CN103683878B - 单相逆变器输入电压纹波调制补偿方法 - Google Patents

单相逆变器输入电压纹波调制补偿方法 Download PDF

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Abstract

一种单相逆变器输入电压纹波调制补偿方法。包括以下步骤：在输出调制脉冲的同时采集逆变器输出电压及全桥逆变电路输入电压；处理逆变器输出电压获得SPWM调制脉冲信号；再从全桥逆变电路输入电压中提取纹波参数；根据纹波参数补偿SPWM调制信号的各脉冲宽度，使补偿后的调制效果能够消除纹波带来的输出电压谐波。本发明方法仅在软件中对调制策略进行补偿，节约硬件成本，并且直接对输入电压纹波参数进行补偿能够有效抑制纹波的影响，提高逆变系统的输出质量。

Description

单相逆变器输入电压纹波调制补偿方法
技术领域
本发明属于逆变器控制领域，涉及一种针对单相逆变器全桥逆变电路输入电压纹波的调制补偿方法。
背景技术
单相逆变器在实际应用时，由于自身结构的原因，全桥逆变电路输入端电压会出现两倍于输出频率的低频纹波，纹波幅值会随着逆变器负载的增大而增大，纹波峰值相对于调制信号起点的位置在负载阻抗变化时产生移动。
正弦脉宽调制（SPWM）调制策略以全桥逆变电路输入端恒压为前提，因此输入电压中存在的纹波将影响逆变器输出电压质量，使基波叠加上以三次谐波为主的高次谐波。而且随纹波幅值的增大，逆变器输出电压三次谐波含量显著增加，输出电压质量大幅降低。
为抑制输入电压纹波带来的影响，常见方法是增大逆变电路输入端电容的大小，滤除输入电压的纹波。但这种做法势必会增加逆变器的硬件成本和体积，且输入端电容对低频交流信号的滤波作用不强，对纹波的抑制效果有限。而从调制策略上进行改进不仅未增加硬件成本，更可完全抑制纹波影响。
申请号为CN02115213.6的专利《纹波幅度调制补偿方法和装置》实时采样带有纹波信号的输入电压瞬时值，用额定输入电压与瞬时值的比值补偿下一载波周期调制脉冲宽度。该补偿方法随着输入电压有效值偏离额定输入电压程度的增加，补偿效果会变差，并且始终存在一个载波周期的时间延迟。
发明内容
本发明针对上述背景技术中的不足，提供了一种针对单相逆变器全桥逆变电路输入电压纹波的调制补偿方法。以SPWM前半周期调制脉冲为基础，根据输入电压纹波的幅值与相位参数对调制脉冲宽度进行补偿，使补偿后的SPWM调制脉冲产生的调制效果能够补偿输入电压纹波的影响，减小逆变器输出电压三次谐波含量，提高输出电压质量。
由于所述SPWM前半周期调制脉冲与后半周期调制脉冲相同，所述纹波两倍于输出电压频率，其在SPWM前后半周期内的波形相同，根据纹波参数对前半周期调制脉冲补偿所得的调制脉冲宽度数组也可用于后半周期逆变调制。本发明所述补偿方法处理过程如图1，包含步骤如下：
步骤一：上一控制周期所得长度为N的调制脉冲宽度数组用于本控制周期逆变调制，输出调制脉冲时同步采集逆变器输出电压及全桥逆变电路输入电压。
步骤二：处理逆变器输出电压得到有效值，对有效值与输出电压参考值之间的误差进行PID调节，获得下一周期调制系数M，M与固定的正半周期正弦规律变化数组相乘获得SPWM半周期脉冲宽度数组。
步骤三：处理全桥逆变电路输入电压得到最大值Umax、最小值Umin及最大值Umax的存储序号Np，由公式(Umax-Umin)/Umax计算得到比值K，由公式2πNp/N计算得到相位差p。
步骤四：将所述K与p代入补偿公式1/{1-K[1-cos(2wt+p)]/2}，其中wt等于nπ/N，n为1至N的整数，得到补偿系数数组。
步骤五：SPWM半周期脉冲宽度数组中元素与补偿系数数组中对应序号的元素相乘，得到调制脉冲宽度数组，下一控制周期时返回步骤一。
所述控制周期为起始周期时，调制脉冲宽度数组为M等于0.1时的SPWM半周期脉冲宽度数组。但是本发明不局限于初始M等于0.1。
步骤一中，所述调制脉冲宽度数组为前半周期逆变调制信号，用于后半周期逆变调制时仅需改变控制器输出模式，所述同步采集电压信号过程在控制周期的前半周期进行，控制周期的后半周期不采集数据，仅处理前半周期的采集数组。
步骤二中，所述M的取值范围是0<M≤1，当M的取值大于1时说明负载超过额定，需要将M的取值调回小于1。一般取接近于1的值例如0.99。
所述正半周期正弦规律变化数组的长度为N，幅值为固定值，等于fsys/(2N·fout)，其中，fsys为定时器时钟频率，fout为输出电压频率。
步骤三中，所述比值K为全桥逆变电路输入电压峰峰值与最大值的比值，所述相位差p为输入电压最大值Umax与SPWM前半周期调制信号起始位置相位差。
与现有技术相比，本发明所述单相逆变器全桥逆变电路输入电压纹波的调制补偿方法，其有益效果是：不需增加滤波器件的大小且不需设置其他外围硬件电路，仅利用逆变系统中已有的电压检测装置及数字控制器，不增加硬件系统成本；采用半周期补偿方式可以减少补偿所需控制时间；在SPWM调制策略的基础上，增加针对全桥逆变电路输入电压纹波参数的补偿环节，能够完全抑制输入电压纹波的影响，有效提高逆变系统输出质量。
附图说明
图1是补偿方法处理过程示意图；
图2是逆变系统结构框图；
图3是数字控制器输出调制脉宽信号与触发数据采集的处理过程示意图；
图4是未加入本发明补偿方法时一定负载情况下逆变器输出电压谐波含量示意图；
图5是加入本发明补偿方法后一定负载情况下逆变器输出电压谐波含量示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施方式及附图进一步说明本发明。
如图2所示，该逆变系统中，包含铅酸蓄电池组成的直流电压源，输入滤波电容，单相全桥MOSFET逆变电路，工频升压变压器以及由LM4F230微处理器及周边芯片组成的数字控制器等部分。额定输入电压范围20V～32V，额定输出电压220V±5%，额定输出频率50Hz±0.5Hz。数字控制器定时器模块时钟频率为80MHz，数组长度N为256。此时逆变电路开关频率为25.6kHz，正半周期正弦规律变化数组幅值即定时器计数的最大值为3125。
针对全桥逆变电路输入电压纹波的补偿环节，补偿方法的实现过程涉及到两路信号采集。并且要求电压信号采集与SPWM信号生成在时间上同步。利用LM4F110微处理器的定时器模块实现信号采集触发与调制信号输出的同步。具体方法为：定时器模块单向递增模式下的计数器数值大于3125置为0时触发一次模数转换并将脉冲信号置高，计数器数值与比较寄存器数值一致时将脉冲信号置低，如图3。
数字控制器在控制前半周期时间段内采集电压信号，并保存为数组形式，在控制后半周期时间段内处理前半周期的采集数据，得到下一控制周期的调制脉冲信号，具体的补偿环节包含以下步骤：
步骤1.处理采集的工频升压变压器输出电压Uout数组，计算得到其有效值Ueff。
步骤2.根据输出电压有效值Ueff与输出电压参考值Uref的误差进行PID调节获得下一个调制周期的调制系数M。
步骤3.调制系数M与幅值为3125的半周期正弦变化数组相乘获得SPWM正半周期调制信号各脉冲宽度。
步骤4.处理采集的全桥逆变电路输入电压Uin数组，获得其中的最大值Umax与最小值Umin。
步骤5.峰峰值与最大值比值K等于(Umax-Umin)/Umax。
步骤6.通过分析输入电压最大值Umax在采集数据中的存储序号Np，计算Np与数据长度N的比值，此比值对应的弧度制2πNp/N即为SPWM调制信号的起始位置与输入电压最大值处相位差p。
步骤7.将全桥逆变电路输入电压Uin纹波的参数K值与p值，代入到补偿公式1/{1-K[1-cos(2wt+p)]/2}。
步骤8.补偿公式中wt等于nπ/N，n大小与相应的脉冲序号对应，取值为1至N，得到长度为N的补偿系数数组。
步骤9.SPWM正半周期调制信号脉冲宽度数组中元素与补偿系数数组中对应序号的补偿系数相乘，得到下一控制周期的调制脉冲宽度数组。
步骤10.下一周期到来时，调制前半周期根据调制脉冲宽度数组输出调制脉冲信号，驱动全桥逆变电路进行逆变控制，并采集逆变器输出电压Uout和全桥逆变电路输入电压Uin，数据采集完成即进入调制后半周期时，改变控制器输出模式使其输出调制脉冲宽度数组的互补脉冲，同时返回步骤1，再次进行纹波调制补偿。
图4为SPWM调制策略未加入补偿方法时，200W阻性负载下逆变器输出电压谐波含量示意图，横轴为频率，纵轴为电压对数，可见输出电压包含大量的三次谐波及五次谐波；图5为加入本发明补偿方法后，相同负载情况下逆变器输出电压谐波含量示意图，横轴、纵轴与图4一致，该输出电压仅包含少量的各次谐波。
可见本发明所述的单相逆变器输入电压纹波调制补偿方法，利用逆变系统中已有的电压检测装置及数字控制器，不需设置其他外围硬件电路，只需要在已有SPWM调制策略半周期调制信号的基础上，增加针对全桥逆变电路输入电压纹波的补偿环节。本发明能够抑制输入电压纹波造成的输出电压谐波，有效提高逆变系统输出质量。

Claims (3)

1.一种单相逆变器输入电压纹波调制补偿方法，其特征在于，所述补偿方法是在正弦脉宽调制前半周期调制脉冲信号的基础上，根据全桥逆变电路输入电压纹波参数对脉冲宽度进行补偿，包括以下步骤：
步骤一：上一控制周期所得长度为N的调制脉冲宽度数组用于本控制周期逆变调制，输出调制脉冲时同步采集逆变器输出电压及全桥逆变电路输入电压；
步骤二：处理逆变器输出电压得到有效值，对有效值与输出电压参考值之间的误差进行PID调节获得调制系数M，M与固定的正半周期正弦规律变化的数组相乘获得SPWM半周期脉冲宽度数组；
步骤三：处理全桥逆变电路输入电压得到最大值Umax、最小值Umin及最大值Umax的存储序号Np，由公式(Umax-Umin)/Umax计算得到比值K，由公式2πNp/N计算得到相位差p；
步骤四：将所述K与p代入补偿公式1/{1-K[1-cos(2wt+p)]/2}，其中wt等于nπ/N，n为1至N的整数，得到补偿系数数组；
步骤五：SPWM半周期脉冲宽度数组中元素与补偿系数数组中对应序号的元素相乘，得到调制脉冲宽度数组，下一控制周期时返回步骤一。
2.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述控制周期为起始周期时，调制脉冲宽度数组为M等于0.1时的SPWM半周期脉冲宽度数组。
3.如权利要求1所述方法，其特征在于步骤二中，所述M的取值范围是0<M≤1，当M的取值大于1时说明负载超过额定，需要将M的取值调回小于1。
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