一种三相桥式双频逆变器仿真的实现

  随着社会生产的日益发展，对能源的需求量不断增长，全球范围内的能源危机也日益突出，在近些年来，可再生能源引起了世界各国政府和能源专家的高度重视[1].目前，全世界很多国家都采取了风力发电、光伏发电等分布式发电系统并网运行的措施。风力发电需要用整流器把风力发电机输出的交流电转换成直流，再把直流逆变成交流。光伏发电也需要利用逆变器把直流转换成交流再并入电网，并网逆变器是连接发电系统与电网的接口单元，也是研究热点之一。其中研究新型拓扑与控制方法，使输出电能质量高而同时又提高效率便成为了研究重点[1-4].参考文献[4-6]所研究的传统的并网逆变器主拓扑采用三相全桥逆变器，采用PWM控制技术使输出电流波形接近正弦，但该逆变器的6个开关都工作在高频，开关损耗大。为了减少开关损耗，参考文献[7]采用软开关技术，使逆变器工作在软开关状态，但这会使得逆变电路复杂化。参考文献[8]采用多电平逆变技术改善输出电压质量，减少了开关损耗，但这又增加了电路结构和控制方式的复杂性，同时由于主电路开关元件数量成倍地增长，不仅增加了系统成本，而且降低了系统的可靠性。基于双频变换的思想，本文研究了一种新型三相桥式双频逆变器的拓扑结构，并进行理论分析提出其控制策略。

    1 双频逆变器拓扑结构及其控制策略

    1.1 双频逆变器的拓扑结构及工作原理

    三相桥式双频逆变器是在传统三相桥式逆变电路的基础上构成的，如图1所示。在该电路图中，Sap~Scn属于高频逆变桥，工作在高频状态；Slap~Slcn、Lla~Llc属于低频逆变桥，且开关Slap~Slcn工作在低频状态。La、Ca、Lb、Cb、Lc、Cc构成双频逆变电路的滤波器，Ra、Rb、Rc为系统负载。

    以A相桥臂为例对三相桥式双频逆变器进行分析，设fH=NfL,即在低频开关的1个周期内包含着N个高频开关状态周期。1个开关周期的高频开关和低频开关的状态如表1所示，每种状态所对应的导通电路如图2所示。

    同一桥臂上下开关互补导通。在状态1中，高频开关Sap导通，低频开关Slap导通。在所构成的回路中，电感电压和电感电流有下列关系：

    由相同方法对其余3种状态分别进行分析得到，电感La两端电压在Up-Uo与UN-Uo之间转换，其电流则相应地出现上升状态和下降状态且电压和电流不受低频电路的影响。而在低频单元中，电感Lla两端的电压在UPN、UNP和0三者之间转换，电感Lla的电流则相应出现上升、下降和保持不变3种状态（fH=4fL），其波形如图3所示。因此采用适当的控制策略可以实现高频电感电流和低频电感电流同时可控的效果，两单元功能相对分离，实现高频单元和低频单元之间的无环流运行。

    1.2 双频逆变器的控制策略

    对于三相桥式双频逆变器的高频单元采用单周控制，低频单元采用电流滞环控制，首先对高频单元的控制策略进行分析。单周控制其通用性强，适用于各类电力电子功率变换装置，控制电路简单，具有优良的控制性能。设x（t）为开关输入信号，y（t）为开关输出信号，定义开关函数k（t）如下：

    在1个开关周期内，开关导通时间为TON,关断时间为TOFF,并且TON+TOFF=TS,fS=1/TS为开关频率，D=TON/TS为控制信号vref的调制占空比，则开关输入信号x（t）与开关输出信号y（t）之间的关系为：

    利用单周控制原理[7],式（8）可以得出双频逆变器高频单元的控制电路如图4所示。

    在1个开关周期内参考信号经过一个PI调节器与采样信号的积分进行比较，比较器输出到RS触发器的R端，RS触发器S端由时钟脉冲控制，通过RS触发器来控制高频单元各开关。当进入下一个开关周期时，积分器通过复位信号进行复位，然后重复上述工作状态。双频逆变器的低频单元传输大部分能量，对高频单元进行分流，采用电流滞环控制，使低频单元电流快速跟踪高频单元电流。低频单元开关控制电路如图5所示。

    2 双频逆变器的仿真分析

    本文基于Matlab/Simulink建立了仿真模型，仿真参数设置如下：直流母线电压Udc=600 V;滤波电感La=Lb=Lc=4 mH;低频单元电感为Lla=Llb=Llc=2 mH;负载电阻Ra=Rb=Rc=5 Ω；滤波电容Ca=Cb=Cc=100 μF;高频单元工作频率为10 kHz,低频单元工作频率约为2 kHz,仿真结果如图6~8所示。图6（a）为高频开关电流波形，图6（b）为低频开关电流波形，图6（c）为展开后的高低频开关电流波形。在图6（c）中给出了高低频开关电流的幅值对比，虽然高频单元开关频率很高，但是流过的开关电流很小，损耗低，而低频单元开关电流很大，但其工作在低频状态，开关频率仅为高频单元的1/5,因此双频逆变器大大降低了开关损耗。

    在0.06 s时将输出参考电压由幅值200 V、频率50 Hz突变为幅值100 V、频率25 Hz,图7为系统输出电流波形图。通过图7可以得出输出电流波形快速跟踪参考电压，低频逆变器单元传输大部分能量，而高频单元流过少部分能量，通过高频单元和低频单元电流的叠加后，双频逆变器输出的电流性能得到改善，因此在光伏并网、电机调速系统中可以利用双频逆变器的特点来提高系统的动态响应。为了进一步说明双频逆变器的优势，将双频逆变器与单个高频逆变器各相测量值进行对比分析，结果如表2所示。双频逆变器与高频逆变器输出电流的THD基本相同，但是高频逆变器开关工作在高频状态，开关电流大，损耗高；而双频逆变器的高频单元电流很小，能量主要由低频单元流过，因此开关损耗比单个高频逆变器开关损耗要低。图8为双频逆变器和高频逆变器在100 V~200 V之间不同的6组电压下的效率对比曲线，通过曲线可以发现，双频逆变器效率要明显高于高频逆变器的效率。

    本文研究了三相桥式双频逆变电路，从理论分析了工作模态并得出其控制策略。双频逆变器大大降低了开关损耗，提高了输出效率、输出电流总的谐波畸变率，输出波形动态性能好，并能够快速跟踪参考信号，通过仿真验证了理论分析的正确性。双频逆变器具有独特的优势，必将会在光伏并网以及电机的高性能调速等方面降低开关损耗，为提高系统动态性能提供一种新的解决思路。