CN101674027B

CN101674027B - 一种抑制逆变器输出变压器直流偏磁的方法及装置

Info

Publication number: CN101674027B
Application number: CN200810149447A
Authority: CN
Inventors: 叶万富; 赵众; 余鸿
Original assignee: Liebert Corp
Current assignee: Vertiv Corp
Priority date: 2008-09-10
Filing date: 2008-09-10
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2028-09-10
Also published as: CN101674027A

Abstract

本发明公开了一种抑制逆变器输出变压器直流偏磁的方法及装置，方法包括：对变压器原边的直流分量进行处理获得第一补偿量，对正、负母线电压的差值进行处理获得第二补偿量；对第一补偿量和第二补偿量进行叠加运算获得最终的补偿量，最终的补偿量参与控制，对变压器的直流偏磁进行抑制。装置包括直接控制单元：用于对变压器原边的直流分量进行处理获得第一补偿量；间接控制单元：用于对正、负母线电压的差值进行处理获得第二补偿量；抑制单元：用于对第一补偿量和第二补偿量进行叠加运算获得最终的补偿量，最终的补偿量参与控制，对变压器的直流偏磁进行抑制。本发明可使系统在动态和稳态情况下均具有很好的抑制变压器偏磁的能力，提高可靠性。

Description

一种抑制逆变器输出变压器直流偏磁的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种抑制逆变器输出变压器直流偏磁的方法，本发明还涉及一种抑制逆变器输出变压器直流偏磁的装置。

背景技术

在实际应用中，逆变器是将特定的直流电转换为指定的交流电。目前，整个逆变器系统通常采用半桥或全桥电路结构，同时为了能够将负载与供电系统进行电气隔离通常会在逆变器的输出配置工频隔离变压器，这样该系统可以由四个部分组成，分别为可控的功率开关器件(IGBT或MOSFET)通过半桥或全桥结构组成的逆变器，LC低通滤波器，工频隔离变压器T和负载。

对于不间断电源(Uninterruptible Power Supply，UPS)，逆变器是整个在线双变换式UPS系统的核心部分。当市电正常时，UPS通过完成交流-直流-交流的功率变换给负载供电；当市电异常时，UPS由电池经功率变换器给负载供电。也就是说除了UPS主路发生故障时，通过旁路市电给负载供电之外，负载的电源都是由逆变器供给，因此，逆变器输出的质量直接决定整个UPS系统的供电性能和可靠性。

然而，由于控制系统精度的限制，如给定参考正弦调制波、三角载波的不对称，以及各桥臂中的功率开关器件的开关特性，导通压降以及驱动电路通道等因素的差异，都会导致逆变器的输出波形中存在直流成份。不仅如此，在系统动态过渡过程中，如逆变器软启动，以及输出侧负载变化(突加、突卸负载)时，也会使逆变器输出含有几个周波的直流分量。无论是系统稳态运行还是动态过渡过程中产生的直流分量都会使得接在逆变器输出侧的变压器产生偏磁。当直流偏磁累积到一定程度后就可以使变压器铁芯发生饱和，同时伴随励磁电流增大，损耗增加，严重的时候还会影响逆变器的正常工作，影响系统的可靠运行。

目前，消除变压器偏磁的主要技术有：通过改变变压器的设计来抑制偏磁。具体做法为，在其铁芯加气隙，就可以使得变压器能承受较大的直流电流且不容易饱和。但是这种方案中气隙的引入会减小变压器的励磁电感，从而增大励磁电流，这样就使得变压器的损耗增加，导致整个UPS系统效率降低。

在电路的拓扑结构中加入隔直电容。将隔直电容与变压器原边绕组串联，来阻断直流分量。这种方案虽然简单、可操作性强。但是隔直电容的引入增加了电路的复杂程度，而且大功率隔直电容的选取也非常困难，同时增加了整个UPS系统的体积和成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是为了克服以上的不足，提出了一种效果好的抑制逆变器输出变压器直流偏磁的方法及装置。

本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：

一种抑制逆变器输出变压器直流偏磁的方法，包括如下步骤：第一步：对变压器原边的直流分量进行处理获得第一补偿量，对正、负母线电压的差值进行处理获得第二补偿量；第二步：对第一补偿量和第二补偿量进行叠加运算获得最终的补偿量，所述最终的补偿量参与控制，对变压器的直流偏磁进行抑制；所述第一步中对正、负母线电压的差值进行处理包括：先使正、负母线电压的差值与0进行比较，并将比较结果进行调节和限幅处理；所述第一步中变压器原边的直流分量的处理包括：先使变压器原边的直流分量与0进行比较，并将比较结果进行调节和限幅处理。

所述第一步中对正、负母线电压的差值的处理包括：先对正、负母线电压的差值进行滤波处理，再将滤波后的正、负母线电压的差值与0进行比较，并将比较结果进行调节和限幅处理。

所述滤波处理具体包括：判断逆变器的负载是否小于第一预设值；如果逆变器的负载小于第一预设值则将第一滤波常数与正、负母线电压的差值相乘得到滤波后的正、负母线电压的差值；如果逆变器的负载不小于第一预设值则判断逆变器的负载是否大于第二预设值；如果逆变器的负载大于第二预设值则将第二滤波常数与正、负母线电压的差值相乘得到滤波后的正、负母线电压的差值；如果逆变器的负载不大于第二预设值则将第三滤波常数与正、负母线电压的差值相乘得到滤波后的正、负母线电压的差值。

所述变压器原边的直流分量为直流电压分量或直流电流分量。

所述逆变器为单相半桥逆变器或三相逆变器。

一种抑制逆变器输出变压器直流偏磁的装置，包括：

直接控制单元：用于对变压器原边的直流分量进行处理获得第一补偿量；间接控制单元：用于对正、负母线电压的差值进行处理获得第二补偿量；抑制单元：用于对第一补偿量和第二补偿量进行叠加运算获得最终的补偿量，所述最终的补偿量参与控制，对变压器的直流偏磁进行抑制；所述间接控制单元包括正、负母线电压差值获取器、第二比较器和第二调节器；所述正、负母线电压差值获取器用于获取正、负母线电压差值，所述第二比较器用于将正、负母线电压差值和0进行比较，所述第二调节器用于对比较结果进行调节和限幅处理；所述直接控制单元包括直流分量获取器、第一比较器和第一调节器；所述直流分量获取器用于获取变压器原边的直流分量，所述第一比较器用于将变压器原边的直流分量与0进行比较，所述第一调节器用于对比较结果进行调节和限幅处理。

所述间接控制单元包括正、负母线电压差值获取器、滤波器、第二比较器和第二调节器；所述正、负母线电压差值获取器用于获取正、负母线电压差值，所述滤波器用于对正、负母线电压的差值进行滤波处理，所述第二比较器用于将滤波后的正、负母线电压差值和0进行比较，所述第二调节器用于对比较结果进行调节和限幅处理。

所述滤波器具体用于：判断逆变器的负载是否小于第一预设值；如果逆变器的负载小于第一预设值则将第一滤波常数与正、负母线电压的差值相乘得到滤波后的正、负母线电压的差值；如果逆变器的负载不小于第一预设值则判断逆变器的负载是否大于第二预设值；如果逆变器的负载大于第二预设值则将第二滤波常数与正、负母线电压的差值相乘得到滤波后的正、负母线电压的差值；如果逆变器的负载不大于第二预设值则将第三滤波常数与正、负母线电压的差值相乘得到滤波后的正、负母线电压的差值。

所述逆变器为单相半桥逆变器或三相逆变器。

本发明与现有技术对比的有益效果是：

本发明提供了一种抑制逆变器输出变压器直流偏磁的方法及装置，本发明在对变压器原边直流分量进行直接控制的同时，加入了正负母线电压差的控制环节来保证正负母线的平衡，从而间接地控制变压器原边的直流分量。这种组合式控制技术，可以使系统在动态和稳态情况下均具有很好的抑制变压器偏磁的能力，提高系统工作的可靠性。本发明无需添加任何器件，提高了系统的灵活性，并节省了成本。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中单相半桥逆变器原理框图；

图2是本发明具体实施方式的第一种抑制逆变器输出变压器直流偏磁的装置的结构示意图；

图3是本发明具体实施方式的一种抑制逆变器输出变压器直流偏磁的方法的流程示意图；

图4是使用本发明时逆变器在软启动过程中的波形示意图；

图5是使用本发明时逆变器带变压器空载稳态运行时的波形示意图；

图6是本发明具体实施方式的第二种抑制逆变器输出变压器直流偏磁的装置的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体的实施方式并结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明先以单相半桥逆变器为例进行说明。对于单相半桥逆变器，整个系统由分裂式直流母线电容，可控的功率开关器件S1、S2，LC低通滤波器和单相工频隔离变压器T组成。下面简单介绍一下半桥逆变器的工作原理(假定滤波电感电流连续)：功率开关器件S1、S2为互补高频开关工作。当滤波电感电流I_L为正时(假定图中从功率开关器件S1、S2的连接点流向电感的方向为I_L的正方向)，正母线电容通过S1开通，由经滤波器给变压器供电，供电回路为：从正母线电容依次流经功率开关器件S1、电感L、变压器T原边、再回到正母线电容。当功率开关器件S1关断，滤波器和变压器通过功率开关器件S2内部寄生的反并联二极管D2对负母线电容进行充电，充电回路为：从负母线电容依次流经功率开关器件S2、电感L、变压器T原边、再回到负母线电容。反之，若I_L为负时，功率开关器件的开关状态及其反并联二极管的续流状态与前面介绍的刚好相反，这里将不再详细描述。

从上面所介绍的半桥逆变器的工作原理可以知道，当滤波电感电流不存在直流成分时，正、负母线电压的平均值是均衡的，正、负母线的输出功率也相同；若有正方向的直流电流分量存在，则一个工频周期内正母线的输出功率大于负母线的输出功率，当负母线由于正方向的直流电流分量的存在所吸收的功率大于其输出功率时，则会导致负母线的电压高于正母线电压；反之，则一个工频周期内负母线的输出功率大于正母线的输出功率，当正母线由于负方向的直流电流分量的存在所吸收的功率大于其输出功率时，则会导致正母线的电压高于负母线电压。

从上可知，半桥逆变器的优点是结构简单，使用器件少，缺点是工作时需要控制正负直流母线电压的均衡，若输出变压器原边含有直流成分，则必然会加剧正负直流母线之间电压的不平衡，不利于直流母线电压的稳定。因此，抑制变压器的直流偏磁对整个半桥逆变器系统的稳定运行就显得非常重要。

如图3所示，一种抑制逆变器输出变压器直流偏磁的方法，包括如下步骤：

第一步：检测当前正母线电压Udc+、负母线电压Udc-，获得正、负母线电压的差值ΔUdc。检测变压器原边的直流分量，获得变压器原边的直流分量DC component。

第二步：对正、负母线电压的差值ΔUdc进行滤波处理，再对滤波后的正、负母线电压的差值进行调节和限幅处理。所述滤波处理具体包括：判断逆变器的负载是否小于第一预设值a；如果逆变器的负载小于第一预设值则将第一滤波常数C1与正、负母线电压的差值ΔUdc相乘得到滤波后的正、负母线电压的差值。如果逆变器的负载不小于第一预设值a则判断逆变器的负载是否大于第二预设值c；如果逆变器的负载大于第二预设值c则将第二滤波常数C2与正、负母线电压的差值相乘得到滤波后的正、负母线电压的差值。如果逆变器的负载不大于第二预设值c则将第三滤波常数C3与正、负母线电压的差值ΔUdc相乘得到滤波后的正、负母线电压的差值。所述滤波处理，根据负载大小进行不同程度的滤波，可以消除直流母线正常波动产生的误动作，从而改善最终的抑制效果。如需简化，所述滤波处理也可省去。所述第一预设值a小于第二预设值c。

第三步：对变压器原边的直流分量进行处理获得第一补偿量，所述处理包括：先使变压器原边的直流分量与0进行比较，并将比较结果进行调节和限幅处理。所述调节可以为比例积分(PI)调节或比例(P)调节。

对滤波后的正、负母线电压的差值进行处理获得第二补偿量，所述处理包括：将滤波后的正、负母线电压的差值与0进行比较，并将比较结果进行调节和限幅处理。如果省去第二步，则直接将正、负母线电压的差值与0进行比较，并将比较结果进行调节和限幅处理以获得第二补偿量。

第四步：对第一补偿量和第二补偿量进行叠加运算获得最终的补偿量，所述最终的补偿量参与控制，对变压器的直流偏磁进行抑制。

如图2所示，一种抑制逆变器输出变压器直流偏磁的装置，包括：直接控制单元1、间接控制单元2和抑制单元3。

直接控制单元1：用于对变压器原边的直流分量进行处理获得第一补偿量。所述直接控制单元1包括直流分量获取器11、第一比较器12、第一调节器13。所述直流分量获取器11用于获取变压器原边的直流分量，所述第一比较器12用于将变压器原边的直流分量与0进行比较，所述第一调节器13用于对比较结果进行调节和限幅处理。

直接控制单元1先对变压器原边电压或电流进行检测，进行硬件滤波得到其中的直流分量，然后软件对其进行采样，定标后得到DC_component与给定量0进行比较，得到的偏差进行相应的调节和限幅处理，生成第一补偿量。若变压器原边的直流分量DC_component为正值，需要调节出一个负的补偿量将其抵消。0与直流分量DC_component作差后为负值，经第一调节器后生成负的补偿量，因此，第一补偿量对最终补偿量的综合符号为“+”。

所述间接控制单元2：用于对正、负母线电压的差值ΔUdc进行处理获得第二补偿量。所述间接控制单元2包括正、负母线电压差值获取器21、第二比较器22和第二调节器23。所述正、负母线电压差值获取器21用于获取正、负母线电压差值，所述第二比较器22用于将正、负母线电压差值ΔUdc和0进行比较，所述第二调节器23用于对比较结果进行调节和限幅处理。

间接控制单元，先对正、负直流母线进行实时采样后作差得到ΔU_dc，ΔU_dc为瞬时值，正、负母线电压差值ΔU_dc与给定量0进行比较，得到的偏差进行相应的调节和限幅处理后得到第二补偿量。当电感电流存在正的直流分量时，ΔU_dc＜0，0与ΔU_dc作差后为正值，经第二调节器调节后生成正的补偿量，但是为了消除正的直流分量，此时，第二补偿量对最终补偿量的综合符号为“-”，反之亦然。

抑制单元3：用于对第一补偿量和第二补偿量进行叠加运算获得最终的补偿量，所述最终的补偿量参与控制，对变压器的直流偏磁进行抑制。

如图6所示，所述间接控制单元2还可包括直流分量获取器21、第二比较器22、第二调节器23和滤波器24。所述直流分量获取器21用于获取变压器原边的直流分量。所述滤波器24用于：判断逆变器的负载是否小于第一预设值；如果逆变器的负载小于第一预设值则将第一滤波常数与正、负母线电压的差值相乘得到滤波后的正、负母线电压的差值；如果逆变器的负载不小于第一预设值则判断逆变器的负载是否大于第二预设值；如果逆变器的负载大于第二预设值则将第二滤波常数与正、负母线电压的差值相乘得到滤波后的正、负母线电压的差值；如果逆变器的负载不大于第二预设值则将第三滤波常数与正、负母线电压的差值相乘得到滤波后的正、负母线电压的差值。所述第二比较器22用于将滤波后的变压器原边的直流分量与0进行比较，所述第二调节器23用于对比较结果进行调节和限幅处理。

增设滤波器24可以获得更精确的第二补偿量。由于单相半桥结构的特殊性，负载大小会对瞬时采样作差得到的ΔU_dc有影响，为了避免控制的误作用，本发明还根据负载的大小，对ΔU_dc进行不同程度的滤波，(负载率越大，滤波常数也越大)，以消除直流母线正常波动产生的误动作。从而可使最终的抑制效果更准确。

直接控制单元直接检测变压器原边的直流分量，并对其进行调节后生成第一补偿量。由于直流分量的获取需要经过工频级以上的滤波，因此该直接控制单元的作用是对逆变器稳态运行和正、负直流母线做功不对称但其电压无偏差情况下进行变压器偏磁的抑制。间接控制单元则是在变压器原边存在直流分量时，根据半桥逆变器工作的特点，正负母线产生明显的电压偏差，通过对此电压偏差进行调节生成第二补偿量，来间接达到抑制变压器直流偏磁的目的。由于对母线偏差的处理仅进行小时间常数的滤波(远低于工频时间)，因此该控制环节的主要作用是对逆变器动态运行且正、负直流母线电压存在偏差的情况下进行变压器偏磁的抑制。将第一补偿量和第二补偿量进行叠加运算后即可得到最终的补偿量，因此最终的补偿量是对变压器直流偏磁的直接控制和间接控制的组合，可以对系统动态和稳态工作情况下变压器的直流偏磁起到良好的抑制作用。

本发明在一款单相工频UPS中使用，实验结果表明该抑制直流偏磁环节不仅在系统稳态运行时，能大大减小变压器原边的直流分量，而且在逆变器软启动、输出突加突卸负载等动态过程中也能起到很好的抑制直流偏磁的作用。

在UPS系统稳态运行过程中，主要以直接控制单元为主来抑制直流偏磁，间接控制单元辅助参与调节。在系统发生软启动，突加突卸等瞬态工况时，由于DC_component的滤波时间较长，调节起来速度较慢，此时以间接控制单元为主，它是控制瞬时母线电压差ΔU_dc，因此有很好的动态响应。这样两控制单元共同作用，相辅相成，最终使得整个逆变器无论是在稳态还是动态情况下都有很好地抑制变压器直流偏磁的能力，从而输出质量较高的波形。

图4为逆变器在软启动过程中，变压器空载时其原边的电压、电流波形以及直流母线电压波形。图5为逆变器带变压器空载稳态运行时，变压器空载时其原边的电压、电流波形以及直流母线电压波形。其中点划线为变压器原边电压，实线为变压器原边电流，虚线为直流母线电压。从图4可以看出，在逆变器输出电压软启动过程中，变压器的偏磁电流被有效地抑制，波形正负对称，直流成分很小；同时母线电压基本没有波动，完全实现了预想的效果。从图5可以看出，在逆变器带变压器空载稳态运行过程中，波形仍然正负对称，直流成分很小。

所述变压器原边的直流分量可以为直流电压分量，也可为直流电流分量。得到变压器原边的直流分量有很多种方式，既可以先检测原边电压(或电流)，通过硬件模拟电路滤波后得到，也可以通过直接采样其瞬时值在软件中经过数字滤波得到。

上面以单相半桥逆变器为例进行说明，本发明还可适用于三相逆变器。此时，检测量为正、负母线电压和三相隔离变压器原边每一相的直流分量。本发明除在UPS的逆变器中可以应用外，也可用在其他逆变器中。

本发明提供了一种抑制逆变器输出变压器直流偏磁的方法及装置，本发明在对变压器原边直流分量进行直接控制的同时，加入了正负母线电压差的控制环节来保证正负母线的平衡，从而间接地控制变压器原边的直流分量。这种组合式控制技术，可以使系统在动态和稳态情况下均具有很好的抑制变压器偏磁的能力，提高系统工作的可靠性。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种抑制逆变器输出变压器直流偏磁的方法，其特征在于：包括如下步骤：

第一步：对变压器原边的直流分量进行处理获得第一补偿量，对正、负母线电压的差值进行处理获得第二补偿量；

第二步：对第一补偿量和第二补偿量进行叠加运算获得最终的补偿量，所述最终的补偿量参与控制，对变压器的直流偏磁进行抑制；

其中，所述第一步中对正、负母线电压的差值进行处理包括：先使正、负母线电压的差值与0进行比较，并将比较结果进行调节和限幅处理；

所述第一步中对变压器原边的直流分量的处理包括：先使变压器原边的直流分量与0进行比较，并将比较结果进行调节和限幅处理。

2.根据权利要求1所述的抑制逆变器输出变压器直流偏磁的方法，其特征在于：所述第一步中对正、负母线电压的差值的处理包括：先对正、负母线电压的差值进行滤波处理，再将滤波后的正、负母线电压的差值与0进行比较，并将比较结果进行调节和限幅处理。

3.根据权利要求2所述的抑制逆变器输出变压器直流偏磁的方法，其特征在于：所述滤波处理具体包括：

判断逆变器的负载是否小于第一预设值；

如果逆变器的负载小于第一预设值则将第一滤波常数与正、负母线电压的差值相乘得到滤波后的正、负母线电压的差值；

如果逆变器的负载不小于第一预设值则判断逆变器的负载是否大于第二预设值；

如果逆变器的负载大于第二预设值则将第二滤波常数与正、负母线电压的差值相乘得到滤波后的正、负母线电压的差值；

如果逆变器的负载不大于第二预设值则将第三滤波常数与正、负母线电压的差值相乘得到滤波后的正、负母线电压的差值。

4.根据权利要求1所述的抑制逆变器输出变压器直流偏磁的方法，其特征在于：所述变压器原边的直流分量为直流电压分量或直流电流分量。

5.根据权利要求4所述的抑制逆变器输出变压器直流偏磁的方法，其特征在于：所述逆变器为单相半桥逆变器或三相逆变器。

6.一种抑制逆变器输出变压器直流偏磁的装置，其特征在于：包括：

直接控制单元：用于对变压器原边的直流分量进行处理获得第一补偿量；

间接控制单元：用于对正、负母线电压的差值进行处理获得第二补偿量；

抑制单元：用于对第一补偿量和第二补偿量进行叠加运算获得最终的补偿量，所述最终的补偿量参与控制，对变压器的直流偏磁进行抑制；

其中，所述间接控制单元包括正、负母线电压差值获取器、第二比较器和第二调节器；所述正、负母线电压差值获取器用于获取正、负母线电压差值，所述第二比较器用于将正、负母线电压差值和0进行比较，所述第二调节器用于对比较结果进行调节和限幅处理；

所述直接控制单元包括直流分量获取器、第一比较器和第一调节器；所述直流分量获取器用于获取变压器原边的直流分量，所述第一比较器用于将变压器原边的直流分量与0进行比较，所述第一调节器用于对比较结果进行调节和限幅处理。

7.根据权利要求6所述的抑制逆变器输出变压器直流偏磁的装置，其特征在于：所述间接控制单元包括正、负母线电压差值获取器、滤波器、第二比较器和第二调节器；所述正、负母线电压差值获取器用于获取正、负母线电压差值，所述滤波器用于对正、负母线电压的差值进行滤波处理，所述第二比较器用于将滤波后的正、负母线电压差值和0进行比较，所述第二调节器用于对比较结果进行调节和限幅处理。

8.根据权利要求7所述的抑制逆变器输出变压器直流偏磁的装置，其特征在于：所述滤波器具体用于：

判断逆变器的负载是否小于第一预设值；

9.根据权利要求6所述的抑制逆变器输出变压器直流偏磁的装置，其特征在于：所述变压器原边的直流分量为直流电压分量或直流电流分量。

10.根据权利要求9所述的抑制逆变器输出变压器直流偏磁的装置，其特征在于：所述逆变器为单相半桥逆变器或三相逆变器。