CN108233418A - 一种基于准比例谐振参数动态跟踪整定三相全桥逆变器 - Google Patents

一种基于准比例谐振参数动态跟踪整定三相全桥逆变器 Download PDF

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Abstract

本发明一种基于准比例谐振参数动态跟踪整定三相全桥逆变器，包括：直流滤波电路、ABC三相独立的桥式高频调制电路、ABC三相独立的交流滤波电路、三相输出电压和输出电流的传感器组、隔离型的三相变压器以及三相控制电路，其中，三相控制电路的每相控制电路分支包括：AD采样模块、PR计算模块、前馈谐波计算模块、PWM计算模块，桥型三相抗不平衡逆变电源，其特征在于，所述三相控制电路是由三组单相功率管逆变全桥和三只单相变压器组成相互独立的输出回路，每相控制电路分支是由逆变全桥以及变压器原边绕组构成。本发明相比现有的逆变电源，实现了三相交流的完全独立控制，在极端不平衡负载下仍能维持三相电压平衡。

Description

一种基于准比例谐振参数动态跟踪整定三相全桥逆变器
技术领域
本发明涉及微电网运行于控制技术领域，具体地说，是一种基于准比例谐振参数动态跟踪整定三相全桥逆变器。
背景技术
逆变器的应用已经较原来逐渐增多，应用领域也越来越广，比如在航海航天中都有不间断逆变电源的应用，不间断逆变电源无论是在大型工业领域还是民用生活领域必将起到不可或缺的作用。逆变技术是在电力电子技术中最主要、最核心的技术，它主要应用于各种逆变电源、变频电源、开关电源、UPS电源、交流稳压电源、电力系统的无功补偿、电力有源滤波器、变频调整器、电动汽车、电气火车、燃料电池静置式发电站等。逆变电源的需要随着社会应用需求的多样化及电力电子、互联网等新技术的进步与整合，逆变器正朝着更高效率、更高功率等级、更高直流电压、更智能化的方向进一步发展。并且对电压波，电能质量谐波成分的要求也越来越苛刻。能够输出电压谐波成分少的逆变电源也必将受到大众的青睐，和社会的应用。
发明内容
本发明在三相组合式逆变器结构的基础上，针对孤岛交流微电网中存在负载谐波成分复杂与不平衡度较高的问题，提出了一种基于准比例谐振参数动态跟踪整定三相全桥逆变器。本发明相比现有的逆变电源，实现了三相交流的完全独立控制，在极端不平衡负载下仍能维持三相电压平衡，及时缺一相或者二相的情况下，例外二相或者一相都可以正常输出，其稳态谐波畸变率低，负载突变条件下动态响应速度快。本发明实现了对三相逆变电源的负载不平衡的控制。
本发明可以采用如下装置来实现：一种基于准比例谐振参数动态跟踪整定三相全桥逆变器，包括：直流滤波电路、ABC三相独立的桥式高频调制电路、ABC三相独立的交流滤波电路、三相输出电压和输出电流的传感器组、隔离型的三相变压器以及三相控制电路，其中，三相控制电路的每相控制电路分支包括：AD采样模块、PR计算模块、前馈谐波计算模块、PWM计算模块，桥型三相抗不平衡逆变电源，其特征在于，所述三相控制电路是由三组单相功率管逆变全桥和三只单相变压器组成相互独立的输出回路，每相控制电路分支是由逆变全桥以及变压器原边绕组构成。
进一步地，所述变压器原边绕组是独立设置在全桥输出回路中，所述变压器的副边绕组为“Y”型链接。
进一步地，所述PR计算模块的单闭环控制的基波电压增益和动态响应速度由比例准谐振控制器提供，所述比例准谐振控制器的频域传递函数形式如式所示：
其中，KP、KR分别为准PR控制器的比例、谐振系数，ωξ是等效低通滤波器截止频率。
进一步地，所述前馈谐波计算模块的各次谐波通道幅值计算公式为：
Un＝Kpn×A×sin(nωt+θ)
其中A为经过FFT计算出来的谐波幅值；θ是经过FFT计算出来的谐波相角；
其中n代表各次谐波次数；A为根据采样计算而得的动态值；得到各个Un补偿给基波；补偿方式：
进一步地，所述三相输出电压和输出电流的传感器组，采用电压霍尔传感器CHV-50P对电容上的电压进行采样，电流霍尔传感器CHB-25NP对流出电感的电流进行采样。
进一步地，还包括过流保护电路；所述过流保护电路包括精密整流电路模块和过流比较模块。
进一步地，所述精密整流电路模块由运放AD8662、电阻、电容二极管组成；所述过流比较模块由电压比较器LM219组成。
综上，本发明一种基于准比例谐振参数动态跟踪整定三相全桥逆变器，包括：
包括：直流滤波电路、ABC三相独立的桥式高频调制电路、ABC三相独立的交流滤波电路、三相输出电压和输出电流的传感器组、隔离型的三相变压器以及三相控制电路，其中，三相控制电路的每相控制电路分支包括：AD采样模块、PR计算模块、前馈谐波计算模块、PWM计算模块，桥型三相抗不平衡逆变电源，其特征在于，所述三相控制电路是由三组单相功率管逆变全桥和三只单相变压器组成相互独立的输出回路，每相控制电路分支是由逆变全桥以及变压器原边绕组构成。
有益效果为：具有以下优点：
1、本发明采用的基于准比例谐振参数动态跟踪整定三相全桥逆变器，具有电压利用率高、三相可独立控制，抗不平衡力强。解决了负载不平衡的问题和缺相问题，在系统负载不平衡或缺相时，其他相仍能正常工作；
2、采用三相全桥逆变器独立控制方式能够最大程度发挥全桥逆变器的优点。
3、采用新型复合控制器，能够提高逆变器输出波形质量，降低谐波畸变率，具有良好的动态性能。
4、在输出各次谐波中选取谐波量较大的几种谐波，并自动整定动态增益KP，此设计能够实现对正弦交流信号的无静差跟踪，还可以避免放大了一些没必要的谐波。
附图说明
图1是三相组合式逆变器拓扑结构示意图；
图2是微网三相全桥逆变器控制框图；
图3是三相控制电路框图示意图；
图4是相位超前补偿的谐振控制器Bode图；
图5是谐波提取计算过程示意图；
图6是PR计算模块结构框图示意图；
图7是电压、电流检测电路示意图；
图8是过流保护电路示意图；
图9是驱动电路示意图；
图10是线性负载三相电压波形示意图；
图11是非线性负载三相电压波形示意图；
图12是非线性负载的FFT柱状图；
图13是改良后非线性负载的FFT柱状图；
图14是不平衡负载三相电压波形示意图；
图15是基于准比例谐振参数动态跟踪整定三相全桥逆变器的结构示意图；
图16是三相控制电路的每相控制电路分支结构示意图。
具体实施方式
本发明给出了一种基于准比例谐振参数动态跟踪整定三相全桥逆变器实施例，为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明中技术方案作进一步详细的说明：
本发明可以采用如下装置来实现如15所示：包括：直流滤波电路101、ABC三相独立的桥式高频调制电路102、ABC三相独立的交流滤波电路103、三相输出电压和输出电流的传感器组104、隔离型的三相变压器105以及三相控制电路106，其中，所述三相控制电路106的每相控制电路分支包括：AD采样模块1061、PR计算模块1062、前馈谐波计算模块1063、PWM计算模块1064，桥型三相抗不平衡逆变电源1065，其特征在于，所述三相控制电路106是由三组单相功率管逆变全桥和三只单相变压器组成相互独立的输出回路，每相控制电路分支是由逆变全桥以及变压器原边绕组构成。
优选地，所述变压器原边绕组是独立设置在全桥输出回路中，所述变压器的副边绕组为“Y”型链接。
采用三相独立控制的微网三相组合式逆变器控制器如图16所示包括：逆变器三相输出通过并网开关与交流微网相连，交流微网由逆变器或发电机构成功率源，同时线性负载、非线性负载和不平衡负载由交流微网供电。
本次发明针对全桥三相逆变器的单个逆变单元，提出一种基于附有前馈参数动态跟踪整定与准比例谐振的复合控制器结构，复合控制器中得PR计算模块结构框图示意图如图6所示，对输出电压的高电能质量要求，采用前馈参数动态跟踪整定与准比例谐振对基波进行谐波补偿。二者共同作用产生单极性SPWM调制波，并保证输出电压的电能质量。
优选地，所述PR计算模块1062的单闭环控制的基波电压增益和动态响应速度由比例准谐振控制器提供，所述比例准谐振控制器的频域传递函数形式如式所示：
其中，KP、KR分别为准PR控制器的比例、谐振系数，ωξ是等效低通滤波器截止频率。其中，数字离散控制系统的PWM动作存在等效若干周期延时，同时逆变器输出滤波器存在基波相移，导致控制器输出调节量响应的相位滞后，需要对这个延时进行超前矫正补偿。对于谐振控制器，可通过调整控制器零点的分布偏移，通过配置控制器零点的相位来进行相位矫正。此策略通过对谐振控制器的分子项零点通过增加相位偏移达到，有目的明确，易于实现的优点。谐振控制器的分子在零点ωN处补偿相位，其中φ是谐振频率处期望的补偿相位值。考虑相位补偿时的准PR计算模块的控制器如式：
谐振频率处零点相位超前校正后的控制器Bode图如图4所示，1、2、3曲线分别是随补偿相位增大的曲线，幅频特性谐振频率处增益基本不变，但相频特性在谐振频率处正向偏移。该正向偏移补偿了由被控系统相移和数字控制器延时造成的相位滞后。使控制器响应及时，减小相位偏移造成的控制误差。
优选地，所述前馈谐波计算模块1063的各次谐波通道幅值计算公式为：
Un＝Kpn×A×sin(nωt+θ)
其中A为经过FFT计算出来的谐波幅值；θ是经过FFT计算出来的谐波相角；其中n代表各次谐波次数；A为根据采样计算而得的动态值；得到各个Un补偿给基波；补偿方式：
图5描述的是谐波提取及其计算的主要过程。
对几种占主要成分的谐波进行提取，加以计算，最终形成前馈补偿的模式。
实现前馈通道内的闭环计算。
增益是由两部分相乘组成，一部分A是由FFT计算而得出的谐波幅值随着负载变化而变化，形成动态跟踪的模式，通过前馈补偿时时精准的补偿了带负载所造成的谐波缺失，使其适应负载的变化，加强了带负载的能力。另一部分是经过调试而得的增益，每个前馈通道的谐波，各有自己的增益值，各次谐波进行分别控制，可以避免传统的各路谐波同增益补偿造成的不必要误差，提高了精度降低了THD。配合准PR控制的固定谐波通道一起使用，让非主要的谐波主要由准PR控制放大，只放大主要的谐波，避免算法的复杂化。
优选地，所述三相输出电压和输出电流的传感器组104，采用电压霍尔传感器CHV-50P对电容上的电压进行采样，电流霍尔传感器CHB-25NP对流出电感的电流进行采样。
优选地，还包括过流保护电路107；所述过流保护电路包括精密整流电路模块1071和过流比较模块1072。
优选地，所述精密整流电路模块1071由运放AD8662、电阻、电容二极管组成；所述过流比较模块1072由电压比较器LM219组成。
综上，本发明一种基于准比例谐振参数动态跟踪整定三相全桥逆变器，包括：直流滤波电路、ABC三相独立的桥式高频调制电路、ABC三相独立的交流滤波电路、三相输出电压和输出电流的传感器组、隔离型的三相变压器以及三相控制电路，其中，三相控制电路的每相控制电路分支包括：AD采样模块、PR计算模块、前馈谐波计算模块、PWM计算模块，桥型三相抗不平衡逆变电源，其特征在于，所述三相控制电路是由三组单相功率管逆变全桥和三只单相变压器组成相互独立的输出回路，每相控制电路分支是由逆变全桥以及变压器原边绕组构成。本发明相比现有的逆变电源，实现了三相交流的完全独立控制，在极端不平衡负载下仍能维持三相电压平衡，及时缺一相或者二相的情况下，例外二相或者一相都可以正常输出，其稳态谐波畸变率低，负载突变条件下动态响应速度快。本发明实现了对三相逆变电源的负载不平衡的控制。
以上实施例用以说明而非限制本发明的技术方案。不脱离本发明精神和范围的任何修改或局部替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种基于准比例谐振参数动态跟踪整定三相全桥逆变器，包括：直流滤波电路、ABC三相独立的桥式高频调制电路、ABC三相独立的交流滤波电路、三相输出电压和输出电流的传感器组、隔离型的三相变压器以及三相控制电路，其中，三相控制电路的每相控制电路分支包括：AD采样模块、PR计算模块、前馈谐波计算模块、PWM计算模块，桥型三相抗不平衡逆变电源，其特征在于，所述三相控制电路是由三组单相功率管逆变全桥和三只单相变压器组成相互独立的输出回路，每相控制电路分支是由逆变全桥以及变压器原边绕组构成。
2.如权利要求1所述的一种基于准比例谐振参数动态跟踪整定三相全桥逆变器，其特征在于，所述变压器原边绕组是独立设置在全桥输出回路中，所述变压器的副边绕组为“Y”型链接。
3.如权利要求1所述的一种基于准比例谐振参数动态跟踪整定三相全桥逆变器，其特征在于，所述PR计算模块的单闭环控制的基波电压增益和动态响应速度由比例准谐振控制器提供，所述比例准谐振控制器的频域传递函数形式如式所示：
其中，KP、KR分别为准PR控制器的比例、谐振系数，ωξ是等效低通滤波器截止频率。
4.如权利要求1所述的一种基于准比例谐振参数动态跟踪整定三相全桥逆变器，其特征在于，所述前馈谐波计算模块的各次谐波通道幅值计算公式为：
Un＝Kpn×A×sin(nωt+θ)
其中A为经过FFT计算出来的谐波幅值；θ是经过FFT计算出来的谐波相角；
其中n代表各次谐波次数；A为根据采样计算而得的动态值；得到各个Un补偿给基波；补偿方式：
5.如权利要求1所述的一种基于准比例谐振参数动态跟踪整定三相全桥逆变器，其特征在于，所述三相输出电压和输出电流的传感器组，采用电压霍尔传感器CHV-50P对电容上的电压进行采样，电流霍尔传感器CHB-25NP对流出电感的电流进行采样。
6.如权利要求1所述的一种基于准比例谐振参数动态跟踪整定三相全桥逆变器，其特征在于，还包括过流保护电路；所述过流保护电路包括精密整流电路模块和过流比较模块。
7.如权利要求6所述的一种基于准比例谐振参数动态跟踪整定三相全桥逆变器，其特征在于，所述精密整流电路模块由运放AD8662、电阻和容二极管组成；所述过流比较模块由电压比较器LM219组成。
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