10.3电气隔离型逆变器

10.3电气隔离型逆变器

逆变器广泛应用于以直流发电机、蓄电池、太阳能电池和燃料电池为主直流电源的逆变场合。随着石油、煤和天然气等主要能源的日益紧张，新能源的开发和利用越来越得到人们的重视。利用新能源的关键技术——逆变器能将蓄电池、太阳能电池和燃料电池等其他新能源转化的电能变换成交流电能与电网并网发电，故它在新能源的开发和利用领域有着至关重要的地位。

按照交流用电负载与输入直流电源电气隔离元件的工作频率，逆变器可分为低频环节和高频环节两大类；按照交流输出能量的去向，逆变器可分为无源逆变和并网逆变两大类。

本节系统地从方波、阶梯波合成、脉宽调制等低频环节逆变器到单向电压源、高频脉冲直流环节、双向电压源、电流源、直流变换器型等高频环节逆变器，从无源逆变器到可再生能源并网逆变器，论述了逆变技术的研究现状与发展，并给出了各类逆变器的电路结构、电路拓扑和原理波形。

10.3.1低频环节逆变技术

方波、阶梯波合成、脉宽调制逆变器的共同点是，用来实现电气隔离和调整电压比的变压器工作频率等于输出电压频率，其体积大、笨重、音频噪音大，故称为低频环节逆变器。低频环节逆变器电路结构，如图10-46所示。该电路结构由工频或高频逆变器、工频变压器以及输入、输出滤波器构成。

直流电源滤波器工频或高频逆变器工频变压器滤波器交流负载

图10-46低频环节逆变器电路结构

1.方波逆变器

方波逆变器的输出电压为方波，是最简单、发展最早的一种逆变器。其电路拓扑主要有推挽式、半桥式和全桥式三种，如图10-47所示。

方波逆变器具有如下特点：（1）电路结构简洁，单级功率变换DC-LFAC，双向功率流，功率开关工作频率低，变换效率高；（2）输出电压总的谐波畸变度达48%，变压器和输出滤波器的体积与重量大、音频噪音大；（3）对于电网电压和负载的波动，系统动态响应特性差。

*

*

N

11

N

12

U

i

*

N

2

u

2

V

1

V

2

R

L

L

L

T

u

b1

u

b2

u

1

u

1

D

1

D

2

i

2

u

u

b1

u

i

t

1

t

3

t

2

t

t

t

t

t

4

t

5

(a) 推挽电路 (b) 推挽电路原理波形

V 1

V 3

D 1

D 3

V 2

V 4

D 2

D 4

**N 1

N 2u 2

i 2

U i

i i L

Z

i 2

θ

S 1 S 4

D 1D 4

D 2D 3

S 2 S 3

i i S 1 S 4S 2 S 3

π

2π

U i N 2/N 1

u be1

u be4

u be3

u be2

-U i N 2/N 1

u 2

π

π

π

π2π2π2π

π

2t

ωt

ωt

ωt

ωt

ω

（c ）全桥电路 （d ）全桥电路原理波形

图10-47 方波逆变器电路拓扑及其感性负载时的原理波形

2．阶梯波合成逆变器

为了减小方波逆变器输出波形的谐波含量，可以将多个方波逆变器移相叠加，从而构成阶梯波合成逆变器。阶梯波的阶高按正弦规律变化，若每个周期阶梯波的阶梯数为2N ，则需要N 台单相方波逆变器或N/3台三相方波逆变器。每个功率电路相同，可采用推挽、桥式或三相桥式电路。阶梯波合成逆变器的电路结构及其N=6时原理波形，如图10-48所示。

阶梯波合成逆变器具有如下特点：（1）单级功率变换DC-LFAC 、双向功率流、功率开关工作频率低、变换效率高，但电路拓扑复杂、功率开关数多；（2）当阶梯数为18时，THD 为9.48%，输出滤波器的体积与重量小，音频噪音得到改善；（3）变压器的体积、重量大；（4） 对于电源电压和负载的波动，系统动态响应特性好；（5）输出电压的调节难度较大。

（a ）电路结构

T 1

T 2

T 3

T 4

T 5

T 6

相角=0°

30°

60°

90°

120°

150°

u 1

u 2

u 3

u 4

u 5

u 6

u

t

t

t

t

t

t

u

u 1

u 2

-u 6

u 3

-u 5

U 3＇

U 2＇

U 1＇

U 1＇

(U 2＇－U 1＇)/2

(U 2＇－U 1＇)/2

(U 3＇－U 2＇)/2

(U 3＇－U 2＇)/2

T/12T/6

T/3T/2

T

00

（b ）变压器绕组联接 （c ） 原理波形

图10-48 阶梯波合成逆变器的电路结构及其N=6时原理波形

3．脉宽调制逆变器

若将正弦参考波与高频三角形载波相交生成的正弦脉宽调制信号，用来控制驱动逆变桥的功率开关，则可输出谐波含量小的正弦脉宽调制电压波。如果合理地解决功率器件的高频开关损耗，那么脉宽调制逆变器将同时兼有方波逆变器和阶梯波合成逆变器二者之优点。正弦脉宽调制SPWM 原理波形，如图10-49所示。

（a ）单极性SPWM (b) 双极性SPWM

图10-49 正弦脉宽调制SPWM 原理波形

脉宽调制逆变器具有如下特点：（1）电路拓扑简洁，单级功率变换DC-LFAC ，双向功率流，变换效率高；（2）变压器仍工作在工频、体积大且笨重，其体积与重量仅和输出电压的频率有关，与逆变器的开关频率无关；（2）输出电压THD 和输出滤波器的体积、重量小；（3）对于输入电压和负载的波