CN101877549A - 两级式直交逆变器输入电流低频脉动抑制方法 - Google Patents

Abstract

一种两级式直交逆变器输入电流低频脉动抑制方法。该方法通过在前级直直变换器(2)的电压调节器(3)之后引入谐振控制器(4)，经过谐振控制器之后输出电流调节器(5)的参考给定信号。电流调节器输出调制信号，与载波信号经过PWM信号发生器(6)比较产生PWM高频脉冲信号，最后通过逻辑控制和驱动电路(7)产生前级直直变换器各个功率管控制信号。其中谐振控制器(4)由运算放大器(OP)，电阻(R₁)、(R₂)、(R₃)、(R₄)，电容(C₁)、(C₂)、(C₃)构成。该方法具有几个突出的优点：1)有效抑制两级直交逆变器输入电流低频脉动；2)控制回路简单；3)有效减少对充当前级输入直流电源的蓄电池，燃料电池等电源使用寿命的影响。

Description

两级式直交逆变器输入电流低频脉动抑制方法

技术领域：

本发明涉及的是一种抑制两级式直交逆变器输入直流电流低频脉动的方法，属电能变换装置中的控制技术。

背景技术：

目前新能源、飞机及电动汽车等分布式发电系统中，通常兼容传统低压直流电源系统规格，如沿用28V、42V等直流电源。为获得负载所需115V或220V交流电，通常需要采用两级式架构——前级直直变换器完成逆变器输入输出电压匹配及电气隔离，后级逆变器完成直流到交流转换并给终端负载供电。

由于后级逆变器输出电压和电流都是低频交流电，因此逆变级的瞬时功率中含有两倍频脉动量，该低频脉动功率必然使前级直直变换器的输出电流出现低频脉动使逆变输入电流含较大两倍输出电压频率交流分量，由直直变换器输出滤波电感及中间母线电容共同承担。前级电感上的低频脉动分量必然会传递到前级变换器的输入端。将不可避免要求输入源具有承受较大纹波电流能力，对充当输入电压源的蓄电池燃料电池使用寿命是一个较大威胁。因此，希望能有一种方法来抑制前级直直变换器输出滤波电感支路的低频脉动从而抑制两级直交逆变器输入电压源的电流低频脉动。

发明内容：

本发明旨提出一种抑制两级直交逆变器输入电流低频脉动的方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是，在传统的双电压电流双闭环控制策略中，在电流环之前加入谐振控制器。通过谐振控制器滤除电压调节器输出的含有两倍逆变器输出电压频率的低频脉动分量的电压误差信号，并将滤除低频脉动分量后的误差电压放大信号作为电流环控制器的参考给定信号，使电流环的电流给定信号中的低频脉动量消除或减小。前级直直变换器输出滤波电感电流跟踪此参考给定信号，从而抑制前级直直变换器滤波电感电流中低频分量，进而也就抑制了直流电压源输入电流低频脉动量。

直直变换器输出电压采样信号，进入电压调节器的反相端，与同向端的电压基准信号相比较，输出电压误差放大信号。电压误差放大信号进入谐振控制器同向端，谐振控制器反向端与输出端相连。谐振控制器输出信号作为电流环的基准，进入电流比较器的同向端，电流比较器的反向端接入前级直直变换器输出滤波电感电流的采样信号。电流比较器输出调制波，与载波进入PWM信号发生器产生PWM高频脉冲信号，再经过逻辑电路，最终输出前级直直变换器功率开关管驱动信号。

本发明的两级式直交逆变器输入电流低频脉动的抑制方法采用对前级直直变换器的外环电压环控制，中间经过谐振控制器滤除低频脉动分量，内环电流环控制，从而能有效的滤除两级式直交逆变器输入电流低频脉动分量。

附图说明：

附图1是本发明的两级式直交逆变器输入电流低频脉动抑制方法控制策略结构示意图。附图1中的标号名称：(1)——输入电源；(2)——前级DC/DC变换器；(3)——电压调节器单元；(4)——谐振控制器单元；(5)电流调节器单元；(6)PWM信号产生单元；(7)逻辑及驱动电路单元。

附图2是本发明在两级式直交逆变器中对电流低频脉动抑制的主要波形示意图。

附图3是谐振控制器传递函数的波特图。

附图1中的主要符号名称：V_DC——输入直流电源，L_f——前级直直变换器输出滤波电感，C_f——前级直直变换器输出滤波电容，C₁、C₂、C₂——是谐振控制器中电容，R₁、R₂、R₃、R₄——是谐振控制器中电阻，OP——谐振控制器中运算放大器，V_o——前级直直变换器输出电压采样，V_e——电压调节器输出电压误差放大信号，V_ref——电压基准，i_ref——电流基准，i_Lf——滤波电感电流采样。

具体实施方式：

附图1是两级式直交逆变器输入电流低频脉动抑制方法控制策略结构示意图，其控制电路部分主要由电压调节器(3)、谐振控制器(4)、电流调节器(5)等组成。其中谐振控制器组成为：电阻R₁的一端与电容C₁的一端相连接构成公共端，电压调节器输出信号V_e与电阻R₁和电容C₁的公共端相连，电阻R₂的一端和电容C₂的一端相连接构成公共端，电阻R₁的另一端与电阻R₂和电容C₂的公共端相连，电阻R₂的另一端与电容C₃的一端相连接，电容C₃另一端与电容C₁另一端相连接，并且电阻R₂与电容C₃所构成的公共端进入运算放大器OP的同向端，电阻R₃一端与电阻R₄一端相互连接构成公共端，电容C₃与C₁的公共端与电阻R₃和R₄的公共端相连接，电阻R₃的另一端接地，电阻R₄的另一端与运算放大器OP的输出端相连，运算放大器OP的反向端与输出端相连接，电容C₂的另一端也一起与运算放大器OP的输出端相连接。

直直变换器输出电压采样信号V_o，进入电压调节器的反相端，与同向端的电压基准信号V_ref相比较，输出电压误差放大信号V_e。电压误差放大信号V_e进入谐振控制器同向端，谐振控制器反向端与输出端相连。谐振控制器输出信号作为电流环的基准i_ref，进入电流比较器的同向端，电流比较器的反向端接入前级直直变换器输出滤波电感电流的采样信号i_Lf。电流比较器输出调制波，与载波一同进入PWM信号发生器产生PWM高频脉冲信号，再经过逻辑电路，最终输出前级直直变换器功率开关管驱动信号。

工作原理：

下面以附图1为主，叙述本发明的具体工作原理，对应的电路关键波形见附图2。

因为后级逆变器输入电流含有较大两倍输出电压频率分量，前级直直变换器输出电压亦含有两倍输出电压频率分量，所以输出电压采样信号与基准电压比较后产生的误差电压放大信号中也难免含有相应的低频脉动分量。在传统的前级直直变换器控制策略中，该误差电压放大信号作为电流环的基准，由于直直变换器的输出滤波电感电流跟踪误差电压放大信号变化，从而，电感电流中也含有两倍于逆变器输出电压频率的低频脉动分量。该脉动分量折合至前级变换器低压输入端，将不可避免导致输入源的电流也产生相应的脉动分量。

引入谐振变换器的作用是：在误差电压放大信号作为电流环基准信号之前，对误差电压放大信号中的两倍于逆变器输出电压频率的脉动分量进行滤除，从而滤除后的误差电压放大信号较滤波之前平稳很多。再将此信号作为电流环的基准，由于电感电流跟踪已滤除脉动分量的误差电压信号变化，使得电感电流中的低频分量也大大得到抑制和滤除，进而前级直直变换器输入电流的低频脉动也得到抑制。

谐振变换器中各个元件参数选取与所需要滤除低频分量的频率大小有关。

谐振变换器传递函数为：

$G\left(S\right)=\frac{s^2+{\mathrm{\ω}}^2}{s^2+\mathrm{\ωs}/Q+{\mathrm{\ω}}^2}$

对应谐振控制器中各个元件的参数值及其相互关系为：

$\mathrm{\ω}=\frac{1}{\sqrt{R_1{R}_2{C}_1{C}_3}}$

$Q=\frac{R_3\sqrt{C_1}}{\sqrt{R_1{R}_2{C}_3}}$

C₂＝C₁+C₃

$\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_2}=\frac{1}{R_3}+\frac{1}{R_4}$

其中ω为所需要滤除的低频分量的角频率。

设两级式直交逆变器输出频率为400Hz，则ω＝5024rad·s^-1

当Q＝1时，该谐振控制器传递函数对应的波特图见附图3，由图可见输入量中频率为两倍于逆变器输出频率的脉动分量经过谐振控制器后可以被有效滤除或衰减。

由以上描述可知，本发明的两级式直交逆变器输入电流低频脉动抑制方法具有以下优点：

1.在传统的控制策略中加入谐振控制器，电路结构简单，易于实现，且不会影响两级式直交逆变器其他功能特性；

2.不通过使用传统的增加滤波器的方法，即可实现对两级直交逆变器输入电流低频脉动的抑制，可以有效减轻变换器重量和体积以及控制变换器成本。

Claims (1)

1.一种抑制两级式直交逆变器输入电流低频脉动的方法，其特征在于：在前级直直变换器的电压调节器和电流调节器中间插入一个谐振控制器。前级直直变换器(2)输出电压采样信号V_o，进入电压调节器(3)的反相端，与同向端的电压基准信号V_ref相比较，输出电压误差放大信号V_e。电压误差放大信号V_e进入谐振控制器(4)同向端，谐振控制器反向端与输出端相连。谐振控制器输出信号作为电流调节器(5)的基准i_ref，进入电流调节器的同向端，电流调节器的反向端接入前级直直变换器输出滤波电感电流的采样信号i_Lf。电流调节器输出信号与载波信号比较，经过PWM信号产生单元(6)生成高频PWM脉冲信号，再经过逻辑和驱动电路单元(7)最终输出前级直直变换器功率开关管驱动信号。其中谐振控制器(4)组成为：电阻R₁的一端与电容C₁的一端相连接构成公共端，电压调节器输出信号V_e与电阻R₁和电容C₁的公共端相连，电阻R₂的一端和电容C₂的一端相连接构成公共端，电阻R₁的另一端与电阻R₂和电容C₂的公共端相连，电阻R₂的另一端与电容C₃的一端相连接，电容C₃另一端与电容C₁另一端相连接，并且电阻R₂与电容C₃所构成的公共端进入运算放大器OP的同向端，电阻R₃一端与电阻R₄一端相互连接构成公共端，电容C₃与C₁的公共端与电阻R₃和R₄的公共端相连接，电阻R₃的另一端接地，电阻R₄的另一端与运算放大器OP的输出端相连，运算放大器OP的反向端与输出端相连接，电容C₂的另一端也一起与运算放大器OP的输出端相连接。

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