CN105226986B - 一种消除输入侧二次功率脉动的逆变器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种消除输入侧二次功率脉动的逆变器及其控制方法，该逆变器的主电路拓扑包括直流电源、输入电容、原边开关管、辅助开关管、辅助电容、隔离变压器、副边开关管、中间直流母线电容、第一逆变桥臂、第二逆变桥臂及滤波电路；其控制方法为：逆变桥臂输入电流采样值、中间直流母线电容电压采样值经过基准生成电路获得电流参考，再通过调制波生成电路、PWM控制电路、过零比较器、逻辑电路以及驱动电路，从而控制逆变器按要求工作。本发明在逆变器直直变换环节加入由辅助开关管、辅助电容和隔离变压器原边辅助绕组构成的辅助电路，消除了直流输入侧二次功率脉动，使输入电流表现为恒定的直流量，避免采用电解电容，提高系统的可靠性。

Description

一种消除输入侧二次功率脉动的逆变器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种消除输入侧二次功率脉动的逆变器及其控制方法，属于隔离、微型逆变器，其利用增加的辅助电路来实现直流输入侧二次功率脉动的消除。

背景技术

在新能源及其它分布式发电系统中，为获得负载所需的高压交流电，逆变器一般都带有前级直流变换器。对于这种系统，输出功率中含有的两倍工频功率脉动分量将反馈传输到直流输入侧，使得输入侧出现两倍输出频率的低频电流纹波，影响蓄电池、燃料电池等输入源的使用寿命，严重时会影响直流电源系统的稳定性。传统方法采用大电解电容来平衡功率脉动，从而达到消除电流纹波的目的，然而电解电容寿命有限，限制了逆变器的整体寿命。近年来，出现了很多缓冲功率脉动的方法，特别是通过增加额外的辅助电路实现直流输入侧功率脉动消除的方法引起了很多学者和工程师的关注。Fukushima K，Norigoe I，Shoyama M，et al，“Input current-ripple consideration for the pulse-link DC-ACconverter for fuel cells by small series LC circuit”，Proceedings of IEEE 24thAnnual Applied Power Electronics Conference and Exposition，2009：447-451提出了通过加入LC串联谐振电路，并将其谐振频率设计为两倍输出频率的方案，如附图1所示，能够较好的消除直流输入侧功率脉动，但所需的电感和电容值都比较大，导致系统的功率密度降低，又限制了系统的使用寿命。Kwon J，Kim E，Kwon B，Nam K，“High-Efficiency FuelCell Power Conditioning System With Input Current Ripple Reduction”，IEEETransaction on Industry Electronics，2009，56(3)：826-834利用电力电子变换器的高频特性，控制主功率管的占空比，在实现电压变换所需的占空比基础上再加上一个变化的占空比量，能够有效的抑制输入侧电流纹波，对于提高燃料电池利用率及使用寿命是有利的，该功率调节系统如附图2所示，但此方案控制精度要求高，且控制算法复杂。

发明内容

本发明的目的在于针对上述变换器所存在的技术缺陷提供一种消除输入侧二次功率脉动的逆变器及其控制方法，采用这种逆变器和控制方法，既实现了电能变换，又消除了直流输入侧二次功率脉动，从而减小了输入电流纹波对输入源的干扰，提高了系统的效率。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明的一种消除输入侧二次功率脉动的逆变器，包括直流电源、输入电容、原边开关管、隔离变压器、副边开关管、中间直流母线电容、结构相同的第一逆变桥臂和第二逆变桥臂以及滤波电路；其中隔离变压器原边绕组同名端分别接直流电源正极和输入电容的输入端，隔离变压器原边绕组的异名端接原边开关管的集电极，原边开关管的发射极分别接直流电源的负极和输入电容的输出端；每个逆变桥臂都包括二个开关管，第一开关管的集电极作为逆变桥臂的正输入端，第一开关管的发射极与第二开关管的集电极连接构成逆变桥臂的输出端，第二开关管的发射极作为逆变桥臂的负输入端；副边开关管的发射极、中间直流母线电容的输入端和逆变桥臂的正输入端连接，逆变桥臂的负输入端、中间直流母线电容的输出端和隔离变压器副边绕组的同名端连接，隔离变压器副边绕组的异名端接副边开关管的集电极；第一逆变桥臂和第二逆变桥臂的输出端接滤波电路；还包括由辅助开关管、辅助电容和隔离变压器原边辅助绕组N_x构成的辅助电路，其中辅助开关管包括两个开关管，第一辅助开关管的发射极接隔离变压器原边辅助绕组N_x的同名端，隔离变压器原边辅助绕组N_x的异名端分别接直流电源的正极和辅助电容的输入端，辅助电容的输出端、第一辅助开关管的集电极和第二辅助开关管的发射极相连接，第二辅助开关管的集电极接隔离变压器原边绕组的异名端。

所述的一种消除输入侧二次功率脉动的逆变器，其中逆变桥臂的控制方法为传统单级性PWM调制；该逆变器的控制方法还包括以下步骤：

步骤A，检测辅助电容电压信号，中间直流母线电容电压信号，逆变桥臂的输入电流信号；

步骤B，将步骤A得到的辅助电容电压信号经过低通滤波器，获得其直流分量；

步骤C，计算辅助电容电压参考信号与辅助电容电压信号直流分量的差值；

步骤D，将步骤C得到的电压差值用PI控制器进行调节后，与步骤A得到的中间直流母线电容电压信号、逆变桥臂的输入电流信号一同输进输入电流基准生成电路，获得输入电流参考信号；

步骤E，计算中间直流母线电容电压参考信号与中间直流母线电容电压信号的差值；

步骤F，将步骤E得到的电压差值用PI控制器进行调节后，与步骤A得到的中间直流母线电容电压信号、逆变桥臂的输入电流信号一同输入副边电流基准生成电路，获得副边电流参考信号；

步骤G，将步骤D得到的输入电流参考信号和步骤F得到的副边电流参考信号输入调制波生成电路，获得第一、第二、第三调制波信号；

步骤H，将前述第一、第二调制波信号分别输入PWM控制电路，获得第一、第二逻辑信号；

步骤I，将步骤G得到的第三调制波信号输入过零比较器，获得第三逻辑信号；

步骤J，将前述第一逻辑信号输入逻辑电路，直接得到原边开关管的控制信号；

将前述第一、第二、第三逻辑信号分别输入逻辑电路，在逻辑电路中第一、第二逻辑信号经过逻辑异或门，同时第三逻辑信号经过非门后，再一起接入逻辑与门，得到第一辅助开关管的控制信号；

将前述第一、第二、第三逻辑信号分别输入逻辑电路，在逻辑电路中第一、第二逻辑信号经过逻辑异或门后，和第三逻辑信号一起接入逻辑与门，得到第二辅助开关管的控制信号；

将前述第一、第二、第三逻辑信号分别输入逻辑电路，在逻辑电路中第一逻辑信号、第一辅助开关管的控制信号和第二辅助开关管的控制信号一起接入逻辑或非门，得到副边开关管的控制信号；

步骤K，将步骤J得到的原边开关管的控制信号，第一、第二辅助开关管的控制信号，以及副边开关管的控制信号分别输入驱动电路，得到原边开关管的驱动信号、副边开关管的驱动信号以及两个辅助开关管的驱动信号，控制逆变器。

有益效果：

本发明披露了一种消除输入侧二次功率脉动的逆变器及其控制方法，其消除了直流输入侧二次功率脉动，使得输入电流表现为恒定的直流量，进而系统可以采用容值和体积更小的薄膜电容替代电解电容，系统的功率密度得到提高、使用寿命得到延长。本发明与原有技术相比的主要技术特点是，通过在直直变换环节加入辅助电路来处理功率脉动，辅助电容上电压呈现二倍频波动，而输入电流基本不含有低频纹波，从而直流输入侧可以避免使用体积大、可靠性低的电解电容，并且辅助电路结构简单，有利于提高逆变器功率密度和效率。

附图说明

附图1是加入LC串联谐振电路的逆变器电路结构示意图。

附图2是一种抑制输入电流纹波的功率调节系统结构示意图。

附图3是本发明的一种消除输入侧二次功率脉动的逆变器主电路及其控制方法的结构示意图。

附图4是本发明的一种消除输入侧二次功率脉动的逆变器进一步等效电路图。

附图5是本发明的一种消除输入侧二次功率脉动的逆变器主要工作波形示意图。

附图6～附图10是本发明的一种消除输入侧二次功率脉动的逆变器的各开关模态示意图。

附图11是本发明应用于输出电压110V/50Hz场合下辅助电容电压、副边电流、输出电压及输入电流的仿真波形。

上述附图中的主要符号名称：V_i、电源电压。C_i、输入电容。S_p、S_p1、S_p2、原边开关管。S_s、副边开关管。S_x1、S_x2、均为辅助开关管。D_sp、D_sp1、D_sp2、D_sx1、D_sx2、D_s1～D_s4、体二极管。D₁、D₂、均为整流二极管。C_x、C_x1、C_x2、辅助电容。C₁、C₂、升压电容。T、隔离变压器。L_m、隔离变压器激磁电感。L_lk、隔离变压器漏感。N₁、N_p1、N_p2、隔离变压器原边绕组。N₂、隔离变压器副边绕组。N_x、隔离变压器原边辅助绕组。L_b、Boost升压电感。L₁、L₂均为辅助电感。C_dc、中间直流母线电容。S₁～S₄、均为功率开关管。L_f、滤波电感。C_f、滤波电容。R_L、负载。V_dc、中间直流母线电容电压。v_x、辅助电容电压。Grid、电网。v_o、输出电压。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

附图3所示的是一种消除输入侧二次功率脉动的逆变器主电路及其控制方法的结构示意图。逆变器由直流电源V_i、输入电容1、原边开关管2、隔离变压器3、副边开关管4、中间直流母线电容5、两个逆变桥臂6和7、滤波电路8、辅助开关管9及辅助电容10组成。S_p是原边开关管，C_i是输入电容，S_x1、S_x2是辅助开关管，C_x是辅助电容，T是隔离变压器，S_s是副边开关管，C_dc是中间直流母线电容，S₁～S₄是功率开关管，L_f是输出滤波电感，C_f是输出滤波电容，R_L为负载。

检测辅助电容电压信号v_x，中间直流母线电容电压信号V_dc，逆变桥臂的输入电流信号i_inv；将辅助电容电压信号v_x经过低通滤波器，获得其直流分量V_x；计算辅助电容电压参考信号V_x ^*与辅助电容电压信号直流分量V_x的差值ΔV_x；将电压差值ΔV_x用PI控制器进行调节后，与中间直流母线电容电压信号V_dc、逆变桥臂的输入电流信号i_inv一同输进输入电流基准生成电路，获得输入电流参考信号I₁ ^*；计算中间直流母线电容电压参考信号V_dc ^*与中间直流母线电容电压信号V_dc的差值ΔV_dc；将电压差值ΔV_dc用PI控制器进行调节，与中间直流母线电容电压信号V_dc、逆变桥臂的输入电流信号i_inv一同输入副边电流基准生成电路，获得副边电流参考信号i₂ ^*；将输入电流参考信号I₁ ^*和副边电流参考信号i₂ ^*输入调制波生成电路，获得第一调制波信号M₁、第二调制波信号M₂和第三调制波信号M₃；将第一调制波信号M₁和第二调制波信号M₂分别输入PWM控制电路，获得第一逻辑信号C₁和第二逻辑信号C₂；将第三调制波信号M₃输入过零比较器，获得第三逻辑信号C₃；将第一逻辑信号C₁输入逻辑电路，直接得到原边开关管的控制信号Q_p；将第一逻辑信号C₁、第二逻辑信号C₂和第三逻辑信号C₃分别输入逻辑电路，在逻辑电路中第一逻辑信号C₁和第二逻辑信号C₂经过逻辑异或门，同时第三逻辑信号C₃经过非门后，再一起接入逻辑与门，得到第一辅助开关管的控制信号Q_x1；将第一逻辑信号C₁、第二逻辑信号C₂和第三逻辑信号C₃分别输入逻辑电路，在逻辑电路中第一逻辑信号C₁和第二逻辑信号C₂经过逻辑异或门，和第三逻辑信号C₃一起接入逻辑与门，得到第二辅助开关管的控制信号Q_x2；将第一逻辑信号C₁、第二逻辑信号C₂和第三逻辑信号C₃分别输入逻辑电路，在逻辑电路中第一逻辑信号C₁、第一辅助开关管的控制信号Q_x1和第二辅助开关管的控制信号Q_x2一起接入逻辑或非门，得到副边开关管的控制信号Q_s；将原边开关管的控制信号Q_p，第一、第二辅助开关管的控制信号Q_x1/Q_x2，以及副边开关管的控制信号Q_s分别输入驱动电路，得到原边开关管的驱动信号S_p、副边开关管的驱动信号S_p以及两个辅助开关管的驱动信号S_x1、S_x2，控制逆变器。

由于隔离变压器类似于一个具有特定激磁电感的理想变压器，为了便于分析，可将附图3等效为附图4所示的电路。本逆变器由加入辅助电路的直流变换器和传统的单相全桥逆变器构成，单相全桥逆变器采用传统单级性PWM调制，开关管S₁和S₃组成全桥逆变器的第一逆变桥臂，开关管S₂和S₄组成全桥逆变器的第二逆变桥臂。

下面以附图4所示的等效后的主电路结构，结合附图5～附图10叙述本发明的具体工作原理，其中只对直流变换器工作模态进行分析，而单相全桥逆变器的工作原理和传统PWM逆变器相同，此处不再赘述。由于期望直流电源提供的输入功率是恒定的，而输出功率是包含二次纹波的脉动量，根据输入功率与瞬时输出功率的大小把电路的工作模式分为两种，当输入功率大于瞬时输出功率时，电路工作于模式I状态，当输入功率小于瞬时输出功率时，电路工作于模式II状态。由附图5可知逆变器工作于模式I或者模式II时，一个开关周期均有4种开关模态，模式I时：[t_I0-t_I1]、[t_I1-t_I2]、[t_I2-t_I3]、[t_I3-t_I4]，模式II时：[t_II0-t_II1]、[t_II1-t_II2]、[t_II2-t_II3]、[t_II3-t_II4]，此处定义：[t_I0-t_I1]和[t_II0-t_II1]为[t₀-t₁]，[t_I1-t_I2]和[t_II1-t_II2]为[t₁-t₂]，[t_I2-t_I3]和[t_II2-t_II3]为[t₂-t₃]，[t_I3-t_I4]和[t_II3-t_II4]为[t₃-t₄]，其中，在[t₀-t₁]、[t₂-t₃]、[t₃-t₄]时刻内，模式I与模式II的工作模态相同，仅在[t₁-t₂]时刻内不同。下面对各开关模态的工作情况进行具体分析。

在分析之前，先作如下假设：①中间直流母线电容电压V_dc为定值；②所有功率器件均为理想的；③隔离变压器原边、辅助、副边匝比为：N₁∶N_x∶N₂＝1∶1∶n，忽略隔离变压器等效之后的漏感。

1.开关模态1[t₀-t₁][对应于附图6]

t₀时刻，原边开关管S_p开通，隔离变压器激磁电感L_m开始储能，电流i₁从零开始线性上升。当电流i₁上升到输入电流参考值I₁ ^*时，原边开关管S_p关断，此模态结束。电流i₁的高频分量流过输入电容C_i，所以输入电流I_i为一直流量。

第一调制波信号M₁可表示为：

其中，T_s为开关周期。

2.开关模态2[t₁-t₂][对应于附图7、8]

此阶段可以分为模式I和模式II两种工作情况。

电路工作于模式I(对应于附图7)：t₁时刻，开通辅助开关管S_x1，隔离变压器激磁电感承受反向电压，激磁电感对辅助电容释放多余的能量，由于变换器开关频率高，在一个开关周期内辅助电容电压可看作为定值，因此电流i_x1线性下降，其中i_x1(t_I)＝i₁(t₁)。当电流i_x1下降到电流参考值ni₂ ^*时，辅助开关管S_x1关断，此模态结束。

电路工作于模式II(对应于附图8)：t₁时刻，同时开通辅助开关管S_x2，变压器激磁电感承受辅助电容上的正向电压，电流i_x2线性上升，当其上升到电流参考值ni₂ ^*时，辅助开关管S_x2关断，此模态结束。

第二调制波信号M₂可表示为：

第三调制波信号M₃可表示为：

M₃＝ni₂ ^*-I₁ ^* (3)

3.开关模态3[t₂-t₃][对应于附图9]

t₂时刻，开通副边开关管S_s，隔离变压器激磁电感向负载提供能量，同时直流母线电容储能。此阶段内，副边电流i₂由副边电流参考值i₂ ^*线性下降到零。

4.开关模态4[t₃-t₄][对应于附图10]

t₃时刻，副边电流i₂下降到零。此阶段内，副边开关管S_s依然导通，但已没有电流流过，中间直流母线电容提供输出功率。t₄时刻，副边开关管S_s关断，此工作模态结束，并且该开关周期结束，进入下一个开关周期。

附图11是本发明应用于输出电压110V/50Hz场合下辅助电容电压、副边电流、输出电压及输入电流的仿真波形。由仿真波形可以看出，逆变器输入电流表现为恒定的直流量，说明直流输入侧二次功率脉动得到了很好的消除。

从以上的描述可以得知，本发明提出的一种消除输入侧二次功率脉动的逆变器及其控制方法具有以下几方面的优点：

1)增加的辅助电路有效的消除了直流输入侧二次功率脉动，使得输入电流表现为恒定的直流量。

2)逆变器中选用的电容均可采用容值和体积较小的薄膜电容，且系统的开关频率高，隔离变压器相对小，提高了系统的功率密度，延长了其使用寿命。

3)控制方法简单，无需采样隔离变压器原副边电流，且易实现。

Claims (2)

1.一种消除输入侧二次功率脉动的逆变器，包括直流电源(V_i)、输入电容(1)、原边开关管(2)、隔离变压器(3)、副边开关管(4)、中间直流母线电容(5)、结构相同的第一逆变桥臂(6)和第二逆变桥臂(7)及滤波电路(8)；其中隔离变压器(3)原边绕组同名端分别接直流电源(V_i)正极和输入电容(1)的输入端，隔离变压器(3)原边绕组的异名端接原边开关管(2)的集电极，原边开关管(2)的发射极分别接直流电源(V_i)的负极和输入电容(1)的输出端；每个逆变桥臂都包括二个开关管，第一开关管的集电极作为逆变桥臂的正输入端，第一开关管的发射极与第二开关管的集电极连接构成逆变桥臂的输出端，第二开关管的发射极作为逆变桥臂的负输入端，副边开关管(4)的发射极、中间直流母线电容(5)的输入端和逆变桥臂的正输入端连接，逆变桥臂的负输入端、中间直流母线电容(5)的输出端和隔离变压器(3)副边绕组的同名端连接，隔离变压器(3)副边绕组的异名端接副边开关管(4)的集电极；第一逆变桥臂(6)和第二逆变桥臂(7)的输出端接滤波电路(8)，其特征在于：

还包括由辅助开关管(9)、辅助电容(10)和隔离变压器(3)原边辅助绕组N_x构成的辅助电路；其中辅助开关管(9)包括两个开关管，第一辅助开关管的发射极接隔离变压器(3)原边辅助绕组N_x的同名端，隔离变压器(3)原边辅助绕组N_x的异名端分别接直流电源(V_i)的正极和辅助电容(10)的输入端，辅助电容(10)的输出端、第一辅助开关管的集电极和第二辅助开关管的发射极相连接，第二辅助开关管的集电极接隔离变压器(3)原边绕组的异名端。

2.如权利要求1所述的一种消除输入侧二次功率脉动的逆变器，其中逆变桥臂的控制方法为传统单级性PWM调制；其特征在于，该逆变器的控制方法还包括以下步骤：

步骤A，检测辅助电容电压信号，中间直流母线电容电压信号，逆变桥臂的输入电流信号；

步骤B，将步骤A得到的辅助电容电压信号经过低通滤波器，获得其直流分量；

步骤C，计算辅助电容电压参考信号与辅助电容电压信号直流分量的差值；

步骤D，将步骤C得到的电压差值用PI控制器进行调节后，与步骤A得到的中间直流母线电容电压信号、逆变桥臂的输入电流信号一同输进输入电流基准生成电路，获得输入电流参考信号；

步骤E，计算中间直流母线电容电压参考信号与中间直流母线电容电压信号的差值；

步骤F，将步骤E得到的电压差值用PI控制器进行调节后，与步骤A得到的中间直流母线电容电压信号、逆变桥臂的输入电流信号一同输入副边电流基准生成电路，获得副边电流参考信号；

步骤G，将步骤D得到的输入电流参考信号和步骤F得到的副边电流参考信号输入调制波生成电路，获得第一、第二、第三调制波信号；

步骤H，将前述第一、第二调制波信号分别输入PWM控制电路，获得第一、第二逻辑信号；

步骤I，将步骤G得到的第三调制波信号输入过零比较器，获得第三逻辑信号；

步骤J，将前述第一逻辑信号输入逻辑电路，直接得到原边开关管的控制信号；

将前述第一、第二、第三逻辑信号分别输入逻辑电路，在逻辑电路中第一、第二逻辑信号经过逻辑异或门，同时第三逻辑信号经过非门后，再一起接入逻辑与门，得到第一辅助开关管的控制信号；

将前述第一、第二、第三逻辑信号分别输入逻辑电路，在逻辑电路中第一、第二逻辑信号经过逻辑异或门后，和第三逻辑信号一起接入逻辑与门，得到第二辅助开关管的控制信号；

将前述第一、第二、第三逻辑信号分别输入逻辑电路，在逻辑电路中第一逻辑信号、第一辅助开关管的控制信号和第二辅助开关管的控制信号一起接入逻辑或非门，得到副边开关管的控制信号；

步骤K，将步骤J得到的原边开关管的控制信号，第一、第二辅助开关管的控制信号，以及副边开关管的控制信号分别输入驱动电路，得到原边开关管的驱动信号、副边开关管的驱动信号以及两个辅助开关管的驱动信号，控制逆变器。