逆变器把直流电变成交流电毕业设计.doc

摘要 近年来，一些清洁高效的能源，如太阳能，风能，地热，核能等得到了较为广泛的应用和关注，其发电系统产生的是直流电流和电压，而许多负载都使用交流电，因此需要通过逆变器把直流电变成交流电。随着这些新能源发电系统的日益推广，逆变器的使用也越来越多。如何获得高质量的电流成为研究的焦点。 由于对高频谐波的抑制效果明显好于L型滤波器，因此LCL滤波器在并网逆变器中应用越来越广泛，与传统的L滤波器相比，LCL滤波器可以降低电感量，提高系统动态性能，降低成本，在中大功率应用场合，其优势更为明显。文章首先对PWM 逆变器的工作原理做了详细的介绍，并对基于LCL的滤波器，在ABC 静止坐标系，静止坐标系和dq 旋转坐标系中建立了数学模型。其次，文章讨论了LCL 滤波器的参数设计方法，给出了系统LCL 滤波器参数的设计步骤。最后，在详细阐述各元件的取值原则与计算步骤的基础上，给出了设计实例，并对所设计的逆变器进行了仿真验证，结果表明，根据该方案设计的控制器参数能够使三相并网逆变器安全、可靠运行且具有较快的动态响应速度。关键词：并网逆变器 LCL滤波器 有源阻尼 无源阻尼，双闭环控制Abstract In recent years, clean and efficient energy sources, such as solar energy, wind energy, geothermal energy, nuclear energy has been widely used and has gained widespread attention .The power system produce the DC current and voltage, and many are using the AC load, it need inverter into alternating current to direct current. With the increasing promotion of photovoltaic power generation systems, the use of inverters is more and more. How to get a high quality of the current becomes the focus of research. Because of the inhibitory effect of high frequency harmonics is better than L-type filter, the LCL filter grid inverter is widely applied, compared with the traditional L-filter, LCL filter can reduce the inductance improve the system dynamic performance, reduce costs, in the high-power applications, its advantages more apparent. This paper analyzes the high frequency PWM inverter principle, and then presents a three-phase ABC coordinates and dq coordinate system on the mathematical model of LCL-filter configuration. Secondly, the article discusses the LCL filter design parameters; parameters of the system are given LCL filter design steps. Finally, each component in detail the principles and calculation steps of the value based on the design example is given, and the design of the LCL filter simulation results show that, according to the design of the controller parameters can make three-phase inverter with safe, reliable operation and has a fast dynamic response speed.Key words: Grid-connected inverter，LCL filter，Active damping, passive damping，Double closed loop control 目录摘要.IAbstract.II目录.III1. 绪论.11.1微电网的提出和发展11.1.1微电网提出的背景和研究意义11.1.2微电网的定义11.1.3国内外应用研究现状21.2 逆变器的研究现状21.2.1三相电压型PWM逆变器的产生背景21.2.2 PWM逆变器的研究现状31.2.3基于LCL滤波的PWM逆变器的研究现状42. PWM逆变器的原理及数学模型.62.1并网逆变器的分类及拓扑结构62.1.1逆变器的作用62.1.2逆变器的分类72.1.3并网逆变器的拓扑结构72.2 逆变器的工作原理92.3 基于LCL滤波器的PWM逆变器数学模型112.4 锁相环节的工作原理162.5 逆变器的SPWM调制方式分析173. LCL滤波器和控制系统的设计.203.1 LCL滤波器的参数设计203.1.1 L，LC，LCL滤波器的比较203.1.2 LCL滤波器的选定213.1.3 LCL滤波器数学模型及波特图分析213.1.4 LCL滤波器的谐振抑制方法243.1.5 滤波器参数变化对滤波性能的影响243.1.6 滤波器参数设计的约束条件253.1.7 滤波器参数的设计步骤263.2并网逆变器控制方案的确定263.2.1 基于无源阻尼的单电流环控制方案的设计273.2.2 基于双环控制网侧电感电流外环控制器的设计.293.2.3 基于双环控制电容电流内环控制器的设计294. 系统参数设计及仿真验证.304.1 系统参数设计304.2 有源阻尼双闭环控制仿真分析.324.3 无源阻尼单环控制仿真分析.。.37结论.42参考文献.43致谢.44附录 英文翻译.451. 英文文献原文452. 英文文献翻译65 1. 绪论1.1微电网的提出和发展1.11微电网提出的背景和研究意义随着国民经济的发展，电力需求迅速增长，电力部门大多把投资集中在火电，水电以及核电等大型集中电源和超高压远距离输电网的建设上，但是，随着电网规模的不断扩大，超大规模电力系统的弊端也日益凸现，成本高，运行难度大，难以适应用户越来越高的安全和可靠要求以及多样化的供电需求。尤其在世界范围内发生几次大面积的停电事故后，电网的脆弱性充分暴露了出来，这不得不引发人们思考和忧虑，一味地扩大电网规模显然不能满足未来电力系统发展的要求。因此，分布式电源由于污染少，可靠性高，能源利用效率高，安装地点灵活等多方面的优点，有效的解决了大型集中电网的许多潜在的问题。分布式发电一般指电能在靠近用户的地方生产并直接为用户供电的方式，由于其投资少，见效快，位置灵活，污染小，安装方便，且在边远地区，大电网覆盖不到的区域，分布式发电的独立运行，解决了边远地区的供电问题，含有分布式电源的微电网可以在公共电网发生事故停电时进行区域型供电，能够使全部或部分微电网内的重要用户进行不间断供电。但是分布式电源也尤其自身的弊端，如并网时单机接入成本高，并网时控制困难，且分布式发电系统比较分散，不适合大电网的集中式的输配电方式，分布式发电设备的接入电网与否不受大电网控制，相对大电网来说，是一个具有随意性的不可控电源。因此，在分布式发电接入和切出电网过程中，都会对电网产生注入电压闪变，电压波动，频率偏移等负面影响，所以电力系统经常采用隔离限制的方式对分布式发电的并网运行。由多个分布式发电系统和负载共同组成的微电网和好的解决了这一问题，由于它可以作为大电网的一个整体负载，对大电网冲击和影响较小，本身又可以独立运行，因此得到越来越多的关注和应用，这种大电网与新型的分布式发电系统组成的微电网的结合控制，成为当今电力行业主要的研究方向。1.12微电网的定义1图1-1 微电网系统结构图微电网从系统观点看，是将发电机、负荷、储能装置及控制装置等结合，形成一个对大电网来说单一可控的单元，同时向用户供给能量，微电网中的电源多为微电源（分布式电源），即含有电力电子接口的小型机组，包括微型燃气轮机、燃料电池、光伏电池以及超级电容、飞轮、蓄电池等储能装置。它们接在用户侧，具有低成本，低电压，低污染的特点。如图1-11.13国内外应用研究现状近年来微电网的研究不仅在理论方面取得较大的进展，另一方面，国际上众多示范工程及实验系统也相继建立起来，为微电网应用的研究奠定了基础：美国，CERTS的微电网项目已在俄亥俄州的Dolan技术中心进行了物理装置的测试。欧洲，希腊，德国等地已有微电网示范项目处于运行阶段。日本、英国等发达国家也开展了适合本国国情的微电网研究计划。如日本的微电网应用研究主要在其发展较成熟的光伏设施基础上，走以家庭光伏并网发电、商业中心区燃料电池电站配合储能为特色的微电网建设路线。国内关于微电网的研究也取得的长足的发展。部分高校、科研院所及电力企业，如天津大学，合肥工业大学，杭州电子科技大学、中科院电工所、中国电科院等，各自建立了相应的微网示范项目或实验室，研究电网的控制、运行及对主网安全稳定运行的影响。实际工程方面，由于牵涉到电网的正常运营，因此必须由电网公司主导进行，如国家电网公司建设的河南财专微电网示范工程，作为国内第一个正式运行的微电网试点项目，取得了良好的运行业绩和社会效益。可以看出，当前国内微电网应用研究的特点是涉研单位较广，但尚无某个机构拥有完整的集实验、仿真、检测等功能于一体的微电网应用研究平台。因此，就微电网应用研究而言，我国目前在国际上的知名度和影响力还较为有限，另一方面也表明国家电监会及各电网公司等部门的政策支持下，国内相关单位在此领域还大有可为。1.2 逆变器的研究现状1.2.1 三相PWM电压型逆变器的产生背景2随着世界能源短缺和环境污染问题的日益严重，能源和环境成为21世纪人类所面临的重大基本问题，清洁、可再生能源的发展和应用越来越受到世界各国的广泛关注。近些年来，太阳能光伏(Photovoltaic，PV)发电技术，风力发电技术得到了持续的发展。尤其随着经济的高速发展，我国很多地区的用电缺乏非常严重，一些城市不得不实行分时分区域供电。发展新能源，充分利用绿色能源，对我国的经济持续发展有着极其重要的意义。现代社会对能源需求不断增加，煤炭、石油、天然气等一次性能源却不断减少，而且其使用又会对环境产生很大危害，为了缓解能源危机，避免环境的进一步恶化，对风能、太阳能等新能源的开发利用显得尤为重要，可再生能源的使用兼具环保性和持续利用性，但是也存在着缺陷和难点。鉴于我国太阳能、风力资源丰富，可以说是取之不尽、用之不竭，这为我国发展清洁能源事业提供了很好的机遇。而在这些清洁能源利用过程中，并网逆变器是关键。人们一直在电力电子技术的发展中探索一条“绿色”之路，对逆变装置而言，“绿色”的内涵包括电网无谐波，单位功率因数，以及功率控制系统的高性能，高稳定性，高效率等传统逆变装置所不具备的优越性能。在所有的变换器中，PWM变换器由于其产生谐波损耗小，对通信设备干扰小，整机效率高，而牢牢占据了主流产品的市场。PWM变换器可以实现电网交流侧电流正弦化，且运行于单位功率因数或者功率因数可调，谐波含量很小，被称之为“绿色电能变换”。PWM变换器能达到“绿色”逆变器的目的，已经受到国内外学者普遍的重视，成为研究的热点。1.2.2 PWM逆变器的研究现状光伏、风力等并网发电系统主要由光伏阵列、风机和并网逆变器等组成，在可调度式系统中，还会配备蓄电池作为储能设备。其结构示意图如图(1-2)所示。由图可见，并网发电系统通过配合容量适合的逆变器连接到公共电网上，在白天日照充足情况下，除了提供本地负载，多余电力可以提供给公共电网：夜间或阴天情况，本地负载则直接从电网获取所需电能。图1-2并网发电系统结构示意图PWM控制技术的应用与发展为逆变器性能的改进提供了变革性的思路和手段，结合了PWM控制技术的新型逆变器称为PWM逆变器。将PWM控制技术应用于逆变器始于20世纪70年代末，但由于当时谐波问题不突出，加上受电力电子器件发展水平的制约，PWM逆变器没有引起充分的重视。进入80年代后，由于自关断器件的日趋成熟及应用，推动了PWM技术的应用与研究。随着PWM控制技术的发展，如空间矢量PWM，滞环电流PWM控制等方案的提出，以及现代控制理论和智能控制技术的发展和应用，PWM逆变器的性能得到了不断提高，功能也不断扩展，PWM逆变器网侧独特的受控电流源特性，使得PWM逆变器作为核心设备被广泛应用于各类电力电子应用系统中，经过国内外专家学者多年的研究，PWM逆变器在电路拓扑结构，数学模型，控制方法，电网电压不平衡，系统特性等方面取得了丰硕的研究成果。PWM逆变器经过30多年的探索和研究，取得了很大的进展，其主电路从早期的半控型器件桥路发展到如今的全控型器件桥路；其拓扑结构从单相、三相电路发展到多相组合及多电平拓扑电路；PWM开关控制由单纯的硬开关调制发展到软开关调制；功率等级也从千瓦级发展到兆瓦级，随着PWM逆变器技术的发展，已经设计出多种PWM逆变器，并可分类如下：一、按照电网相数分类：单相电路，三相电路，多相电路；二、按照PWM开关调制分类：硬开关调制，软开关调制；三、按照桥路结构分类：半桥结构，全桥结构；四、按照调制电平分类：二电平，三电平电路，多电平电路；对于不同功率等级以及不同的用途，人们研究了各种不同的PWM逆变器拓扑结构。在小功率应用场合，PWM逆变器拓扑结构的研究主要集中在减少功率开关损耗。对于中等功率场合，多采用六个功率开关器件构成的PWM逆变器，包括三相电压型PWM逆变器和三相电流型PWM逆变器，这是本章介绍的重点。对于大功率PWM逆变器，其拓扑结构的研究主要集中在多电平拓扑结构和软开关技术上。多电平拓扑结构的PWM逆变器主要应用于高压大容量场合。此外，由于软开关技术(ZVS、ZCS)在减小开关损耗、抑制电磁干扰、降低噪声等方面具有显著的优势，近年来在电压型PWM逆变器设计上受到了广泛的重视，并得以迅速发展。而电流型PWM逆变器的软开关技术研究相对较少，有待进一步研究。根据直流储能元件的不同，PWM逆变器又分为电压型PWM逆变器和电流型PWM逆变器。电压型、电流型PWM逆变器，无论是在主电路结构、PWM信号发生以及控制策略等方面均有各自的特点，并且两者间存在电路上的对偶性。其他分类方法就主电路拓扑结构而言，均可归类于电流型或电压型PWM逆变器之列。电压型逆变器：以单相电压源逆变器为例，其主电路结构如图(1-3)所示。电压型逆变器一般需要在直流侧接有平波电容，根据器件的开关动作，输出一连串的方波电压，方波的幅值嵌位在直流电压上逆变器是个电压源。该逆变器以对角线T1和T4，对角线T2和T3构成两组联动开关，两组开关交替开通，其结果是在负载端输出分别为正和负的方波电压。具体器件的开关顺序选择，根据控制目的的不同也存在多种控制方式，如方波逆变控制，正弦波PWM逆变控制等。图1-3 单相逆变器原理图1.2.3 基于LCL滤波的PWM逆变器的研究现状 由于三相电压型PWM逆变器有许多优点，如能量可以双向流动，直流侧电压波动小，功率因数可控，网侧输入电流接近正弦等，因此应用广泛。特别是近年来，随着风力发电的快速发展，交流励磁双馈发电机变速恒频风力发电系统得到了广泛的关注和深入的研究。双馈发电机转子与电网之间具有一个“背靠背”的双向变流器，用来实现对发电机的交流励磁和能量对电网的回馈。三相电压型PWM整流器拓扑结构成为交流励磁双馈发电机变速恒频风力发电系统中变流器的首选。但是，三相PWM整流器的功率开关器件的开关频率一般为215kHz，会产生对电网干扰的高次谐波，主要在开关频率或开关频率整数倍附近。该谐波进入电网后会影响电网上对电磁干扰敏感的负载，也会产生损耗。通常为了减小开关频率及其整数倍附近的高次谐波，一般采用电感进行滤波。通过加大网侧滤波电感的值，可以减小谐波。但是，当整流器的功率比较大时，交流侧电抗器损耗增大。此外，电抗器的体积和重量很大，造价也比较高。这对三相PWM整流器在大功率领域中的应用产生了不利影响。1995年，M.Lindgren和J.Svensson首先提出了用一个三LCL 滤波器代替原有的单电感滤波器，来解决上述问题。在交流侧应用LCL 滤波器可以减少电流中的高次谐波含量,并在同样的谐波要求下,相对纯电感型滤波器可以降低电感值的大小，提高系统的动态响应。不过，LCL 滤波器本身存在着谐振问题，PWM整流器如同一个谐波源，电流中某次谐波可能会对滤波器产生激励，从而发生谐振，导致系统不稳定，输入电流谐波畸变率增大。学者针对LCL滤波器的谐振问题，提出了许多增加阻尼的办法，其中一些有源阻尼的控制策略，不仅抑制了LCL滤波器的谐振，而且不会产生功率损耗，降低系统的效率，很适用于大功率系统。 由于LCL 滤波器的滤波电容的分流作用，使整流器的电流控制系统由一阶变为三阶，控制更为复杂，并且在某些高次谐波电流下，LCL 滤波器的总阻抗接近零，将导致谐振效应，影响系统的稳态性能。因此LCL 滤波的PWM整流器应用的关键技术之一就是谐振抑制问题。一般采用在已有控制策略的基础上增加阻尼作用来解决这个问题。阻尼方法分为两种：一种叫做“无源阻尼法”，它是通过在电容上串联电阻来使系统稳定，这种方法稳定可靠，在工业中被广泛应用，但是加入的电阻会增加系统的损耗。无源阻尼法可用于任何成熟的控制策略，最常见的是基于无源阻尼的无差拍控制；另一种方法叫做“有源阻尼法”，它是通过修正控制算法使系统达到稳定，消除共振作用，该方法通过增加控制的复杂性避免无源阻尼的损耗问题。关于有源阻尼的研究已成为热点，因为可减小损耗，节约能源。常见的有超前网络法，虚拟电阻法，基于遗传算法的有源阻尼法。目前对于有源阻尼法的研究大多基于矢量控制和直接功率控制策略。基于LCL 滤波器的PWM 整流器控制策略的另一个研究热点就是不平衡控制，现有的不平衡控制策略有改进的正负序电流独立控制策略和三闭环控制策略等。 目前基于LCL 滤波器的PWM整流器的较为新颖的控制策略有基于无源阻尼的直接电流控制策略、直接功率控制策略、无差拍控制策略和三闭环控制策略【3】。(1)基于无源阻尼的直接电流控制策略 直接电流控制通过电流反馈闭环控制直接调节电流，具有动态响应快、受系统参数影响小等特点，是目前常用的电流控制方案，然而无论采用P、PI还是PID调节均无法使系统稳定，并网逆变器LCL接口直接输出电流控制稳定性问题简单直接的解决方案是LCL串联电阻形成无源阻尼PD衰减谐振峰值，增大相角裕度，提高系统稳定性。（2）基于有源阻尼的直接功率控制策略 由于动态响应快、原理简单，近年来直接功率控制已被越来越多地应用于PWM整流器的控制。但是传统的直接功率控制策略没有电流内环，不能采用已有的有源阻尼方法。2005年，L.A.Serpa，J.W.Kolar，S.Ponnaluri和P.M.Barbosa 提出了基于LCL滤波器的PWM 整流器的直接功率控制策略。该方法设计了基于直接功率控制的有源阻尼方法来抑制LCL滤波器的谐振。这是一种基于虚拟磁链的直接功率控制。通过检测交流侧电流和直流侧电压来估算系统的虚拟磁链，从而算出系统的有功、无功功率，然后与给定值进行比较，偏差值送入开关状态选择表，产生控制脉冲。这种控制策略采用直接功率有源阻尼法，传统的有源阻尼方法是给出电压或电流的参考值，但是由于直接功率控制没有电流控制环，所以文献将其转化为功率参考值。将有功、无功功率减去阻尼分量后就可以避免谐振问题。直接功率控制是近年来产生的一种新的控制方法，方法的优点就是采用静止坐标系进行控制计算，无需复杂的坐标变换和解耦控制，直接对系统的无功功率进行控制，结构和算法简单；避免了PWM 算法，采用查表技术，动态响应快；采用虚拟磁链定向，省去了电网电压传感器。网侧虚拟磁链估算中用电网电流和电容电流来估算PWM 整流器交流侧电流。节省了交流侧电流传感器。（3）基于无源阻尼的无差拍控制策略 为了便于矢量控制的数字化实现，1998 年，Michael Lindgren 和Jan Svensson 提出了基于LCL 滤波器的斩波器的无差拍控制。这是最早的基于LCL 滤波器的控制策略。2004，Emilio.J.Bueno，Felipe Espinosa 等人提出了改进的矢量无差拍控制策略。该控制策略只需要一组电流传感器和一组电压传感器，其他的量可以由状态观测器获得，系统的扰动可以用无源阻尼来衰减。改进的无差拍控制策略通过反馈电容电压将其引入到控制策略中，使控制效果更好。电压外环采用常规PI调节器进行控制，电流内环采用上述无差拍算法来跟踪给定电流。其优点是，减少了传感器的数量，只需要检测网侧电压和电流，其余量由状态估计器算出。无差拍控制方法与传统的SVPWM 整流器相比，脉冲宽度根据整流器当前的电路状态实时确定，因而具有更优越的动态性能。（4）基于三闭环的电网不平衡控制策略在实际系统中，三相电网电压不可能完全对称。不平衡的电网电压会引起低频电流谐波，因此不平衡控制策略的研究也有重大的意义。2005年，Fainan.A.Magueed 和Jan Svensson 提出了改进的正负序电流独立控制策略，这种控制策略的原理跟基于L滤波器的原理相似。另一种较为新颖的不平衡控制策略是2003 年Erika Twining 和Donald Grahame Holmes 提出的三闭环控制策略。这也是首次针对不平衡电网电压提出的控制策略。其中，电压外环用来控制直流侧电压。电流控制采用双内环的控制结构，第一内环是网侧电流内环，第二内环是电容电流内环。电压调节器的输出作为网侧电流有功分量的给定，dq 坐标系中网侧电流调节器输出经坐标变换后作为三相电容电流的给定，三相电容电流的反馈值由网侧电流与整流器交流侧电流合成。最后，电容电流给定和反馈的偏差经过三个比例调节器作SVPWM 的电压控制信号。坐标变换所需的旋转角度由三相电网电压获得。在矢量控制的基础上引入了电容电流内环提高系统的稳定性。除直流侧电压传感器外，该方法需要两组电流传感器和一组电压传感器，传感器数量多是其缺点。但实验结果证明，该方法对于不平衡电网电压有较强的鲁棒性。基于LCL 滤波器的三相PWM 逆变器的控制策略的研究现状分析可知，无差拍控制是研究较早的控制策略，控制策略的离散化便于数字化实现，但是无差拍控制需要的传感器较多，所以无传感器的研究成为研究重点。三闭环的控制策略是专门针对LCL 滤波器提出的，这种控制策略对不平衡电网电压有较强的鲁棒性，但是其原理复杂，控制器较难设计；直接功率控制是近年来较为新颖的一种控制策略，它是从常规三相电压源型PWM逆变器的控制中延伸而来，控制原理和结构简单，采用查表技术，也便于数字实现，但其开关频率不固定给滤波器参数选择带来一定困难。今后基于LCL 滤波器的PWM 整流器无传感器控制、电网电压不平衡控制和便于数字实现的控制将会成为研究的重点。 2. PWM逆变器的原理及数学模型2.1并网逆变器的分类及拓扑结构 2.1.1逆变器的作用   简单地说，逆变器就是一种将低压(12或24伏或48伏)直流电转变为220伏交流电的电子设备。因为我们通常是将220伏交流电整流变成直流电来使用，而逆变器的作用与此相反，因此而得名。我们处在一个“移动”的时代，移动办公，移动通讯，移动休闲和娱乐。在移动的状态中，人们不但需要由电池或电瓶供给的低压直流电，同时更需要我们在日常环境中不可或缺的220伏交流电，逆变器就可以满足我们的这种需求。2.1.2逆变器的分类逆变器的种类很多，可按照不同的方法进行分类。    1、 按逆变器输出交流电能的频率分，可分为工频逆变器、中频逆器和高频逆变器。工频逆变器的频率为5060Hz的逆变器；中频逆变器的频率一般为40Hz到十几kHz；高频逆变器的频率一般为十几kHz到MHz。     2、按逆变器输出的相数分，可分为单相逆变器、三相逆变器和多相逆变器。    3、按照逆变器输出电能的去向分，可分为有源逆变器和无源逆变器。凡将逆变器输出的电能向工业电网输送的逆变器，称为有源逆变器；凡将逆变器输出的电能输向某种用电负载的逆变器称为无源逆变器。   4、按逆变器主电路的形式分，可分为单端式逆变器，推挽式逆变器、半桥式逆变器和全桥式逆变器。    5、按逆变器主开关器件的类型分，可分为晶闸管逆变器、晶体管逆变器、场效应逆变器和绝缘栅双极晶体管（IGBT）逆变器等。又可将其归纳为“半控型”逆变器和“全控制”逆变器两大类。前者，不具备自关断能力，元器件在导通后即失去控制作用，故称之为“半控型”普通晶闸管即属于这一类；后者，则具有自关断能力，即无器件的导通和关断均可由控制极加以控制，故称之为“全控型”，电力场效应晶体管和绝缘栅双权晶体管（IGBT）等均属于这一类。    6、按直流电源分，可分为电压源型逆变器（VSI）和电流源型逆变器（CSI）。前者，直流电压近于恒定，输出电压为交变方波；后者，直流电流近于恒定，输也电流为交变方波。    7、按逆变器输出电压或电流的波形分，可分为正弦波输出逆变器和非正弦波输出逆变器。    8、按逆变器控制方式分，可分为调频式（PFM）逆变器和调脉宽式（PWM）逆器。     9、按逆变器开关电路工作方式分，可分为谐振式逆变器，定频硬开关式逆变器和定频软开关式逆变器。   10、按逆变器换流方式分，可分为负载换流式逆变器和自换流式逆变器。2.1.3并网逆变器的拓扑结构按逆变器拓扑结构分类有组合式、半桥式和全桥式逆变器。这里侧重于逆变器拓扑结构的讨论,如图2-1,为组合式逆变器的电路结构。图2-1 组合式逆变器组合式逆变器一般由三个相同的单相低频环节或高频环节逆变器星形联结构成,且能够实现单相和三相四线制供电。由于三个单相逆变器是相互独立的,因此具有极强的带不平衡负载能力,并且可以实现各相的独立控制(只要以某一相为基准,其它两相分别滞后2/3和超前2/3即可)。该电路的优点是控制简单、易于模块化、具有N+1个模块冗余技术,而缺点是元器件数较多、成本高。图2-2给出了三相半桥式逆变器拓扑结构。这种拓扑结构存在直流侧中点电压偏移问题,需要保证直流侧的两个串联电解电容足够大,才能够实现两个电容上平均分担直流电压。与三相全桥拓扑结构相比,三相半桥的直流电压利用率低,并且功率主开关管承受的电压应力相对较大。三相半桥的也具有较强的带不平衡负载能力,但这会大大增加系统的体积和重量。图2-2 三相半桥逆变器 三相全桥式逆变器的拓扑结构如图2-3所示,由于其具有电路结构简单、易于控制和主开关管承受的电压应力低等优点,在并网逆变器中而得到广泛采用,但是其缺点是其带不平衡负载的能力较弱。图2-3 三相全桥逆变器2.2 逆变器的工作原理4用三个单相逆变电路可以组合成一个三相逆变电路，但在三相逆变电路中，应用最广的还是三相桥式逆变电路，采用IGBT作为开关器件的电压型三相桥式逆变电路如图2-3所示的直流侧通常只有一个电容器件就可以了，但为了分析方便，画作串联的两个电容器并标出了假想中点，和单相半桥、全桥逆变电路相同，电压型三相桥式逆变电路的基本工作方式也是180°导通方式，即每个桥臂的导通角为180°，同一相即同一半桥的上下两个臂交替导电，各相开始导电的角度一次相差120°，这样，在任一瞬间，将有三个桥臂同时导通，也可能是上面两个臂下面一个臂同时导通，因为每次换流都是在同一相上下两个桥臂之间进行的，因此也被称为纵向换流。下面来分析电压型三相桥式逆变电路的工作波形，对于U相来说，当桥臂1导通时，当桥臂4导通时， 因此，的波形是幅值为的矩形波。V、W两相的情况和U相类似，、的波形形状和相同，只是相位一次相差120°。 负载线电压可由下式求出 （2-1） 该负载中点N与直流电源假想中点之间的电压为，则负载各相的相电压分别为 （2-2）把上面各式相加并整理可求得 （2-3）设负载为三相对称负载，则有，故可得 （2-4） 的波形为矩形波，但其频率为频率的3倍，幅值为其1/3，即为 。且的波形形状相同，只是相位一次相差120°。负载参数已知时，可以由的波形求出U相电流的波形。负载的阻抗角不同，的波形和相位都有所不同，桥臂1和桥臂4之间的换流过程和半桥电路相似，上桥臂1中的从通态转换到断态时，因负载电感中的电流不能突变，下桥臂4中的先导通续流，待负载电流降到零，桥臂4中的电流反向时，才开始导通，负载阻抗角越大，导通时间就越长。的上升段即为桥臂1导电的区间，其中时为导通，的下降段即为桥臂4导电的区间，其中时为导通。可知，、的波形和形状相同，相位一次相差120°。把桥臂1、3、5的电流加起来，就可得到直流侧电流的波形，每隔60°脉动一次，而直流侧电压基本是无脉动的，因此逆变器从电网侧向直流侧传送的功率是脉动的，且脉动的情况和脉动情况大体相同，这也是电压型逆变器的一个特点。下面对三相桥式逆变电路的输出电压进行定量分析，把输出线电压展开成傅里叶级数得： （2-5）式中，k为自然数输出线电压有效值为： （2-6）其中基波幅和基波有效值分别为 （2-7） （2-8）下面再来对负载相电压进行分析，把展开成傅里叶级数得： （2-9）式中，k为自然数负载相电压有效值为 （2-10）其中基波幅值和基波有效值分别为 （2-11） （2-12）在上述180°导电的方式逆变器中，为了防止同一相上下两桥臂的开关器件同时导通而引起的直流电源的短路，要采取“先断后通”的方法，即先给应关断的器件关断信号，待其关断后留一定的时间裕量，然后再给应导通的器件发出开通信号，即在两者之间留一个短暂的死区时间，死区时间的长短要视器件的开关速度而定，器件的开关速度越快，所留的死区时间就可以越短，这一“先断后通”的方法对于工作在上下桥臂通断互补方式下的其他电路也是适用的，显然，前述的单相半桥和全桥逆变电路也必须采取这一方法。2.3 基于LCL滤波器的PWM逆变器数学模型LCL 滤波的高频PWM逆变器拓扑结构如图2-4 所示。逆变器侧是三个电阻为，电感为L 的电抗器，网侧是三个电阻为 ，电感为 的电抗器，网侧电抗器和逆变器侧电抗器之间是三个星型联结的电容器。电抗器 L 除滤波外，还具有升压及能量交换功能， 、 用于滤除高次谐波，满足电网对电流谐波的要求。图