幻灯片 1

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炮许
5 years ago
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1 双 Buck 逆变器技术研究肖岚南京航空航天大学

2 报告内容研究背景三相双 Buck 逆变器的控制技术三电感双 Buck 逆变器级联双 Buck 逆变器总结 2

3 化石能源能源危机环境污染开发可再生能源 3

4 可再生能源发电风能太阳能电力电子变换器并网燃料电池 4

5 桥式逆变器拓扑 C 1 L f Q 2 Q 1 Q 2 L f V in V in R Ld + v o - R Ld + v o - C 2 Q 4 D 4 Q 3 D 3 Q 4 D 4 半桥逆变器全桥逆变器问题? 上下桥臂开关管可能存在直通, 影响可靠性死区设置, 影响输出电压失真度 MOSFET 体二极管反向恢复时间长, 效率低

6 双 BUCK 半桥逆变器 U in C 1 A L f1 L f2 i L C 2 1 R L 优点 : 不存在传统桥式逆变器桥臂直通问题, 可靠性提高 ; 所有功率管和电感半个输出周期高频工作 ; 续流二极管采用独立二极管, 可以优化设计, 提高变换效率 ; 无死区设置问题

7 三相桥式并网逆变器主电路 S 3 S 5 U dc C u a u b u c i a i b i c L f L t i ga i gb i gc u ga u gb u gc O S 4 S 6

8 三相双 Buck 逆变器主电路 S 3 D 3 S 5 D 5 U dc C in + L ac1 - i a1 - + L ac2 i a2 L bc1 L bc2 i ac L cc1 L ag L bg L cg u a u b u c D 4 S 4 D 6 S 6 L cc2 C a C b C c

9 报告内容研究背景三相双 Buck 逆变器的控制技术三电感双 Buck 逆变器级联双 Buck 逆变器总结 9

10 全周期和半周期工作模式 U in C 1 A L f1 L f2 i L C 2 1 R L i I a i () a t i I a i () a t 0 I a 2 0 I a 2 0 T T 3T i () a1 t i () a2 t T t t t 0 I a 0 I a 0 T T 3T i () a1 t i () a2 t T t t t

11 全周期和半周期工作模式 i I a i () a t i I a i () a t 0 I a 2 0 I a 2 0 T T 3T i () a1 t i () a2 t T 全周期 : 导通损耗大 ; 输出波形质量好半周期 : 效率高 ; 输出波形存在过零畸变 t t t 0 I a 0 I a 0 T T 3T i () a1 t i () a2 t T t t t

12 工作原理 2V in V inv+ i Ldc1 L dc1 L dc2 i Lac L ac v o R 2V in V inv+ V inv- Vinv- L dc1 i Ldc2 L dc2 i Lac L ac vo R S1 导通 S2 导通 2V in V inv+ L dc1 L dc2 i Lac L ac v o R 2V in V inv+ i Ldc1 V inv- Vinv- L dc1 i Ldc2 L dc2 i Lac L ac vo R D1 导通 D2 导通 12

13 统一的 PWM 载波交截控制 SPWM SVPWM: 注入三次谐波 DSVPWM: 电流峰值对应的中间 60 不开关

14 统一的 PWM 载波交截控制注入的占空比 : d zs [( 1 2k0) k0dmax (1 k0) dmin] d max max( d a, d b, d c ) d min min( d a, d b, d c )

15 SPWM 控制 d zs 0

16 SVPWM 控制 d zs [( 1 2k0) k0dmax (1 k0) dmin] k d zs 0.5( d max dmin)

0 0 0 1 0 0 J k J k DSVPWM 控制 ] ) (1 ) 2 1 [( min 0 max 0 0 d k d k

17 J k J k DSVPWM 控制 ] ) (1 ) 2 1 [( min 0 max 0 0 d k d k k d zs ),, min( ),, max( cref bref aref cref bref aref i i i i i i J

18 统一的 PWM 载波交截控制 SPWM SVPWM DSVPWM

19 统一的 PWM 载波交截控制 2.5 kw, 120V/208VAC 20kHz,Lp=Ln= 250μH Lf=1mH, Cf =2.4μF SPWM:dmax=1 SVPWM: 相占空比提高到 1.15, 损耗同 SPWM DSVPWM: 相占空比提高到 1.15, 损耗减小

20 控制 : 系统数学模型 U dc 低频模型 C u a S 3 S 5 u b i a i b L f L t i ga i gb u ga u gb O abc 三相静止坐标系 diga L dt 1 0 0ua 1 0 0u ga digb L u b ugb dt 0 0 1u c 0 0 1u gc digc L dt L=L f +L t 控制量较多且为交流信号 S 4 S 6 i i u gc u c gc c 电网电压为三相对称的纯正弦波电感电容均为理想器件且参数相同均为理想器件, 忽略死区时间 R d αβ 两相静止坐标系 dig L dt 1 0u 1 0u L dt g di g 0 1 u 0 1 u g 控制量减少仍为交流信号 dq 两相旋转坐标系 digd L dt 1 0ud 1 0ugd 0 Ligd di 0 1 u 0 1 u L 0 i L dt gq q gq gq 控制量为直流信号

21 系统控制框图 L f L t iga u ga U dc igb u gb o igc u gc SVPWM u α dq u β R d u gd L u gq L PI PI i d - abc dq - i q + + i d * 同步 i q * abc dq u gd u gq Control

22 统一的 PWM 载波交截控制载波交截法, 无坐标变换,DSP 压力小交流信号, 需要高增益控制器

23 报告内容研究背景三相双 Buck 逆变器的控制技术三电感双 Buck 逆变器级联双 Buck 逆变器总结 23

24 24 三电感双 Buck 逆变器 C 1 V in L 1 L 2 i L1 v o i L2 C 2 Cf R 保留传统双拓扑的优点提高功率密度

25 滤波器的设计原则 1) 根据电流纹波和控制器对滤波器截止频率的要求滤波电感 : 限制电流纹波 15% 滤波电容 : 无功功率 3~5% i C U dc 7Lf f P 3% 3 2 s 15% I n f 2 fug n 10 f f 1 f 2 谐振频率约束条件 b res s

26 滤波器的设计原则 1) 根据电流纹波和控制器对滤波器截止频率的要求 L=1.25mH 2) Lp 和 Ln: 故障状态下保护直通, 限制器件 di/dt, 提供足够时间使保护电路动作两电感 : 共 6 个电感, 电感是常规桥式 VSI 的电感两倍三电感 : 公共电感 Lf=1mH,Lp=Ln=0.25mH, 节省 3mH(6*1.25mH-6*0.25mH-3*3mH=3mH) 所以要在总电感量和故障保护之间折衷

27 磁集成 V in C 1 Q 2 L f U in C 1 A L f1 L f2 i L R Ld C 2 + v o - Q 4 D 4 C 2 1 R L VFe V Cu F max 最大磁势问题 : 两个电感, 体积重量大 Fmax NI o max DBI 单个电感铁心同桥式电感 NI I 0.707I RMS RMS o DBI 单个电感绕组体积是桥式电感倍

28 磁集成 V in C 1 L f Q 2 U in C 1 A L f1 L f2 i L R Ld C 2 + v o - Q 4 D 4 C 2 1 R L 磁集成 : 减小磁件的体积和损耗

29 磁集成共用磁芯直接耦合 V in C 1 i L L1 1 L2 i L 2 V in C 1 il1 L 1 L i 2 L 2 R v o R v o V in C 2 V in C 2 同名端相连异名端相连会因为耦合电感匝数的不一致出现环流, 影响效率 29

30 磁集成共用磁芯直接耦合 V in C 1 i L L1 1 L2 i L 2 R v o V in C 2 同名端相连会因为耦合电感匝数的不一致出现环流, 影响效率 30

31 独立电感耦合电感

32 磁集成双磁芯四绕组耦合 V in C 1 L1N il1 i L 2 L2N L1P L2P V in C 2 R v o 一个 BUCK 工作, 两耦合电感绕组的感应电势相互抵消, 不会出现环流 32

33 磁集成 U in C 1 C 2 A L f1 L f2 i L 1 R L V in V in C 1 C 2 L1N R il1 i L 2 L2N L1P L2P v o 独立电感 : 耦合电感 : F F max max 磁势绕组安匝 2* NIo max 2* N*0.707I o N 2* I N o max 2 4* *0.707I 2 o 单个磁件铁心减小, 线包增大, 总体积重量减小

34 磁集成

35 报告内容研究背景三相双 Buck 逆变器的控制技术三电感双 Buck 逆变器级联双 Buck 逆变器总结 35

36 输出过零点畸变 2V in V inv+ L dc1 L dc2 i Lac L ac v o R 2V in V inv+ i Ldc1 V inv- Vinv- L dc1 i Ldc2 L dc2 i Lac L ac vo R S1 导通 S2 导通 2V in V inv+ L dc1 L dc2 i Lac L ac v o R 2V in V inv+ i Ldc1 V inv- Vinv- L dc1 i Ldc2 L dc2 i Lac L ac vo R D1 导通 D2 导通 36

37 输出过零点畸变 2V in V inv+ i Ldc1 V inv- L dc1 L dc2 i Lac L ac v o R I S1 导通 ( V - v ) DT ( V - v ) DT = L + L L + L in o s in o s dc1 ac dc ac D=0.5 v (2D1) V / 2 o in I 0 37

38 级联三电感 DBI 级联 Vi n 1 V inv+ i L1 V inv- i L2 L dc1 L dc2 母线电压为原来一半 L ac 模块化设计, 易维护 S 3 D 4 R v o 需要独立的直流电源 i L3 L dc3 Vi n 2 V inv+ V inv- i L4 L dc4 功率器件数增加 D 3 S 4 适合作为新能源和电网的接口, 如光伏燃料电池蓄电池储能电机驱动等有独立直流源的场合

39 级联 DBI 的移相控制原理 V inv+ i L1 L dc1 Vi n 1 V inv- i L2 L dc2 L ac v o S 3 D 4 R i L3 L dc3 Vi n 2 V inv+ V inv- i L4 L dc4 D 3 S 4 39

40 ildc1 L dc1 i Lac Lac 级联 DBI 的移相控制原理 V in1 /2 v o i Ldc3 L dc3 C f R Vi n 1 V inv+ i L1 V inv- i L2 L dc1 L dc2 V in2 /2 L ac v o t 0 -t 1 : S 3 on ildc1 L dc1 i Lac Lac Vi n 2 S 3 V inv+ D 3 D 4 i L3 V inv- S 4 L dc3 i L4 L dc4 R V in1 /2 v o i Ldc3 L dc3 C f R V in2 /2 t 1 -t 2 : D 3 on

41 ildc1 L dc1 i Lac Lac 级联 DBI 的移相控制原理 V in1 /2 vo i V n 1 V inv+ i L1 V inv- i L2 L dc1 i Ldc3 L dc3 C f R L dc2 L ac V in2 /2 S 3 D 4 R v o i L3 L dc3 t 2 -t 3 : S 3 on Vi n 2 V inv+ D 3 V inv- S 4 i L4 L dc4 ildc1 L dc1 i Lac Lac V in1 /2 v o i Ldc3 L dc3 C f R V in2 /2 t 3 -t 4 :S 3 on 移相控制, 频率提高, 纹波减小 41

42 级联 DBI 输出电压过零点畸变 ildc1 L dc1 i Lac Lac i Lac V in1 /2 v o i Ldc3 L dc3 C f R V in2 /2 v out I S1 S3 导通 (0.5 V +0.5V - v )( D-0.5) T in in o s L + L + L dc1 dc3 ac 半载 I ( V - v )( D-0.5) T in o s 2 L + L dc ac D=0.5 I =0 满载

43 电流纹波和级联 DBI 单元的关系偶数级联, 可去除过零畸变

44 44 实验验证输入电压 : 180VDC(±90VDC) 输出电压 : 115VAc/400Hz 输出功率 : 1kVA 直流滤波电感 : 15μH 交流滤波电感 : 150μH 开关频率 : 30kHz :[200V/div] v out :[200V/div] v out v bus :[40V/div] v bus :[40V/div] i Lac :[10A/div] i :[10A/div] Ldc1 Time :[1 ms / div] i Lac :[20A/div] i :[20A/div] Ldc1 Time :[1 ms / div] 空载时 THD<1% 满载时

45 实验验证 i Lac :[10A/div] :[200V/div] v out S 1:[10V/div] S 3:[10V/div] v bus :[40V/div] :[10A/div] i out Time :[1 ms / div] 控制波形 :[200V/div] v out i Lac :[25A/div] Time :[1 ms / div] 突加负载 :[200V/div] v out v bus :[40V/div] :[10A/div] i out S 2:[10V/div] Time :[1 ms / div] 短路时 Time :[1 ms / div] 突卸负载 45

46 报告内容研究背景三相双 Buck 逆变器的控制技术三电感双 Buck 逆变器级联双 Buck 逆变器总结 46

47 总结双 BUCK 拓扑无桥臂直通问题, 可靠性高 ; 无二极管反向恢复问题, 效率高 ; 1 三相双逆变器的统一载波交截控制载波交截控制无需坐标变换 ;DSVPWM 控制直流电压利用率高, 效率高 2. 三电感双 Buck 逆变器结构三电感结构, 避免桥臂功率管直通, 有效降低滤波器的体积重量可通过磁集成来进一步提高功率密度 3. 双 Buck 逆变器级联技术双 BUCK 级联结构, 采用移相控制可提高等效频率, 消除过零点畸变, 减小滤波器尺寸

48 谢谢! 请各位专家批评指正! 南京航空航天大学 48

第 5 卷第 9 期 3 9 年月电力电容器与无功补偿 &+ 1 ) + ; & ).& &+ 1 & / ) 5 93 & 9 67893: + 99: 单相谐波补偿电流对直流侧电压和电流纹波的影响分析!"#$%&'!"#$%&' '& ( ')&+,& '(-./01 &

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