目前，伴隨著新能源的利用以及電機調(diào)速系統(tǒng)要求的提高，新型逆變器已經(jīng)成為研究熱點。為了提高電源系統(tǒng)的容量和可靠性，多臺逆變器級聯(lián)的電源系統(tǒng)得到了廣泛的應用。多個電源模塊級聯(lián)分擔負載功率，使主電路開關器件電流應力大大減小，功率密度大幅提高，可從根本上提高可靠性。為了提高波形質(zhì)量，提高功率等級，主要采取3種方式[1-2]：(1)將容量小但開關速度相對較快的器件串聯(lián)或并聯(lián)，以達到容量和開關速度要求；(2)多臺獨立的小容量變換器并聯(lián)使用，(3)尋求新的主電路拓撲，如采用多電平級聯(lián)方案和多重化主電路實現(xiàn)大容量的變換器。參考文獻[3]中，逆變器的并聯(lián)，在一定程度上提高了功率器件的能量等級，但由于傳統(tǒng)逆變器并聯(lián)存在器件的均壓、均流問題，使得控制復雜；參考文獻[4]提出了一種新型并網(wǎng)逆變器，其結(jié)構(gòu)簡單、易于控制，但逆變器開關管處于高頻開關狀態(tài)，增加了開關損耗；參考文獻[5-6]提出了雙頻變換的思想，即系統(tǒng)由高頻單元和低頻單元共同構(gòu)成，其中低頻單元對高頻單元進行分流，傳輸大部分功率，而高頻單元傳輸小部分功率，提高了系統(tǒng)的性能?；陔p頻變換的思想，本文研究了一種新型三相橋式雙頻逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)，并進行理論分析提出其控制策略。
1 雙頻逆變器拓撲結(jié)構(gòu)及其控制策略
1.1 雙頻逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)及工作原理
    三相橋式雙頻逆變器是在傳統(tǒng)三相橋式逆變電路的基礎上構(gòu)成的，如圖1所示。在該電路圖中，Sap~Scn屬于高頻逆變橋，工作在高頻狀態(tài)；Slap~Slcn、Lla~Llc屬于低頻逆變橋，且開關Slap~Slcn工作在低頻狀態(tài)。La、Ca、Lb、Cb、Lc、Cc構(gòu)成雙頻逆變電路的濾波器，Ra、Rb、Rc為系統(tǒng)負載。

    以A相橋臂為例對三相橋式雙頻逆變器進行分析，設f_H=Nf_L，即在低頻開關的1個周期內(nèi)包含著N個高頻開關狀態(tài)周期。1個開關周期的高頻開關和低頻開關的狀態(tài)如表1所示，每種狀態(tài)所對應的導通電路如圖2所示。

    同一橋臂上下開關互補導通。在狀態(tài)1中，高頻開關Sap導通，低頻開關Slap導通。在所構(gòu)成的回路中，電感電壓和電感電流有下列關系：
   
    由相同方法對其余3種狀態(tài)分別進行分析得到，電感La兩端電壓在Up-Uo與UN-Uo之間轉(zhuǎn)換，其電流則相應地出現(xiàn)上升狀態(tài)和下降狀態(tài)且電壓和電流不受低頻電路的影響。而在低頻單元中，電感Lla兩端的電壓在UPN、UNP和0三者之間轉(zhuǎn)換，電感Lla的電流則相應出現(xiàn)上升、下降和保持不變3種狀態(tài)(f_H=4f_L)，其波形如圖3所示。因此采用適當?shù)目刂撇呗钥梢詫崿F(xiàn)高頻電感電流和低頻電感電流同時可控的效果，兩單元功能相對分離，實現(xiàn)高頻單元和低頻單元之間的無環(huán)流運行。

1.2 雙頻逆變器的控制策略
      對于三相橋式雙頻逆變器的高頻單元采用單周控制，低頻單元采用電流滯環(huán)控制，首先對高頻單元的控制策略進行分析。單周控制其通用性強，適用于各類電力電子功率變換裝置，控制電路簡單，具有優(yōu)良的控制性能。設x(t)為開關輸入信號，y(t)為開關輸出信號，定義開關函數(shù)k(t)如下：
 
在1個開關周期內(nèi)，開關導通時間為TON，關斷時間為TOFF，并且TON+TOFF=TS，f_S=1/TS為開關頻率，D=TON/TS為控制信號vref的調(diào)制占空比，則開關輸入信號x(t)與開關輸出信號y(t)之間的關系為：
  
    利用單周控制原理[7]，式(8)可以得出雙頻逆變器高頻單元的控制電路如圖4所示。

    在1個開關周期內(nèi)參考信號經(jīng)過一個PI調(diào)節(jié)器與采樣信號的積分進行比較，比較器輸出到RS觸發(fā)器的R端，RS觸發(fā)器S端由時鐘脈沖控制，通過RS觸發(fā)器來控制高頻單元各開關。當進入下一個開關周期時，積分器通過復位信號進行復位，然后重復上述工作狀態(tài)。雙頻逆變器的低頻單元傳輸大部分能量，對高頻單元進行分流，采用電流滯環(huán)控制，使低頻單元電流快速跟蹤高頻單元電流。低頻單元開關控制電路如圖5所示。

2 雙頻逆變器的仿真分析
    本文基于Matlab/Simulink建立了仿真模型，仿真參數(shù)設置如下：直流母線電壓Udc=600 V；濾波電感La=Lb=Lc=4 mH；低頻單元電感為Lla=Llb=Llc=2 mH；負載電阻Ra=Rb=Rc=5 Ω；濾波電容Ca=Cb=Cc=100 μF；高頻單元工作頻率為10 kHz，低頻單元工作頻率約為2 kHz，仿真結(jié)果如圖6~8所示。圖6(a)為高頻開關電流波形，圖6(b)為低頻開關電流波形，圖6(c)為展開后的高低頻開關電流波形。在圖6(c)中給出了高低頻開關電流的幅值對比，雖然高頻單元開關頻率很高，但是流過的開關電流很小，損耗低，而低頻單元開關電流很大，但其工作在低頻狀態(tài)，開關頻率僅為高頻單元的1/5，因此雙頻逆變器大大降低了開關損耗。

    在0.06 s時將輸出參考電壓由幅值200 V、頻率50 Hz突變?yōu)榉?00 V、頻率25 Hz，圖7為系統(tǒng)輸出電流波形圖。通過圖7可以得出輸出電流波形快速跟蹤參考電壓，低頻逆變器單元傳輸大部分能量，而高頻單元流過少部分能量，通過高頻單元和低頻單元電流的疊加后，雙頻逆變器輸出的電流性能得到改善，因此在光伏并網(wǎng)、電機調(diào)速系統(tǒng)中可以利用雙頻逆變器的特點來提高系統(tǒng)的動態(tài)響應。為了進一步說明雙頻逆變器的優(yōu)勢，將雙頻逆變器與單個高頻逆變器各相測量值進行對比分析，結(jié)果如表2所示。雙頻逆變器與高頻逆變器輸出電流的THD基本相同，但是高頻逆變器開關工作在高頻狀態(tài)，開關電流大，損耗高；而雙頻逆變器的高頻單元電流很小，能量主要由低頻單元流過，因此開關損耗比單個高頻逆變器開關損耗要低。圖8為雙頻逆變器和高頻逆變器在100 V~200 V之間不同的6組電壓下的效率對比曲線，通過曲線可以發(fā)現(xiàn)，雙頻逆變器效率要明顯高于高頻逆變器的效率。

    本文研究了三相橋式雙頻逆變電路，從理論分析了工作模態(tài)并得出其控制策略。雙頻逆變器大大降低了開關損耗，提高了輸出效率、輸出電流總的諧波畸變率，輸出波形動態(tài)性能好，并能夠快速跟蹤參考信號，通過仿真驗證了理論分析的正確性。雙頻逆變器具有獨特的優(yōu)勢，必將會在光伏并網(wǎng)以及電機的高性能調(diào)速等方面降低開關損耗，為提高系統(tǒng)動態(tài)性能提供一種新的解決思路。
參考文獻
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