逆变技术在电力中的应用

[摘要]本文主要对逆变类电力电子成套装置中的DC-AC逆变器进行研究。回顾了电力电子技术的发展状况，分析了逆变技术在电力中的应用，以及电力半导体器件的发展对电力电子成套装置更新换代的影响，重点研究了DC-AC主电路拓扑结构。分别对低频逆变器、高频逆变器的电路拓扑结构、原理进行描述，在说明其优点的同时又指出存在的不足，认为高频逆变器必将取代低频逆变器而有更好的应用前景。

[关键词]电力电子技术；逆变器；拓扑结构；软开关；控制

前言

随着科学技术的发展，电力电子技术又与现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等许多领域密切相关。随着电力半导体器件的发展，DC-AC逆变技术广泛的应用于航空、航天、航海等重要领域，特别是随着石油、天然气等主要能源日益紧张，新能源的开发和利用越来越受到人们的重视。因为DC-AC逆变器可以实现将蓄电池、太阳能和燃料电池等其他新能源转化为交流能源，这对将直流转变为交流的逆变技术更是起着至关重要的作用。电力半导体器件的发展对电力电子技术的发展有着极为重要的作用，因此，电力电子技术的发展史是以电力半导体器件的发展为基础和主线的。

1、电力电子技术简介

电力电子技术是一种高新技术，它是利用电力半导体器件对电力的电压、电流、频率、相位、相数等进行变换和控制的技术。是以电力为对象，以微电子技术、自动控制技术为手段，研究电力在产生、输送、分配、变换、应用等过程中进行电力再加工的技术。

1、1电力电子技术与绿色能源

电力电子技术是高效节能技术，电动机调速节能和照明灯节能是两大节能重点。发展并推广应用电动汽车（绿色汽车），是改善大气环境的重要手段。利用风能、太阳能、潮汐能、地热能等绿色能源发电，可避免火力发电导致的严重污染。将电网交流电能变成直流电能储存，然后将直流电能逆变成交流电能供负载使用，均与电力电子技术密切相关。电力电子技术提供了各种有源功率因数校正和有源滤波装置、动态无功补偿装置等，在电网环境和电磁环境保护方面起到相当大的作用。

随着信息电子技术、微型电子计算机、超大规模集成电路以及计算机辅助设计的广泛应用，电力电子技术如虎添翼，得到了蓬勃的发展。目前，电力电子技术已成为工业化国家经济领域中不可缺少的基础技术和重要手段。由于环境、能源、社会高效化等要求，电力电子成套装置正向着以下几个方面发展：

⑴高性能化：电力电子成套装置的高性能化内容十分广泛。对于大容量装置，采用多重化和多机并联；降低装置自身损耗；实现高效率化；采用损耗――功率密度考核装置效率；装置实现自动调谐或自动化、遥控和远控。

⑵标准化：电力电子成套装置的备品、备件将系列化、标准化。超大功率集成电路将简化成套装置的工作量。

⑶智能化：二十一世纪将诞生全智能化电力电子成套装置。智能化包括两个方面，即尽量减少硬件，实现硬件软件化；另一方面，采用智能化电力电子器件和其它智能化部件，集成化是智能化的基础。

⑷全数字化控制：90年代已经采用32位DSP，二十一世纪全数字控制的应用将更加广泛深入，甚至取代摸控制。近几年来，各种现代控制理论、专家系统、模糊控制及神经元控制等都是发展的热点，将使电力电子控制技术发展到一个崭新的阶段。

⑸系统化：电力电子技术及其相关技术的发展，已经摆脱了局部环节的孤立发展，而注意到整体优势，亦即将电网、整流器、逆变器、电动机、生产机械和控制系统等作为一个整体，从系统上进行考虑。这是二十一世纪必将实现的目标。

⑹绿色化：电力电子成套装置所消耗的大量无功功率及所产生的谐波电流严重地污染了电网。这种污染类似现代工业对地球的污染。现在将越来越引起人们的重视，治理电力电子成套装置污染的方法是设法补偿无功功率和谐波，即采用无功功率静止补偿装置和电力有源滤波器。但更积极的方法是使电力电子成套装置具有所需的功能，又不消耗无功功率，不产生谐波，为此采用自换相整流装置，并对其进行PWM控制。

2、DC/AC逆变器用电力半导体器件的发展

DC-AC逆变技术能够实现直流电能到交流电能的转换，可以从蓄电池、太阳能电池等直流电能变换得到质量较高的、能满足负载对电压和频率要求的交流电能。DC-AC逆变技术在交流电机的传动、不间断电源（UPS）、变频电源、有源滤波器、电网无功补偿器等许多场合得到了广泛的应用。DC-AC逆变技术的基本原理是通过半导体功率开关器件（例如SCR，GTO，GTR，IGBT和功率MOSFET模块等）的开通和关断作用，把直流电能变换成交流电能，因此是一种电能变换装置。由于是通过半导体功率开关器件的开通和关断来实现电能转换的，因此转换效率比较高，但转换输出的波形却很差，是含有相当多谐波成分的方波。而多数应用场合要求逆变器输出的是理想的正弦波，因此如何利用半导体功率开关器件的开通和关断的转换，使逆变器输出正弦波和准正弦波就成了DC-AC逆变器技术发展中的一个主要问题。今后，随着工业和科学技术的发展，对电能质量的要求将越来越高，DC-AC逆变器在这种变换中的作用也会日益突显出来。

3、逆变器的应用领域

3.不间断电源UPS中的核心环节-逆变器；

4.作为校表台产品的电压、电流标准源-电压功率放大器、电流功率放大器。5）交流电机调速系统中的核心环节―逆变器。

4、结论

电力半导体成套装置正向着高性能化、标准化、智能化、全数字化控制、系统化、绿色化方向发展。事实证明近年来，软开关技术在电力电子变换器中的应用越来越引起人们的关注。在DC-AC变换器领域，自谐振直流环节逆变器（RD-CLD）和谐振极逆变器（RPI）两种开关拓扑提出后，软开关DC-AC变换器技术得到了迅速发展。采用软开关技术可以降低变换器的换流损耗，省去开关元件上的缓冲电路，提高工作频率和可靠性，改善变换器的效率，减小体积和重量，因而具有许多优点，有着广阔的应用前景。