新能源技术中的SCR逆变和PWM逆变的分析和比较研究

2013-09-22马荣蓝彬恒程蕊农媛蒋涛廖敏乐李璨

电气开关 2013年6期

马荣，蓝彬恒，程蕊，农媛，蒋涛，廖敏乐，李璨

(广西大学，广西南宁 530004)

1 引言

当今世界，随着人类社会的发展，能源的消耗越来越严重，尤其是诸如石油、煤和天然气等主要能源的大量使用，造成了现今人类面临的能源危机。于是新能源的开发和利用就越来越得到人们的重视。逆变技术作为利用新能源的关键技术，能很有效的将新能源如太阳能、蓄电池以及燃料电池等能源转化的非交流电能变换成交流电能，并且能与电网并网发电。因此，逆变技术在现代有着至关重要的地位。同时，随着人们生活中各行业对电气设备控制性能要求的不断提高，逆变技术还可以广泛应用于航空、航天、航海等国防领域以及交通运输、电力系统、工业控制、邮电通信等民用领域。因此，想实现逆变技术的广泛应用，必须更好地分析研究现有各种逆变技术、逆变控制技术和功率变换技术等相关问题。

2 逆变的分类

如今逆变技术的应用已经非常广泛。太阳能电池、蓄电池、干电池等电源是目前现有的各种电源中应用得最广泛的直流电源，若想把这些直流电源应用于交流负载或向电网供电时，就需要用逆变电路将这些直流电源变换成交流电源。另外，变频器、交流电机调速、不间断电源(UPS)、有源滤波器(APF)和感应加热电源等电力电子装置的核心部分都应用到逆变电路。因此，为了能更系统地了解逆变技术，本文从以下不同的角度对逆变电路进行分类:

①按照逆变输入端直流电源的性质可分为电流源逆变和电压源逆变;

②按照逆变输出端交流的相数多少可分为单相逆变、三相逆变和多相逆变;

③按照逆变输出端交流的频率大小可分为工频(低频)逆变、中频逆变和高频逆变;

④按照逆变输出端交流能量的流向可分为无源逆变和有源逆变;

⑤按照逆变输出端电压的电平数可分为二电平逆变和多电平逆变;

⑥按照逆变电路的拓扑结构可分为半桥式逆变、推挽式逆变、全桥式逆变等;

⑦按照逆变电路的控制方式可分为脉宽调制逆变(PWM)、脉频调制(PFM)逆变和数字逆变等;

⑧按照逆变功率开关器件的种类可分为晶闸管(SCR)逆变、大功率晶体管(GTR)逆变、功率场效应晶体管(MOSFET)逆变、可关断晶闸管(GTO)逆变和绝缘栅双极晶体管(IGBT)逆变;

本文着重对功率开关器件－晶闸管(SCR)逆变和绝缘栅双极晶体管(IGBT)的PWM逆变进行分析研究。

3 晶闸管(SCR)逆变

晶闸管(SCR)逆变技术是20世纪60年代中期出现的一门新兴技术。1966年世界上第一台SCR逆变器由瑞士试制成功，它的功率为 750kW，频率为1000Hz。而在我国，SCR逆变技术的研究开始于文化大革命后期，这几十年来我国在SCR逆变理论和应用方面都取得了很大的进展。下面以单相桥式SCR逆变电路为例，来介绍SCR逆变的基本工作原理。

图1 单相桥式SCR逆变电路图和工作波形图

如图1所示，VT1～VT4是单相桥式电路的4个桥臂，由电力电子器件晶闸管(SCR)和其他辅助电路构成。当VT1、VT4导通，VT2、VT3截止时，负载的电压Uo为正;当 VT1、VT4截止，VT2、VT3导通时，负载的电压Uo为负，这样就把直流电变换成了交流电。如果想改变输出交流电的频率，只要改变两组控制开关的切换频率就可以了。

对于输出端所带的负载不同，其输出交流电的波形相位也有所差异。当输出端是纯电阻负载时，负载电流io和负载电压Uo的波形相同，相位也相同;而当输出端是阻感负载时，电流io滞后于电压Uo，波形也相应地改变。

t1前:VT1、VT4导通，VT2、VT3截止，电压 Uo和电流io均为正。

t1时:截止 VT1、VT4，导通 VT2、VT3，电压 Uo立刻变负，但电流io不能立刻反向。电流从直流电源负极流出来，然后经VT2、负载和VT3流回到直流电源正极，负载电感的能量向直流电源反馈，电流io逐渐减小，到t2时刻正好降为零，随后电流io才反向并逐渐增大。

由于SCR是关断不可控的器件，所以必须增加换流电路来强迫其关断。本文采用负载并联谐振式换流方法。主要由电容和串联后的电阻、电感并联，使其工作在接近于并联谐振状态而又略呈容性。电容略呈容性是作为改善负载功率因数而接入的，直流侧串接入大电感Ld，电流id基本没有脉动。

其工作过程为:

4个桥臂的SCR切换仅使电流的路径改变，负载电流基本呈现矩形波。负载工作于对基波电流接近并联谐振的状态，它对基波的阻抗很大，而对谐波的阻抗很小，电压Uo波形接近正弦。

t1前:VT1、VT4导通，VT2、VT3截止，电压 Uo、电流io均为正，则VT2、VT3的电压即为Uo。

t1时:触发 VT2、VT3使其导通，电压Uo加到 VT1、VT4上使其承受反向压降而截止，电流则从VT1、VT4切换到 VT2、VT3。

这样就完成了换流电路对SCR的切换和关断。但需注意，t1时刻必须在电压U0过零之前并且要留有足够的裕量，才能够使换流顺利地完成。

基于SCR逆变的工作原理以及它的换流方式，本文用MATLAB/Simulink仿真软件，造建此单相桥式SCR逆变电路，进行仿真。

电路图如图2所示。

结果分析:

从仿真结果和基本理论分析可知，SCR逆变器具有以下优点:①整体电路的结构相对简单，其所采用的功率开关器件SCR的数目较少;② 功率开关器件SCR的工作频率相对较低，因此其变换效率高，输入输出电压相差无几;③由于SCR应用得较早，因此，其控制技术也应用得较为成熟等。

图2 单相桥式SCR逆变电路

仿真结果如下:

图3 单相桥式SCR逆变仿真输出波形

但在这种逆变器中，同样地也存在其不足之处:①功率开关器件SCR只能将单相逆变桥的输出端交替地连接到直流电压端的正极或负极，输出的相电压只能有正、负电压值，SCR逆变器输出电压中的基波分量值仅取决于输入直流电压Ud的大小，难以对输出电压进行调节和控制;② 由仿真波形图可以明显地看出，此逆变器输出电压的谐波含量很大，其波形畸变相当严重，远远不能满足电能质量的要求;③ 对加入滤波装置而言，所加入的滤波器的体积和重量都相当大，并且音频噪声也大;④另外，该逆变方式对于负载的波动、电网的电压、和系统的动态响应特性也很不理想。

综上所述，这种逆变器比较适用于高变换效率和低成本，而对重量和体积要求不是很高的场合。传统的直流输电技术就是采用这种逆变方式的，它适用于远距离、高电压等级输电的场合，而不能用于无源网络或中低压等级的供电，而且在受端的交流系统中必须配有相应的同步调相机或者发电机。由此分析可知，SCR逆变技术有很大的应用缺陷，所以，比它更优的逆变技术－IGBT的PWM逆变技术随之产生。

4 PWM逆变技术

20世纪80年代出现了第一代绝缘栅双极晶体管(IGBT)。因其具有良好的特性:高输入阻抗，可采用逻辑电平来直接驱动，实现电压控制，开关频率高，饱和压降低，电流、电压容量大，抗浪涌电流能力强等。因此，自1986年开始投入市场，IGBT就迅速扩展了其应用领域。尤其是在逆变技术方面得到更广泛的应用，为PWM逆变技术提供了硬件基础。

4.1 SPWM基本原理

PWM(Pulse Width Modulation)控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，也就是通过对一系列脉冲的宽度进行调制，最后等效地获得所需要的波形。SPWM波形(Sinusoidal PWM)就是脉冲的宽度按正弦规律变化和正弦波等效的PWM波形。

生成SPWM波形的基本原理是:用一组等腰三角形(载波)与一个正弦波(调制波)进行比较，把两者相交的时刻作为开关管IGBT“开通”或“关断”的时刻。正弦波(调制波)的频率和幅值是可以控制的，改变它的频率，就可以相应地改变逆变电源输出电压的频率;而改变正弦波的幅值，也就相应地改变了正弦波与等腰三角波的交点，使输出的脉冲序列宽度发生变化，从而改变逆变电源输出电压的幅值大小。

4.2 单极性脉宽调制

SPWM分单极性和双极性脉宽调制，单极性SPWM控制技术是用等腰三角波作为载波，与作为调制波的正弦波进行比较，取它们的交点，就分别得到各个桥臂功率开关器件的通断时刻，如图4所示。

图4 单极性正弦脉宽调制原理图

当调制波正弦波的基波电压的瞬时绝对值大于载波三角波的电压值时，逆变器的功率开关器件IGBT导通，反之IGBT截止。各个桥臂是独立控制的，但同一个桥臂上的两个IGBT在控制上仍然是互补的。由于在输出电压的一个半周期内，电压的极性只在一个极性方向上变化，故称为单极性脉宽调制控制。调制波和载波的交点，决定了单极性SPWM脉冲系列的宽度和两脉冲间的间隔宽度，每半周期内的脉冲系列也是单极性的。

单极性SPWM的波形为奇对称的周期函数，假设SPWM脉冲序列周期为2π，设其数学表达式为f(t)，它在(0，π)内的函数里。将f(t)按傅立叶级数展开可得下式:

由于输出SPWM波形为奇函数，所以an=0。则

由此可得总的谐波失真度为:

其中，n为第n次谐波;bn为第n次谐波的幅值;b1为基波的幅值;ton为逆变器开通时间;toff为逆变器关断时间。由谐波失真度公式可知道，THD值越小，说明谐波含量越小，逆变器抑制谐波的能力则越强。

4.3 双极性脉宽调制

双极性SPWM控制波形如图5所示。

图5 双极性正弦脉宽调制原理图

由调制正弦波与对称于横坐标的载波三角波相交后进行比较，得到控制IGBT的驱动信号。在双极性SPWM控制方式中，同一桥臂上的两个IGBT控制信号在相位上总是互补的。由于逆变器的输出电压Uo在其半个周期内电压极性在两个极性间变化，所以称为双极性SPWM控制。

综合上述基本原理，本文用MATLAB/Simulink仿真软件，对PWM控制的三相全桥逆变电路进行仿真。仿真电路图如图6所示。

图6 SPWM三相全桥逆变电路图

仿真结果如图7所示。

图7 SPWM三相全桥逆变仿真输出A相电压和A相电流波形图

结果分析:

由SPWM原理分析和仿真结果验证可知，把SPWM控制技术应用于IGBT逆变器中有以下优点:①它能很好地满足逆变器的运行特性要求，关键是能灵活地调节、控制逆变输出电压的频率和幅值;② 由仿真输出波形的谐波失真度分析可看出，该逆变技术的输出波形的谐波含量相对较少，因此，可以消除中低次谐波而达到改善输出波形目的;③由于开关器件IGBT的开关频率很高，逆变输出波形的谐波含有量大大地减少了，所以系统电路中所附加的滤波装置的体积和重量都得到相应的减小;④ 此外，该逆变方式对于负载的波动、输入电压以及系统的动态响应特性都有很大的提高，所以噪音也得到了很大地改善。

图8 SPWM三相全桥逆变仿真A相电流波形谐波分析图

同样地，这种控制方式也有它的局限性:① 电压利用率低。由仿真结果可知，输出电压幅值只有输入电压幅值的左右，说明直流电压的能源利用率相对较小。这对节能降耗的理念很不符合，因此，SPWM控制方式的逆变器并不适用在大功率的输电技术中。②由于开关器件IGBT在多脉冲SPWM的控制下，其工作时的开关频率非常的高，所以它的开关损耗也很大，由此导致开关器件发热升温的问题也很严重;③由于在节能降耗和开关损耗方面的限制，它仅适用于中小功率的逆变器中，而难以用于大功率的逆变器场合;④SPWM控制技术是一门高深的技术，用于逆变器控制致使它的控制系统变得相当复杂，导致成本提高。

所以由以上综合分析可得，SPWM逆变技术适用于对系统变换成本和能源利用效率要求不太高，而对装置体积和重量有较高要求的场合。