逆变器(文献综述)

一、前言

利用晶闸管电路把直流转变成交流电，这种对应于整流的逆向过程，定义为逆变[1]。如：应用逆变的电力机车，当再生制动时牵引电机作为发动机运行，把产生的电能反送到交流电网中。当牵引制动时逆变器则为其提供交流电，驱动电机。把直流电逆变为某一频率的交流电供给负载称为无源逆变；把直流电逆变为交流电反送到电网称为有源逆变[2]。随着科技的不断发展，各种仪器对逆变器的要求越来越高，各种行业对电气设备的控制要求也越来越高。高性能的逆变电路是工业发展的基本保证。逆变器横跨电力、电子、微处理器等领域。目前IGBT模块组成功率逆变器具有工作电压底的缺点，采用三电平NPC主电路，可将IGBT电压降低至两电平电路的一半左右[3].为了适应于大容量，高电压，电流谐波含量少的要求，本文通过查阅大量相关研究学者的论文，以及专家的文献综述，发现逆变器的各方面研究方法及其最前沿的研究成果和趋势。本文主要分析逆变器各种不一样的控制策略之间的联系、缺点、优点；最后提出一些个人看法和认识。相信逆变器技术在未来会有很大的突破和进步。

二、主题

逆变器毋庸置疑成为现代工业在中高压调速领域，交流柔性供电系统的无功率补偿中关键的技术支点。对逆变器的拓扑结构和调制策略也进行深入的研究，本文首先论述中高压三电平逆变器的发展现状，然后重点分析三电平逆变器的控制策略。

1.逆变器的发展现状及研究趋势。

于1931年有人研究逆变器的工作原理，直到1948年美国西屋电气公司研制出第一台3KHz感应加热逆变器。随着晶闸管SCR的诞生，为正弦波逆变器的发展创造了条件。20世纪70年代，可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（BJT）的诞生使逆变技术得到发展应用。到了20世纪80年代，功率场效管（MOSFET）、绝缘栅极晶体管(IGBT)、MOS控制晶闸管（MCT）以及静电感应功率器件的诞生为逆变器向大容量方向奠定了基础，因此电力电子器件的发展为逆变技术高频化，大容量创造了条件。80年代后，逆变技术从应用低速器件、低开关频率逐渐向高速器件，高开关频率方向发展。1977年德国学者Holtz首次提出三电平变换拓扑，其主电路采用常规的两电平电路，仅在每相桥臂带一对开关管作为辅助中点进行箝位。1980年，日本长冈科技大学A.Nabae等人将辅助开关管换成一对箝位二极管，分别和上下桥臂串联的开关管相连以辅助中点箝位，称为二极管中点箝位式三电平变换器[8]，这种变换器控制容易，主开关管关断时仅承受直流侧一半的电压，因此更适合大功率场合使用。对三电平逆变器的研究，不仅仅停留在理论上，控制技术方面，而且在系统设计和工程应用等方面都会深入研究。

逆变器的发展趋势将集中在以下几个方面：（1）新型主电路拓扑，三电平的高压，大容量等特点，主要由主电路大量的开关决定，而主电路的构成元件的性能提高，将会出现更新，更好的新型电路拓扑结构，从而引发三电平逆变器更大的发展；（2）高压、大电流功率器件技术的发展，会推动大功率中高压功率变换技术的发展；（3）控制策略和控制方法方面的进展，三电平逆变器中主电路元件的增加，会引发控制策略的多样化，而找到简单、可靠、适用的控制策略是中高电压变频技术的关键技术之一；（4）电压、电流的检测与检测信号传输，中高压逆变器的电压很高，要是某种原因在控制电路中错误的引入高压，将会对系统甚至人身安全造成巨大危险。光学电压、电流传感器具有线性度好、运行安全、绝缘性好、体积小、成本低、抗电磁干扰能力强、频带宽、交直流均可测量等优点，是目前一个研究热点。

2．逆变器的类型

微电子技术的发展为逆变技术的实用化创造了平台，根据电源性质分为电压源型逆变器与电流源型逆变器；根据主电路拓扑结构分为半桥式逆变器、全桥式逆变器、推挽式逆变器；根据功率流动方向分为单向逆变器、双向逆变器。逆变器控制技术有矢量控制技术、多电平变换技术、重复控制、模糊逻辑控制技术等[4]，

3．逆变器的控制策略

逆变器的拓扑结构性能即使很高，要是没有一种适应的控制策略也发挥不了逆变器的作用。逆变器的控制策略主要有以下几种：

（1）阶梯波脉宽调制，阶梯波调制是使用阶梯波来逼近正弦波，比较直观的方法，在阶梯波调制中，可以选择每一个电平持续的时间长短，来实现低次谐波的消除和抑制。

（2）注入2次谐波，为了提高直流母线电压的利用率，参照而电平电路方法注入谐波方法，提高基波输出电压的幅值。

（3）逆变器通过控制系统中电子开关的开通和断开来完成DC-AC。按照冲量一样而形状各异的窄脉冲加载具有惯性的环节上时的效果基本相同，即采样控制理论的冲量等效原理，PWM脉宽调制技术通过限定开关周期而更改导通比以实现输出电压控制[2]。逆变器的输出可分为单相或者多相，无论单相还是多相，其基本组成单元仍然是单相半桥逆变[5]。PWM逆变器具有很广泛的应用范围，不仅体现在DC-AC转换，还应用在一些AC-AC转换的情况。而在一些AC-AC转换时还需要DC-AC转换作为中介。

（4）SPWM正弦脉宽调制，正弦脉宽调制使用三角波形和参考波形比较，通过三角波进行核实的移相，实现选定次数波的消除，该调制策略存在功率管的开关频率高，开关损耗大，装置效率低的缺点。

软开关技术、多电平技术、并联技术、数字化控制等技术近年来被SPWM逆变器应用的越来越多。其中数字化已成为当今逆变器发展的主流。

SPWM逆变器的数字化控制技术：随着数字信号处理技术不断发展，逆变器数字控制越来越多的应用。其中SPWM控制技术使得逆变器的性能得到提高，安全性更好，干扰更小。模拟控制技术自身存在固有缺点，由于硬件上使用大量的分立元件盒电路板，其性能会随着元件的老化，温度变化大大降低。数字化控制技术比模拟控制技术具有控制灵活，系统升级容易，数字控制的微处理器资源丰富等特点。

（5）SVPWM控制策略，SVPWM是近年发展的一种比较新颖的控制方法，是由三相功率逆变器的六个功率开关元件组成的特定开关模式产生的脉宽调制波，能够使输出电流波形尽可能接近于理想的正弦波形。空间电压矢量PWM与传统的正弦PWM不同，它是从三相输出电压的整体效果出发，着眼于如何使电机获得理想圆形磁链轨迹。SVPWM技术与SPWM相比较，绕组电流波形的谐波成分小，使得电机转矩脉动降低，旋转磁场更逼近圆形，而且使直流母线电压的利用率有了很大提高，且更易于实现数字化。

三、总结

结合各方面的文献资料对于先研究的三相逆变电路的控制策略有了很大的了解，三电平逆变器比传统二电平逆变器在直交流能量转换，高压变频调速方面具有很大的优势，控制策略灵活、丰富多样，输出电压的相位和幅值便于调节和控制，而且能达到更低的谐波畸形[7]，更加适用于中高压设备的应用。个人认为对于逆变器的拓扑结构元件越多，逆变器的开关工作状态设置要合理性，以致逆变器散热性好，开关不会出现烧毁；三电平SVPWM控制策略，由于它的状态相对于二电平SVPWM控制过多，状态间的转换有时还需要借助其他的基本状态，因而，选择有效的中间状态是很重要的；三电平逆变器是将DC转换成AC，因此DC部分的电容中点电压漂移和窄脉冲问题需要解决；逆变器如果使用软开关技术可以减小逆变器的体积、重量，提高逆变器的开关频率。逆变技术将不同的直流电能转换成不同的稳定的或者变化形式的交流电提供设备使用，相信未来逆变器技术可以灵活的调节输出电压或电流的幅值和频率，控制速度，保护性能好，使用电设备小型化，高效节能，具有更好的稳定性。