浦江学院 2015 届毕业设计（论文） 题 目：三相四桥臂逆变电源的设计 专 业：电气工程及其自动化 班 级：浦电气1105 姓 名：张杨 指导老师：梅磊 起讫日期：2015-012015-06 2015年6月三相四桥臂逆变电源的设计摘要传统的三相逆变电源采用三桥臂结构，但是在不对称负载情况下，三相输出电压会产生负序分量和零序分量，这些因素会干扰系统的输出效果，造成系统三相电压输出不对称。为了抑制这种不对称的情况，本文引用了三相四桥臂拓扑结构。三相四桥臂逆变电源可以在三相负载不对称时保持三相输出电压的对称输出，且具有系统容量小成本较低的优点。本文通过建立三相四桥臂逆变电源的数学模型，由数学模型可以得到输出电压和电感电流等各个变量之间的关系，从而实现对输出电压的控制。本文构建了基于瞬时对称分量法下四桥臂逆变器的平均模型，该逆变器在带三相不平衡负载的情况下，可以提供三相对称电压。三相电压和电流通过瞬时对称分量法可以分解为瞬时的正序、负序和零序分量，并在各自的参考系中转变成直流信号，再分别加以PI控制。同时本文给出了控制器设计的详细推导和软件实现方法。关键词：三相四桥臂逆变电源，数学模型，对称分量，三相对称电压IThe Design of Three-phase Four-leg InverterAbstract Conventional three-phase inverter adopts three-leg topology. But when the loads are unsymmetric, undesired components of negative sequence and zero sequence which come from three-phase output voltages will cause unsymmetric output in system. For the sake of suppressing the asymmetry, a three-phase four-leg inverter which is proposed in this paper can ensure the three-phase symmetrical outputs when the loads are unsymmetric, in addition it has the advantage with smaller capacity and lower cost. This paper establish four bridge three-phase inverter arm of the mathematical model, the model can get four bridge three-phase inverter arm of the output voltage and current, inductance of the relationship between the different variables, so it can realize the output voltage control.The thesis have built average models of a four-leg inverter based on the symmetrical components, and proposed a improved control strategy. Symmetrical components of three-phase voltage and current are decomposed into DC quantities which can be controlled by PI in their respective reference systems. This paper describes the detailed derivation of controller design and software implementation.Keywords: four-leg three-phase inverter，mathematical model，symmetrical components，The three-phase symmetrical voltage II目 录摘要IABSTRACT II 第一章 绪论11.1本课题研究背景以及研究意义21.2本课题的研究现状3 1.2.1 具有带不对称负载能力的三相逆变电源4 1.2.2 三相四桥臂逆变电源研究现状51.3本课题的主要研究内容6第二章 三相逆变器的数学模型72.1在ABC静止坐标系中建立三相三桥逆变器的数学模型82.2在ABC静止坐标系中建立三相四桥臂逆变器的数学模型92.3三相四桥逆变器在dqo旋转坐标系中的数学模型102.4本章小结11第三章 三相四桥臂逆变电源的控制策略12 3.1 对称分量法的理论与实现方法133.2 正负零序分量的平均模型143.3 正序、负序和零序分量的控制策略153.4 系统仿真实验163.5 本章小结17第四章 三相四桥臂逆变电源系统的硬件设计184.1 三相四桥臂逆变电源系统的总体设计19III4.2 三相四桥臂逆变电源系统的硬件设计204.2.1 功率主电路设计214.2.2 LC滤波电路和控制电路设计224.2.3 实验结果波形及分析23 4.3 本章小结24结语25参考文献26致谢27IV第一章 绪论1.1本课题研究背景以及研究意义 随着世界经济的快速发展，地球上的石油煤矿等一次性能源已被人类消耗殆尽。能源危机的出现迫使人们把目光转向了大力开发太阳能、风能、潮汐能等绿色新能源，发展分布式发电。但是在一般情况下，太阳能发电装置和风能发电装置输出的电能形式为直流电，需要将其进行 DC/AC 变换输出稳定的交流电才能接到电网，这些转化电能的过程中都离不开逆变电路。它的的应用非常广泛，在已有的各种电源中，蓄电池、干电池、太阳能电池等都是直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时，就需要逆变电路。另外，交流电动机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置使用非常广泛，其电路的核心部分都是逆变电路。三相四桥臂技术1在各种高质量、高效、高可靠性的电源中起关键作用，是现代电力电子技术的具体应用。当前，电力电子作为节能、节才、自动化、智能化、机电一体化的基础，正朝着应用技术高频化、硬件结构模块化、产品性能绿色化的方向发展。在不远的将来，电力电子技术将使电源技术更加成熟、经济、实用，实现高效率和高品质用电相结合。三相逆变技术是逆变装置的关键技术，在实际情况中，系统的负载大多为不对称负载，三相逆变现在面临的关键技术在于解决三相逆变器输出电压的对称性(幅值对称和相位对称)及其带不平衡负载的能力。而传统的三相逆变器在不对称负载情况下无法输出对称电压，这时人们就提出了用三相四线输出。如果采用在传统的三相桥式逆变器的基础上增加一个桥臂用来形成中点的三相四桥臂电路拓扑结构，这种三相四桥臂拓扑结构可以方便地实现具有调压功能的三相四线输出，并且具有较高的直流利用率，且控制方法可以比较容易地移植到现有的数字变换器平台上，有较好的发展前景。 目前三相四桥臂逆变电源在电气工业领域有十分广阔的应用前景和重大的现实研究意义，以下为其典型应用1：(1)分布式发电系统，例如风力发电，光伏发电，燃料电池储电装置，这些装置可以以独立方式或者在并网模式下运行，这些分布式电能发电装置一般采用带中线连接的四桥臂逆变电源来提供三相输出；(2)应用有源电力滤波器（APF）的四桥臂逆变电源，通过中性点控制来补偿谐波电流，对于减小电网谐波、清洁电能有着重要的意义；(3) 三相PWM逆变电源，利用第四桥臂来处理电压畸变率（THD）和不平衡问题。1.2 本课题的研究现状1.2.1 具有带不对称负载能力的三相逆变电源 三相三桥臂的逆变电源在带三相不对称负载的情况下，为了达到逆变电源能够输出稳定、对称的正弦波要求，主要有以下几种三相四线制连接形式： （1）采用带NFT的三相逆变电源 三相桥式逆变器的电路结构简单，采用的器件少，功率管承受母线电压。但是为了得到三相四线制的输出电压来提高逆变器带不平衡负载的能力，必须在输出端增加中点形成变压器(Neutral Formed Transformer，简称为 NFT)，构成了应用中点形成变压器 NFT 的三相逆变器-自耦变压器结构，如图 1-1 所示。其铁心为三相芯式铁心，以减小零序阻抗，变压器绕组采用曲折接法。图1-1 采用带NFT的三相逆变电源 （2）采用 /Y接法的三相逆变电源 为了消除输出电压中的零序分量，在三相三桥臂逆变电源和三相负载之间加一个/Y接法的变压器，变压器原边为型，次级接成Y型，这样可以给不对称负载产生的零序电流提供了通路，所以这种电路拓扑在三相负载不对称的情况下可以输出对称的电压。但因为变压器工作在工频，导致系统体积重量偏大，成本较高。相应的控制方案可以采用同步旋转坐标系下单PI调节器，但是它不能消除负序电压静差，逆变电源的电路连接原理图如图1-2 所示。图1-2 采用 /Y接法的三相逆变电源（3）采用分裂电容的三相逆变电源它有结构简单、功率器件较少等特点。利用电源输入端的两个串联电容的中点，作为三相输出的共地端，可构成三相四线制的输出，如图1-3所示。图1-3 分裂电容三相四线逆变器 这时，为了防止中点电位的偏移，串联电容的容值必须很大，使逆变器的体积和重量增加，而且当功率较大时或者缺相情况下，电容存在偏压的问题。而且其直流利用率明显偏低，输出相电压峰值最高也只有直流母线电压的一半。（4） 组合式三相逆变电源组合式三相逆变器电路结构如图2-4 所示，它是由三个单相逆变器组合而成，通过三个单相变压器耦合成三相电路。每相逆变器相互独立，只要控制三相基准正弦波互差 120，将三台输出的地连接在一起作为中线，就可以实现三相四线制的输出，它不但具有极强的带不平衡负载能力，且每相还可以分别控制，具有控制简单、易实现模块化结构、在线热更换和 N+1 个模块冗余技术等特点，提高了系统可靠性。这种方法比较适合于大功率输出场合，缺点是采用的开关管太多，而且输出需要三个单相变压器。图1-4 组合式三相逆变电源 （5）三相四桥臂逆变电源 三相四桥臂逆变器是在传统的三相桥式逆变器的基础上增加了一个桥臂，该桥臂的作用是形成中点，这样通过增加一个桥臂来直接控制中性点电压，并且产生中性点电流流入负载，这就增加了一个自由度，使三相四桥臂对逆变电源可以产生三个独立的电压，从而使其有在不平