CN109256973A - 一种前级boost升压的两级式单项逆变器输入端纹波电流抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力电子单相逆变输入端纹波电流抑制技术领域，公开了一种前级boost升压的两级式单项逆变器输入端纹波电流抑制方法，首先建立两级式单相逆变器电路，该电路由低压直流电源供电，由前级和后级连接而成，所述前级由boost电路构成，所述boost电路包括无源能量缓冲器件，所述后级为单相全桥逆变电路，与交流侧功率耦合等步骤得到抑制脉动后的输入电流。本发明相对传统方法以更小代价实现更有效输入端电流纹波抑制；新增了一个电流纹波通道，形成一种基于前馈‑反馈模型的电流前馈型输入端纹波电流主动抑制的控制策略；并增加一个随着直流输入纹波电流抖动的占空比小信号扰动进行更进一步纹波抑制。

Description

一种前级boost升压的两级式单项逆变器输入端纹波电流抑 制方法

技术领域

本发明涉及电力电子单相逆变输入端纹波电流抑制技术领域，更具体地说，特别涉 及一种前级boost升压的两级式单项逆变器输入端纹波电流抑制方法。

背景技术

目前市面上存在着许多以低压直流的方式输出能量的供电设备，而很多的用电器往 往需要的是交流电。为了能将低压直流输出电能转换成适用于交流用电器或者单相交流电网 的电能，所以通常需要将此类低压直流电源进行两级能量转换：前级DC/DC升压，后级 DC/AC逆变。由此，该过程中就会出现两种形式的电能：即低压直流和单相工频交流。由于逆变后的输出侧是交流的电压和电流，即会在交流输出侧产生相应的二次的脉动功率，交 流侧的脉动功率会引起直流母线上的电压出现相应的脉动。而直流母线上的电压脉动又会进 一步耦合到直流输入侧，使输入侧叠加大量的纹波电流从而对整个系统造成不利的影响。输 入端存在大量的纹波电流会增加变换器的负担，影响电力电子器件的寿命并且会导致转换效 率的降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种前级boost升压的两级式单项逆变器输入端纹波电流抑 制方法，在传统的基于前级boost逆变电路的双闭环控制系统的基础上，新增了一路纹波反 馈通道，并在boos电路输出的占空比上叠加一个随输入端电流纹波的脉动规律而变化的小 信号扰动，使得直流母线电压U_dc的脉动得到更加有效地抑制，从而使脉动分量向输入端电 流的传播量得到减小，进而达到相对传统方法以更小代价实现更有效输入端电流纹波抑制的 目的。

如图1所示，首先建立两级式单相逆变器电路，该电路由低压直流电源供电，由前级和后级连接而成，所述前级由boost电路构成；所述后级为单相全桥逆变电路，与交流侧功率耦合；所述boost电路包括无源能量缓冲器件，该无源能量缓冲器件包括电感L和电容C。

假设系统输出的功率因数为1，Us、Is分别是交流输出端电压和电流的峰值，则交流 输出端的瞬时功率可以由式(1)表示：

令：

其表示的是交流侧两倍于基波频率的脉动功率。在该拓扑结构图中，采用大容量的无源电解 电容来吸收二次侧的脉动功率从而达到功率解耦的目的。假设脉动功率完全被电容所吸收， 设U_dc为母线电压，u_r为直流输入侧的纹波电压，则：

对(3)式两端分别进行积分得到：

而当脉动功率完全被输入电感L吸收时，可以得到输入纹波电流的表达式为：

在稳定条件下对系统进行小信号扰动，设为直流电压输入扰动量，视母线电压的纹波为 扰动量，用来表示。母线电压的波动会直接影响直流输入端，使直流输入端电流产生纹 波，出现直流输入纹波扰动，用表示。令占空比输出电压为输入电流为即得到boost电路的小信号电路模型如图2所示。

根据图2所示的小信号模型，能推导出直流母线电压、直流输入电流与占空比的传递函数，以及纹波传递方程。

式(8)的纹波传递方程表示变换器在一定参数条件下，由于母线上电压的脉动，引起输入 侧电流产生的脉动量。

图3是本发明设计的控制框图，该框图是基于典型的双闭环系统设计得到的。其中boost电路输出电压U_dc为系统的电压外环，其作用是稳定整个系统的母线电压。输入电流IL为系统的电流内环。其中电压外环和电流内环的PID控制器的传递函数分别表示为H_u(s)与H_i(s)，G_ud(s)和G_id(s)分别为直流母线电压、直流输入电流与占空比的传递函数，已 由图2的小信号模型推出。D(s)为输出的占空比。

此时，图3中的D(s)占空比为：

D(s)＝D₀(s)+D_f(s) (9)

由(4)式及boost电路升压比关系得：

所以占空比二倍频分量为：

将(5)与(11)式联立得：

其中I_L为输入电流的有效值，U_i为直流输入侧电压，λ为脉动能量在电感电容间的分配因 子，当占空比、频率和系统参数确定后λ可由式(8)的模来确定。为了进一步减小纹波电流，增加一个随着直流输入纹波电流变化而变化的小信号扰动，表示为Δd＝-ki_L，从而对电流纹波进行更进一步抑制。设电流内环PI调节器输出量为d₀，则此时占空比输出的瞬时值为：

可以用一个滤波器提取直流分量，于是可将图3所示的控制框图，根据等效原则进一步化 简，从而得到的化简后的控制框图如图4所示。简化后即得到本发明的纹波抑制电路模型。

由此，得出本发明采用的技术方案如下：

一种前级boost升压的两级式单项逆变器输入端纹波电流抑制方法，包括以下步骤：

步骤1，首先建立两级式单相逆变器电路，该电路由低压直流电源供电，由前级和后级连接 而成，所述前级由boost电路构成；所述后级为单相全桥逆变电路，与交流侧功率耦合；所 述boost电路包括无源能量缓冲器件，该无源能量缓冲器件包括电感L和电容C。

步骤2，采集boost电路上的输出电压，即直流母线电压信号U_dc，将其与给定 电压信号U^* _dc相比较得到误差e₁，将误差信号e₁通过电压外环PI调节器H_u(s)进行调节 可得到电感电流指令信号I^* _L，其中电压外环PI调节器的形式为 其中ω_zu和ω_pu分别是PI调节器传递函数的零点和极 点。

步骤3，采集输入电流，将其与得到的电流指令信号相比较得到误差e₂，将得到 的误差e₂，通过电流内环PI控制器进行校正后可得到初始占空比信号D₀(s)。其中电流内环 控制器传递函数设计为：其中w_zi1和w_zi2为控制器的两 个零点，w_pi为控制器的极点。

步骤4，将得到的初始占空比信号D₀(s)通过一个叠加了随直流输入纹波电流变化的 小信号扰动的电流纹波反馈通道的等效化简环节G_f(s)，即可得到叠加了二倍频分量和小信 号占空比扰动的输出占空比控制信号D(s)。其中随输入纹波电流变化的小信号扰动为 Δd＝-ki_L，电流纹波反馈通道的表达式为Gf(s)的传递函数可表示为

步骤5，随后将得到的占空比控制信号D(s)通过其与母线电压的传递函数G_ud(s)从而 即可得到抑制了脉动量的直流母线电压U_dc'；同时将得到的占空比控制信号D(s)通过其与输 入电流的传递函数G_id(s)从而即得到了抑制脉动后的输入电流I_L。

基于发明的设计方法，研制出了两级式单相逆变器。图5、图6为输出功率为500W的传统逆变器实验波形。图7、图8为基于本发明思路设计的输出功率为500W时的实验波形。图5中的输入电流纹波的峰峰值约为2.8A，平均电流为12A，纹波率约为23.3％，图7 中的输入电流纹波的峰峰值约为0.3A，平均电流为12A，纹波率约为2.5％。图6为传统逆 变器的boost占空比信号，可见其几乎为一条直线，其对输入电流纹波没有主动抑制的效 果。而图8中的占空比控制信号明显叠加了随输入电流变化的脉动分量，实现了对输入电流 纹波为可见其为从实验结果可以看出，本发明的控制策略抑制下的输入电流纹波率已由原来的25％降为2.5％左右，表现出良好的抑制效果。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1.本发明在传统的电压电流双闭环控制方案的基础上，新增了一个电流纹波通道，形成一种 基于前馈-反馈模型的电流前馈型输入端纹波电流主动抑制的控制策略。

2.本发明增加一个随着直流输入纹波电流抖动的占空比小信号扰动进行更进一步纹波 抑制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有 技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明 的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据 这些附图获得其他的附图。

图1是本发明所述两级式单相逆变器的拓扑结构与能量流图。

图2是本发明所述boost变换器等效小信号电路模型图。

图3是本发明基于前馈-反馈控制的控制系统框图。

图4是本发明基于前馈-反馈控制的控制系统简化框图。

图5-图6是普通500W输出逆变器实验波形图，图5为电压电流信号波形图，图6 为占空比信号图。

图7-图8是本发明500W功率的原型机实验波形图，图7为电压电流信号波形图， 图8为占空比信号图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更 易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

本发明一种前级boost升压的两级式单项逆变器输入端纹波电流抑制方法，包括以下 步骤：

步骤1，首先建立两级式单相逆变器电路，该电路由低压直流电源供电，由前级和后级连接 而成，所述前级由boost电路构成；所述后级为单相全桥逆变电路，与交流侧功率耦合；所 述boost电路包括无源能量缓冲器件，该无源能量缓冲器件包括电感L和电容C。

步骤2，采集boost电路上的输出电压，即直流母线电压信号U_dc，将其与给定电压信号U^* _dc相比较得到误差e₁，将误差信号e₁通过电压外环PI调节器H_u(s)进行调节可得 到电感电流指令信号I^* _L，其中电压外环PI调节器的形式为 其中ω_zu和ω_pu分别是PI调节器传递函数的零点和极 点；

步骤3，采集输入电流，将其与得到的电流指令信号相比较得到误差e₂，将得到的误 差e₂，通过电流内环PI控制器进行校正后可得到初始占空比信号D₀(s)。其中电流内环控制 器传递函数设计为：其中w_zi1和w_zi2为控制器的两个零 点，w_pi为控制器的极点；

步骤4，将得到的初始占空比信号D₀(s)通过一个叠加了随直流输入纹波电流变化的 小信号扰动的电流纹波反馈通道的等效化简环节G_f(s)，即可得到叠加了二倍频分量和小信 号占空比扰动的输出占空比控制信号D(s)。其中随输入纹波电流变化的小信号扰动为 Δd＝-ki_L，电流纹波反馈通道的表达式为Gf(s)的传递函数可表示为

步骤5，随后将得到的占空比控制信号D(s)通过其与母线电压的传递函数G_ud(s)从而 即可得到抑制了脉动量的直流母线电压U_dc'；同时将得到的占空比控制信号D(s)通过其与输 入电流的传递函数G_id(s)从而即得到了抑制脉动后的输入电流I_L。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范 围之内做出各种变形或修改，只要不超过本发明的权利要求所描述的保护范围，都应当在本 发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种前级boost升压的两级式单项逆变器输入端纹波电流抑制方法，包括以下步骤：

步骤1，首先建立两级式单相逆变器电路，该电路由低压直流电源供电，由前级和后级连接而成，所述前级由boost电路构成；所述后级为单相全桥逆变电路，与交流侧功率耦合；所述boost电路包括无源能量缓冲器件，该无源能量缓冲器件包括电感L和电容C；

步骤2，采集boost电路上的输出电压，即直流母线电压信号U_dc，将其与给定电压信号U^* _dc相比较得到误差e₁，将误差信号e₁通过电压外环PI调节器H_u(s)进行调节可得到电感电流指令信号I^* _L，其中电压外环PI调节器的形式为其中ω_zu和ω_pu分别是PI调节器传递函数的零点和极点；

步骤3，采集输入电流，将其与得到的电流指令信号相比较得到误差e₂，将得到的误差e₂，通过电流内环PI控制器进行校正后可得到初始占空比信号D₀(s)；其中电流内环控制器传递函数设计为：其中w_zi1和w_zi2为控制器的两个零点，w_pi为控制器的极点；

步骤4，将得到的初始占空比信号D₀(s)通过一个叠加了随直流输入纹波电流变化的小信号扰动的电流纹波反馈通道的等效化简环节G_f(s)，即可得到叠加了二倍频分量和小信号占空比扰动的输出占空比控制信号D(s)；其中随输入纹波电流变化的小信号扰动为Δd＝-ki_L，电流纹波反馈通道的表达式为G_f(s)的传递函数可表示为

步骤5，随后将得到的占空比控制信号D(s)通过其与母线电压的传递函数G_ud(s)从而即可得到抑制了脉动量的直流母线电压U_dc'；同时将得到的占空比控制信号D(s)通过其与输入电流的传递函数G_id(s)从而即得到了抑制脉动后的输入电流I_L。