适用于可再生能源的 DC-AC 电压源逆变器的实验设计
适用于可再生能源的 DC-AC 电压源逆变器的实验设计

本拉赫比布·布阿拉姆 $^{1 *}$ ， Abelkader Lakhdari $^{1}$ 、Noureddine Bouarroudj $^{1}$ 、 Bennaceur Fares $^{2}$ ， Dahbi Abedeljalil $^{3}$ ，阿卜杜勒克里姆·塔穆尔 $^{1}$ 1- Unite de Recherche Appliquée en Energies Renouvelables， URAER， Centre de Développement des Energies Renouvelables， CDER，47133， Ghardaïa， Alegria2-Département d'Électronique et des Télécommunications， Université Kasdi Merbah Ouargla， 30000，瓦尔格拉，阿尔及利亚3-Unite de Recherche en énergies Renouvelables en Milieu Saharien （URERMS）， Centre de Développement des Energies Renouvelables （CDER）， Adrar， 01000， Alegria*通讯作者 Email： bouallam30@gmail.com
*通讯作者 Email： bouallam30@gmail.com

抽象抽象

本文旨在开发一种适用于电动汽车等可再生能源应用的经济实惠的 DC-AC 电压源逆变器（VSI）。使用风能和太阳能并网需要将电力转换为替代电以进行能源适应。采用电子晶闸管的传统逆变器具有固有的局限性。为了克服这些缺点并提高整体效率和性能，现代逆变器采用了 IGBT（绝缘栅双极晶体管）模块，解决了以前设计的缺点。本文全面描述了三相 DC-AC 电压源逆变器的电源电路板和驱动电路板的设计和实现。此外，低成本构建的 VSI 可以通过 3.3 至 15 伏的信号进行控制。这些功能允许使用提供低电压的低成本微控制器，例如 Arduino、DSP、Raspberry Pi 等，而不是赛米控的商用 VSI，后者需要额外的驱动器将信号控制电压升至 15 伏。最终，通过使用比例积分（PI）控制器在开放和封闭控制模式下进行的实验测试来验证所设计逆变器的有效性和效率。所得结果肯定了所实现的电压源逆变器的有效性和效率。
本文旨在开发一种适用于电动汽车等可再生能源应用的经济实惠的 DC-AC 电压源逆变器（VSI）。使用风能和太阳能并网需要将电力转换为替代电以进行能源适应。采用电子晶闸管的传统逆变器具有固有的局限性。为了克服这些缺点并提高整体效率和性能，现代逆变器采用了 IGBT（绝缘栅双极晶体管）模块，解决了以前设计的缺点。本文全面描述了三相 DC-AC 电压源逆变器的电源电路板和驱动电路板的设计和实现。此外，低成本构建的 VSI 可以通过 3.3 至 15 伏的信号进行控制。这些功能允许使用提供低电压的低成本微控制器，例如 Arduino、DSP、Raspberry Pi 等，而不是赛米控的商用 VSI，后者需要额外的驱动器将信号控制电压升至 15 伏。最终，通过使用比例积分（PI）控制器在开放和封闭控制模式下进行的实验测试来验证所设计逆变器的有效性和效率。所得结果肯定了所实现的电压源逆变器的有效性和效率。
本文旨在开发一种适用于电动汽车等可再生能源应用的经济实惠的 DC-AC 电压源逆变器（VSI）。使用风能和太阳能并网需要将电力转换为替代电以进行能源适应。采用电子晶闸管的传统逆变器具有固有的局限性。为了克服这些缺点并提高整体效率和性能，现代逆变器采用了 IGBT（绝缘栅双极晶体管）模块，解决了以前设计的缺点。本文全面描述了三相 DC-AC 电压源逆变器的电源电路板和驱动电路板的设计和实现。此外，低成本构建的 VSI 可以通过 3.3 至 15 伏的信号进行控制。这些功能允许使用提供低电压的低成本微控制器，例如 Arduino、DSP、Raspberry Pi 等，而不是赛米控的商用 VSI，后者需要额外的驱动器将信号控制电压升至 15 伏。最终，通过使用比例积分（PI）控制器在开放和封闭控制模式下进行的实验测试来验证所设计逆变器的有效性和效率。所得结果肯定了所实现的电压源逆变器的有效性和效率。

关键词 - 电压源逆变器（VSI）、电源电路、导向驱动电路、PCB、闭环控制、比例积分（PI）控制器。
关键词 - 电压源逆变器（VSI）、电源电路、导向驱动电路、PCB、闭环控制、比例积分（PI）控制器。

I. 导入 I. 导入

在我们追求可持续和环保的未来方面，可再生能源的重要性怎么强调都不为过。与有限的化石燃料不同，来自太阳能、风能、水力和地热等来源的可再生能源非常丰富，并利用了地球的自然、可补充的循环。采用可再生能源对于缓解气候变化、减少温室气体排放和减少对不可再生资源的依赖至关重要[1]。

可再生能源，尤其是风能和太阳能，已经得到了广泛的重视。根据《可再生能源全球现状报告（2023 年）》（REN21），预计到 2023 年，风能将引领美国、欧洲和中国的新发电容量，全球装机容量将达到 906 吉瓦，如图 1 所示。风能的可靠性和相关优势促使许多企业和私营实体转向这种能源形式。然而，风力发电的
可再生能源，尤其是风能和太阳能，已经得到了广泛的重视。根据《可再生能源全球现状报告（2023 年）》（REN21），预计到 2023 年，风能将引领美国、欧洲和中国的新发电容量，全球装机容量将达到 906 吉瓦，如图 1 所示。风能的可靠性和相关优势促使许多企业和私营实体转向这种能源形式。但是，地理限制导致光伏系统的集成克服了这一限制 [1]。在日本、印度、中国和美国等市场，太阳能光伏系统已成为清洁能源的主要来源。值得注意的是，2022 年，全球太阳能光伏装机容量大幅飙升约 243 吉瓦，全球累计装机容量达到 1185 吉瓦。

图 1. 2012 年至 2022 年太阳能光伏和风能的年容量和全球装机量。[2]
图 1.2012 年至 2022 年太阳能光伏和风能的年容量和全球装机量。[2]

我们制造能源的方式正在朝着更智能、更小的电力系统发展，需要使用可再生能源。但是，由于这些能源来来去去，我们必须同时使用多个逆变器才能很好地分担负载。因此，逆变器在这些较小的电源系统中变得非常重要。然而，由于能源不同而拥有许多逆变器会使
我们制造能源的方式正在朝着更智能、更小的电力系统发展，需要使用可再生能源。但是，由于这些能源来来去去，我们必须同时使用多个逆变器才能很好地分担负载。因此，逆变器在这些较小的电源系统中变得非常重要。然而，由于能源不同，拥有许多逆变器使得整个系统更加昂贵。因此，我们需要找到一种方法，让逆变器更便宜，同时仍然运行良好。[3].

逆变器在将电流从一种形式转换为另一种形式方面起着至关重要的作用。具体来说，逆变器将直流电（DC）转换为交流电（AC），而转换器则相反，将交流电转换为直流电。此外，还有 DC-DC 转换器可以通过增加或降低直流电来改变直流电的电压[4]。逆变器将电池或太阳能电池板的电力转换为 60 或 50 Hz 的交流电。它们可以采用基于变压器的架构或使用高频开关运行。逆变器可以独立运行，也可以连接到电网，也可以是两者的组合[5]。与电气系统中的其他组件一样，使用逆变器会因效率低下而导致能量损失[6]。尽管如此，逆变器仍然是一个有吸引力的选择，因为使用交流电运行的设备种类繁多，具有成本效益。逆变器非常适合一系列应用，包括电动汽车系统、电机推进系统、航空航天应用电力系统、并网和分布式环境中使用的太阳能系统以及风能系统。[7].

本文的主要目的是详细概述经济高效且简单的三个 DC-AC 电压源逆变器（VSI）的设计和实际应用。该 VSI 专为满足学生和研究人员的要求而设计，非常适合学术机构和实验室环境。此外，已经进行了各种实验来证明该逆变器在独立能源生产系统中的相关性。
本文的主要目的是详细概述经济高效且简单的三个 DC-AC 电压源逆变器（VSI）的设计和实际应用。该 VSI 专为满足学生和研究人员的要求而设计，非常适合学术机构和实验室环境。此外，已经进行了各种实验来证明该逆变器在独立能源生产系统中的相关性。

本文的结构概述如下：第 2 节详细介绍了电源和驱动电路的设计，包括对用于电路板（PCB）设计和打印的软件的见解。第 3 节讨论了所实现电路的实验结果。最后，第 4 节总结了要点并提出了结论。

II. VSI 电路设计

为了构建 DC-AC VSI，使用了两个电路板：一个用于电源电路，另一个用于驱动电路。以下部分介绍了每个电路板的规格。

A. 基于 SKHI22-A 驱动器的逆变器导向驱动电路板的设计。

新设计的卡涉及 ULN2804 型信号放大器。该放大器在增强由特定微控制器生成的 PWM（脉宽调制）信号方面起着至关重要的作用[8]。在参考图 2 时，很明显，在我们的特定设置中，我们使用的是 Dspace-1104 卡作为首选的微控制器。在这个放大阶段之后，加入了 CD4069 型逆变器。该逆变器具有双重用途：它不仅可以反转 PWM 信号[9]，还可以提供相同的互补信号，确保我们的设计增加了一层多功能性和控制。

过渡到我们系统中的下一个组件，我们有 SKI22A 驱动程序。可以参考图 3 来仔细了解其架构。该驱动器的主要职责是管理 IGBT（绝缘栅双极晶体管）模块运行所需的开闭脉冲的精确传递[10]。这些脉冲本质上是特殊的，起源于一个明显的矩形波形的末端。就幅度值而言，这些脉冲可以可视化为达到 +15 V 的峰值和 -7 V 的谷值。图 4 提供了这些脉冲的详细表示，包括它们的上升和下降特性。

图 2. 基于 SKHI22A 的逆变器导向驱动卡
图 2.基于 SKHI22A 的逆变器导向驱动卡

图 3. SKHI22A 驱动程序的内部架构图 3.SKHI22A 驱动程序的内部架构

图例.4. 控制脉冲

1) $P C B$ 设计
1） $P C B$ 设计

PCB 控制板是使用 EASYEDA 软件[5] 设计的，该软件允许调整组件之间的距离并定义电路板的封装和确切尺寸。电路板的结果图如下图所示：

图 5 使用 EASYEDA 软件的导向驱动板示意图

B. VSI 电源电路板的设计

我们设计中的电源段是精心挑选组件的证明，保证了最佳性能和耐用性，以实现可扩展和模块化设计的目标。表 1 概述了功率级考虑的关键设计标准。该细分市场的核心是三个 IGBT（绝缘栅双极晶体管）模块。这些不仅仅是任何通用的 IGBT;它们配备了续流二极管（D1 和 D2），通过允许电流的安全耗散，在提供保护和提高效率方面发挥着至关重要的作用[11]。值得一提的是，这些模块是半导体制造领域的知名品牌 Semikron 的产品。具体来说，我们选择了他们的 SKM00GB25DN 模型，该模型以其可靠性和卓越性能而著称[12]。

TAbLe 1.POWER 板的设计标准。

参数	价值	单位
直流母线电压	400	V
最大功率	10000	W
工作频率	50	千赫

此外，如果直流母线电压为 400 V ，则可以获得每相的高输出电压，因此，可以在

220 / 380 V

网格[4]。直流母线的电容器值可以用（1）表示。

C = \frac{P_{nom}}{2 * w * V_{d c} * Δ V_{d c}}

成为 Power 值

P_{nom} = 10000 W

，电容器 VDC 上的电压

= 400 V

，其变体为

1 %

在 DVDC 中

=

4 V ，导致最小值

C = 2200 μ F

在电源部分补充 IGBT 模块是

2200 μ F

电容器。该电容器有助于消除电压波动，确保系统即使在不同的负载条件下也能保持稳定。进一步增强设计的是加入了一个二极管，特别是 BY255 （D3）型[13][14]。该二极管具有独特的特性，有助于整流电流，并为整个组件提供额外的保护层。

这些组件的空间布置和布局经过仔细考虑，以确保最佳散热、易于维护和高效的功率流。这些模块的精确定位以及它们的互连可以在随后的表示中可视化。

表 3 显示了所选SKM00GB25DN的关键参数[15]。为了防止电压瞬变对 VSI 电池造成潜在损坏，安全裕度为

80 %

建议在电压和电流水平中选择开关设备[4]。

表 2.2.THE SKM00GB25DN 在 25C 时的电气参数。

参数

象征

价值

单位

栅极-源极电压

V_{DSmax}

1.2

千伏

栅极-源极电压

V_{GSmax}

4.5 - 6.5

连续漏极电流

模式

I_{D}

一个

二极管反向电流

I_{F}

结温

TJmax

40 - - + 150

C^{\circ}

功耗

帕金森

0.18

千瓦

电阻 ON 模式

RDS (on)

12 - 17.3

m Ω

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