零電壓軟開關(guān)三相并網(wǎng)逆變器的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(fēng)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(guān)注和期待。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，并網(wǎng)逆變器作為連接光伏電池板和電網(wǎng)的關(guān)鍵接口，其能量轉(zhuǎn)換效率和功率密度是最重要的性能指標(biāo)。相比較傳統(tǒng)的硬開關(guān)逆變器

2、，軟開關(guān)逆變器由于具有更小的單次開關(guān)損耗，更容易實(shí)現(xiàn)高效率和高功率密度的目標(biāo)。在目前已報(bào)道的軟開關(guān)逆變器中，復(fù)合有源箝位軟開關(guān)逆變器具有輔助電路結(jié)構(gòu)簡單、能量轉(zhuǎn)換效率高以及開關(guān)器件應(yīng)力較低等優(yōu)勢。然而作為軟開關(guān)逆變器，其參數(shù)設(shè)計(jì)既要滿足軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)的要求，同時(shí)也要滿足并網(wǎng)電能質(zhì)量的要求。在此基礎(chǔ)上，還要實(shí)現(xiàn)高效率和高功率密度的目標(biāo)。在這種設(shè)計(jì)變量多且相互耦合的應(yīng)用中，采用傳統(tǒng)方法很難得到全局最優(yōu)的設(shè)計(jì)。另一方面，將電力電子電路的設(shè)計(jì)問題轉(zhuǎn)

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

4、IGBT模塊零電壓關(guān)斷的損耗模型。通過實(shí)驗(yàn)測試獲得諧振電感磁芯材料在PWM激勵(lì)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(guān)逆變器的損耗和關(guān)鍵元件體積作為目標(biāo)函數(shù)，將需要滿足的電能質(zhì)量、溫升等要求作為約束條件，從而將參數(shù)的設(shè)計(jì)問題轉(zhuǎn)換為一個(gè)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(shè)計(jì)目標(biāo)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(shè)計(jì)的目標(biāo)是使其高效且小型化。在全局優(yōu)化計(jì)算得到的諧振電感參數(shù)基礎(chǔ)上，利用有限元分析工具進(jìn)行更詳細(xì)的設(shè)計(jì)。以損耗最小為目標(biāo)，分析了筒形銅箔繞組結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)損耗最小的繞組結(jié)構(gòu)、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(jié)構(gòu)，選擇損耗和體積均

6、更優(yōu)的筒形繞組結(jié)構(gòu)搭建諧振電感樣機(jī)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了諧振電感在小型化的基礎(chǔ)上其各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。
　　本文針對復(fù)合有源箝位軟開關(guān)逆變器的工作特點(diǎn)，分析確定了對寄生電感敏感的關(guān)鍵回路。通過采用疊層導(dǎo)電母排結(jié)構(gòu)以及合理布置元件位置，縮小關(guān)鍵回路在導(dǎo)電母排上的面積和長度。并利用有限元分析工具和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了改進(jìn)的導(dǎo)電母排能夠有效減少寄生電感。根據(jù)設(shè)計(jì)得到的各項(xiàng)參數(shù)搭建了30kW實(shí)驗(yàn)軟開關(guān)逆變器樣機(jī)進(jìn)行并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示其并網(wǎng)

7、電流THD、諧振電感溫升、散熱器溫升等各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。測試得到的最高效率為98.3％，滿載效率為98.1％。在已報(bào)道的采用IGBT為開關(guān)器件的軟開關(guān)逆變器中，利用本文設(shè)計(jì)的軟開關(guān)逆變器具有最高的測試效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示了對比傳統(tǒng)硬開關(guān)逆變器在效率上的明顯優(yōu)勢。相比采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的軟開關(guān)逆變器，本文設(shè)計(jì)的軟開關(guān)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(jī)的實(shí)測效率和功率密