单级升压逆变器及其应用技术研究

论文摘要

传统的电压源逆变器（VSI）是降压型变换器。在输入电压较低或变化范围较大的场合，如新能源发电系统，通常需要在其前级加入DC-DC升压电路，将母线电压升到足够大的值，以输出期望的交流电压。该方案不仅增加了系统的复杂性，也降低了可靠性。另一方面，常规的电压源逆变器需要防止桥臂直通而导致开关管过流损坏。通常采用插入死区的方法，但会引起输出谐波电压的增大。在此背景下，本文提出并研究了新颖的单级升压逆变器，并对其电路特点和应用方面的优势和问题进行探讨和研究。全文主要内容如下：研究了提出的耦合电感单级升压逆变器（CL-SSBI）。它在逆变桥的前端引入了一个包括耦合电感的无源网络，通过调节逆变桥臂的直通时间和合理设计耦合电感的匝比，提升母线电压，以输出期望的交流电压。本文对CL-SSBI的工作原理和升压性能，参数设计，建模分析，电路损耗等进行了详细的分析和验证。之后又提出了开关耦合电感（准）Z源逆变器（SCL-（q）ZSI），同样对SCL-ZSI和SCL-qZSI的工作原理和升压性能，参数设计，器件应力等进行了详细的分析、比较和验证。研究了CL-SSBI光伏并网发电系统，在一级变换中实现升压、逆变、单位功率因数并网和最大功率跟踪的功能，并对控制器进行了分析和设计。为了进一步降低CL-SSBI光伏并网发电系统的体积、重量和成本，提高变换效率，进一步研究了CL-SSBI非隔离光伏并网发电系统漏电流抑制措施。为了不增加有源器件，提出了改进的CL-SSBI拓扑——CL-SSBI-D，并采用无传统零矢量的NSPWM调制方法，使漏电流满足VDE0126-1-1标准的要求。为了提高能量的传输效率、减小电感的电流应力并简化电路结构，本文又提出了抽头电感型单级升压逆变器，包括抽头电感准Z源逆变器（TL-qZSI）、抽头电感单级升压逆变器（TL-SSBI）和双抽头电感单级升压逆变器（DTL-SSBI）。TL-qZSI具有高升压能力，电容电压应力低，输入和母线共地，输入电流连续等优势，相比于ZSI，更适合应用于新能源发电的场合。而TL-SSBI则更为简洁实用且升压比更高。为了讨论无电解电容TL-qZSI的可行性，研究了TL-qZSI在一个直通周期内所有可能的运行状态，通过合理设计电感和电容值可避免给电路带来危害的运行状态，同时估计了电感和电容的极限值。得到TL-qZSI采用高寿命、低容值的薄膜电容同样可以实现电路正常工作的结论。本文最后将无电解电容的TL-qZSI应用于单相输入的交流调速系统。系统中的电容都为无极性电容，提高了系统的可靠性并减小了体积。由于母线上没有大容量的电解电容，母线上会耦合与输入电源频率相关的功率脉动，本文提出在直通占空比上注入谐波的方式实现脉动抑制和在调制比上注入谐波的方式来改善输入功率因数。实验证明在带大惯性电机负载的交流调速场合，可以同时实现抗输入电压跌落、高输入功率因数和对转速的控制等功能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 图表清单
• 注释表
• 第一章 绪论
• 1.1 几种应用场合对逆变器的性能要求
• 1.1.1 新能源发电系统的特点及其对逆变器性能的要求
• 1.1.2 新能源汽车电机驱动系统的特点及其对逆变器性能的要求
• 1.1.3 变频驱动交流调速系统的特点及其对逆变器性能的要求
• 1.2 传统逆变器的局限性
• 1.2.1 三相电压源型逆变器
• 1.2.2 三相电流源逆变器
• 1.3 单级升压逆变技术
• 1.3.1 Z 源逆变器
• 1.3.2 准 Z 源逆变器
• 1.3.3 单级升压逆变技术的国外研究现状
• 1.3.4 单级升压逆变技术的国内研究现状
• 1.4 本文的研究意义和主要工作
• 1.4.1 研究意义
• 1.4.2 论文主要工作
• 第二章 耦合电感单级升压逆变器
• 2.1 耦合电感单级升压逆变器的工作原理
• 2.1.1 耦合电感等效电路模型
• 2.1.2 稳态工作原理
• 2.1.3 电路性能分析
• 2.1.4 电感的设计
• 2.2 无源网络的零极点特性
• 2.2.1 CL-SSBI 的状态空间模型
• 2.2.2 无源网络的设计分析
• 2.3 损耗分析
• 2.3.1 桥臂开关管损耗
• 2.3.2 二极管损耗
• 2.3.3 电感损耗
• 2.3.4 电容损耗
• 2.4 实验结果与分析
• 2.4.1 稳态实验
• 2.4.2 动态实验
• 2.4.3 效率和总谐波含量
• 2.5 本章小结
• 第三章 开关耦合电感型 Z 源逆变器
• 3.1 开关耦合电感 Z 源逆变器
• 3.1.1 稳态工作原理
• 3.1.2 电路性能分析
• 3.1.3 器件应力分析
• 3.1.4 耦合电感的设计考虑
• 3.1.5 电感的设计
• 3.2 开关耦合电感准 Z 源逆变器
• 3.2.1 稳态工作原理
• 3.2.2 应力分析与比较
• 3.3 实验结果与分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 耦合电感单级升压逆变器光伏并网发电系统的应用研究
• 4.1 基于 CL-SSBI 的光伏并网发电系统
• 4.1.1 最大功率跟踪和直通占空比的关系
• 4.1.2 控制系统结构
• 4.2 CL-SSBI 光伏并网发电系统的控制
• 4.2.1 网侧数学模型
• 4.2.2 控制系统的设计和分析
• 4.3 实验结果与分析
• 4.3.1 并网实验
• 4.3.2 最大功率跟踪并网实验
• 4.4 三相 CL-SSBI 非隔离光伏并网发电系统漏电流抑制的研究
• 4.4.1 非隔离光伏并网发电系统的问题
• 4.4.2 三相 CL-SSBI 非隔离光伏并网发电系统的漏电流分析模型
• 4.4.3 不同电压矢量时的共模电压分析
• 4.4.4 在 CL-SSBI-D 基础上减小漏电流的调制方法
• 4.4.5 调制方法的实现
• 4.4.6 实验结果与分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 抽头电感型单级升压逆变器
• 5.1 抽头电感准 Z 源逆变器
• 5.1.1 抽头电感的结构及其特点
• 5.1.2 稳态工作原理
• 5.1.3 电路性能分析
• 5.1.4 无源网络的零极点特性
• 5.1.5 TL-qZSI 的器件应力分析
• 5.1.6 抽头电感的设计考虑
• 5.1.7 实验结果与分析
• 5.2 两种抽头电感单级升压逆变器
• 5.2.1 电路特性分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 抽头电感准 Z 源逆变器的无源网络设计和参数极限值估计
• 6.1 抽头电感准 Z 源逆变器稳态分析
• 6.2 无源网络参数的设计
• 6.2.1 列方程组
• 6.2.2 求解方法
• 6.2.3 LC 初始值
• 6.3 LC 的极限值的估计
• 6.4 实验结果与分析
• 6.4.1 仿真结果
• 6.4.2 实验结果
• 6.5 本章小结
• 第七章 无电解电容的抽头电感准 Z 源逆变器在单相输入交流调速系统中的应用研究
• 7.1 单相交流输入变频器存在的问题
• 7.2 单相交流输入的无电解电容 TL-qZSI
• 7.2.1 阻感性负载分析
• 7.2.2 电机负载分析
• 7.3 无电解电容 TL-qZSI 提高功率因数和抑制母线脉动的控制实现
• 7.3.1 输入功率因数与母线脉动的关系
• 7.3.2 单相交流输入时，降低 TL-qZSI 母线电压脉动的分析
• 7.3.3 提高输入功率因数方法分析
• 7.3.4 降低母线功率脉动及提高输入功率因数的综合分析
• 7.4 本章小结
• 第八章 总结与展望
• 8.1 全文工作总结
• 8.2 进一步工作的展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果和发表的学术论文