目前，伴隨著新能源的利用以及電機調速系統要求的提高，新型逆變器已經成為研究熱點。為了提高電源系統的容量和可靠性，多臺逆變器級聯的電源系統得到了廣泛的應用。多個電源模塊級聯分擔負載功率，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或并聯，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使用，(3)尋求新的主電路拓撲，如采用多電平級聯方案和多重化主電路實現大容量的變換器。參考文獻[3]中，逆變器的并聯，在一定程度上提高了功率器件的能量等級，但由于傳統逆變器并聯存在器件的均壓、均流問題，使得控制復雜；參考文獻[4]提出了一種新型并網逆變器，其結構簡單、易于控制，但逆變器開關管處于高頻開關狀態，增加了開關損耗；參考文獻[5-6]提出了雙頻變換的思想，即系統由高頻單元和低頻單元共同構成，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，提高了系統的性能。基于雙頻變換的思想，本文研究了一種新型三相橋式雙頻逆變器的拓撲結構，并進行理論分析提出其控制策略。
1 雙頻逆變器拓撲結構及其控制策略
1.1 雙頻逆變器的拓撲結構及工作原理
    三相橋式雙頻逆變器是在傳統三相橋式逆變電路的基礎上構成的，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；Slap~Slcn、Lla~Llc屬于低頻逆變橋，且開關Slap~Slcn工作在低頻狀態。La、Ca、Lb、Cb、Lc、Cc構成雙頻逆變電路的濾波器，Ra、Rb、Rc為系統負載。

    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個周期內包含著N個高頻開關狀態周期。1個開關周期的高頻開關和低頻開關的狀態如表1所示，每種狀態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1中，高頻開關Sap導通，低頻開關Slap導通。在所構成的回路中，電感電壓和電感電流有下列關系：
   
    由相同方法對其余3種狀態分別進行分析得到，電感La兩端電壓在Up-Uo與UN-Uo之間轉換，其電流則相應地出現上升狀態和下降狀態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0三者之間轉換，電感Lla的電流則相應出現上升、下降和保持不變3種狀態(f_H=4f_L)，其波形如圖3所示。因此采用適當的控制策略可以實現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，實現高頻單元和低頻單元之間的無環流運行。

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k(t)如下：
 
在1個開關周期內，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個開關周期內參考信號經過一個PI調節器與采樣信號的積分進行比較，比較器輸出到RS觸發器的R端，RS觸發器S端由時鐘脈沖控制，通過RS觸發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。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，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突變為幅值100 V、頻率25 Hz，圖7為系統輸出電流波形圖。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、電機調速系統中可以利用雙頻逆變器的特點來提高系統的動態響應。為了進一步說明雙頻逆變器的優勢，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，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，通過曲線可以發現，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勢，必將會在光伏并網以及電機的高性能調速等方面降低開關損耗，為提高系統動態性能提供一種新的解決思路。
參考文獻
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