CN108880208B - 一种桥式逆变器输出电压直流分量的估算和抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种桥式逆变器输出电压直流分量的估算和抑制方法，首先估算逆变器桥臂电压的直流分量，并作为逆变器输出电压直流分量的估算值；然后在单相或三相桥式逆变器系统中增设直流分量抑制模块；由于逆变器桥臂电压直流分量与逆变器输出电压直流分量呈比例关系，所述直流分量抑制模块通过控制逆变器桥臂电压直流分量为0或接近于0来控制逆变器输出电压直流分量，具体为将所估算的逆变器桥臂电压直流分量同0比较后，经PI控制器补偿，PI控制器的输出值经一定的限幅处理后，叠加至逆变器正弦参考电压、电压环或电流环输出。本发明能够估算出逆变器桥臂电压直流分量和逆变器输出电压直流分量的大小，并有效抑制逆变器输出的直流分量。

Description

一种桥式逆变器输出电压直流分量的估算和抑制方法

技术领域

本发明涉及电气制造技术和供电设备控制技术领域，具体涉及一种桥式逆变器输出电压直流分量的估算和抑制方法。

背景技术

传统化石能源的有限性及其广泛利用带来的气候变化和环境污染等问题，注定了建筑在化石能源之上的工业和经济发展模式难以持续。得益于可再生能源技术和信息技术高速发展的推动，世界能源行业的组织结构、技术基础以及经济模式正在逐步发生转变。在这个大背景下，分布式发电、微网、智能电网和能源互联网等概念被相继提出，都以促进可再生能源的灵活、高效利用为关键目标。作为分布式可再生能源和电网的接口装置的逆变器，起着至关重要的作用。此外，不间断电源设备广泛应用于社会生产和生活，其为用电设备提供高质量的电能也依赖于逆变器的控制。

逆变器控制电路中运算放大器、基准电压等存在零点漂移，开关管特性差异以及直流母线不平衡等原因都会导致逆变器输出电压含有直流分量。逆变器输出电压含有直流分量除了会引起额外损耗，还有以下危害：1)逆变器输出直流分量过大会导致输出滤波电感饱和，使逆变器无法正常工作；2)若逆变器输出带隔离变压器，会造成变压器饱和，导致系统过流；3)直流分量会导致非线性负载电流严重不对称，损坏用电设备；4)对于逆变器并联系统，直流分量会引起直流环流，降低系统可靠性；5)逆变器并网时，进网电流含有直流分量，会损害电网。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种桥式逆变器输出电压直流分量的估算和抑制方法，能够估算出逆变器桥臂电压直流分量和逆变器输出电压直流分量的大小，并消除逆变器输出的直流分量。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一方面，本发明一种桥式逆变器输出电压直流分量的估算方法，所述桥式逆变器为单相逆变器；所述单相逆变器包括直流母线电压V_p和V_n、第一开关管Q₁、第二开关管Q₂、输出滤波电感L_a和输出滤波电容C_a；所述估算方法包括：

设基波周期为T_f，开关周期为T_s，死区时间为T_d，载波比为N＝T_f/T_s；

记每个开关周期中第一开关管Q₁导通占空比为d_a，则每个开关周期中Q₁导通时间为(d_aT_s-T_d)，第二开关管Q₂导通时间为[(1-d_a)T_s-T_d]；实时采样逆变器直流母线电压的幅值V_p和V_n，采样周期以开关周期为单位；

则第k个开关周期内桥臂电压v_a的伏秒积为：

VS(k)＝(d_akT_s-T_d)V_pk-[(1-d_ak)T_s-T_d]V_nk

其中d_ak为第k个采样周期的占空比；V_pk为正直流母线电压；V_nk为负直流母线电压。构建一个时间长度为T_f，点数为N的窗口，将该窗口中的桥臂电压伏秒积平均值作为逆变器桥臂电压直流分量v_adc，计算如下：

若忽略死区影响，即令T_d＝0，则逆变器桥臂电压直流分量为：

记输出滤波电感L_a的电流直流分量为i_dc，输出滤波电感L_a等效串联电阻为r，负载电阻为R_a，则逆变器输出电压直流分量v_oadc与逆变器桥臂电压直流分量v_adc的关系式如下：

即：

由上式可知，逆变器桥臂电压直流分量与逆变器输出电压直流分量呈一比例关系；在空载条件下，比例系数为1，即逆变器输出电压直流分量v_oadc等于桥臂电压直流分量v_adc；带载时，由于等效串联电阻r远小于负载电阻R_a，仍旧满足比例系数接近1，即有v_oadc≈v_adc；因此，将估算的逆变器桥臂电压直流分量v_adc作为逆变器输出电压直流分量v_oadc的估算值是合理有效的。

优选的，所述桥式逆变器为三相逆变器；所述三相逆变器任意一相的电路结构与所述单向逆变器电路结构相同。

优选的，所述桥臂电压伏秒积平均值采用滑动的方式计算，每次滑动的点数为b，b的取值范围为[1，N]，当b＝1时，每个开关周期将最新的计算值记入，并剔除窗口中最早的历史值；当b＝N时，为逐个基波周期平均方式。

优选的，所述第一开关管Q₁包括IGBT或MOSFET全控型开关器件；所述第二开关管Q₂包括IGBT或MOSFET全控型开关器件。

另一方面，本发明一种桥式逆变器输出电压直流分量的抑制方法，其特征在于，基于所述的桥式逆变器输出电压直流分量的估算方法，包括：

由于所述逆变器桥臂电压直流分量与逆变器输出电压直流分量为一比例关系，且比例系数接近或等于1，因此通过控制所述逆变器桥臂电压直流分量为零或接近于零来控制所述逆变器输出电压直流分量。

优选的，控制所述逆变器桥臂电压直流分量为零或接近于零的方法，包括：

将逆变器桥臂电压直流分量同0比较后，经PI控制器补偿，所述PI控制器的输出值经一定的限幅处理后，作为抑制逆变器输出直流分量的补偿量，叠加至逆变器正弦参考电压、电压环或电流环输出。

采用上述方案后，本发明的有益效果是：本发明一种桥式逆变器输出电压直流分量的估算和抑制方法，能够估算出逆变器桥臂电压直流分量和逆变器输出电压直流分量的大小，并有效抑制逆变器输出的直流分量。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的一种桥式逆变器输出电压直流分量的估算和抑制方法不局限于实施例。

附图说明

图1为本发明实施例的单相半桥逆变器的电路图；

图2为本发明实施例的三相逆变器电路图；

图3为单相逆变器或三相逆变器每相的控制框图；

图4为未加入本发明抑制方法的逆变器输出电压及其直流分量的仿真图；

图5为加入本发明抑制方法的逆变器输出电压及其直流分量的仿真图。

具体实施方式

以下将结合本发明附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细描述和讨论。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明适用于数字化控制的单相半桥逆变器和三相逆变器；其中单相半桥逆变器的电路图参见图1所示，三相逆变器的电路图参见图2所示。如下以单相半桥逆变器为例进行详细说明。

参见图1所示，本发明一种桥式逆变器输出电压直流分量的估算方法，所述桥式逆变器为单相逆变器；所述单相逆变器包括直流母线电压V_p和V_n、第一开关管Q₁、第二开关管Q₂(所述第一开关管Q₁和第二开关管Q₂为IGBT或MOSFET等全控型开关器件)、输出滤波电感L_a和输出滤波电容C_a。当所述第一开关管Q₁和第二开关管Q₂为IGBT全控型开关器件时，所述直流母线电压V_p的正极性端和第一开关管Q₁的集电极相连，所述直流母线电压V_n的负极性端和第二开关管Q₂的发射极相连；所述直流母线电压V_p的负极性端和直流母线电压V_n的正极性端相连并接地；所述第一开关管Q₁的发射极与第二开关管Q₂的集电极相连；所述输出滤波电感L_a一端连接至所述第一开关管Q₁的发射极与第二开关管Q₂的集电极之间，另一端与输出滤波电容Ca相连；所述输出滤波电容C_a连接负载或电网；所述估算方法包括：

设基波周期为T_f，开关周期为T_s，死区时间为T_d，载波比为N＝T_f/T_s；

记每个开关周期中第一开关管Q₁导通占空比为d_a，则每个开关周期中Q₁导通时间为(d_aT_s-T_d)，第二开关管Q₂导通时间为[(1-d_a)T_s-T_d]；实时采样逆变器直流母线电压的幅值Vp和Vn，采样周期以开关周期为单位；

则第k个开关周期内桥臂电压v_a的伏秒积为：

VS(k)＝(d_akT_s-T_d)V_pk-[(1-d_ak)T_s-T_d]V_nk

其中d_ak为第k个采样周期的占空比；V_pk为正直流母线电压；V_nk为负直流母线电压；构建一个时间长度为T_f，点数为N的窗口，将计算出的该窗口中的桥臂电压伏秒积平均值作为逆变器桥臂电压直流分量v_adc，如下：

忽略死区影响，即令T_d＝0，则逆变器桥臂电压直流分量为：

记输出滤波电感L_a的电流直流分量为i_dc，输出滤波电感L_a等效串联电阻为r，负载为电阻R_a，则逆变器输出电压直流分量v_oadc与逆变器桥臂电压直流分量v_adc的关系式如下：

即：

所述桥臂电压伏秒积平均值采用滑动的方式计算，每次滑动的点数为b，b的取值范围为[1，N]，当b＝1时，每个开关周期将最新的计算值记入，并剔除窗口中最早的历史值；当b＝N时，为逐个基波周期平均方式。

需要说明的是，当所述第一开关管Q₁和第二开关管Q₂为MOSFET全控型开关器件时，所述单相逆变器的电路结构还可以是：所述直流母线电压V_p的正极性端和第一开关管Q₁的源极相连，所述直流母线电压V_n的负极性端和第二开关管Q₂的漏极相连；所述直流母线电压V_p的负极性端和直流母线电压V_n的正极性端相连并接地；所述第一开关管Q₁的漏极与第二开关管Q₂的源极相连；所述输出滤波电感L_a一端连接至所述第一开关管Q₁的漏极与第二开关管Q₂的源极之间，另一端与输出滤波电容C_a相连；所述输出滤波电容C_a连接负载或电网。

当所述第一开关管Q₁和第二开关管Q₂为其他全控型开关器件时，所述单相逆变器电路的具体连接结构随全控型开关器件的类型有所变动，本发明实施例不做具体限制。

参见图2所示，上述单相半桥逆变器的电路结构与三相逆变器中的第一相的电路结构一致，其他两相具有类似结构，因此，三相逆变器任意一相的逆变器输出电压直流分量的计算方式与上述单相半桥逆变器的逆变器输出电压直流分量的计算方式一样，仅是参数做相应的修改，本发明实施例不再做重复说明。

由上逆变器输出电压直流分量v_oadc与逆变器桥臂电压直流分量v_adc的关系式可知，逆变器桥臂电压直流分量与逆变器输出电压直流分量为一比例关系。如果控制逆变器桥臂电压直流分量v_adc为零，则逆变器输出电压直流分量也必为零。因此，通过控制逆变器桥臂电压直流分量v_adc为零或接近于零，将使逆变器输出直流分量得到有效控制，符合电能质量标准。根据本发明估算得到的逆变器桥臂电压直流分量v_adc，逆变器输出电压直流分量抑制方法如图3所示。将v_adc同0比较后，经PI控制器补偿，输出值经一定的限幅处理后，叠加至逆变器正弦参考电压v_oaref、电压环输出或电流环输出。

具体的，对于三相逆变器，其任意一相的逆变器输出电压直流分量抑制方法与图3所示的单相的处理方式相同。

如下将通过单相仿真进行说明。

令L_a＝3mL，C_a＝8μF，电感等效串联电阻r＝0.1Ω，V_p＝392V，V_n＝388V，IGBT导通压降为1.5V，其反并二极管导通压降为0.7V，死区时间为1.0μs，负载电阻R_a为25Ω。载波频率为20kHz，基波频率为50Hz，载波比N＝400。额定输出电压有效值为220V。滑动窗口每次滑动的点数为b＝1。

参见图4所示，逆变器输出电压含有3.00V的直流分量，实际桥臂电压直流分量为3.012V，用本发明估算的桥臂电压直流分量为3.034V，估算误差非常小。

参见图5所示，采用本发明提出的方法，将直流分量抑制模块的输出量叠加到逆变器正弦参考电压处后，逆变器输出电压直流分量减小为0.019V，输出电压直流分量得到有效抑制。

以上仅为本发明实例中一个较佳的实施方案。但是，本发明并不限于上述实施方案，凡按本发明所做的任何均等变化和修饰，所产生的功能作用未超出本方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种桥式逆变器输出电压直流分量的估算方法，所述桥式逆变器为单相半桥逆变器；所述单相半桥逆变器包括直流母线电压V_p和V_n、第一开关管Q₁、第二开关管Q₂、输出滤波电感L_a和输出滤波电容C_a；其特征在于，所述估算方法包括：

设基波周期为T_f，开关周期为T_s，死区时间为T_d，载波比为N＝T_f/T_s；

记每个开关周期中第一开关管Q₁导通占空比为d_a，则每个开关周期中Q₁导通时间为(d_aT_s-T_d)，第二开关管Q₂导通时间为[(1-d_a)T_s-T_d]；实时采样逆变器直流母线电压V_p和V_n，采样周期以开关周期为单位；

则第k个开关周期内桥臂电压v_a的伏秒积为：

VS(k)＝(d_akT_s-T_d)V_pk-[(1-d_ak)T_s-T_d]V_nk

其中d_ak为第k个采样周期的占空比；V_pk为正直流母线电压；V_nk为负直流母线电压； 构建一个时间长度为T_f，点数为N的窗口，将该窗口中的桥臂电压伏秒积平均值作为逆变器桥臂电压直流分量v_adc，计算如下：

若忽略死区影响，即令T_d＝0，则逆变器桥臂电压直流分量为：

记输出滤波电感L_a的电流直流分量为i_dc，输出滤波电感L_a等效串联电阻为r，负载电阻为R_a，则逆变器输出电压直流分量v_oadc与逆变器桥臂电压直流分量v_adc的关系式如下：

即：

由上式可知，逆变器桥臂电压直流分量与逆变器输出电压直流分量呈一比例关系；在空载条件下，比例系数为1，即逆变器输出电压直流分量v_oadc等于桥臂电压直流分量v_adc；带载时，由于等效串联电阻r远小于负载电阻R_a，仍旧满足比例系数接近1，即有v_oadc≈v_adc；因此，将估算的逆变器桥臂电压直流分量v_adc作为逆变器输出电压直流分量v_oadc的估算值是合理有效的。

2.根据权利要求1所述的桥式逆变器输出电压直流分量的估算方法，其特征在于，所述桥式逆变器为三相逆变器；所述三相逆变器任意一相的电路结构与所述单相半桥逆变器电路结构相同。

3.根据权利要求1所述的桥式逆变器输出电压直流分量的估算方法，其特征在于，所述桥臂电压伏秒积平均值采用滑动的方式计算，每次滑动的点数为b，b的取值范围为[1，N]，当b＝1时，每个开关周期将最新的计算值记入，并剔除窗口中最早的历史值；当b＝N时，为逐个基波周期平均方式。

4.根据权利要求1所述的桥式逆变器输出电压直流分量的估算方法，其特征在于，所述第一开关管Q₁包括IGBT或MOSFET全控型开关器件；所述第二开关管Q₂包括IGBT或MOSFET全控型开关器件。

5.一种桥式逆变器输出电压直流分量的抑制方法，其特征在于，基于如权利要求1至4中任意一项所述的桥式逆变器输出电压直流分量的估算方法，包括：

由于所述逆变器桥臂电压直流分量与逆变器输出电压直流分量为一比例关系，且比例系数接近或等于1，因此通过控制所述逆变器桥臂电压直流分量为零或接近于零来控制所述逆变器输出电压直流分量。

6.根据权利要求5所述的桥式逆变器输出电压直流分量的抑制方法，其特征在于，控制所述逆变器桥臂电压直流分量为零或接近于零的方法，包括：

将逆变器桥臂电压直流分量同0比较后，经PI控制器补偿，所述PI控制器的输出值经一定的限幅处理后，作为抑制逆变器输出直流分量的补偿量，叠加至逆变器正弦参考电压、电压环或电流环输出。

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