CN108718151B - 一种三相四桥臂逆变器输出端对地高频电压噪声抑制方法 - Google Patents

一种三相四桥臂逆变器输出端对地高频电压噪声抑制方法 Download PDF

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Abstract

一种三相四桥臂逆变器输出端对地高频电压噪声抑制方法涉及电力电子技术领域，具体涉及一种三相四桥臂逆变器输出端对地高频电压噪声抑制方法。包括以下步骤：(1)构建与实际硬件系统一致的仿真模型，包括整流部、变换部、三相四桥臂逆变器；(2)确认仿真模型正确运行；(3)初选高频电容CH电容值CH0；(4)确定测试高频电容值CHT；(5)测量CH两端的端电压uH和通过CH的电流iH，并将iH换算为有效值iHRMS；(6)查阅电容数据手册，确定真实高频电容CHR；(7)进行实验验证，没有达到消除电压高频噪声的效果就重复步骤(3)到步骤(6)，直到消除电压高频噪声为止。可以显著降低三相四桥臂逆变器各相输出电压对大地高频噪声。

Description

一种三相四桥臂逆变器输出端对地高频电压噪声抑制方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种三相四桥臂逆变器输出端对地高频电压噪声抑制方法。
背景技术
在三相逆变器应用的很多场合，一方面需要为单相负载供电；另一方面在为三相不平衡负载供电时，要求逆变器保持三相输出电压的平衡。在诸如此类的场合都需要三相四线制的逆变器。有多种方法都可以获得三相四线制逆变器，例如直流侧分裂的三相逆变器，或者通过采用变压器隔离在其副边获得中性点的方法来获得三相四线制。其中采用三相四桥臂逆变器是一种简洁可行的方式。但三相四桥臂逆变器各相输出对大地会出现高频噪声，对其后级设备用电和人员操作的安全性具有威胁。因而降低三相四桥臂逆变器各相输出对大地的高频噪声有助于改善电能质量，保障人身设备安全。
发明内容
本发明的目的在于提供一种三相四桥臂逆变器输出端对地高频电压噪声抑制方法。
一种三相四桥臂逆变器输出端对地高频电压噪声抑制方法，包括以下步骤：
(1)构建与实际硬件系统一致的仿真模型；
(2)在无高频电容CH的额定负载下运行仿真模型，确认仿真模型正确运行，与设计相吻合；
(3)初选高频电容CH电容值CH0；
(4)通过在仿真模型中将高频电容CH连接在变换部直流侧中点O与三相四桥臂逆变器输出中点N1之间，在初选高频电容值CH0条件下进行仿真测试，观察A相、B相、C相相对于输出对大地的电压波形确定测试高频电容值CHT；
(5)在仿真模型中，进一步测量高频电容CH两端的端电压uH和通过CH的电流iH，并将iH换算为有效值iHRMS；
(6)通过仿真测试所获得测试高频电容值CHT、端电压uH和电流有效值iHRMS查阅电容数据手册，确定真实高频电容值CHR；
(7)通过将真实高频电容值CHR的电容CH连接在实际硬件电路中进行实验验证，没有达到消除电压高频噪声的效果就重复步骤(3)到步骤(6)，直到消除电压高频噪声为止。
三相四桥臂逆变器的前三相桥臂一A相、桥臂二B相和桥臂三C相分别采用分相独立的SPWM调制方式，第四桥臂D相采用三次谐波注入的调制方式。
三相四桥臂逆变器的输出为三相负载一ZA、负载二ZB和负载三ZC供电。
三相四桥臂逆变器输出中点N1为滤波电感LD一端与ABC三相滤波电容一CA、电容二CB和电容三CC一端的连接处。
三相四桥臂逆变器包含滤波电感电流传感器和滤波电容电压传感器。
变换部直流侧中点O是三相四桥臂逆变器前端变换部两个连串输出电容一CBT1和电容二CBT2的公共连接点。
本发明的有益效果在于：
三相四桥臂逆变器中前三相桥臂一A相、桥臂二B相和桥臂三C相分别采用分相独立的SPWM调制方式，第四桥臂D相采用三次谐波注入的调制方式，可以显著降低三相四桥臂逆变器各相输出电压对大地高频噪声。
附图说明
图1为三相四桥臂逆变器的并联控制方法的执行流程；
图2为三相四桥臂逆变器的主电路；
图3为没有采用专利所述算法时逆变器一相输出对大地的电压波形；
图4为图3的局部放大图；
图5为采用专利所述算法后逆变器一相输出对大地的电压波形。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
对专利所述一种三相四桥臂逆变器输出电压对地高频噪声抑制方法的设计流程说明如下。由于本专利方法所提方法的基于数学机理分析和设计较为复杂，从应用的角度可采仿真软件，例如Matlab软件进行辅助设计。
(1)在Matlab或其它任意支持电力电子变换器仿真的软件环境下构建与实际硬件系统一致的无高频电容CH的仿真模型。
(2)在无高频电容CH的额定负载下或可能的极端负载情况下运行仿真模型，确认仿真模型是否正确运行，各相输出电压，例如uA和各相输出电流，例如iA是否正确合理，并与设计相吻合。并观察各相输出对大地的电压波形，如A相A1点与N2点之间的电压波形，uA1-N2。
(3)初选CH电容，值经大量试验，对于直流侧电压uBT<1000V的情况CH一般可初步选择为几十微法，如50μF。
(4)通过仿真比较确定CH的数值。在仿真模型中，将CH连接在直流侧中点O与三相四桥臂逆变器输出中点N1之间，在其初选容值条件下进行仿真测试，观察各相输出对大地的电压波形，如A相A1点与N2点之间的电压波形，uA1-N2，视uA1-N2变得光滑的程度，可对CH的容值进行调整，直至获得满意的结果，例如，电压uA1-N2的高频噪声消失，其光滑度可接受。
(5)确定CH的耐压值和纹波电流值。仿真模型中，进一步测量CH两端的电压uH和通过CH的电流iH，并将iH换算为有效值iHRMS。
(6)选择实际的电容CH。根据仿真测试所获得CH容值、端电压uH和电流有效值iHRMS查阅相关电容数据手册，选择合适的CH。理论上，实际的电容参数均应高于设计的参数值，以保证足够的设计裕量。
(7)根据选择的实际电容CH，将其连接在实际硬件电路中进行实验验证。需要说明的是，由于仿真模型搭建中一般并没有考虑实际电路中存在的等效串联电阻或分布电感等，如电感和电容的等效串联电阻，导线的分布电感等，因而仿真测试所获得的CH容值、端电压uH和电流有效值iHRMS与实际测试结果会有较小的差异。
(8)若没有达到期望的结果，则返回(3)到(7)中相应的设计步骤，直到获得满意的实际测试结果。
三相四桥臂逆变器输出端电压对地高频噪声抑制的效果分析：
由附图4可见，在采用本专利所述方法之前，逆变器A相输出，A1点对大地N2的电压uA1-N2具有非常明显的高频噪声，其峰值达到了650V，三相四桥臂逆变器前端直流电压656V，此噪声对逆变器后级的负载，特别是对电能品质有较高要求的敏感电子负载具有不同程度的负面影响，对其使用人员也存在一定的潜的危险性。
采用本专利所述方法之后，由附图5可见，uA1-N2的峰值约为280V。可见本专利所提方法对三相四桥臂逆变器输出端电压对地高频噪声的抑制是有效的。
本发明提供的是一种三相四桥臂逆变器输出端对地高频电压噪声抑制方法，具体包括：
(1)结合附图2进行说明。在三相四桥臂逆变器输出中点N1，即其输出端三个滤波电容的公共端，对其前端直流母线电压中点O，利用两个串联电容之间的连接点，引入一个容量适当的高频电容CH可显著抑制三相四桥臂逆变器各相输出电压对大地N2的高频噪声，改善三相四桥臂逆变器后级设备用电的安全性和电能质量有助于提高三相四桥臂逆变器后级设备和人员用电的安全性。
本发明的主要贡献和特点在于：
针对前三相桥臂，A相、B相和C相，分别采用分相独立的SPWM调制方式，第四桥臂，D相采用三次谐波注入的调制方式的三相四桥臂逆变器，提出了一种具有很强操作性、易实现的可以显著降低三相四桥臂逆变器各相输出电压对大地高频噪声的方法，有助于提高三相四桥臂逆变器后级设备和人员用电的安全性和电能质量。
结合附图2，本发明的目的是这样实现的：
附图2中为所述的三相四桥臂逆变器主电路示意图，直流电压udc通过对三相交流电压采用三相二极管整流获得，Cdc为整流输出的支撑电容。由于逆变器在控制上采用分相独立控制的方式，因而其前端必须保证具有足够高的直流电压幅值，在要求输出单相220V有效值的情况下，理论上其前端直流电压至少应为622V，即2倍电压峰值，因此图中采用Boost变换器对整流器输出电压udc进行升压处理，升压后的电压为uBT。由于Boost变换器本身为成熟技术，在此不再赘述。
三相四桥臂逆变器的输出为三相负载ZA、ZB和ZC供电。Q1和Q4构成A相桥臂，其桥臂中点为A；Q3和Q6构成B相桥臂，其桥臂中点为B；Q5和Q2构成C相桥臂，其桥臂中点为C；这三个桥臂用于输出ABC三相交流电。QU和QD构成D相桥臂，即为中性线的桥臂，其桥臂中点为D，该桥臂用于提供或控制逆变器的中线电流。
ABC三相的桥臂中点A、B、C分别与滤波电感LA、LB和LC的一端连接，LA、LB和LC的另一端分别与滤波电容CA、CB和CC的一端连接。D相的桥臂中点D与滤波电感LD的一端连接，LD的另一端与ABC三相滤波电容CA、CB和CC的另一端连接，这一端即为逆变器输出中点N1。
为了实现对三相四桥臂逆变器的控制设置了滤波电感电流传感器和滤波电容电压传感器，如附图2中A相电流iA传感器CSA、B相电流iB传感器CSB和C相电流iC传感器CSC。上述电流传感器用于实现A、B和C相电感电流的闭环控制。
A相电容电压uA传感器VSA、B相电容电压uB传感器VSB、C相电容电压uC传感器VSC。上述电压传感器用于实现A、B和C相电容电压的闭环控制。
三相四桥臂逆变器前3相A、B和C相分相独立控制(即各相可以采用独立的电压电流双闭环控制，或者单电压闭环控制方式)，采用SPWM调制，第4相D相采用三次谐波注入的调制方式是成熟技术。
结合附图2，在三相四桥臂逆变器输出中点N1对其前端直流侧中点O之间连接了一个容量适当的高频电容CH。三相四桥臂逆变器前端直流侧中点O是三相四桥臂逆变器前端Boost变换器两个连串输出电容CBT1和CBT2的公共连接点。其中CBT1不与CBT2连接的另一端接直流母线的正极如附图1中标注的P+，CBT2不与CBT1连接的另一端接直流母线的负极如附图1中标注的P-。

Claims (5)

1.一种三相四桥臂逆变器输出端对地高频电压噪声抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)构建与实际硬件系统一致的仿真模型；
三相四桥臂逆变器的前三相桥臂一A相、桥臂二B相和桥臂三C相分别采用分相独立的SPWM调制方式，第四桥臂D相采用三次谐波注入的调制方式；
(2)在无高频电容CH的额定负载下运行仿真模型，确认仿真模型正确运行，与设计相吻合；
(3)初选高频电容CH电容值CH0；
(4)通过在仿真模型中将高频电容CH连接在变换部直流侧中点O与三相四桥臂逆变器输出中点N1之间，在初选高频电容值CH0条件下进行仿真测试，观察A相、B相、C相相对于输出对大地的电压波形确定测试高频电容值CHT；
(5)在仿真模型中，进一步测量高频电容CH两端的端电压uH和通过CH的电流iH，并将iH换算为有效值iHRMS；
(6)通过仿真测试所获得测试高频电容值CHT、端电压uH和电流有效值iHRMS查阅电容数据手册，确定真实高频电容值CHR；
(7)通过将真实高频电容值CHR的电容CH连接在实际硬件电路中进行实验验证，没有达到消除电压高频噪声的效果就重复步骤(3)到步骤(6)，直到消除电压高频噪声为止。
2.根据权利要求1所述的一种三相四桥臂逆变器输出端对地高频电压噪声抑制方法，其特征在于：所述步骤(1)中，三相四桥臂逆变器的输出为三相负载一ZA、负载二ZB和负载三ZC供电。
3.根据权利要求1所述的一种三相四桥臂逆变器输出端对地高频电压噪声抑制方法，其特征在于：所述步骤(4)中，三相四桥臂逆变器输出中点N1为滤波电感LD一端与ABC三相滤波电容一CA、电容二CB和电容三CC一端的连接处。
4.根据权利要求1所述的一种三相四桥臂逆变器输出端对地高频电压噪声抑制方法，其特征在于：所述步骤(1)中，三相四桥臂逆变器包含滤波电感电流传感器和滤波电容电压传感器。
5.根据权利要求1所述的一种三相四桥臂逆变器输出端对地高频电压噪声抑制方法，其特征在于：所述步骤(4)中，变换部直流侧中点O是三相四桥臂逆变器前端变换部两个连串输出电容一CBT1和电容二CBT2的公共连接点。
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