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逆變器把直流電變成交流電畢業(yè)設(shè)計-在線瀏覽

2024-08-07 12:16本頁面
  

【正文】 負載,對大電網(wǎng)沖擊和影響較小,本身又可以獨立運行,因此得到越來越多的關(guān)注和應(yīng)用,這種大電網(wǎng)與新型的分布式發(fā)電系統(tǒng)組成的微電網(wǎng)的結(jié)合控制,成為當(dāng)今電力行業(yè)主要的研究方向。它們接在用戶側(cè),具有低成本,低電壓,低污染的特點。歐洲,希臘,德國等地已有微電網(wǎng)示范項目處于運行階段。如日本的微電網(wǎng)應(yīng)用研究主要在其發(fā)展較成熟的光伏設(shè)施基礎(chǔ)上,走以家庭光伏并網(wǎng)發(fā)電、商業(yè)中心區(qū)燃料電池電站配合儲能為特色的微電網(wǎng)建設(shè)路線。部分高校、科研院所及電力企業(yè),如天津大學(xué),合肥工業(yè)大學(xué),杭州電子科技大學(xué)、中科院電工所、中國電科院等,各自建立了相應(yīng)的微網(wǎng)示范項目或?qū)嶒炇?,研究電網(wǎng)的控制、運行及對主網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的影響??梢钥闯?,當(dāng)前國內(nèi)微電網(wǎng)應(yīng)用研究的特點是涉研單位較廣,但尚無某個機構(gòu)擁有完整的集實驗、仿真、檢測等功能于一體的微電網(wǎng)應(yīng)用研究平臺。 逆變器的研究現(xiàn)狀 三相PWM電壓型逆變器的產(chǎn)生背景[2]隨著世界能源短缺和環(huán)境污染問題的日益嚴重,能源和環(huán)境成為21世紀人類所面臨的重大基本問題,清潔、可再生能源的發(fā)展和應(yīng)用越來越受到世界各國的廣泛關(guān)注。尤其隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展,我國很多地區(qū)的用電缺乏非常嚴重,一些城市不得不實行分時分區(qū)域供電。現(xiàn)代社會對能源需求不斷增加,煤炭、石油、天然氣等一次性能源卻不斷減少,而且其使用又會對環(huán)境產(chǎn)生很大危害,為了緩解能源危機,避免環(huán)境的進一步惡化,對風(fēng)能、太陽能等新能源的開發(fā)利用顯得尤為重要,可再生能源的使用兼具環(huán)保性和持續(xù)利用性,但是也存在著缺陷和難點。而在這些清潔能源利用過程中,并網(wǎng)逆變器是關(guān)鍵。在所有的變換器中,PWM變換器由于其產(chǎn)生諧波損耗小,對通信設(shè)備干擾小,整機效率高,而牢牢占據(jù)了主流產(chǎn)品的市場。PWM變換器能達到“綠色”逆變器的目的,已經(jīng)受到國內(nèi)外學(xué)者普遍的重視,成為研究的熱點。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖(12)所示。圖12并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖PWM控制技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展為逆變器性能的改進提供了變革性的思路和手段,結(jié)合了PWM控制技術(shù)的新型逆變器稱為PWM逆變器。進入80年代后,由于自關(guān)斷器件的日趨成熟及應(yīng)用,推動了PWM技術(shù)的應(yīng)用與研究。PWM逆變器經(jīng)過30多年的探索和研究,取得了很大的進展,其主電路從早期的半控型器件橋路發(fā)展到如今的全控型器件橋路;其拓撲結(jié)構(gòu)從單相、三相電路發(fā)展到多相組合及多電平拓撲電路;PWM開關(guān)控制由單純的硬開關(guān)調(diào)制發(fā)展到軟開關(guān)調(diào)制;功率等級也從千瓦級發(fā)展到兆瓦級,隨著PWM逆變器技術(shù)的發(fā)展,已經(jīng)設(shè)計出多種PWM逆變器,并可分類如下:一、按照電網(wǎng)相數(shù)分類:單相電路,三相電路,多相電路;二、按照PWM開關(guān)調(diào)制分類:硬開關(guān)調(diào)制,軟開關(guān)調(diào)制;三、按照橋路結(jié)構(gòu)分類:半橋結(jié)構(gòu),全橋結(jié)構(gòu);四、按照調(diào)制電平分類:二電平,三電平電路,多電平電路;對于不同功率等級以及不同的用途,人們研究了各種不同的PWM逆變器拓撲結(jié)構(gòu)。對于中等功率場合,多采用六個功率開關(guān)器件構(gòu)成的PWM逆變器,包括三相電壓型PWM逆變器和三相電流型PWM逆變器,這是本章介紹的重點。多電平拓撲結(jié)構(gòu)的PWM逆變器主要應(yīng)用于高壓大容量場合。而電流型PWM逆變器的軟開關(guān)技術(shù)研究相對較少,有待進一步研究。電壓型、電流型PWM逆變器,無論是在主電路結(jié)構(gòu)、PWM信號發(fā)生以及控制策略等方面均有各自的特點,并且兩者間存在電路上的對偶性。電壓型逆變器:以單相電壓源逆變器為例,其主電路結(jié)構(gòu)如圖(13)所示。該逆變器以對角線T1和T4,對角線T2和T3構(gòu)成兩組聯(lián)動開關(guān),兩組開關(guān)交替開通,其結(jié)果是在負載端輸出分別為正和負的方波電壓。圖13 單相逆變器原理圖 基于LCL濾波的PWM逆變器的研究現(xiàn)狀 由于三相電壓型PWM逆變器有許多優(yōu)點,如能量可以雙向流動,直流側(cè)電壓波動小,功率因數(shù)可控,網(wǎng)側(cè)輸入電流接近正弦等,因此應(yīng)用廣泛。雙饋發(fā)電機轉(zhuǎn)子與電網(wǎng)之間具有一個“背靠背”的雙向變流器,用來實現(xiàn)對發(fā)電機的交流勵磁和能量對電網(wǎng)的回饋。但是,三相PWM整流器的功率開關(guān)器件的開關(guān)頻率一般為2~15kHz,會產(chǎn)生對電網(wǎng)干擾的高次諧波,主要在開關(guān)頻率或開關(guān)頻率整數(shù)倍附近。通常為了減小開關(guān)頻率及其整數(shù)倍附近的高次諧波,一般采用電感進行濾波。但是,當(dāng)整流器的功率比較大時,交流側(cè)電抗器損耗增大。這對三相PWM整流器在大功率領(lǐng)域中的應(yīng)用產(chǎn)生了不利影響。在交流側(cè)應(yīng)用LCL 濾波器可以減少電流中的高次諧波含量,并在同樣的諧波要求下,相對純電感型濾波器可以降低電感值的大小,提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)。學(xué)者針對LCL濾波器的諧振問題,提出了許多增加阻尼的辦法,其中一些有源阻尼的控制策略,不僅抑制了LCL濾波器的諧振,而且不會產(chǎn)生功率損耗,降低系統(tǒng)的效率,很適用于大功率系統(tǒng)。因此LCL 濾波的PWM整流器應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一就是諧振抑制問題。阻尼方法分為兩種:一種叫做“無源阻尼法”,它是通過在電容上串聯(lián)電阻來使系統(tǒng)穩(wěn)定,這種方法穩(wěn)定可靠,在工業(yè)中被廣泛應(yīng)用,但是加入的電阻會增加系統(tǒng)的損耗。關(guān)于有源阻尼的研究已成為熱點,因為可減小損耗,節(jié)約能源。目前對于有源阻尼法的研究大多基于矢量控制和直接功率控制策略。 目前基于LCL 濾波器的PWM整流器的較為新穎的控制策略有基于無源阻尼的直接電流控制策略、直接功率控制策略、無差拍控制策略和三閉環(huán)控制策略【3】。(2)基于有源阻尼的直接功率控制策略 由于動態(tài)響應(yīng)快、原理簡單,近年來直接功率控制已被越來越多地應(yīng)用于PWM整流器的控制。2005年, 提出了基于LCL濾波器的PWM 整流器的直接功率控制策略。這是一種基于虛擬磁鏈的直接功率控制。這種控制策略采用直接功率有源阻尼法,傳統(tǒng)的有源阻尼方法是給出電壓或電流的參考值,但是由于直接功率控制沒有電流控制環(huán),所以文獻將其轉(zhuǎn)化為功率參考值。直接功率控制是近年來產(chǎn)生的一種新的控制方法,方法的優(yōu)點就是采用靜止αβ坐標(biāo)系進行控制計算,無需復(fù)雜的坐標(biāo)變換和解耦控制,直接對系統(tǒng)的無功功率進行控制,結(jié)構(gòu)和算法簡單;避免了PWM 算法,采用查表技術(shù),動態(tài)響應(yīng)快;采用虛擬磁鏈定向,省去了電網(wǎng)電壓傳感器。節(jié)省了交流側(cè)電流傳感器。這是最早的基于LCL 濾波器的控制策略。該控制策略只需要一組電流傳感器和一組電壓傳感器,其他的量可以由狀態(tài)觀測器獲得,系統(tǒng)的擾動可以用無源阻尼來衰減。電壓外環(huán)采用常規(guī)PI調(diào)節(jié)器進行控制,電流內(nèi)環(huán)采用上述無差拍算法來跟蹤給定電流。無差拍控制方法與傳統(tǒng)的SVPWM 整流器相比,脈沖寬度根據(jù)整流器當(dāng)前的電路狀態(tài)實時確定,因而具有更優(yōu)越的動態(tài)性能。不平衡的電網(wǎng)電壓會引起低頻電流諧波,因此不平衡控制策略的研究也有重大的意義。另一種較為新穎的不平衡控制策略是2003 年Erika Twining 和Donald Grahame Holmes 提出的三閉環(huán)控制策略。其中,電壓外環(huán)用來控制直流側(cè)電壓。電壓調(diào)節(jié)器的輸出作為網(wǎng)側(cè)電流有功分量的給定,dq 坐標(biāo)系中網(wǎng)側(cè)電流調(diào)節(jié)器輸出經(jīng)坐標(biāo)變換后作為三相電容電流的給定,三相電容電流的反饋值由網(wǎng)側(cè)電流與整流器交流側(cè)電流合成。坐標(biāo)變換所需的旋轉(zhuǎn)角度θ由三相電網(wǎng)電壓獲得。除直流側(cè)電壓傳感器外,該方法需要兩組電流傳感器和一組電壓傳感器,傳感器數(shù)量多是其缺點。基于LCL 濾波器的三相PWM 逆變器的控制策略的研究現(xiàn)狀分析可知,無差拍控制是研究較早的控制策略,控制策略的離散化便于數(shù)字化實現(xiàn),但是無差拍控制需要的傳感器較多,所以無傳感器的研究成為研究重點。今后基于LCL 濾波器的PWM 整流器無傳感器控制、電網(wǎng)電壓不平衡控制和便于數(shù)字實現(xiàn)的控制將會成為研究的重點。因為我們通常是將220伏交流電整流變成直流電來使用,而逆變器的作用與此相反,因此而得名。在移動的狀態(tài)中,人們不但需要由電池或電瓶供給的低壓直流電,同時更需要我們在日常環(huán)境中不可或缺的220伏交流電,逆變器就可以滿足我們的這種需求。 按逆變器輸出交流電能的頻率分,可分為工頻逆變器、中頻逆器和高頻逆變器。按照逆變器輸出電能的去向分,可分為有源逆變器和無源逆變器。按逆變器主開關(guān)器件的類型分,可分為晶閘管逆變器、晶體管逆變器、場效應(yīng)逆變器和絕緣柵雙極晶體管(IGBT)逆變器等。前者,不具備自關(guān)斷能力,元器件在導(dǎo)通后即失去控制作用,故稱之為“半控型”普通晶閘管即屬于這一類;后者,則具有自關(guān)斷能力,即無器件的導(dǎo)通和關(guān)斷均可由控制極加以控制,故稱之為“全控型”,電力場效應(yīng)晶體管和絕緣柵雙權(quán)晶體管(IGBT)等均屬于這一類。前者,直流電壓近于恒定,輸出電壓為交變方波;后者,直流電流近于恒定,輸也電流為交變方波。按逆變器控制方式分,可分為調(diào)頻式(PFM)逆變器和調(diào)脈寬式(PWM)逆器。按逆變器開關(guān)電路工作方式分,可分為諧振式逆變器,定頻硬開關(guān)式逆變器和定頻軟開關(guān)式逆變器。按逆變器換流方式分,可分為負載換流式逆變器和自換流式逆變器。這里側(cè)重于逆變器拓撲結(jié)構(gòu)的討論,如圖21,為組合式逆變器的電路結(jié)構(gòu)。由于三個單相逆變器是相互獨立的,因此具有極強的帶不平衡負載能力,并且可以實現(xiàn)各相的獨立控制(只要以某一相為基準(zhǔn),其它兩相分別滯后2/3和超前2/3即可)。圖22給出了三相半橋式逆變器拓撲結(jié)構(gòu)。與三相全橋拓撲結(jié)構(gòu)相比,三相半橋的直流電壓利用率低,并且功率主開關(guān)管承受的電壓應(yīng)力相對較大。圖22 三相半橋逆變器 三相全橋式逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)如圖23所示,由于其具有電路結(jié)構(gòu)簡單、易于控制和主開關(guān)管承受的電壓應(yīng)力低等優(yōu)點,在并網(wǎng)逆變器中而得到廣泛采用,但是其缺點是其帶不平衡負載的能力較弱。導(dǎo)通方式,即每個橋臂的導(dǎo)通角為180176。這樣,在任一瞬間,將有三個橋臂同時導(dǎo)通,也可能是上面兩個臂下面一個臂同時導(dǎo)通,因為每次換流都是在同一相上下兩個橋臂之間進行的,因此也被稱為縱向換流。V、W兩相的情況和U相類似,、的波形形狀和相同,只是相位一次相差120176。且的波形形狀相同,只是相位一次相差120176。負載的阻抗角不同,的波形和相位都有所不同,橋臂1和橋臂4之間的換流過程和半橋電路相似,上橋臂1中的從通態(tài)轉(zhuǎn)換到斷態(tài)時,因負載電感中的電流不能突變,下橋臂4中的先導(dǎo)通續(xù)流,待負載電流降到零,橋臂4中的電流反向時,才開始導(dǎo)通,負載阻抗角越大,導(dǎo)通時間就越長??芍?,、的波形和形狀相同,相位一次相差120176。脈動一次,而直流側(cè)電壓基本是無脈動的,因此逆變器從電網(wǎng)側(cè)向直流側(cè)傳送的功率是脈動的,且脈動的情況和脈動情況大體相同,這也是電壓型逆變器的一個特點。導(dǎo)電的方式逆變器中,為了防止同一相上下兩橋臂的開關(guān)器件同時導(dǎo)通而引起的直流電源的短路,要采取“先斷后通”的方法,即先給應(yīng)關(guān)斷的器件關(guān)斷信號,待其關(guān)斷后留一定的時間裕量,然后再給應(yīng)導(dǎo)通的器件發(fā)出開通信號,即在兩者之間留一個短暫的死區(qū)時間,死區(qū)時間的長短要視器件的開關(guān)速度而定,器件的開關(guān)速度越快,所留的死區(qū)時間就可以越短,這一“先斷后通”的方法對于工作在上下橋臂通斷互補方式下的其他電路也是適用的,顯然,前述的單相半橋和全橋逆變電路也必須采取這一方法。逆變器側(cè)是三個電阻為,電感為L 的電抗器,網(wǎng)側(cè)是三個電阻為 ,電感為 的電抗器,網(wǎng)側(cè)電抗器和逆變器側(cè)電抗器之間是三個星型聯(lián)結(jié)的電容器。圖24 基于LCL 濾波的三相高頻PWM 逆變器拓撲結(jié)構(gòu)取單相LCL 濾波的PWM 整流器結(jié)構(gòu)進行分析:圖25 LCL 濾波器的單相拓撲結(jié)構(gòu)可得其在連續(xù)靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為: (213) (214) (215)式中: ——電網(wǎng)電壓、電容器電壓、整流器側(cè)控制電壓——電網(wǎng)側(cè)電流、電容器電流、整流器側(cè)電流由式(213),(214),(215)及前面開關(guān)函數(shù)的定義,可以推出LCL 濾波的三相PWM 整流器在三相電網(wǎng)電壓對稱情況下的開關(guān)數(shù)學(xué)模型: (216) (217) (218) 式中:C ——整流器直流側(cè)電壓、負載電阻及支撐電容根據(jù)KCL、KVL 得到三相靜止abc 坐標(biāo)系下各相方程:a相: (219)b相: (220)c相: (221)式中: ——三相電網(wǎng)側(cè)交流電壓 ——三相濾波電容上的電壓 ——整流器交流側(cè)的三相電壓 ——三相電網(wǎng)側(cè)交流電流 ——整流器交流側(cè)的三相電流經(jīng)過整理可得采用LCL 濾波器的狀態(tài)方程: (222)可以看出,三相LCL 濾波器的狀態(tài)空間方程為9 階的狀態(tài)方程,對這樣一個高階被控系統(tǒng)來說,如果不采用一定的方法進行降階處理的話,則很難設(shè)計控制器??刂频哪康氖墙o出正確的控制矢量,使網(wǎng)側(cè)電流與電壓同相位。 鎖相環(huán)節(jié)的工作原理逆變器輸出電壓電流同頻同相才能并網(wǎng)供電,所以控制器的設(shè)計中都要設(shè)置鎖相環(huán)節(jié)。其作用是使得電路上的時鐘和某一外部時鐘的相位同步。鎖相環(huán)在工作的過程中,當(dāng)輸出信號的頻率與輸入信號的頻率相等時,輸出電壓與輸入電壓保持固定的相位差值,即輸出電壓與輸入電壓的相位被鎖住,這就是鎖相環(huán)名稱的由來。因此,所有板卡上各自的本地80MHz和20MHz時基的相位都是同步的,從而采樣時鐘也是同步的。 鎖相環(huán)的基本結(jié)構(gòu): 鎖相環(huán)路是一個相位反饋自動控制系統(tǒng)。其組成方框圖如下所示。 鎖相
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