摘 要

本文主要研究逆变器在实际应用过程中的使用。分析研究逆变器的实际工作原理的过程，对高次谐波的抑制作用，也对逆变器的分类与国内外发展现状进行一定的分析，着重介绍逆变器对于电能质量的提升。

论文主要研究了单相逆变器的三种主要拓扑结构，三相逆变器两电平、三电平以及多电平的区别，多相逆变器的主要拓扑结构。对比分析可得到单相逆变器无法满足输出要求中的三相三线制，多相逆变器对于控制策略以及计算方法的复杂程度无法满足，而三相两电平在技术成熟度以及控制策略、计算方法相对于三相三电平及以上电平来说具有更大的优势，最后选择三相两电平作为本次设计的逆变电路。

通过Matlab/Simulink软件的使用，对整个逆变电源进行系统的建模与仿真，整个系统应实现将直流电源的直流电逆变形成交流电，输出的波形应接近正弦波波形。实现预期仿真效果，并分析出LC滤波器参数的变化会影响到最后的输出线电压的有效值，PWM控制发生器的调制比对输出的波形也会产生影响。

关键词：逆变器；三相两电平；Matlab/Simulink；LC滤波器；PWM发生器

Abstract

This paper mainly studies the use of inverters in practical applications. Analyze and study the actual working principle of the inverter, suppress the higher harmonics, and analyze the classification of the inverter and the difference of development status between the domestic and foreign, and focus on the improvement of the power quality of the inverter.

The paper mainly studies the three main topologies of single-phase inverters, the two-level, three-level and multi-level difference of three-phase inverters, and the main topology of multi-phase inverters. The comparative analysis can be obtained that the single-phase inverter cannot meet the three-phase three-wire system in the output requirements. The complexity of the multi-phase inverter for the control strategy and the calculation method cannot be satisfied, and the three-phase two-level is in the technical maturity and control strategy. The calculation method has a greater advantage than the three-phase three-level and above levels, and finally selects the three-phase two-level as the inverter circuit of this design.

Through the use of Matlab/Simulink software, the whole inverter power supply is modeled and simulated. The whole system should realize the DC power of DC power source to form AC power, and the output waveform should be close to the sine wave waveform. Realize the expected simulation effect, and analyze that the change of the LC filter parameters will affect the effective value of the final output line voltage, and the modulation of the PWM control generator will also affect the output waveform.

Keywords: Inverter, Three-phase two-level, Matlab/Simulink, LC filter, PWM generator

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 论文章节安排 3

第2章 高压输入型逆变系统方案研究 5

2.1 逆变器概述 5

2.2 系统的设计思路 7

2.3 单相逆变器 8

2.4 三相逆变器 9

2.4.1 三相两电平 10

2.4.2 三相多电平 10

2.5 多相逆变器 11

2.6 选取的技术方案 12

第3章 高压输入型逆变系统参数计算 14

3.1 支撑电容计算 14

3.2 逆变电路计算 15

3.3 滤波电路计算 17

3.3.1滤波电路的分类 17

3.3.2 滤波电路参数计算 18

3.4 隔离电路计算 22

3.5 逆变器控制策略 24

3.5.1 PWM控制 24

3.5.2 SPWM控制 24

3.5.3 SVPWM控制 25

第4章 高压输入型逆变系统建模与仿真 27

4.1 整体电路仿真模型 27

4.2 仿真结果及其分析 28

第5章 总结与展望 35

5.1 总结 35

5.2 展望 35

参考文献 37

致 谢 40

第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

逆变是与整流相对应的，其作用是把直流电变成交流电。当交流侧并联在电网上，即交流侧接有电源时，则可称之为有源逆变；当交流侧直接和负载连接时，称为无源逆变。逆变电路可从不同的角度进行分类。如依据换流方式分类，依据输出的相数分类，依据直流电源的性质分类。逆变电路在整个电力电子电路中占有十分突出的位置^[1]。随着科学技术的发展和经济水平的提高，工业生产水平、人民生活水平也随之大幅度提高，这导致越来越多的非线性用电设备并联在电网中，从而导致电网中谐波分量含量的比重越来越大。尤其是在工业场合中，高次谐波直接对工业设备产生巨大影响^[2]。这是因为存在的谐波极其容易造成工业设备的误动甚至是拒动，会直接地影响到生产产品的品质和性能。不仅如此，谐波分量还会增加电网各种非必须损耗，例如热损耗和磁损耗，使电网中的保护装置和自动化装置无法发挥正常的作用，进而产生安全隐患甚至直接影响电网安全。在日用电场合中，高次谐波会直接对设备数据通讯、监控网络及精确计量产生巨大影响。比如高次谐波场合下，电信通话质量就会下降，出现不规律的噪音或刺耳声。随着工业生活水平的提高，谐波对我们的日常的生活和工作的影响日益加重，也是不容忽视。逆变器的广泛使用可以对电能的质量进行极大的改善。

传统逆变器存在较高的电压变化和电流变化，还存在开关应力等无法避免的缺点，而多电平逆变器这一种新型的逆变器悄然成为当前研究的热点^[3]。多电平逆变器一般是从改善电路的拓扑结构入手，选取适当的功率元器件，降低开关频率，以此来达到减小开关应力的目的，实现对输出波形进行优化的目标。但是，多电平逆变器存在一个较为明显的缺点，多电平逆变器存在着较多的功率器件，也就是说它更适用于大功率的工作环境。在小功率的工作环境中，可能无法实现多电平逆变器的正常使用。逆变电源系统是一种常用的电源系统变换装置，通常被当作各种场合的用电设备或重要电气设备的控制电源。逆变电源系统已经实现平民化，在日常生活中被广泛运用，广泛运用于车用电器、船用电器、备用电源、风力发电、太阳能发电等领域中^[4],[5]。人们还可以利用逆变电源系统将直流电转换成交流电，从而应用于交流电的仪器设备中，进一步保证用电设备稳定的运行和延长使用寿命。

逆变器的主要作用就是将直流电通过逆变电路的转换转变为交流电。可以得出逆变电源系统最核心的即是逆变开关电路，也被称作逆变电路。逆变电路通过电力电子开关器件的依次导通和关断来实现整个逆变的功能^[6]。开关器件的通断需要驱动电路的信号脉冲来实现控制，而脉冲信号可通过改变电压信号来实现可控调节。实现调节脉冲信号的电路我们称之为控制电路或控制回路。逆变器除了上述的逆变电路、驱动电路、控制电路之外，保护电路、输出电路、输入电路等电路也是同样不可缺少的。它们各自有着自己独特的功能，缺少某一个电路回路都有可能导致整个逆变电源系统的崩溃，从而影响到正常的使用。

1.2 国内外研究现状

逆变器的技术发展一直围绕着功率器件及其控制技术，从开始至今，逆变技术已经经过了五个阶段。

第一阶段：上世纪50-60年代，晶闸管的运用让正弦波逆变器的发展有了最初的理论条件；

第二阶段：上世纪70年代，双极型晶体管和可关断晶闸管的发展让逆变技术得到了深层次的应用和发展；

第三阶段：上世纪80年代，绝缘栅极晶体管、功率场效应管等等功率器件的创造将逆变技术引领到大功率、大容量领域；

第四阶段：上世纪90年代，微电子技术的蓬勃发展进一步促进了逆变器技术的快速发展，也衍生出了一系列的控制技术，比如矢量控制、重复控制等等控制技术；

第五阶段；本世纪初，微电子技术的持续发热，电力电子的高速发展以及现代控制理论的逐渐成熟，逆变器技术朝着高效率、高频化、高可靠性、高功率、智能化的高新技术方向发展前进。

近几年，随着西班牙、德国、美国、意大利等国对光伏逆变器产业的大力支持，逆变器行业进入了一个快速增长的时期。纵观国内外，欧洲是全球市场的兴起点，也是市场的霸主，其本土的逆变器在全球市场独占鳌头。其次，美国、日本等国具有深厚的工业基础和先进的半导体技术，他们公司生产的产品在电路结构设计、电气和自动控制设计方面具有十分强劲的竞争力。国外较为出名的逆变器厂商有：SMA、KACO、Fronius、IngetearTi、Siemens等公司，上面列举的几家公司约占了全球市场的70%的份额。基本上可说是国外的逆变器产商垄断了市场。

相比于国外的快车道，在国内来说，逆变器行业起步较晚，从20世纪80年代才真正开始对光伏逆变器的开发和研究。与国外相比较，国内的厂商存在许多不足的地方，例如规模小，结构、工艺，设计、性能等方面的弱势，但是逆变器的巨大市场的发展空间和潜力给国内的各个企业带来了巨大的历史机遇。国外的企业绝大部分是通过代理商的渠道进入国内市场，这也就衍生出售后服务难以得到保障的问题，导致了国外的厂商在国内的逆变器市场整体的占有率不高。国内存在一家企业——合肥阳光电源公司在该领域已经取得了较快的发展。所生产的产品在国际市场上拥有一定的竞争力。整体看来，国内逆变器厂商仍然需要在转换效率、智能化程度、器件稳定性、结构工艺设计等等方面作出更多更大的努力，但市场的需求和行业的发展潜力会促进国内企业朝着更好的方向前进。国内的逆变器行业还有很长的一段路要走。

1.3 论文章节安排

本文第一章主要介绍本次毕业设计的一些时代背景和国内的发展研究状况。从整体上对逆变器在使用中的重要意义进行介绍和展开。第一小节主要阐述了本次课程设计的一些课题背景以及研究的意义，主要是讲述了逆变器在生产、工业、生活等多个领域的广泛使用，同时还介绍了逆变器的在各领域的重要作用。第二小节主要阐述了逆变器的发展进程以及国内外逆变器厂商的一些发展情况，介绍了国内外的发展情况。也表明国内逆变器的发展差距，也希望国内的逆变器厂商加大研发力度，争取早日赶超国外的水平。

第二章主要介绍高压输入型逆变系统的一些理论知识以及设计方案的比较选择。第一小节主要讲述逆变器的概述，介绍了逆变器的逆变电路、驱动电路、控制方法、直流不平衡问题和输出电压波形控制。详细的对各个内容做出了阐述和分析，对逆变器做了一个详细的介绍。第二小节主要讲述设计的整体思路和逆变系统的模块组成。第三小节至第五小节主要讲述各种技术方案的优劣势，单相逆变器无法满足输出位三相三线制，多相逆变器的控制和原理相比于三相逆变器要复杂和难以理解。在三相逆变器的两电平和多电平比较之中，两电平在元器件数量、可操控性、设计便捷性以及生产成本上具有明显的优势。第六小节主要介绍最终的技术方案，同时还简要列举了各个方案的不足之处。

第三章主要介绍逆变系统的参数计算及其模块的功能。第一小节介绍直流侧母线的支撑电容。支撑电容器的作用主要为一是用来吸收逆变器向支撑电容索取的高幅值脉动电流，进而防止其在DC-Link阻抗上产生高幅值的脉动电压，从而实现逆变器端的电压波动保持稳定在允许范围。二是用来防止DC-Link电压过冲与瞬时过电压现象对逆变器产生的巨大影响。第二小节介绍逆变电路的IGBT选型，依据直流侧母线电压与逆变电路的输出电流确定最后的型号。第三小节介绍滤波电路。本次采用LC滤波对逆变电路输出之后的电流进行滤波从而保证最后的输出的电能质量，还介绍了滤波器的一些种类。第四小节介绍了利用三相变压器进行电气隔离的说明，计算出最后的变压器变比。第五小节介绍了常见的几种控制策略，并对三种控制策略进行比对。

第四章主要介绍在完成逆变系统的技术方案选取与参数计算之后进行的系统的建模与仿真。建模与仿真均在Matlab R2016B的基础上完成，对于结果进行一定程度上的分析。

第五章主要介绍本次毕业设计中自己所取得一些知识上的进步，总结经验，吸取教训，也摸索出自己的一些解决问题的方式方法；也说明本次设计中遇到但是还没有能力解决的一些问题。鼓励自己还是要砥砺前行，在知识的山峰一往无前，勇攀高峰。

第2章 高压输入型逆变系统方案研究

2.1 逆变器概述

逆变器除了需要满足电磁兼容、重量、体积等基本要求之外，对本身的电气性能也同样存在着较高的指标要求^[35]。例如，输出电压要求稳态精度高，电压波形要求失真度小，拥有较强的过载能力以及抗负载冲击能力，动态响应速度快等其他的要求。下面将对逆变器的一些重要问题进行阐述。

1. 逆变器的主电路结构

逆变器的分类方法有很多，按照不同的规则有着不同的衡量标准。如果按照输出的相数进行分类，可将逆变器分，有单相、三相和多相。三相逆变器一般由三相半桥结构组成，同时也可以由3个相位互差120°的单相逆变器拼凑组成。因此，理论上可以将单相逆变器也应用到三相逆变器当中。此外，开关器件的选择有着自一般适用的选择方式和类型，GTO一般适用于特大容量逆变器的选择，IGBT一般适用于大容量正弦波输出的逆变器的选择，电力MOSFET一般适用于小容量逆变器的选择。

1. 驱动电路

驱动电路一般认为是接口电路，存在于主电路与控制电路之间。适合的驱动电路对使逆变电源工作在理想的状态有着十分重要的作用，可实现降低开关损耗，缩减开关时间，提高运行效率。其基本任务一般为：将从信息电子电路接收的信号转变为加在器件控制回路中的电压或者电流，同时还需要具有一定的功率消耗，这样子才能使器件能可靠地进行开通或关断的动作。

1. 逆变器控制方法

由于逆变器容量存在差异，这就导致了控制策略和结构形式必然会存在差异。下表表2.1显示了各种常见的脉宽调制方法下的优缺点。

表2.1 各种逆变器特性比较

1. 逆变器的直流不平衡问题

逆变器直流不平衡问题就是通常所讲的变压器“直流不平衡”^[36]，它对系统的危害性极大，是必须解决的问题。

（1）直流不平衡的原因

假如开关器件和驱动电路的特性不一致，那么在一个正弦周波中，正负半波的控制波形会出现不对称，这会影响到逆变桥的输出电压，也会出现波形正负半波不对称；这样会导致加在主变压器上的电压波形发生正负不对称，也就是主变压器发生了偏磁现象。

（2）直流不平衡的危害

因变压器铁芯存在“偏磁”导致的单方向饱和现象，会使输出电压波形畸变率增加，并且在变压器的原边绕组会出现巨大的励磁电流，这可能使功率开关管出现过流发热从而损坏，对系统产生极大的危害性，这意味着直流不平衡问题必须采取措施解决。

（3）抗不平衡常用措施

引起直流不平衡的原因，通常可以分为静态、动态两大类。静态不平衡是指系统固有存在的原因引起的不平衡，通常可以认为是控制电路与主电路的参数有差异等原因，避免此问题应从严格挑选元件、功率开关管的源头解决此问题，也应注意驱动电路的一致性，这样能尽量减少系统的不平衡因素。动态不平衡一般是指参数的温度漂移与负载发生变化等不可控的随机原因引起，不好防止。但是，可以采用控制电路对不平衡问题进行补偿。

1. 输出电压波形控制

随着逆变器广泛使用，大众对输出电压的质量要求日益变高。不仅要求逆变器有稳定的输出电压，还要求拥有较好的输出电压正弦度，动态响应速度快。与此相适应，逆变器的波形控制技术存在着两种主要的控制技术，为别为开环控制与输出瞬时反馈的闭环控制。以下为两种控制技术需要注意地缺点：

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