《電力電子技術(shù)（第二版） 》 課件 項目四 逆變電路-調(diào)試小型光伏發(fā)電系統(tǒng)

項目四

逆變電路—調(diào)試小型光伏發(fā)電系統(tǒng)【學(xué)習(xí)目標(biāo)】知識目標(biāo)（1）能說出有源逆變電路、無源逆變電路的基本原理及工作過程。（2）能說出PWM控制電路的基本原理及控制方法。（3）能說出有源逆變和無源逆變實際應(yīng)用。能力目標(biāo)（1）能畫出有源逆變電路、無源逆變電路的MATLAB仿真并進行簡單分析。（2）能對小型光伏發(fā)電系統(tǒng)進行簡單分析和調(diào)試。素養(yǎng)目標(biāo)（1）培養(yǎng)對新技術(shù)的向往和專業(yè)情懷，激發(fā)投身未來技術(shù)進步的熱情。（2）培養(yǎng)有效溝通交流以及團隊合作意識。【項目引入】

在生產(chǎn)實踐中，除了將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)榇笮】烧{(diào)的直流電外，還需將直流電轉(zhuǎn)為交流電，這種對應(yīng)于整流的逆過程稱為逆變。

光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠利用太陽能光伏電池及其控制器將太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能，其中也少不了逆變電路。小型光伏發(fā)電系統(tǒng)中，不與電網(wǎng)相連獨立向負載供電的被稱為離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)，與電網(wǎng)相連可向電網(wǎng)輸送電能的被稱為并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)。任務(wù)4.1認(rèn)識有源逆變電路

4.1.1了解有源逆變電路工作原理

如果把逆變器的交流側(cè)接到交流電源上，把直流電逆變?yōu)橥l率的交流電(我國為50Hz)反送到電網(wǎng)去，稱為有源逆變；如果逆變器的交流側(cè)不與電網(wǎng)聯(lián)接，而直接接到負載，即把直流電逆變?yōu)槟骋活l率或可調(diào)頻率的交流電供給負載，則稱為無源逆變。1.功率的傳遞

有源逆變電路中主要涉及兩個電源的功率傳遞問題，為了分析方便，先從兩個直流電源開始分析。兩個直流電源E1和E2可有三種相連的電路形式。（a）同極性連接E1>E2

（b)同極性連接E1<E2

（c)反極性連接圖4-3兩個電源間能量的傳送根據(jù)電路分析，可得出以下結(jié)論：(1)兩電源同極性相連，電流總是從高電勢流向低電勢電源，其電流的大小取決于兩個電勢之差與回路總電阻的比值。如果回路電阻很小，則很小的電勢差也足以形成較大的電流，兩電源之間發(fā)生較大能量的交換。(2)兩電源產(chǎn)生能量交換電流從電源的正極流出，則該電源輸出電能；電流從電源的正極流，入則該電源吸收電能。電源輸出或吸收功率的大小由電勢與電流的乘積來決定若電勢或者電流方向改變則電能的傳送方向也隨之改變(3)兩個電源反極性相連，如果電路的總電阻很小，將形成電源間的短路，實際應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)避免發(fā)生這種情況。4.2.2了解單相橋式有源逆變電路

（b）I組電壓圖

（c）Ⅱ組電壓圖圖4-4單相橋式電路的整流與逆變原理

3.逆變失敗與逆變角限制變流裝置工作在有源逆變狀態(tài)時，若出現(xiàn)輸出電壓平均值與直流電源E順極性串聯(lián)，必然會形成很大的短路電流流過晶閘管和負載，造成事故。這種現(xiàn)象稱為逆變失敗。造成逆變失敗的主要原因有：晶閘管突然損壞或誤觸發(fā)、觸發(fā)脈沖丟失或快速熔斷造成電源缺相以及逆變角β調(diào)節(jié)的過小等。防止逆變失敗的措施是：對逆變裝置多用晶閘管參數(shù)和性能進行合理選擇，并設(shè)置過電壓過電流保護環(huán)節(jié)；觸發(fā)電路工作一定要安全可靠，輸出的觸發(fā)脈沖逆變角最小值要嚴(yán)格加以限制。

4.1.3完成單相橋式有源逆變電路的MATLAB仿真分析1.參考電路圖建模元件名稱提取路徑脈沖觸發(fā)器Simulink/Sources/PulseGenerator交流電源SimPowerSystems/ElectricalSources/ACVoltagesource示波器Simulink/Sinks/Scope直流電源SimPowerSystems/ElectricalSources/DCVoltagesource信號組合模塊Simulink/SignalRouting/Mux電壓表SimPowerSystems/Measurements/VoltageMeasurement電流表SimPowerSystems/Measurements/CurrentMeasurement負載RLCSimPowerSystems/Elements/SeriesRLCBranchIGBTSimpowersystems/PowerElectronics/IGBT用戶界面分析模塊Powergui表4-1仿真模塊提取路徑圖4-6單相橋式逆變電路仿真模型2.設(shè)置各模塊的參數(shù)各模塊的參數(shù)設(shè)置如下：（1）交流電源ACVoltagesource：電壓設(shè)置為300V，頻率設(shè)為50Hz。（2）直流電源DCVoltagesource：電壓設(shè)置為300V。（3）IGBT：采用默認(rèn)的參數(shù)設(shè)置。（4）負載：負載為阻感負載，電阻R為1Ω，電感為2H。3.仿真參數(shù)的設(shè)置首先點擊仿真參數(shù)配置ConfigurationParameters，打開設(shè)置窗口。然后設(shè)置Starttime為0.0，Stoptime為0.07，算法Solver選擇ode23tb，相對誤差Relativetolerance為le-3。圖4-8單相橋式逆變電路仿真結(jié)果4.1.4了解三相橋式有源逆變電路1.三相半波有源逆變電路圖4-9三相半波有源逆變電路原理當(dāng)E>Ud時，由于電路中接有大電感，符合有源逆變的條件，故電路可工作在有源逆變狀態(tài)，變流器輸出的直流電壓為Ud=Ud0cosα=-Ud0cosβ=-1.17U2cosβ

公式中輸出電壓為負，說明電壓的極性與整流時相反。輸出直流電流平均值的計算公式為Id=E-UdR

式中R--回路的總電阻。

2.三相全控橋有源逆變電路圖為三相全控橋帶電動機負載的電路，當(dāng)α<90°時，電路工作在整流狀態(tài)；當(dāng)α>90°時，電路工作在逆變狀態(tài)。晶閘管的控制過程與三相全控橋整流電路原理相同，只是控制角α的移相范圍為180°，輸出直流電壓的計算公式分別為整流時：Ud=2.34U2cosα（當(dāng)α<90°時）逆變時：Ud=2.34U2cosα=-2.34U2cosβ（當(dāng)α>90°時）圖4-10三相橋式有源逆變電路及相關(guān)波形4.1.5完成三相橋式有源逆變電路的MATLAB仿真分析1.參考電路圖建模元件名稱提取路徑信號發(fā)生器Simulink/Sources/DiscretePWMGenerator交流電源SimPowerSystems/ElectricalSources/ACVoltagesource示波器Simulink/Sinks/Scope直流電源SimPowerSystems/ElectricalSources/DCVoltagesource信號組合模塊Simulink/SignalRouting/Mux電壓表SimPowerSystems/Measurements/VoltageMeasurement電流表SimPowerSystems/Measurements/CurrentMeasurement負載RLCSimPowerSystems/Elements/SeriesRLCBranchIGBTSimpowersystems/PowerElectronics/IGBT用戶界面分析模塊Powergui接地端子SimPowerSystems/Elements/Ground表4-2仿真模塊提取路徑圖4-11三相橋式逆變電路仿真模型2.設(shè)置各模塊的參數(shù)各模塊的參數(shù)設(shè)置如下：(1)電源ACVoltagesource：電壓設(shè)置為300V，頻率設(shè)為50Hz。要注意初相角的設(shè)置，A相的電壓源設(shè)為0，B相的電壓源設(shè)為120，C相的電壓源設(shè)為-120。(2)直流電源DCVoltagesource：電壓設(shè)置為100V。(3)脈沖觸發(fā)器DiscretePWMGenerator：載波頻率設(shè)置為1000Hz。占空比設(shè)置為0.6。輸出電壓頻率設(shè)置為50Hz。(4)負載：負載為阻感性負載，電阻R為1Ω，電感為0.5H。3.仿真參數(shù)的設(shè)置仿真參數(shù)設(shè)置步驟如下：首先點擊仿真參數(shù)配置ConfigurationParameters，打開設(shè)置窗口。然后設(shè)置Starttime為0.0，Stoptime為0.5，算法Solver選擇ode23tb，相對誤差Relativetolerance為le-3。圖4-13三相橋式有源逆變電路的MATLAB仿真波形任務(wù)4.2認(rèn)識無源逆變電路

變流電路的交流側(cè)不與電網(wǎng)聯(lián)接，而直接接到負載，即把直流電逆變?yōu)槟骋活l率或可調(diào)頻率的交流電供給負載的電路，稱為無源逆變電路。

逆變電路應(yīng)用廣泛，在已有的各種電源中，蓄電池、干電池、太陽能電池等都是直流電源，當(dāng)需要這些電源向交流負載供電時，就需要逆變電路。4.2.1了解無源逆變電路工作原理1.工作原理圖4-14逆變電路原理圖及其波形如圖所示為單相橋式逆變電路，四個開關(guān)S1、S2、S3、S4構(gòu)成橋式電路的4個臂，由電力電子器件及輔助電路組成，主電路S1、S2、S3、S4實際是各種半導(dǎo)體開關(guān)器件的一種理想模型。逆變電路中常用到的開關(guān)器件有快速晶閘管、可關(guān)斷晶閘管（GTO）、功率晶體管（GTR）、功率場效應(yīng)晶體管（MOSFET）、絕緣柵晶體管（IGBT）等。在電路原理圖中，輸入直流電壓Ud，當(dāng)將開關(guān)S1、S4閉合，S2、S3斷開時,負載上得到左正右負的電壓；間隔一段時間后將開關(guān)S1、S4打開，S2、S3閉合，負載上得到右正左負的電壓。若以頻率f交替切換S1、S4和S2、S3，在負載上就可以得到如圖所示的電壓波形。2.換流在該電路中隨著電壓的變化，電流也從一個支路轉(zhuǎn)移到另一個支路，通常將這一過程稱為換相或換流。換流方式主要分為以下幾種1）器件換流（DeviceCommutation）指利用全控型器件的自關(guān)斷能力進行換流。逆變器電路中采用IGBT、電力MOSFET、GTO、GTR等全控型器件的換流方式是器件換流。2）電網(wǎng)換流（LineCommutation）電網(wǎng)提供換流電壓的換流方式。將負的電網(wǎng)電壓施加在欲關(guān)斷的晶閘管上即可使其關(guān)斷。在此電路中不需要器件具有門極可關(guān)斷能力，但不適用于沒有交流電網(wǎng)的無源逆變電路。3）負載換流（LoadCommutation）將負載與其他換流元件接成并聯(lián)或串聯(lián)諧振電路，使負載電流的相位超前負載電壓，且超前時間大于管子關(guān)斷時間，就能保證管子完全恢復(fù)阻斷實現(xiàn)可靠換流。4）強迫換流（ForcedCommutation）逆變器中設(shè)置附加的換流電路，給欲關(guān)斷的晶閘管強迫施加反壓或反電流的換流方式稱為強迫換流。該換流方式通常利用附加電容上所儲存的能量來實現(xiàn)，因此也稱為電容換流。4.2.2了解單相橋式無源逆變電路單相橋式無源逆變電路包括半橋逆變電路和全橋逆變電路兩種。1.電路結(jié)構(gòu)圖4-15半橋逆變電路

3.全橋逆變電路圖4-16全橋逆變電路4.全橋逆變電路工作原理

該電路的工作過程為：t1時刻前V1和V4導(dǎo)通，uo=Ud。t1時刻V4截止，而因負載電感中的電流io不能突變，V3不能立刻導(dǎo)通，VD3導(dǎo)通續(xù)流，uo=0。在t2時刻V1截止，而V2不能立刻導(dǎo)通，VD2導(dǎo)通續(xù)流，和VD3構(gòu)成電流通道，uo=-Ud，到負載電流過零并開始反向時，VD2和VD3截止，V2和V3開始導(dǎo)通，uo仍為-Ud。t3時刻V3截止，而V4不能立刻導(dǎo)通，VD4導(dǎo)通續(xù)流，uo再次為零，則改變

就可調(diào)節(jié)輸出電壓。

在該電路中兩對橋臂交替導(dǎo)通180°，其輸出電壓和電流波形與半橋電路形狀相同，但幅值高出一倍，在這種情況下，要改變輸出交流電壓的有效值只能通過改變直流電壓Ud來實現(xiàn)。4.2.3了解三相橋式無源逆變電路1.三相電壓型逆變電路直流側(cè)是電壓源的稱為電壓型逆變器。電壓型逆變器直流側(cè)一般接有大電容，直流電壓基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)低阻抗，相當(dāng)于電壓源。電壓型逆變電路的工作特點有：1）由于直流電壓源的恒壓作用與負載阻抗角無關(guān)交流側(cè)電壓波形為矩形波，而交流側(cè)電流波形及其相位因負載阻抗角的不同而異；2）當(dāng)交流側(cè)為電感性負載時，需要提供無功功率，直流側(cè)電容起緩沖無功能量的作用。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的能量提供通路，各臂都需并聯(lián)反饋二極管；3）逆變電路從直流側(cè)向交流側(cè)傳送的功率是脈動的，因直流電壓無脈動，必然由直流電流的脈動影響功率的脈動。1.工作原理電路用IGBT作為開關(guān)器件，可以看成是由三個半橋逆變電路組成。為了方便分析，畫作串聯(lián)的兩個電容器并標(biāo)出假想中點。三相電壓型橋式逆變電路的基本工作方式也是180°導(dǎo)電方式，即每個橋臂的導(dǎo)電角度為180°，同一相（即同一半橋）上下兩個臂交替導(dǎo)電，因為每次換相都是在同一相上下兩個橋臂之間進行的，因此被稱為縱向換流。6個管子控制導(dǎo)通的順序為V1~V6，控制間隔為60°，這樣在任一瞬間，將有三個臂同時導(dǎo)通?？赡苁巧厦嬉粋€臂下面兩個臂，也可能是上面兩個臂下面一個臂同時導(dǎo)通。圖4-18三相電壓型橋式逆變電路的工作波形2.三相電流型逆變電路直流電源為電流源的逆變電路稱為電流型逆變電路。直流側(cè)串接有大電感，使直流電流基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)高阻抗，相當(dāng)于電流源。電流型逆變電路主要特點有：1）交流輸出電流為矩形波，與負載阻抗角無關(guān)，輸出電壓波形和相位因負載不同而不同；2）直流側(cè)電感起緩沖無功能量的作用，因電流不能反向，因此不必給開關(guān)器件反并聯(lián)二極管；3）因逆變器輸出直流電壓的脈動引起從直流側(cè)向交流側(cè)傳送的功率也是脈動的功率，因此直流電流無脈動；4）電流型逆變電路中，采用半控型器件的電路仍應(yīng)用較多，采用半控型器件的電路的換流方式有負載換流、強迫換流等。圖4-19電流型三相橋式逆變電路圖及輸出波形

4.2.4完成逆變電路的MATLAB仿真分析

2.4.1完成單相無源逆變電路的MATLAB仿真分析1.參考電路圖建模元件名稱提取路徑脈沖觸發(fā)器Simulink/Sources/PulseGenerator直流電源SimPowerSystems/ElectricalSources/DCVoltagesource示波器Simulink/Sinks/Scope信號組合模塊Simulink/SignalRouting/Mux測量模塊SimPowerSystems/Measurements/Multimeter電流表SimPowerSystems/Measurements/CurrentMeasurement負載RLCSimPowerSystems/Elements/SeriesRLCBranchIGBTSimpowersystems/PowerElectronics/IGBT用戶界面分析模塊Powergui表4-3仿真模塊提取路徑圖4-20單相無源逆變電路仿真模型2.設(shè)置各模塊的參數(shù)各模塊的參數(shù)設(shè)置如下：(1）直流電源DCVoltagesource：電壓設(shè)置為100V。(2）脈沖觸發(fā)器PulseGenerator：模型中用到4個觸發(fā)脈沖。因為電源電壓頻率為50Hz，故周期設(shè)置為0.02s，脈寬可設(shè)為0.01，振幅設(shè)為1。脈沖1和3設(shè)置是一致的，脈沖2和4延遲0.01s。(3）IGBT：采用默認(rèn)參數(shù)設(shè)置。(4）負載：負載為阻感性負載，電阻R為1Ω，電感2e-3H。3.仿真參數(shù)的設(shè)置點擊仿真參數(shù)配置ConfigurationParameters，打開設(shè)置窗口。然后設(shè)置Starttime為0.0，Stoptime為0.1，算法Solver選擇ode23tb，相對誤差Relativetolerance為le-3。圖4-21單相無源逆變電路的MATLAB仿真波形4.4.2完成三相無源逆變電路的MATLAB仿真分析1.參考電路圖建模元件名稱提取路徑脈沖觸發(fā)器Simulink/Sources/PulseGenerator直流電源SimPowerSystems/ElectricalSources/DCVoltagesource示波器Simulink/Sinks/Scope信號組合模塊Simulink/SignalRouting/Mux測量模塊SimPowerSystems/Measurements/Multimeter電流表SimPowerSystems/Measurements/CurrentMeasurement負載SimPowerSystems/Elements/Three-PhaseSeriesRLCLoadIGBTSimpowersystems/PowerElectronics/IGBT用戶界面分析模塊Powergui表4-4仿真模塊提取路徑圖4-22三相無源逆變電路仿真模型2.設(shè)置各模塊的參數(shù)各模塊的參數(shù)設(shè)置如下：(1）直流電源DCVoltagesource：電壓設(shè)置為100V。(2）脈沖觸發(fā)器PulseGenerator：模型中用到6個觸發(fā)脈沖。因為電源電壓頻率為50Hz，故周期設(shè)置為0.02s，脈寬可設(shè)為0.01，振幅設(shè)為1。脈沖2延遲0.02/6s,脈沖3延遲0.02/3s，脈沖4延遲0.01s，脈沖5延遲0.04/3s，脈沖6延遲0.1/6s。(3）IGBT：采用默認(rèn)參數(shù)設(shè)置。(4）負載：采用三相負載。3.仿真參數(shù)的設(shè)置設(shè)置Starttime為0.0，Stoptime為0.1，算法Solver選擇ode23tb，相對誤差Relativetolerance為le-3。圖4-24三相無源逆變電路的MATLAB仿真波形任務(wù)4.3認(rèn)識脈寬調(diào)試（PWM）型逆變器4.3.1了解PWM控制基本原理PWM（PulseWidthModulation）控制是指對脈沖的寬度進行調(diào)制的技術(shù)，即通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）。在采樣控制理論中有一個重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同，沖量即窄脈沖的面積，效果基本相同是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同，上述原理被稱為面積等效原理。如果把脈沖列利用相同數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖代替,使矩形脈沖的中點和相應(yīng)正弦波部分的中點重合,且使矩形脈沖和相應(yīng)的正弦波部分面積(沖量)相等,就得到PWM波形，各PWM脈沖的幅值相等而寬度是按正弦規(guī)律變化的。根據(jù)面積等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的，對于正弦波的負半周,也可以用同樣的方法得到PWM波形，可見,所得到的PWM波形和期望得到的正弦波是等效的。完整的正弦波形用等效的PWM脈沖表示稱為SPWM（SinusoidalPWM）波形。PWM波形可分為等幅PWM波和不等幅PWM波兩種，由直流電源產(chǎn)生的PWM波通常是等幅PWM波。4.3.2了解PWM逆變電路控制方式1.單極性方式當(dāng)采用單極性PWM控制方式時，調(diào)制信號ur為正弦波，載波uc在ur的正半周為正極性的三角波，在ur的負半周為負極性的三角波。像這種在ur的正半周內(nèi)三角波載波只在一個方向變化，所得到的PWM波形也只在一個方向變化的控制方式稱為單極性PWM控制方式。圖4-27單極性PWM控制方式波形2.雙極性PWM控制方式在ur的半個周期內(nèi)，三角波載波有正有負，所得的PWM波也是有正有負，在ur的一個周期內(nèi)，輸出的PWM波只有±Ud兩種電平。在ur的正負半周，對各開關(guān)器件的控制規(guī)律相同。像這種周期內(nèi)三角波載波在正負一個方向變化，所得到的PWM波形也在兩個方向變化的控制方式稱為雙極性PWM控制方式。圖4-28雙極性PWM控制方式波形4.3.3了解三相橋式PWM逆變電路1.單相橋式PWM逆變電路圖4-29