零電壓軟開關三相并網逆變器的優(yōu)化設計方法研究.pdf

1、隨著社會的發(fā)展和人們生活水平的提高，世界的能量消耗，尤其是電能消耗日益增加。傳統(tǒng)化石能源存在著儲量有限、環(huán)境污染和溫室氣體排放等問題，其弊端正不斷凸顯出來。相比之下，以太陽能、風能為代表的可再生能源具有儲量大、清潔無污染、分布廣泛等優(yōu)勢。正在此背景下，可再生能源發(fā)電，尤其是光伏發(fā)電系統(tǒng)越來越受到關注和期待。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，并網逆變器作為連接光伏電池板和電網的關鍵接口，其能量轉換效率和功率密度是最重要的性能指標。相比較傳統(tǒng)的硬開關逆變器

2、，軟開關逆變器由于具有更小的單次開關損耗，更容易實現(xiàn)高效率和高功率密度的目標。在目前已報道的軟開關逆變器中，復合有源箝位軟開關逆變器具有輔助電路結構簡單、能量轉換效率高以及開關器件應力較低等優(yōu)勢。然而作為軟開關逆變器，其參數(shù)設計既要滿足軟開關實現(xiàn)的要求，同時也要滿足并網電能質量的要求。在此基礎上，還要實現(xiàn)高效率和高功率密度的目標。在這種設計變量多且相互耦合的應用中，采用傳統(tǒng)方法很難得到全局最優(yōu)的設計。另一方面，將電力電子電路的設計問題轉

3、換為優(yōu)化問題進行解決的思路已有報道。該方法通過對關鍵電路參數(shù)進行建模，將電路損耗或者功率密度等指標作為目標函數(shù)，并采用最優(yōu)算法進行計算并得到最終設計。該方法已被用于部分傳統(tǒng)硬開關電路的設計中。而利用最優(yōu)化思路進行軟開關逆變器設計的方法還未有報道，沒有可以直接采用的設計方法。
　　本文針對以上現(xiàn)狀，提出一種針對于復合有源箝位軟開關逆變器的設計方法。通過實驗測試的方法獲得不同IGBT模塊在不同緩沖電容和關斷電流條件下的損耗數(shù)據(jù)，建立了

4、IGBT模塊零電壓關斷的損耗模型。通過實驗測試獲得諧振電感磁芯材料在PWM激勵下的損耗數(shù)據(jù)，并建立了損耗模型。還建立了諧振電感繞組損耗模型、濾波電感的磁芯損耗模型和繞組損耗模型，以及諧振電感、濾波電感、箝位電容和散熱器的體積模型。利用損耗模型和體積模型，將軟開關逆變器的損耗和關鍵元件體積作為目標函數(shù)，將需要滿足的電能質量、溫升等要求作為約束條件，從而將參數(shù)的設計問題轉換為一個非線性約束優(yōu)化問題，借助最優(yōu)化算法得到最優(yōu)效率和功率密度的帕累

5、托邊界（Pareto front）?；诘玫礁咝屎透吖β拭芏鹊脑O計目標選取最優(yōu)的參數(shù)?？紤]到諧振電感在工作過程中流過的電流頻率高、幅值大，而設計的目標是使其高效且小型化。在全局優(yōu)化計算得到的諧振電感參數(shù)基礎上，利用有限元分析工具進行更詳細的設計。以損耗最小為目標，分析了筒形銅箔繞組結構中繞組的最優(yōu)位置，最優(yōu)銅箔厚度;分析了扁形銅箔繞組結構損耗最小的繞組結構、繞組位置和銅箔厚度。通過比較最優(yōu)條件的筒形和扁形銅箔繞組結構，選擇損耗和體積均

6、更優(yōu)的筒形繞組結構搭建諧振電感樣機。實驗結果驗證了諧振電感在小型化的基礎上其各項指標均滿足設計要求。
　　本文針對復合有源箝位軟開關逆變器的工作特點，分析確定了對寄生電感敏感的關鍵回路。通過采用疊層導電母排結構以及合理布置元件位置，縮小關鍵回路在導電母排上的面積和長度。并利用有限元分析工具和實驗結果驗證了改進的導電母排能夠有效減少寄生電感。根據(jù)設計得到的各項參數(shù)搭建了30kW實驗軟開關逆變器樣機進行并網實驗測試。實驗結果顯示其并網

7、電流THD、諧振電感溫升、散熱器溫升等各項指標均滿足設計要求。測試得到的最高效率為98.3％，滿載效率為98.1％。在已報道的采用IGBT為開關器件的軟開關逆變器中，利用本文設計的軟開關逆變器具有最高的測試效率。實驗結果顯示了對比傳統(tǒng)硬開關逆變器在效率上的明顯優(yōu)勢。相比采用傳統(tǒng)設計方法的軟開關逆變器，本文設計的軟開關逆變器除了在效率上具有優(yōu)勢外，其諧振電感體積、濾波電感體積以及箝位電容體積均有顯著的減小。通過核對，樣機的實測效率和功率密