簡述逆變技術發展

摘 要：逆變技術通過功率開關器件將直流電能變換為交流電能，其在電力系統、新能源發電、不間斷電源、調速系統等領域具有至關重要的地位。根據輸入輸出是否電氣隔離，逆變器可分為非隔離型與隔離型逆變器；根據功率變換級數分，逆變器可分為多級式逆變器與單級式逆變器。

關鍵詞：逆變技術；電力系統；交流電

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.24.135

0 引言

人類社會的進步與發展離不開對能源的使用。進入第二次工業革命以來，電能被廣泛應用于生產、生活中；電能具有高效、方便、清潔等特點，使得電能極大的開發與應用；同時電能更是促進了人類社會生產力的極大提高。然而，人類社會對能源的開發和利用對環境造成了嚴重的破壞，環境問題已經成為人類社會發展的一個重大考驗。如何實現節約資源、保護環境、實現長期的可持續發展是當今世界各國面臨的重大挑戰。世界能源的消耗有一大部分是以電能的形式體現的，如何提高電能的質量、電能的利用效率對節約能源、保護環境有重大意義。

電力電子技術為實現電能的高效變換奠定了基礎。以電力電子半導體器件作為功率開關輔以微電子芯片和數字控制技術的結合，可以使電能滿足負載的需求，實現電能的高效、高質量變換[1-3]。

電能變換的四大類之一：逆變技術已廣泛地應用到生活、生產等場合。網絡極大發展，建立了越來越多的數據中心，而數據中心往往要求能夠有更高質量，更加穩定的電源，其核心是逆變器。

太陽能、潮汐能等新能源發電技術的核心就包括了逆變技術。此外，逆變技術還應用于電機傳動調速領域、電力系統中的高壓直流輸電、小型家用電器等。

1 逆變技術的發展

1.1 非隔離逆變技術

非隔離逆變器電路結構。其核心是一個工頻逆變環節，將直流量輸入逆變為交流量輸出，在輸入與輸出側加入濾波器構成由源向負載提供能量的一個變換器。

根據輸入源是恒壓源還是恒流源，還可將其分為電壓源型直接變換逆變器和電流源型直接變換逆變器。無隔離逆變器特點：（1）電路結構簡潔，效率高。（2）輸入輸出無電氣隔離；電壓匹配能力弱。

1.2 低頻環節逆變技術

非隔離逆變器電路結構簡潔、性能可靠，但是輸入與輸出之間沒有電氣隔離，不能適用于一些安全要求較高的場合。為了解決直接變換逆變器的不足，在其逆變環節與負載之間加入工頻變壓器實驗輸入與輸出的電氣隔離及電壓調整。這種逆變方式技術成熟，性能可靠[3]。

由于變壓器的工作在低頻狀態，其缺點明顯。（1）變壓器工作頻率低，體積、重量大。（1）系統動態響應差。（3）存在工頻噪音。（4）輸出濾波器工作頻率為工頻，體積、重量大。

1.3 高頻環節逆變技術

（1）高頻隔離型多級式逆變器。高頻隔離多級多逆變器拓撲，這類逆變器前級是一個帶高頻變壓器的DC/DC變換器，直流變換器后級經過電容儲能，再經一個不隔離的逆變器實現直流輸入到交流輸出，利用高頻變壓器實現輸入與輸出側的電氣隔離，用高頻變壓器替代了傳統拓撲中的工頻變壓器，減小了逆變器的體積重量。這類拓撲中間的DC-DC變換器的可以根據需要進行選擇，可以是正激式、反激式、推挽式、橋式[1]。這類拓撲的與低頻環節逆變器拓撲相比。1）采用高頻變壓器替代工頻變壓器，降低了變換器的體積與重量。2）能量傳輸增加了中間直流儲能環節，實現了前后級控制耦，控制靈活，可靠性高。3）多級能量變換導致了系統的效率低，系統容量受限制。

（2）高頻隔離型單級式逆變器。由于高頻隔離的多級式變換拓撲經過多級能量變換，變換器效率低等缺點，發展出了一種無中間儲能環節的高頻隔離型拓撲，即單級DC/HFAC/LFAC式拓撲。

1）電壓型高頻變換器單級變換逆變器。單級變換逆變器又可分為電壓型和電流型兩種。電壓源高頻環節逆變器電路結構，其經高頻逆變器將直流源變換為高頻交流脈沖輸出，經高頻變壓器傳輸到副邊，再經周波變換器和輸出濾波器將高頻交流脈沖變換為工頻交流輸出；這類變換器具有雙向功率流、單級功率變換（DC-HFAC-LFAC）、變換器變換級數少、效率高等特點。但是高頻變換器寄生參數漏感會引起變壓器兩邊功率開關管電壓尖峰，通過適當的采用有源箝位的方式配合周波變換器，可以有效的抑制變壓器漏感引起的電壓尖峰。

2）電流型高頻變換器單級變換逆變器。電流型高頻環節逆變器是其于Buck-Boost變換器的構成的逆變器拓撲，其包括全橋式，半橋式、推挽式、單管電路。其工作原理有別于電壓型高頻環節逆變器，其在每個高頻開關周期是將輸入能量先存儲于反激變壓器中，然后再將變壓器的能量釋放到輸出側。相比于電壓型高頻環節逆變器，它其有一些獨特的優點，如：a）輸出濾波器簡潔；b）周波變換器相比于電壓型的大大簡化，減少了功率開關數量；c）由于功率開關的電流與電路的儲能電流，即輸入輸出電流，易于實現對功率開關管的過電流保護[2]。高頻隔離型單級式逆變器主要特點：a）輸入輸出電氣隔離，電壓匹配能力強。b）高頻隔離，電路結構簡潔，功率密度高。c）單級功率變換，效率高。

2 結論

逆變技術廣泛應用于生產生活的各個方面，非隔離逆變技術、低頻環節逆變技術具有電路結構簡潔、性能可靠等優點，在過去被廣泛應用，但其體積大、性能低等缺點無法克服，將越來越無法適應時代的發展。采用高頻隔離的逆變器技術相對復雜，但其功率密度高、性能優越，在生產生活中將會被廣泛應用。

參考文獻：

[1]孫孝峰，顧和榮，王立喬等.高頻開關型逆變器及其并聯并網技術[M].北京：機械工業出版社，2011：1-13.

[2]王兆安.電力電子技術[M].北京：機械工業出版社，2004.

[3]陳道煉.DC-AC逆變技術及其應用[M].北京：機械工業出版社，2003.

作者簡介：陳德燦（1990-），男，福建德化人，碩士研究生，助理工程師，輸電運維中級工，研究方向：輸電網絡。