关键字 |
| 升压逆变器，三次谐波注入，并网逆变器，分布式电源 |
介绍 |
| 常规电压源逆变器可能是最重要的功率变换器拓扑。它被用于许多不同的工业和商业应用。传统逆变器的一个特点是瞬时输出电压始终低于输入直流电压。因此，当需要输出电压大于输入电压时，必须在直流电源和逆变器之间使用升压变换器。 |
| 一种单相电压源逆变器(单相升压逆变器)由Ramón Cáceres和Ivo Barbi[1]，[2]提出。单级升压逆变器可以根据占空比[3]产生大于输入直流电压的输出交流电压。在[4]中提出了一种新型三相升压逆变器，该系统由三个DC - DC双向升压变换器组成，其公共点(O)如图1所示。这些转换器产生直流偏置正弦波输出。每个转换器的交流组件与其他转换器的相位相差120度，主要优点是仅使用6个带小型无源元件的igbt来产生比输入直流电压更大的输出交流电压(即该系统可以放大电源，如可再生能源)。本文的主要贡献有: |
| •采用三次谐波注入技术，提高升压逆变器的增益。 |
| •研究并网三相升压逆变器的性能。 |
| 本文组织结构如下:第一节介绍升压逆变器的性质。第二节有助于理解升压-逆变器拓扑结构的原理。第三节介绍了如何利用三次谐波注入来提高升压逆变器的增益。第四节介绍了三相并网升压逆变器的性能。第五节通过实验验证了这一概念，最后第六节总结了本文并给出了参考文献。 |
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操作原理 |
| 三相升压逆变器的每个相由两个igbt、一个电感和一个电容组成。有一个共同点的电容器(O)连接到直流电源的负极。负载连接到逆变器端子并创建另一个公共点(N)，该公共点不得连接到电容器公共点。 |
| 每个电容器的参考电压有两个分量: |
| •直流分量(Kdc):各相均相同，且必须大于交流分量峰值Kac与直流输入电压Vdc之和。 |
| •交流分量:每个变频器的交流分量大小相同，但与其他变频器相差120度。如(1) |
| 负载通过不同的电容连接(图1)，以防止直流元件出现在负载端子上。Eq(2)显示了转换器输出线对线电压，可以馈电任何三相负载。 |
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| 对于a相，可得到连续导通模式下的输出电压关系如式(3)，其中D为dc - dc变换器的占空比。要得到a相电容上的VAOref，该相参考占空比的瞬时值可由式(4)得到， |
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| 如图2所示，可以很容易地产生PWM脉冲，其中fsis是逆变器的开关频率。利用matlab /SIMULINK包对三相逆变电路进行建模。将模型参数按表一所示值进行调整，仿真结果如图3所示。由图3b可知，由于占空比的变化，VAO(t)的交流分量是不对称的;升压变换器中电容电压波动与占空比值呈线性相关。这种不对称性意味着在输出电压中有一个均匀的谐波分量。图3c显示了相对于基本分量的偶次谐波值，必须注意的是偶次谐波值在可接受的范围内，小于IEEE标准值[5]。 |
三次谐波注入 |
| 谐波注入可以产生平顶相位波形，提高逆变器的效率[6-8]。这种方法有可能扩展所有PWM逆变器的额定值(增加逆变器的输出电压)。该方法涉及到在交流分量上增加三次谐波。三相电源中的三次谐波从线对线波形中消除。 |
表一三相升压逆变器参数 |
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| 在交流分量上增加六分之一的三次谐波，峰值降低0.866，而不改变基波[9]的幅值。该过程如图4所示。然后可以通过一定的因素增加调制波的振幅，从而再次利用逆变器的全部输出电压范围。通过调整这一因素，交流分量的峰值可以相等统一。从图4可以看出，前一个峰值为0.866。因此 |
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| 因此，如图4所示，添加六分之一的三次谐波会使相位电压波形的基波振幅增加15%，因此在线路电压波形中也会增加15%。由于相位波形中的第三次谐波分量将被取消，因此线对线波形没有失真。 |
| 对于100V直流电源和250V直流元件，无谐波注入时，输出相电压幅值可达150V，即150V为最大允许电压。 |
| 在第三次谐波注入情况下，输出相位电压幅值可达172.5V (1.15*150V)。参考输入等于最大允许电压的25%和50%时的仿真结果分别如图5和图6所示。输出电压应用于三相电阻负载(每相30欧姆)。仿真结果如表二所示。仿真结果表明，通过在交流分量上增加第三次谐波，可以提高三相升压逆变器的输出电压。当三次谐波的幅值为基波幅值的六分之一时，输出电压增加最大。该方法允许输出电压增加15%。 |
表二。输出相位电压的大小 |
并网模式 |
| 可再生能源要求直流-交流转换级满足电网电压和频率要求。孤岛模式下，逆变器通过调节交流母线电压和频率来控制交流负载。电网恢复后，逆变器应保持并网运行模式，电网掌握母线电压和频率。 |
图4所示。通过增加三次谐波来增加基本输出电压。 |
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| 并网升压逆变器框图如图7所示。Pref和Qref用于确定控制功率流的所需电流分量(igd ref, igq ref)。饱和块用于定义逆变器的有限过载能力。逆变开关不能过载，最大允许电流调整为满载电流的1.5倍。然后，利用电流控制器获取电容参考电压的交流分量(PI电流控制在同步参考系中)。然后在交流分量上添加合适的直流分量，得到逆变器参考电压。选择直流分量是为了保证在单位调制指数(最小THD)下正常工作，即Kdc=Kac+Vdc。在逐相PWM发生器子系统中注入三阶谐波分量的选项如图7所示。 |
| 建立MATLAB模型，数据如表III所示。研究了并网升压逆变器在正常和异常工况下的性能。 |
| 案例1:本案例研究了升压逆变器在正常/健康条件下的性能。将有功功率阶数调整为4kW，无功功率阶数调整为0 VAR，仿真结果如图8所示。 |
| 案例2:在故障状态下测试升压逆变器的性能，电网中出现远程故障，在t=0.05s时电压下降50%，在t=0.1s时电压下降消除。在指定故障位置，预计故障级别会上升，但由于逆变器的过载能力有限，会自动降低参考电压，将故障电流限制在满载电流的1.5倍。该案例的仿真结果如图9所示。仿真结果表明了升压逆变器在并网应用中的有效性。由于它具有增强能力，它将适合于将可再生能源整合到电网中。此外，它有一个正弦输出电压，即不需要交流输出滤波器。 |
表3。与电网相关的升压逆变器参数 |
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实验装置 |
| 建立实验装置(图10): |
| •验证升压-逆变器的正常工作，并显示其在孤岛模式下的升压能力。 |
| •探索三次谐波注入对其量程扩展的影响。 |
| •评估正常运行条件下并网升压逆变器的性能。 |
| 实验装置由一个三相逆变器组成，由一个高压驱动器、三个电容器、三个电感、电阻负载和直流电源驱动六个igbt。由德州仪器DSP TMS320F28335产生3 kHz开关频率的发射脉冲，以获得所需的相位电压。应用以下测试: |
| 试验一:为验证升压逆变器的正常工作，对设置参数进行调整，如表IV所示。试验结果如图11a、11b所示。显然，实验结果验证了升压-逆变器的概念 |
| 测试二:通过向交流组件注入三次谐波来测试一个扩展增益升压逆变器。相应的实验结果如图11c所示。很明显，逆变器增益在输出电压不失真的情况下延长了15%。 |
| 测试三:在正常工作条件下，并网升压逆变器的性能也进行了实验测试。在该模式下，使用升压逆变器向电网注入一定的功率(30W, 0VAR)。图11d显示了通过接口电抗耦合到电网的逆变器输出电压。电网供电电流如图11e所示，很明显，电网供电电流相对于其电压为负，即功率(30W)注入电网。 |
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图10三相升压逆变器实验装置 |
图11 (a)试验I:电容和相位电压(b)试验I:电感和电源电流，(c)试验II:电容和线路电压，(d)试验III:升压逆变器输出电压，(e)试验III:电网电压和电流。 |
结论 |
| 本文讨论了三相升压逆变器，它适用于将一定数量的可再生电力传输到交流负载(低成本分布式逆变器)。本文的主要贡献有: |
| •采用三次谐波注入技术，使升压逆变器增益提高15%。 |
| •研究其连接到电网时的性能。 |
| 仿真和实验结果表明，在正常运行条件下(将可再生电力传输到交流负载)，并网升压逆变器是有效的。它也将在异常情况下有效，因为它贡献有限的故障电流，由于其电流控制器的最大电流限制。 |
鸣谢 |
| 本文由卡塔尔国家研究基金(卡塔尔基金会成员之一)的NPRP资助NPRP 4 - 250 - 2 - 080得以出版。在此所作的声明完全是作者的责任。 |
参考文献 |
- Ramon O. Caceres和Ivo Barbi“Boost DC-AC转换器:分析，设计和实验”，IEEE电力电子汇刊第14卷第1期，第134-141页，1999年1月。
- Minsoo Jang, M. Ciobotaru, V.G. Agelidis，“基于boost-逆变器的单相并网燃料电池系统”，IEEE反式。powerElectron。，第28卷，no。1，第279 - 288页，2013年1月。
- Pablo Sanchis, Alfredo Ursæa, Eugenio Gubía和Luis Marroyo“Boost DC-AC逆变器:一种新的控制策略”IEEE电力电子汇刊，第20卷第2期，第2页343-353, 2005年3月。
- Carlo Cecati, Antonio Dell 'Aquila和Marco Liserre“一种新型三相单级分布式电源逆变器”，IEEE电力电子汇刊，第19卷第5期，页1226-1233 ,September 2004.
- S. M. Halpin《IEEE和IEC谐波标准的比较》IEEE电力工程学会会员大会， 2005, Vol. 3,pp。2214-2216, June2005.
- Michael A. Boost和PhoivosD。Ziogas“最先进的载波PWM技术:关键评估”IEEE工业应用汇刊，第24卷第2期，第2页271-280, March 1988.
- Vassilios G. Agelidis, Phoivos D. Ziogas, and GezaJoos "死带PWM开关模式"IEEE电力电子汇刊，Vol.11,不。4页。522-531 ,July 1996.
- Vladimir Blasko“混合PWM策略结合改进的空间矢量和三角形比较方法，”27thIEEE电力电子专家会议，第2卷，第1872-1878页，1996年6月。
- John a . Houldsworth和Duncan a . Grant“利用谐波失真来增加三相PWM逆变器的输出电压”，ieee工业应用汇刊，卷IA-20号5页。1224-1228, September 1984.
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