逆变器进行了深入的研究和设计。这些新型组合式逆变器的应用范围也拓展到功率放大器、UPS、光伏发电系统和音频放大器等领域，并且被证明有非常高的理论研究和实用价值。

图5双直流变换器逆变电路2.2单DC－DC变换器逆变器拓扑在直流斩波电路中，Buck电路存在输出电压不能高于直流电源电压的缺点，但是当直流电源电压一定时，其输出电压与斩波开关占空比之间存在比较简单的关系，即uo=dus，其中us为直流电源电压，uo为输出电压;并且电路有结构简单清晰、容易控制、效率高等优点。

2.2单DC－DC变换器逆变器拓扑

在直流斩波电路中，Buck电路存在输出电压不能高于直流电源电压的缺点，但是当直流电源电压一定时，其输出电压与斩波开关占空比之间存在比较简单的关系，即uo=dus，其中us为直流电源电压，uo为输出电压;并且电路有结构简单清晰、容易控制、效率高等优点。文献提出了一种不同思路的Buck变换器逆变拓扑，其电路拓扑结构如图6所示。这种Buck逆变器可以看作由两个部分组成:1)具有双向电流导通能力的Buck变换器。2)全桥开关变换电路。图7是单直流变换器逆变电路原理框图，与上文所述的双变换器逆变电路相比，它只需一路变换器，故控制更简单、电路损耗更低，可以获得更高的效率和可靠性。

基于DC－DC变换器的逆变器的优点是:1)对于DC－DC直流变换器的逆变器拓扑，其输出电压幅值可以高于或者低于直流电源幅值，因此此类逆变器在UPS系统等方面有着广阔的应用前景。2)逆变器工作在高频开关状态，因此滤波电感小，且滤波电容可使用直流电解电容，可以降低成本，简化电路。和交流电容相比，直流电解电容体积小、价格低、型号齐全，简化滤波器的设计。3)此类逆变器可以采用成熟的状态空间方法进行数学建模，且数学模型较简单，这样简化了控制器的设计，同时可以采用先进控制方法来分析和综合逆变器系统。4)成熟的谐振软开关技术能够直接的应用在DC－DC逆变器上，功率损耗大大减小，系统效率提高。5)利用缓冲电路大大减小du/dt、di/dt，抑制EMI电磁干扰。6)提高开关频率超过18kHz时可以消除可闻噪声。

3.高频链环节逆变器

目前，为了提高逆变器性能、减小逆变器体积重量，逆变器的工程实现使用最多的还是具有高频链环节的逆变器系统结构，这个系统结构是Mr.Espelage于1977年提出了高频环节逆变技术新概念。用高频变压器替代低频环节逆变技术中的工频变压器，克服了低频环节逆变技术的缺点，显著提高了逆变器特性。因此，该逆变器系统结构引起了人们的极大研究兴趣。

3.1电压型高频环节逆变器系统结构

1)单向高频链逆变器系统结构

事实上，高频链逆变器并不是逆变器拓扑结构，是一种实现方案，是现在已经产品化的逆变器装置大部分采用这种方案，如图8所示，目的是减小装置的体积。其基本原理是将负载端工频变压器的升压功能转移到直流环节由高频变压器实现，这样解决了变压器体积和重量的问题;但是，这也使逆变器的结构变得复杂，增加了成本同时降低了电路的可靠性和效率，高频链逆变器的功率损耗分配大致分为前级升压DC/DC变换器为90%(功率管硬开关状态)，后级DC/AC逆变器为10%，系统总效率在85%以上。

针对单向电压源高频环节逆变器，各国学者提出了多种控制策略或改进。其中相控谐振式单向电压源高频环节逆变器，使得功率器件实现了软开关，降低了开关损耗和系统的电磁干扰EMI。但该电路拓扑十分复杂，降低了系统变换效率和可靠性。

2) 双向高频链逆变器系统结构

双向电压型高频环节逆变器系统结构如图9所示，它具有双向功率流、两级功率变换等特点，这对提高逆变器效率和可靠性起到了关键作用［24－25］。该电路特别适用于有双向功率流的场合，可以用来构成UPS。

4. 展望

逆变器技术具有广泛的应用前景，逆变器的高频和小型化是发展的必然趋势，多电平、高频逆变环节是实现高功率密度、高变换效率逆变器的合理方案。

二、 研究综述（多电平逆变器国内外研究现状）

传统的两电平逆变器的主要优点是主电路拓扑结构、控制策略和控制方法都比较成熟,但在大功率运用中存在许多问题:需要笨重、耗能、昂贵的变压器;为了得到高质量的输出波形而提高开关频率,造成很高的开关损耗,而为了适应高电压的要求,需采用器件串联,因而需要复杂的动态均压电路。均压电路使系统复杂化、损耗增加、效率下降。由于两电平逆变器存在以上不足,1977年德国学者Holtz提出三电平逆变器主电路及其方案,其中每相桥臂中带一对开关管,以辅助中点箱位。后来,日本长冈科技大学的NableA等人于1980年在此基础上继续发展,将这些辅助开关管变成为一对二极管,分别与上下桥臂串联的主管中点相连,以辅助中点箱位。提出了多电平逆变器(Mu1t11evelinverter)的思想,即由几个电平台阶合成阶梯波以逼近正弦波输出电压。该电路比前者更易于控制,且主管关断时仅承受直流母线一半的电压,因此更为实用。

多电平逆变器作为一种新型的高压大容量功率变换器,从电路拓扑结构入手,在得到高质量的输出波形的同时,克服了两电平变流器的诸多缺点:无须输出变压器和动态均压电路,开关频率低,因而开关器件承受的电压应力小,系统效率高,du/dt较小对电机绝缘十分有利等。因此,自80年代以来它的方法己被广泛应用于逆变器及大功率高压供电的交流调速领域。如日本三菱公司已研制出容量80wM,应用于轧钢的三电平双WPM高频整流/逆变调速系统,以适用于四象限运行及动态性能要求较高的场合。因此,随着多电平逆变器在高电压、大电流、大功率领域得到越来越多的关注。对它做进一步深入全面系统的研究是很有实际意义。可以预见在不远的将来,多电平逆变器必将有着更为广阔的应用前景。

三、 研究内容与意义（三电平逆变器的研究）

随着逆变器输出电平数的增加,控制策略就变得越来越复杂,计算量也就越来越大。

三电平逆变器不仅能应用于大功率高输入电压的逆变场合,而且能应用于如静止无功补偿、电力有源滤波器等电力电子装置中。因此在灵活电力系统和用户电力技术方面也有广阔的应用。

(1) 高性能的高压大容量交流变频调速技术由于多级电压梯波减少了du/dt,对电机绕组绝缘要求也有所降低;将普通多相电动机做一些绝缘加固处理变可以应用于变频调速系统。从电路拓扑上来看,一些新型多电平电压型逆变器由于具有动态性能好,效率高,对电网和电机产生的谐波少,适合高压大容量等突出优点,在高压大容量交流调速领域日益受到重视。在我国,面临工业用电的巨大浪费和环境污染问题,大力发展高压大容量交流调速技术是一条行之有效的解决途径。

(2) 多电平双P翎高频整流/逆变调速系统,实现四象限运行如三电平双PWM整流/逆变采用双PWM的多电平结构,整流侧也采用逆变一样的多电平结构,很容易实现四象限运行,PWM整流器输入侧电流波形即使在开关频率较低时也能保证一定输出波形的正弦度,能作到PF=1,TDH很细。另外还可以向电网输出超前无功,校正电网功率因数,在同样的开关频率及控制方式下,它的谐波电流总畸变率THiD要大大小于二电平整流器。如日本多菱公司已研制出容量80MW,应用于轧钢的多电平双PwM高频整流/逆变调速系统,以适用于四象限运行及动态性能要求较高的场合。

(3) 高压直流输电(HVDCT)在远距离输电(如跨地域输电),非周期输电(非同步)的电力系统实现联网方面,高压直流输电优于交流输电,同时直流输电节省金属材料的用量(少一根输电线)。直流输电需构成特大功率的整流和逆变装置。多电平级联型变流器输出电压的相位和幅值便于调节与控制,而且输出电压的谐波含量低,并有很高的可靠性,再加上其模块化设计的简单结构,因此在高电压级别的高压直流输电中也得到较多的应用。如巴西伊泰普HVDCT工程运行电压最高为600Kv,输送功率为315OMw,线路长800KM,它代表了当今HvDCT水平。鉴于我国地域辽阔,能源分布及负荷发展极不平衡,发展HVDCT显得非常重要。在葛洲坝一上海南桥SOOKV,1200Mw输电工程建设中也用了该项技术

(4)电能质量综合治理中的应用单个桥能输出三种电平,线(相)电压有更多的阶梯来模拟正弦波,使得输出波形失真度减少,因此谐波大为减少。且又能产生3X3X3种空间电压矢量,较两种电平大大增加,矢量的增多带来谐波消除算法的自由度,可得到很好的输出波形。多电平级联变流器在电能质量综合治理中的应用也开始受到人们的重视。在中、高压等级余下的小部分无功可以由电力有源滤波器来补偿:系统中的谐波和电压不平衡则由电力有源滤波器和动态电压补偿器来联合消除。在高电压等级的电能质量综合治理中采用级联型变流器作为主电路是有其理论基础和实践意义的,但中、高电压等级的电能质盆治理在国内仍处于起步阶段,提出用多电平级联型变流器作为装置主电路不失为一条有益的探索。

2. 研究的基本内容与方案

(1)主电路图

在建立三相并网逆变器的数学模型之前需要先进行以下假设：

（1）滤波器电感是线性的，不考虑饱和问题；

3. 研究计划与安排

一、 研究工作进度安排

第1周撰写并完成开题报告，无错字、别字，格式规范

第2周修改、 完善开题报告，进行开题答辩，主要对研究意义、目标内容、技术路线， 进行讲解

4. 参考文献（12篇以上）

一、 主要参考文献

[1]李幸生. 三电平光伏并网逆变器的控制[d].安徽理工大学,2018.