摘 要

在直流微网发电系统中，需要一种能够实现直流微网与电网之间交换电能的双向逆变装置。该文主要研究于直流微网系统中可双向流动的三相逆变器，该逆变器可以工作在PWM整流和并网逆变状态下。与此同时，该三相逆变器还可以作为直流微网系统的电压调节装置使用。

本次毕业设计要求构建隔离式的DC-AC变换系统模型，具体要求直流母线为1500V，要求输出线电压400V。文中提出了两种方案，一种是带工频变压器的隔离型逆变器，另一种是带高频变压器的隔离型三级变换逆变器。工频隔离逆变系统原理简单，效率高，但工频变压器体积太大，结构笨重；高频隔离逆变系统降低了整个装置的体积，并且能够实现前后级解耦，具有控制灵活的优点，但过多的能量传输结构会降低系统效率。文中重点对后者进行研究，并利用 MATLAB /Simulink软件完成仿真。最终仿真结果符合题目要求，标志本次毕业设计顺利结束。

通过本次研究可以更清楚地学习到开关型逆变技术的行业现状和相关知识，加深对提高电网系统发电及用电设备的工作稳定性原理的认识，有利于在电力电子及电力系统方面的进一步研究。

关键词：双向逆变器；PWM控制；高频变压器；MATLAB /Simulink

Abstract

In the DC micro-grid power generation system, a kind of bi-rectional inverter which can exchange energy between the micro-grid and the grid is needed. This paper mainly studies the bi-rectional flow three-phase inverter in DC micro-grid system, which can work in PWM rectifier and grid-connected inverter. Meanwhile, the three-phase inverter can also be used as a voltage regulating device of the DC micro-grid system.

This graduation project requires the construction of isolated dc-ac conversion system model, the specific requirements of the DC bus is 1500V, the output line voltage is required to 400V.In this paper, two schemes are proposed, one is power-frequency isolated inverter with power-frequency transformer, and the other is three-stage isolated inverter with high-frequency transformer. Power-frequency isolating inverter system has simple principle and high efficiency, but the volume of power-frequency transformer is too large and its structure is unwieldy. High frequency isolated inverter system reduces the volume of the whole device, and can achieve front and rear level decoupling, has the advantage of flexible control, but too much energy transmission structure will reduce the efficiency of the system. This paper focuses on the latter research, and the use of MATLAB /Simulink software to complete the simulation. The final simulation results meet the requirements of the subject, marking the successful completion of the graduation project.

Through this study, the industry status and relevant knowledge of switch inverter technology can be learned more clearly, and the understanding of working stability principle of power generation system and electrical equipment can be deepened, which is conducive to further research on power electronics and power system.

Keywords: Bi-directional inverter; Controlled by PWM mode; High-frequency transformer; MATLAB /Simulink

目　录

第1章 绪论 1

1.1 研究的目的和意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 论文章节安排 4

第2章 隔离式DC-AC变换系统方案研究 5

2.1 逆变电路相关概念 5

2.1.1 基本工作原理 5

2.1.2 单相逆变电路 6

2.1.3 三相逆变电路 8

2.2 PWM控制原理 11

2.3 隔离式DC-AC变换系统方案研究 13

2.3.1 设计思路 13

2.3.2 方案对比及方案选择 14

2.4 本章小结 15

第3章 隔离式DC-AC变换系统参数计算 17

3.1 拓扑结构 17

3.2 参数计算 17

3.2.1 逆变桥参数计算 17

3.2.2 LC滤波电路参数计算 18

3.3 开关器件规格及型号的选择 19

3.4 本章小结 19

第4章 隔离式DC-AC变换系统建模仿真 21

4.1 MATLAB与SIMULINK简介 21

4.2 模块电路的搭建 21

4.3 仿真结果及分析 25

4.4 本章小结 29

第5章 总结与展望 30

5.1 总结 30

5.2 展望 31

参考文献 32

致谢 34

第1章 绪论

• 1. 研究的目的和意义

进入21世纪以来，传统能源日渐枯竭，开发和使用新能源成为人类生存与发展的重要前提。其中电能的使用更是重中之重，如何合理地将电能发输配用成为电气专业研究的热点问题。新能源利用的主要形式为分布式发电，其具有造价不高、环境友好、结构灵活等一系列优点。但同时分布式发电控制繁琐、接入成本昂贵。此外受实际环境的影响，分布式发电的输出功率会呈现间歇性、随机性的特点，干扰大电网的正常运行^[1]。

为了解决分布式发电与大电网之间的矛盾，后来发展了微电网。这是一种新型的电网结构，可以将分布式发电的优势充分发挥。在我国把微电网定义为由分布式电源、负荷、能量转换装置、储能装置和保护、监控设备组成的小型发配电系统^[2]。随着可再生能源技术的迅速发展，微电网及其群落出现在配电网中。高渗透率的可再生能源给配电系统带来较高的不确定性，在系统层面进一步加深不确定性的影响。在直流微网发电系统中，需要一种能够实现直流微网与电网之间稳定交换电能的双向逆变装置。

该文主要研究于在直流微网系统中的三相逆变器，可以实现直流微网与电网之间稳定交换电能，使能量双向流动^[3]。该逆变器可以在PWM整流和并网逆变两种不同的状态下运行。与此同时，该三相逆变器还可以作为直流微网系统的电压调节装置使用。

由于光伏、风电等可再生能源的需求不断增大，以及新兴微电网技术逐渐崭露头角，研究和优化其核心——逆变技术，特别是与之相关的并网有源逆变技术是目前电气行业的重要任务。目前逆变技术已经是四种电能变换技术中应用最广的核心技术，且在新能源的开发和利用领域会占据越来越重要的地位。对于电气专业的本科生来说，研究逆变技术可以更清楚地学习到开关型逆变技术的行业现状和相关知识，加深对提高电网系统发电及用电设备的工作稳定性原理的认识，有利于在电力电子及电力系统方面的进一步研究。

• 1. 国内外研究现状

最简单的隔离式逆变电路电路拓扑如图1.1所示。这种逆变电路结构简单，是实际应用最广泛的逆变电路。这种逆变电路使用工频变压器，可以调节电压等级，同时也起到电气隔离的作用。这就带来最直接的问题，工频变压器体积大、价格昂贵。为了克服这个问题，后来出现了高频链逆变技术。

图1.1 带工频变压器的逆变技术

高频链逆变技术最简单的一种拓扑结构如图1.2所示。与工频隔离型逆变系统相比，它在直流侧和逆变器之间插入了一级DC/DC变换器，使用高频变压器实现电压调整与电气隔离^[4]。前级为逆变电路输出高频方波，变压器对普通高频根据需要降压或升压，随后对方波进行整流，此后再进行逆变与滤波。这种变换由于中间存在直流环节，实现了前后级的解耦，可对其分别进行控制。相对工频隔离逆变技术来说，这种拓扑结构的逆变技术降低了整个装置的体积，控制方式更加灵活。

图1.2 带中间直流储能环节的多级高频链逆变结构

这种逆变系统一般把直流环节之前的电路称为前级或者DC-DC级，直流环节以后的电路称为后级或者逆变级。后级一般根据实际需要采用单相或者三相桥式逆变结构，前级则可使用多样的DC/DC变换拓扑，包括正激式变换、反激式变换和双端式变换。其中双端式变换应用较多，其变压器一次侧拓扑包括半桥、全桥和推挽3种结构；二次侧拓扑也有全桥整流、半波整流和全波整流多种形式。

带中间直流储能环节的多级高频链电路虽然相比带工频变压器的隔离式逆变系统具有体积较小、控制方式灵活的优点，但是整个拓扑变换级数较多，能量传输时，不可避免地会造成一定的损耗，同时由于中间存在直流储能环节，进行系统集成也较困难，所以去掉中间直流环节的单级高频链逆变器为后来研究热点。

在以上的基础上，为了降低变换级数，又发展了一种高频隔离型单级变换逆变器，这种逆变器去掉了直流储能结构，其拓扑如图1.3所示。它的大致原理是：先将直流电变换为高频交流电，再经过周波变换器实现将高频交流变为低频交流，直流储能被去掉。这种拓扑具有变换级数少、效率高的特点。目前许多新的拓扑研究都是基于这种结构。

图1.3 无直流储能环节高频隔离型单级变换逆变器

这种拓扑以硬开关工作，而且在二次侧周波变换器部分，功率流被高频强行中断，总的来说有以下几个缺点：第一，全桥拓扑所用功率器件数量多；第二，功率流被周波变换器高频强行中断会导致电压过冲；第三，硬开关带来的开关损耗较高，电磁干扰带来的影响较大。针对第一点，日本学者曾提出一种带中心抽头并以相角差控制的模型，可以减少开关器件的数量。但是对于第二点和第三点，这种拓扑暂时还没有较好的改进方法。

上个世纪末，有学者提出多种方法来改善电压过冲的问题，具有代表性的是有源箝位与利用串联谐振替代直流环节两种措施。由于单级电压型高频链逆变器中双向开关器件通常工作于硬开关状态，容易引起较大的关断过电压，其大面积推广应用必然受到制约。1998年美国弗吉尼亚电力电子中心提出一种准单级高频链逆变器模型，这种拓扑也没有直流储能环节。其特点是，一是利用有源箝位替代直流环节，并且通过PWM控制可实现功率器件的软开关，可以避免电压过冲的问题；二是为了实现能量的双向流动，用可控整流替代不可控整流。总体来说这是一种比较优秀的拓扑。

• 1. 论文章节安排

本文第1章为绪论，主要介绍该课题的目的和意义以及国内外该课题的研究现状。

第2章为隔离式DC-AC变换系统方案研究，本章第1节介绍逆变电路的相关概念，第2节介绍PWM控制原理，第3节提出隔离式DC-AC变换系统的两种方案，具体从设计思路入手，引出带工频变压器和带高频变压器的两种方案，并将两种方案进行对比，最终选择第二种方案。

第3章对带高频变压器的高频隔离型三级变换逆变器进行具体分析，第1节介绍其拓扑结构，第2节为相关参数计算，具体分为三相桥式逆变电路参数计算，变压器参数计算，LC滤波电路参数计算，第3节确定开关器件规格型号的选择。

第4章基于MATLAB/SIMULINK软件对高频隔离型三级变换逆变器仿真，第1节简要介绍了MATLAB软件和Simulink模块，第2节为各子模块电路的搭建，第3节仿真结果及分析。

第5章为总结与展望。

第2章 隔离式DC-AC变换系统方案研究

• 1. 逆变电路相关概念
     1. 基本工作原理

以图2.1中左边的单相桥式电路为例说明其最基本的工作原理。图中S₁-S₄是桥式电路的4个臂，它们由电力电子器件及其辅助电路组成。当开关S₁、S₄闭合，S₂、S₃断开时，负载电压u_o为正；当开关S₁、S₄断开，S₂、S₃闭合时u_o为负，其波形如图2-1右所示。这样，就从直流电转换成交流电^[5]。如需改变输出交流电的频率，只需改变两组开关的切换频率。这就是逆变电路最基本的原理。

图2.1 逆变电路及其波形举例

当负载为纯电阻时，负载电流i_o和电压u_o的波形形状和相位都相同。实际电路中大多数都是阻感负载，i_o的基波相位滞后于u_o的基波，两者波形的形状也不同，图2-1右边给出的就是阻感负载时i_o的波形。设t₁时刻以前S₁、S₄导通，u_o和i_o均为正。在t₁时刻断开S₁、S₄，同时合上S₂、S₃，则u_o的极性立刻变为负。由于负载中有电感，其电流不能突变，而仍维持原方向。这时负载电流从直流电源负极流出，经S₂、负载和S₃流回正极，负载电感中储存的能量向直流电源反馈，负载电流将逐渐减小，到t₂时刻降为零，之后i_o才反向并逐渐增大。同样地，S₂、S₃断开，S₁、S₄闭合时的情况类似。

逆变电路根据直流侧电源性质的不同可分为两种，电压型逆变电路与电流型逆变电路。除特别说明外，本次设计中提到的全部是电压型逆变电路。

图2.2是电压型逆变电路的一个例子，它是图2.1逆变基本电路的具体实现。

电压型逆变电路的特点为：直流侧电压基本无震荡，整个回路阻抗很低；交流侧输出电压波形为矩形波，而输出电流波形和相位根据负载是纯电阻型还是阻感型具体分析，纯电阻性负载波形和相位与电压波形相同，阻感性负载电流波形前面已经分析过，波形在图2.1右边已经画出；阻感负载时，还需要利用直流侧电容来提供无功功率。

图2.2 电压型逆变电路举例

• • 1. 单相逆变电路

单相逆变电路分为半桥逆变电路和全桥逆变电路。这里直接分析全桥逆变电路。图2.2的例子就是全桥逆变电路，共有4个桥臂。把桥臂1和4作为1对，桥臂2和3作为另一对，桥臂1和4同时导通，两桥臂2和3同时导通，两对桥臂交替各导通180。下面对其电压波形作定量分析。把幅值为U_d的矩形波u_o展开成傅里叶级数得

式中基波的幅值U_o1m和基波有效值U_o1分别为

前面分析的都是u_o为正负电压各为180的脉冲时的情况。根据式(2.3)，直流电压U_d一旦给定，输出的交流电有效值也就确定。实际总希望在直流电压给定的情况下，还能调节输出交流电有效值，而下面介绍的移相调压就可以满足这种需求。

在阻感负载时，采用移相的方式来调节逆变电路的输出电压，这种方式称为移相调压。移相调压本质是改变输出电压脉冲的宽度。以图2.2单相全桥逆变电路为例子，各IGBT的栅极信号仍为180正偏，180反偏，并且V₁和V₂的栅级信号互补，V₃和V₄的栅级信号互补，但V₃的基级信号不是比V₁落后180，而是只落后。换句话说，V₃、V₄的栅级信号不是分别和V₂、V₁的栅级信号同相位，而是前移了。这样，输出电压u_o就不再是正负各为的脉冲180°，而是正负各为的脉冲^[6]。各IGBT的栅级信号u_G1~ u_G4及输出电压u_o、输出电流i_o的波形如图2.3所示。

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