功率變換器結(jié)構(gòu)概述目錄TOC\o"1-3"\h\u6552功率變換器結(jié)構(gòu)概述 1305881.1功率變換器和傳動裝置的應(yīng)用 1141981.2功率變換器的類型 2261121.1.1通用傳動系統(tǒng) 2237241.1.2功率變換器的分類 2186211.3功率變換器和傳動裝置的控制 4268461.3.1早期的功率變換器控制 4103801.3.2目前的功率變換器控制 6184111.3.3控制要求和面臨的挑戰(zhàn) 722451.3.4數(shù)字控制平臺 7314311.3.5預(yù)測控制技術(shù)適用于電力電子領(lǐng)域的原因 81.1功率變換器和傳動裝置的應(yīng)用從工業(yè)到住宅等不同應(yīng)用領(lǐng)城都會用到功率變換器和傳動裝置[1]。表2-1給出了這些裝置在不同領(lǐng)域的一些應(yīng)用示例。一些大功率傳動裝置可以廣泛應(yīng)用于采礦行業(yè),例如下坡帶式運(yùn)輸機(jī)。其中使用了一個帶有源前端整流器的三電平變換器來作為一種能力回饋裝置,完成了能量自電動機(jī)到電網(wǎng)的傳遞[3，4]。表2-1功率變換器的應(yīng)用行業(yè)應(yīng)用示例工業(yè)泵風(fēng)機(jī)傳送帶挖掘機(jī)整流器運(yùn)輸業(yè)電動車輛混合動力車輛火車船舶飛機(jī)可再生能源風(fēng)能光伏能源電力系統(tǒng)有源濾波器分布式發(fā)電系統(tǒng)儲能系統(tǒng)靜態(tài)無功補(bǔ)償器裝置住宅空調(diào)家用電器傳動裝置廣泛應(yīng)用于運(yùn)輸行業(yè)，其中電機(jī)主要用于牽引和推進(jìn)。在一些電氣化列車系統(tǒng)中,往往使用一個功率變換器把能量從架空線路輸送到電動機(jī)。這種電力轉(zhuǎn)換器能夠產(chǎn)生必要的電壓,進(jìn)而直接實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩及其轉(zhuǎn)速控制。大功率傳動裝置常見于船舶系統(tǒng)，一般使用柴油發(fā)電機(jī)，再通過電機(jī)產(chǎn)生推進(jìn)動力。而且在電動車、混合動力車輛及飛行器中有這些功率變換器的一席之地。近年來，功率變換器與可再生能源的結(jié)合很熱門，因?yàn)榛茉吹纫淮文茉磧α扛婕?，而且由一次能源帶來的環(huán)境問題亟待解決。在現(xiàn)有的新能源中，功率變換器在光伏（Photovoltaic,PV）發(fā)電中的應(yīng)用很有意義。它是正弦波電流可以順利地注入到電網(wǎng)中的一個保障,因?yàn)橐粋€功率變換器可以讓PV電池板和逆變器在電路中保持最佳運(yùn)行狀態(tài)。功率變換器和傳動裝置同樣也是適用于各種風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng),不僅可以實(shí)現(xiàn)通過風(fēng)能所獲得能量的最優(yōu)化控制,還可以到達(dá)相關(guān)法律法規(guī)對電能質(zhì)量的要求[5]。小功率傳動裝置和變換器多用于居民戶用領(lǐng)域。使用可調(diào)速傳動裝置可有效提高系統(tǒng)的使用效率，如空調(diào)和其他家用電器等[1,6]。1.2功率變換器的類型功率變換器和傳動系統(tǒng)包括很多種類型，由于每個應(yīng)用領(lǐng)域要求的技術(shù)條件不同，應(yīng)有針對性地使用最合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方案。1.1.1通用傳動系統(tǒng)圖2-1給出了一套實(shí)際傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖和照片。該系統(tǒng)主要組成部分包括電網(wǎng)側(cè)變壓器、整流器、直流（DirectCurrent,DC）環(huán)節(jié)、逆變器、電機(jī)和控制單元?？筛鶕?jù)系統(tǒng)要求，選擇使用二極管整流器或有源前端整流器。逆變器和整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定了DC環(huán)節(jié)是由電容器還是由電感器組成。其目標(biāo)主要是用來儲存能量并實(shí)現(xiàn)逆變器與整流器的解耦。逆變器用來調(diào)整DC環(huán)節(jié)的電壓（或電流），并產(chǎn)生一個幅值、頻率和相位均可調(diào)節(jié)的基波電壓分量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的控制?？刂茊卧獙χ匾淖兞?，即電壓和電流的測量值，進(jìn)行采樣處理，從而計(jì)算并發(fā)出合適的門極驅(qū)動信號來控制功率半導(dǎo)體器件。由圖2-1可以看出，為了達(dá)到最優(yōu)的控制效果，傳動系統(tǒng)需要一些輔助裝置，如變壓器、輸人/輸出無源濾波器及功率裝置的冷卻系統(tǒng)。1.1.2功率變換器的分類功率變換器由功率半導(dǎo)體器件和無源器件組成。按照規(guī)定的規(guī)則可對其進(jìn)行分類。根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行時輸人到輸出的變換關(guān)系，例如AC和DC,進(jìn)行分類是一種最簡單有效的分類方法。由此可將功率變換器分成以下四大類:交流-直流（AC-DC）變換器，將AC轉(zhuǎn)換成穩(wěn)壓或未穩(wěn)壓的DC電壓或電流。直流-直流（DC-DC）變換器，將DC輸人電壓轉(zhuǎn)換成DC輸出電壓，對輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)壓處理和隔離處理（可選）。直流-交流（DC-AC）變換器，將DC電壓或電流轉(zhuǎn)換成幅值、頻率和相位（變量）均可調(diào)節(jié)的AC電壓或電流。交流-交流（AC-AC）變換器,將幅值和頻率固定的AC電壓變換成一個幅值和頻率（變量）兩種可以自由調(diào)節(jié)的AC電壓。上述每類變換器都包括若干小類，如圖2-2所示。本書將對不同類型的功率變換器的些實(shí)例進(jìn)行介紹和分析。圖2-1通用電機(jī)傳動系統(tǒng)圖2-2功率變換器分類1.3功率變換器和傳動裝置的控制隨著相關(guān)技術(shù)推陳出新,功率變換器和傳動裝置的控制方案在同一時期也得到了更新和發(fā)展。數(shù)字化進(jìn)程使得數(shù)字化設(shè)備占據(jù)主導(dǎo),這是日后更先進(jìn)高效方案提出的基石。1.3.1早期的功率變換器控制可通過調(diào)整與觸發(fā)脈沖角度，來輸出電壓平均值。檢測電網(wǎng)電壓的過零點(diǎn)是此類功率變換器控制電路必須能夠完成的功能，此外還要能產(chǎn)生符合角度指令的觸發(fā)脈沖。圖2-3給出了帶有阻感性（resistive-in-ductive）負(fù)載的單相晶閘管整流器的工作原理圖，由圖，輸出電壓的圖像形狀被觸發(fā)角α進(jìn)行了改動，從而改變了輸出的電壓平均數(shù)值。圖2-3單相晶閘管整流器工作原理圖降壓變換器工作原理圖如圖2-4所示，圖中給出了相應(yīng)的電路和主要的電壓波形。圖2-4降壓變換器工作原理圖1960年之后，相關(guān)技術(shù)的發(fā)展越來越有利于對各種電力測量傳感器的自動數(shù)字化遠(yuǎn)程控制。DigitalSignalProcessor（DSP）技術(shù)的發(fā)展使得的遠(yuǎn)程計(jì)算控制功能更強(qiáng)大,可以被廣泛應(yīng)用[7]。之前提出的一些概念理論仍然可以去實(shí)踐，不過是數(shù)字化版本。功率變換器模擬控制電路要控制輸出的時間平均值。其來源于同一個基準(zhǔn)時間?；鶞?zhǔn)時間可以被調(diào)整。這一設(shè)想使得變換器可被看成線性的。不過,這種設(shè)計(jì)的想法并沒有考慮到變換器自身的非線性特點(diǎn)。另一種控制方案則源于模擬電路的滯環(huán)控制思想。1.3.2目前的功率變換器控制許多控制方法被科學(xué)家提出來控制逆變器以及傳動裝置，圖2-5展示了它們當(dāng)中最常見的一些方法。其中某些方法高效快捷又簡便完整，比如說非線性滯環(huán)控制法。與此同時，系統(tǒng)也需要更精密，組合性高的方法，或者控制平臺需要升級以獲得更高的計(jì)算能力，來實(shí)現(xiàn)較新的控制方法。圖2-5功率變換器和傳動裝置中不同類型變換器的控制方案非線性性質(zhì)對于功率變換器也很重要,且測量值和參考數(shù)值的比較與開關(guān)狀態(tài)關(guān)系很大。滯環(huán)控制與上述特點(diǎn)息息相關(guān)。這種方法無法勝任高級工作，但同時能解決中端問題,如直接轉(zhuǎn)矩控制和直接功率控制[10]。模電使其實(shí)施的保證。為了耦合數(shù)字化設(shè)備,采樣的頻率普遍都要非常高。由于滯環(huán)的寬度和系統(tǒng)的非線性特點(diǎn),開關(guān)頻率是不固定的,這將直接一系列不好的副作用。這個問題必須被解決。給交換器安個調(diào)制器,且通用,PI控制器就成了最普遍解決問題的辦法。對線性傳動而言,磁場定向控制（FieldOrientedControl,FOC）耦合度高。并網(wǎng)變換器也利用電流控制電壓，還是定向的（VoltageOrientedControl,VOC）。在這個進(jìn)程中都會加入獨(dú)立的坐標(biāo)進(jìn)行交換。同時，線性化方法影響動態(tài)穩(wěn)定。此外,還要達(dá)到數(shù)字化，根據(jù)研究得出數(shù)據(jù)采樣可行,并且還要將它們近似為連續(xù)的時間線性控制器。綜上,再加之添置額外的調(diào)制器,還必須另行考慮其他的因素,通過不同知識的使用，完成任務(wù),這對某些應(yīng)用于特殊領(lǐng)域與特定場合的功率變換器是不可能完成的任務(wù)。此外,其他因素會卡著功率變換器系統(tǒng)的性能（例如總諧波畸變率（TotalHarmonicDistortion,THD）、最大輸出電流、最大啟動頻率等）,使其不能無腦設(shè)計(jì)。總之,這些控制相關(guān)理論已被多次重新改變,來實(shí)現(xiàn)將經(jīng)典的控制理論運(yùn)用到現(xiàn)代數(shù)字化的控制轉(zhuǎn)換器中。微處理器技術(shù)的突飛猛進(jìn)使得一些新控制方案具有可行性了,其中重要有四種,即模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、滑膜變結(jié)構(gòu)控制以及預(yù)測控制。預(yù)測控制屬于明顯產(chǎn)品,潛力最大。預(yù)測控制的核心是控制器，而且種類琳瑯滿目，路子不盡相同。利用系統(tǒng)模型來進(jìn)行計(jì)算和預(yù)測所有被控變量的未來數(shù)值,這些預(yù)測和控制是所有這些預(yù)測控制的心臟,之后再選一個捷徑完成任務(wù)。1.3.3控制要求和面臨的挑戰(zhàn)傳統(tǒng)意義上的控制的需求主要要求性能指標(biāo)達(dá)標(biāo)。硬件無法同時滿足各種各樣的指標(biāo)規(guī)定，尤其是根據(jù)國家合作達(dá)成的那種，所以沒辦法，研究控制技術(shù)吧。以下是設(shè)計(jì)是需要特別關(guān)注的內(nèi)容：·誤差最小化，動態(tài)響應(yīng)就一個字，快。·開關(guān)損耗最小化。·功率變換器本身會產(chǎn)生諧波，所以要使得產(chǎn)生的這個副產(chǎn)品滿足相關(guān)要求。·電磁兼容（ElectromagneticCompatibility，EMC）特性?！な构材ｋ妷鹤钚』??！ば阅芷骄?，不可以突出某點(diǎn)。1.3.4數(shù)字控制平臺功率變換器和傳動裝置的控制策略有很多人研究。類似DSP技術(shù)，反應(yīng)了目前技術(shù)的進(jìn)步，而且已經(jīng)成為大多數(shù)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)。由于基于定點(diǎn)處理器的數(shù)字控制平臺具有計(jì)算能力強(qiáng)、成本低的優(yōu)點(diǎn)，所以其成為了工業(yè)電子領(lǐng)域的首選。浮點(diǎn)處理器控制平臺可以高度編程，加深了它的應(yīng)用。近些年來，現(xiàn)場可編程門陣列（FieldProgrammableGateArray,FPGA）大放異彩。高靈活性軟件使得搭建性能優(yōu)異的硬件結(jié)構(gòu)易如反掌。表2-2顯示了一些主流數(shù)字控制平臺。圖2-6給出了數(shù)字處理器的處理能力的發(fā)展情況。圖2-6數(shù)字處理器的處理能力的發(fā)展情況表2-2電力電子領(lǐng)域常用的一些主流數(shù)字控制平臺DSPTM2678DSPTD3dSPACEDS245FPGAME264180MHZ220MHZ357MHZ～1GHZ51MHZ定點(diǎn)式浮點(diǎn)式浮點(diǎn)式定點(diǎn)式180MIPS180MIPS66~100MIPS—百萬條指令/s（MillionsofInstructionsPerSecond,MIPS）是衡量計(jì)算能力的重要指標(biāo)之一。強(qiáng)大的計(jì)算能力是目前在市場上使用的各種數(shù)字化控制平臺普遍具有的特性之一,這也促使一些新問世并且結(jié)構(gòu)緊湊的技術(shù)成為現(xiàn)實(shí),例如模糊控制、自適應(yīng)性控制、滑模可變結(jié)構(gòu)控制和預(yù)測控制等技術(shù)。1.3.5預(yù)測控制技術(shù)適用于電力電子領(lǐng)域的原因在設(shè)計(jì)控制解決