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1、高频链逆变电源系统控制算法及MATLAB仿真第1章 绪论1.1 课题背景近年在我们的周围，正在越来越多的使用各种用电设备，它们或者直接由 50Hz 交流电供电，或者由交流电变换的各种不同电压的直流电供电。如果没有 逆变技术现代电力传动系统就没有办法工作，它广泛的应用在不间断电源、应 急电源和并网发电上，它为新能源转换成电能提供有力的保障。随着世界能源 危机的到来，节能减排逐渐被提上议事议程。中国在哥本哈根会议第一次以约 束性指标的方式宣布，中国在 2020 年的单位 GDP 二氧化碳排放量将比 2005 年 下降 40%45%。据相关研究估算在 2010 年我国总的二氧化碳排放量中，电力、 热
2、力的生产和供应业的排放量占到了总量的 40.1%。所以极为需要些污染少的能 源慢慢取代传统能源，如风能、太阳能、潮汐能将逐渐取代石油，天然气等燃 料将成为人类使用的主体能源，这样使电力电子技术越来越受到人们广泛重视 1。另一方面，随着用电设备的增多，一些涉及到关键部门的用电设备，如电 信行业、银行业的计算机、报警装置，对电源的可靠性和电源质量的要求也越 来越高。不间断供电设备(UPS)应运而生，在国外，计算机供货商已将UPS随 计算机配套出售。逆变环节是实现 UPS 的关键技术，因此研究逆变技术对不间 断供电起着至关重要的作用2。在航空领域，飞机机载用电设备也越来越多，它们对电源的可靠性和质量
3、 的要求更加严格。集中式电源系统在可靠性、通用性、维修性等方面已无法完 全满足要求。具有高功率密度、高效率和低成本的分布式电源系统将逐渐替代 集中式电源系统，研究通用的新型变流器模块对构成三相静止变流器和分布式 电源系统极为重要 3 。逆变电源技术的发展是和电力电子器件的发展联系在一起的，器件的发展 带动着逆变电源的发展。最初的逆变电源采用晶闸管(SCR)作为逆变器的开关器 件，称为可控硅逆变电源。由于 SCR 是一种没有自关断能力的器件，因此必须 通过增加换流电路来强迫关断 SCR， SCR 的换流电路限制了逆变电源的进一步 发展。随着半导体制造技术和交流技术的发展，自关断的电力电子器件脱颖
4、而 出，相继出现了电力晶体管(GTR)、可关断晶闸管(GTO)、功率场效应晶体管 (MOSFET)、绝缘栅双极性晶体管(IGBT)等等。自关断器件在逆变器中的应用大 大提高了逆变电源的性能。由于自关断器件的使用，使得开关频率得以提高， 从而逆变桥输出电压比低次谐波的频率比较高，使输出滤波器的尺寸得以减 小，而且对非线性负载的适应性得以提高 4 。最初，对于采用全控型器件的逆 变电源在控制上普遍采用带输出电压有效值或平均值反馈控制的方法实现的。 采用输出电压有效值或平均值反馈控制的方法具有结构简单、容易实现的优 点，但存在以下缺点：1. 对非线性负载的适应性不强； 2. 死区时间的存在将 使 P
5、WM 波中含有不易滤掉的低次谐波，使输出电压波形出现畸变；3. 动态性能不好，负载突变时输出电压调整时间长。为了克服单一电压有效值或平均值 反馈控制方法的不足，实时反馈控制技术获得应用，它是近十年来发展起来的 新型电源控制技术，目前仍在不断地完善和发展之中，实时反馈控制技术的采 用使逆变电源的性能有了质的飞跃。实时反馈控制技术多种多样，主要有以下 几种5：1. 谐波补偿控制；2. 无差拍控制；3. 重复控制；4. 滑模变结构控制；5. 单一的电压瞬时值反馈控制；6. 带电流内环的电压瞬时值反馈控制。与直流一直流功率变换不同，逆变器输出需要接感性负载、容性负载和阻 性负载，输出电压有可能滞后、超
6、前输出电流或与输出电流同相，因而逆变电 路需要在V I平面四象限工作。在I、111象限，输出电压与输出电流同向，由 直流输入电源向输出负载提供能量；在II,W象限，输出电压与输出电流反 向，由输出负载向直流输入电源回馈能量。这说明电路四象限工作，实质要求 电路具有双向传递能量的能力。逆变电源的种类繁多，可按输出能量的去向、功率流动的方向、输入电源 的性质、输出与输入的电气隔离、功率电路的拓扑结构、功率电路的器件、占 空比的控制方式、控制技术、输出电压电平、输出电压波形、输出电压相数、 输出电压频率以及功率开关的工作方式等方面加以分类 :无源、有源逆变，单 向、双向逆变，电压源、电流源逆变，非隔
7、离型、低频环节、高频环节逆变， 推挽式、半桥式、全桥式逆变，SCR、GTR、GTO、MOSFET、IGBT、混合器 件逆变，脉宽调制、脉频调制逆变、模拟控制、数字控制逆变，二电平、多电 平逆变，正弦波、非正弦波逆变，单相、三相、多相逆变，工频、中频、高频 逆变，硬开关、软开关逆变等。其中高频逆变电源技术运用先进的功率电子器 件和高频逆变技术使传统的工频整流电源材料减少80%90%，节能20%30%，动 态反应速度提高 23 个数量级，并向着高频化、轻量化、模块化、智能化和大 容量化的方向发展。1.2 高频链逆变技术的概念所谓高频链逆变技术，就是采用高频脉冲变压器替代低频变压器传输能 量，通过提
8、高逆变电源的工作频率来减小隔离变压器的体积，并实现变流装置 的一、二次侧电源之间的电气隔离。高频链(High-frequency Link)逆变技术这一 新理念是于1977年ESPELAGE和两位专家共同提出的引。高频链逆变器是一种灵活多变的拓扑结构，其共同特点是电路结构形式紧 凑，功率密度和效率高，响应速度快。另外，系统可以工作在 20KHz 以上，无 音频噪声，滤波相对容易，并且功率可达 KW 级以上。因此，无论在恒压恒频 (CVCF)领域，还是在调频调压(V VVF )领域都有很大实用价值，它是未来继续研 究发展的一个重要课题。随着高频链逆变技术的不断发展，它的应用范围日益广泛。首先，电
9、信、 航空航天、军事等领域，常常要求供电装置重量轻、体积小、功率密度大和可 靠性高；其次，随着石油、煤和天然气等矿产能源的不断消耗以及环境污染等 问题，使用蓄电池、太阳能电池等作为能源的混合型电动汽车驱动系统日益成 为研究热点，效率和体积是它的首要考虑因素；另外，在建筑行业，常常使用 振动棒进行均匀混合浇注混凝土，这也要求振动棒供电装置体积小、重量轻、 使用安全和可靠性高等；以及 UPS 技术的日益兴起和广泛应用。考虑到以 上各种供电装置和负载之间都要解决安全与匹配问题，因此常常需要加隔离变 压器。针对上述要求，需要研究具有隔离变压器的逆变器电路拓扑。高频链逆 变技术正是在这种情况下蓬勃发展起
10、来的。与传统逆变器相比，高频变压器具有以下几点优势：1. 成功的将变压器“减负”，使变压器简易轻便，并实现输入与输出的电 气隔离同时调节电压的比例，这样不仅优化了系统而且还提高系统的性能。2. 硬件电路可以实现可靠的四象限工作。3. 实现简单可靠的自适应换流。高频链逆变技术按照功率的传输方向可分为两大类：单向型和双向型高频 链逆变器；如按照功率变换器的类型，还可分为：电压源和电流源两种。现有 的高频链逆变器大多属于电压源高频链逆变器7。常用高频链逆变器分为以下几类：1.双向电流型(Bi-directional Power flow Mod)高频链逆变器图1-1所示为双向电流型高频链逆变器电路的
11、拓扑结构。图 1-1 双向电流型高频链逆变器这种高频链逆变器的拓扑结构以反激变换器为基础，因此这种逆变器也叫 做反激式(Flyback )高频链逆变器。它主要包括高频逆变器、高频变压器和周波 变换器，其中高频变压器因其具有电气隔离、电压调整和存储能量的功效，所 以省掉了输出滤波电感。双向电流型高频链逆变器具有拓扑结构简洁易懂、能量双向流动、容易实 现控制等优点。通常周波变换器的功率开关管工作在低频状态，但当功率从负 载向直流电源回馈时，功率开关管工作在高频状态，这自然就解决了电压型高 频链逆变器自身固有的电压过冲问题9。2.双向周波电压型(Vohage Mode)高频链逆变器 图1-2所示为双
12、向周波电压型高频链逆变器电路拓扑结构10。 从图中可以看出这种高频链逆变器囊括了高频逆变器、高频变压器、周波 变换器和输出滤波器。该逆变器最大的优点在于经过单级功率变换就可实现逆 变过程，而且能量可以单级变换，功率可以双向流动，还可以实现四象限的工 作。同时它也存在着缺陷，比如开关器件较多、电路很难控制，从而降低了系统的可靠性。图 1-2 双向周波电压型高频链逆变器3.单向电流型(Unidirectional Power flow Mode)高频链逆变器 图1-3 所示为单管单向电流源高频链逆变器电路的拓扑结构11。图 1-3 单相电流型高频链逆变器这种高频链逆变器的拓扑结构及控制方法都很简单
13、、易行，工作时响应时 间短，增加了系统的效率。但是在系统运行时，变压器冗余严重，得不到充分 利用。并且高频链逆变器在电流模式状态下不连续执行工作任务，继而功率开 关管电压应力增大，导通消耗也很大12。4.单向电压型(Current Mede)高频链逆变器图 1-4 所示为单向电压型高频链逆变器电路的拓扑结构13。如图中所示单 向电压型高频链逆变器是由高频变压器、直流滤波器和输出滤波器组成。而高 频变压器和直流滤波器包括在DC/DC逆变器中，输出滤波器包括在PWM逆变 器中。通过 DC/DC 逆变器和 PWM 逆变器相结合构成单向电压型高频链逆变 器。这样连接成功实现了电气隔离和电压匹配14。这
14、种逆变器具有精简的拓扑结构，新颖的设计思想且易于实现。在 DC/DC 变换中可以输出低频正弦半波，使得开关电压不重叠工作，实现了零电压开关 (ZVS)技术，小功率软开关电源效率可提高到80%85 %，增加了系统的利用率。此外，逆变器输出时的滤波电容很小，从而减少了滤波器的体积15。但是还有些缺点需要克服，如容性或感性负载可以影响输出电压波形使其 产生畸变、功率也只能单向传输等。针对该逆变器的缺点国外学者提出了双 向周波电压型高频链逆变技术16。图 1-4 单向电压型高频链逆变器1.3 高频链逆变电源国内外现状与发展趋势在 20 世纪的 80 年代，日本日立公司研制出了运用高频链逆变技术的 UP
15、S 电源频率(20kHz，功率lkW)W。与传统UPS电源相比，新型电源除去了工频 变压器和滤波器，使逆变器朝着小型化方向发展。但是新型电源的控制电路以 模拟控制电路为主，开关器件以低速器件为主，硬开关为主要的开关技术，逆 变器的逆变效率也很低。为了改进高频链逆变技术，美国、韩国等发达国家在 这项领域上精心探索，不断改进逆变电路的拓扑结构、软开关技术，为研究数 字化控制作出了不可磨灭的贡献冈。20 世纪 70 年代末和 80 年代初逆变电源开始我国初逐步发展，当时国内的 电源技术还仅仅停留在试验教学上，到了 20 世纪 80 年代中后期逆变技术才开 始推广和应用。目前我国逆变电源的发展仍在起步
16、阶段，起初只涉及到了理 论、拓扑结构和仿真技术，电路控制仍采用硬开关技术，难以克服变压器漏感 及其分布电感所引起的电压应力 19。如今高频逆变技术已经有了重大的改进与 突破。因采用新型功率器件使开关电源逐步的高频化，采用功率 MOSFET 和 IGBT使中小型逆变电源的工作频率达到400kHz(AC/DC)或lMHz(DC/DC)，采 用软开关技术使高频逆变电源得以实现，而新型功率半导体器件的发展可以有 力地推动高频逆变电源技术的进步20。中电 29 所于 2005 年研制了一种基于 DSP 的高频链逆变电源 (功率为 lkW),采用直流环节的高频链结构，并运用先进的移相控制技术。目前正在究 高性能的碳化硅功率半导体器件，它的成功将电源产生革命性的影响。另外， 平面变压器、压电变压新型电容器等元器件的发展，也将对电源
