CN103780068A - 两级式单相逆变器输入二次谐波电流的抑制方法 - Google Patents

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Abstract

一种两级式单相逆变器输入二次谐波电流的抑制方法，该方法不仅能显著抑制输入二次谐波电流，还能减小对直流母线滤波电容的依赖性。该方法将前级直直变换器的输出电感电流采样信号与直直变换器调制信号通过乘法器相乘，乘法器输出信号通过带通滤波器，并与经过跟随器的电感电流采样信号一起作为电流调节器反馈信号，电压调节器的输出信号为电流调节器的基准。电流调节器产生调制信号，并将其送入PWM调制器，最后经过驱动电路得到控制Buck类直直变换器的主功率管Q1～Qn工作的驱动信号。该方法具有可直接抑制两级式单相逆变器输入电流二次谐波分量，以及控制电路结构简单、实现方便等优点。

Description

两级式单相逆变器输入二次谐波电流的抑制方法
技术领域：
本发明涉及的是一种抑制两级式单相逆变器输入二次谐波电流的方法，属于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。
在两级式单相逆变器中，由于后级逆变器的瞬时输出功率包含二倍输出电压频率的脉动功率，致使前级直直变换器输入电流中存在二倍输出电压频率的脉动。该二次谐波电流不仅会增加开关管的电流应力，还会增加开关管的导通损耗以及磁性元件的损耗，且会对开关管的软开关造成影响，从而不利于提高变换器的效率。另一方面输入电流中的二倍频低频脉动会对输入源造成干扰，影响输入源的性能，对燃料电池等新能源的寿命也有重大影响，因此对这类变换装置的输入低频脉动电流大小有标准规定必须控制在较小值。
增大直流母线电容是抑制该脉动电流最简单的方法，但这会增大系统的体积，不利于变换器功率密度的提高。于直流母线上并接双向变换器的方法可以达到不用增大母线电容来抑制脉动电流的效果，但这增加了系统的复杂程度，不利于可靠性的提高。对于双环控制的直直变换器，于电压环输出增加带阻滤波器、于电流采样环节增加带通滤波器、虚拟阻抗等方法，虽然可以有效地抑制输入电流脉动，但其本质是通过抑制电感电流脉动间接实现的，其抑制效果完全依赖于直流母线电容的大小，抑制效果有限。因此需要一种更直接、更有效，且不影响直直变换器动态性能及可靠性的方法，优化变换器的工作性能。
发明内容：
本发明旨针对两级式单相逆变器中的前级Buck类直直变换器，提出一种基于乘法器与带通滤波器的二次谐波电流抑制方法。
本发明采用如下技术方案：一种两级式单相逆变器输入二次谐波电流的抑制方法，其中两级式单相逆变器输入二次谐波电流的抑制方法中的所涉及到的控制结构包括输入电源、直直变换器、乘法器、跟随器、带通滤波器、电压调节器、电流调节器、PWM调制器、驱动电路、单相逆变器及负载，所述输入电源接至直直变换器的输入端，直直变换器的输出端接至逆变器的输入端，逆变器的输出接负载，所述直直变换器的滤波电感电流采样信号，以及电流调节器的输出接至乘法器的两个输入端，乘法器的输出端接带通滤波器的输入端，带通滤波器的输出接至电流调节器的反相输入端；直直变换器的滤波电感电流采样信号接至跟随器的输入端，跟随器的输出端接电流调节器的反相输入端；直直变换器的滤波电容电压采样信号，以及电压基准信号分别接入电压调节器的反相端与同相端，电压调节器的输出端接电流调节器的同相输入端；电流调节器的输出接PWM调制器的同相端；PWM调制器的输出接驱动电路；驱动电路的输出驱动直直变换器工作，所述两级式单相逆变器输入二次谐波电流的抑制方法包括以下步骤：
前级直直变换器输出中间母线电压经过采样得到滤波电容电压采样信号vCf_f,将其与电压基准信号Vref作差后产生的误差信号送入电压调节器，得到电压调节器的输出电压误差放大信号vc；
采样前级直直变换器滤波电感Lf电流得到滤波电感电流采样信号iLf_f,将其通过跟随器，产生输出电感电流信号vi1；
检测电流调节器的输出调制信号vr,将其与采样得到的滤波电感电流信号iLf_f，分别送入乘法器两个输入端，并将产生的输出信号送入带通滤波器，产生等效输入电流脉冲信号vi2；
将vc送入电流调节器的同相端，vi1与vi2送入电流调节器的反向端，产生输出调制信号vr；
将vr送入PWM调制电路，与载波比较产生高频PWM脉冲信号，并经过驱动电路得到开关管的驱动信号，继而控制直直变换器主功率管的工作Q1～Qn的工作。
本发明的两级式单相逆变器输入二次谐波电流的抑制方法具有以下优点：
（1）.在传统的控制策略中加入乘法器和带通滤波器，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）.与传统的在主电路回路中增加滤波器的方法相比，本方法是通过对前级直直变换器控制电路的改进即可实现对两级直交逆变器输入电流低频脉动的抑制，从而可以有效减轻变换器重量和体积以及控制变换器成本；
（3）.舍弃通过抑制直直变换器输出滤波电感电流二次谐波以达到间接抑制输入侧二次谐波的方法，而是直接对输入电流中的二次谐波进行抑制，效果更显著；
（4）.本方法通过对控制电路中的调制信号和电感电流信号进行处理以提取输入电流中的二次谐波信号，并将其反馈参与前级直直变换器的调制信号生成，无需检测输入电流，节约系统成本。
附图说明：
图1是本发明的两级式单相逆变器输入二次谐波电流的抑制方法控制策略结构示意图。图1中的标号名称：1——输入电源；2——Buck类直直变换器；3——乘法器；4——跟随器；5——带通滤波器；6——电压调节器；7——电流调节器；8——PWM调制器；9——驱动电路；10——单相逆变器及负载。
图1中的主要符号名称：Vin——输入直流电源，Lf——前级直直变换器输出滤波电感，Cf——前级直直变换器输出滤波电容（直流母线电容），vCf——前级直直变换器输出电压，vCf_f——前级直直变换器输出滤波电容电压采样，iLf——前级直直变换器输出滤波电感电流，iLf_f——前级直直变换器输出滤波电感电流采样，Vref——电压基准，vc——电压调节器输出电压误差放大信号，vi1——跟随器后的电感电流信号，vi2——等效输入电流脉动信号，vr——调制信号。
图2是本发明在两级式单相逆变器中对二次谐波电流抑制的主要波形示意图。其中：图2（a）是加抑制电路前后，两级式单相逆变器前级直直变换器调制波波形图；图2（b）是加抑制电路前后，两级式单相逆变器前级直直变换器输出滤波电感电流波形图；图2（c）是加抑制电路前后，两级式单相逆变器输出电压波形图（115V400Hz）；图2（d）是加抑制电路前后，两级式单相逆变器输入电流波形图。
具体实施方式：
图1是本发明两级式单相逆变器输入二次谐波电流抑制方法中所涉及到的控制结构示意图，其包括输入电源1、直直变换器2、乘法器3、跟随器4、带通滤波器5、电压调节器6、电流调节器7、PWM调制器8、驱动电路9、单相逆变器及负载10。其中，主电路部分：输入电源1接至直直变换器2的输入端，直直变换器2的输出端接至逆变器的输入端，逆变器的输出接负载；直直变换器1的控制电路部分：直直变换器2的滤波电感电流采样信号，以及电流调节器7的输出接至乘法器3的两个输入端，乘法器3的输出端接带通滤波器5的输入端，带通滤波器5的输出接至电流调节器7的反相输入端；直直变换器2的滤波电感电流采样信号接至跟随器4的输入端，跟随器4的输出端接电流调节器7的反相输入端；直直变换器2的滤波电容电压采样信号，以及电压基准信号分别接入电压调节器6的反相端与同相端，电压调节器6的输出端接电流调节器7的同相输入端；电流调节器7的输出接PWM调制器8的同相端；PWM调制器8的输出接驱动电路9；驱动电路9的输出驱动直直变换器2工作。
前级直直变换器输出电容电压（中间母线电压）经过采样得到输出滤波电容电压采样信号vCf_f,将其与电压基准信号vref作差后产生的误差信号送入电压调节器6，得到电压调节器的输出电压误差放大信号vc；采样前级直直变换器滤波电感Lf电流得到滤波电感电流采样信号iLf_f,将其通过跟随器4，产生输出电感电流信号vi1；检测电流调节器7的输出调制信号vr,将其与采样得到的滤波电感电流信号iLf_f，分别送入乘法器3两个输入端，并将产生的输出信号送入带通滤波器5，产生等效输入电流脉冲信号vi2；将vc送入电流调节器7的同相端，vi1与vi2送入电流调节器7的反向端，产生输出调制信号vr；将vr送入PWM调制电路8，与载波比较产生高频PWM脉冲信号，并经过驱动电路9得到开关管的驱动信号，继而控制Buck类直直变换器（2）主功率管的工作Q1～Qn的工作。
工作原理：
下面以图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图2。
电压检测电路检测前级输出直流母线电压，将其与电压基准信号比较后，产生误差信号送入电流调节器；电流采样电路检测前级滤波电感电流，并将其与电流调节器输出信号(调制信号)一起送入乘法器，乘法器输出送入带通滤波器，带通滤波器输出与经过跟随器的滤波电感电流采样信号一起送入电流调节器的反相端；电压调节器的输出送入电流调节器的同相端；电流调节器的输出，即是调制信号；调制信号经过调制电路、驱动电路最终得到控制信号，以控制直直变换器的工作。
在两级式单相逆变器中，由于后级逆变器的瞬时输出功率包含二倍输出电压频率的脉动功率，致使前级直直变换器输入电流中存在二倍输出电压频率的脉动。
引入乘法器与带通滤波器的作用是：利用调制信号与电感电流的乘积获得与输入电流成比例的电流，利用带通滤波器，获得其中的二次谐波分量并将此二次谐波分量放大注入到电感电流中，利用电流控制器的误差控制能力，从而对谐波进行抑制。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种两级式单相逆变器输入二次谐波电流的抑制方法，其中两级式单相逆变器输入二次谐波电流的抑制方法中的所涉及到的控制结构包括输入电源（1）、直直变换器（2）、乘法器（3）、跟随器（4）、带通滤波器（5）、电压调节器（6）、电流调节器（7）、PWM调制器（8）、驱动电路（9）、单相逆变器及负载，所述输入电源（1）接至直直变换器（2）的输入端，直直变换器（2）的输出端接至逆变器的输入端，逆变器的输出接负载，所述直直变换器（2）的滤波电感电流采样信号，以及电流调节器（7）的输出接至乘法器（3）的两个输入端，乘法器（3）的输出端接带通滤波器（5）的输入端，带通滤波器（5）的输出接至电流调节器（7）的反相输入端；直直变换器（2）的滤波电感电流采样信号接至跟随器（4）的输入端，跟随器（4）的输出端接电流调节器（7）的反相输入端；直直变换器（2）的滤波电容电压采样信号，以及电压基准信号分别接入电压调节器（6）的反相端与同相端，电压调节器（6）的输出端接电流调节器（7）的同相输入端；电流调节器（7）的输出接PWM调制器（8）的同相端；PWM调制器（8）的输出接驱动电路（9）；驱动电路（9）的输出驱动直直变换器（2）工作，其特征在于：所述两级式单相逆变器输入二次谐波电流的抑制方法包括以下步骤：
前级直直变换器（2）输出中间母线电压经过采样得到滤波电容电压采样信号vCf_f,将其与电压基准信号Vref作差后产生的误差信号送入电压调节器（6），得到电压调节器的输出电压误差放大信号vc；
采样前级直直变换器滤波电感Lf电流得到滤波电感电流采样信号iLf_f,将其通过跟随器（4），产生输出电感电流信号vi1；
检测电流调节器（7）的输出调制信号vr,将其与采样得到的滤波电感电流信号iLf_f，分别送入乘法器（3）两个输入端，并将产生的输出信号送入带通滤波器（5），产生等效输入电流脉冲信号vi2；
将vc送入电流调节器（7）的同相端，vi1与vi2送入电流调节器（7）的反向端，产生输出调制信号vr；
将vr送入PWM调制电路（8），与载波比较产生高频PWM脉冲信号，并经过驱动电路（9）得到开关管的驱动信号，继而控制直直变换器（2）主功率管的工作Q1～Qn的工作。
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