CN109861575B - 基于对数电流反馈的h桥逆变器自适应控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于对数电流反馈的H桥逆变器自适应控制方法，通过调整电流反馈增益正比于参考电流绝对值与功率电感电流绝对值差值的对数值，结合电流反馈控制律实现了功率电感电流误差值在固定时间内完全衰减的H桥逆变器反馈控制。采用本发明方法，H桥逆变器可以在不增加额外硬件、且不牺牲动态性能的前提下有效降低功率电感电流总谐波畸变率、提高逆变器的稳态谐波性能，并有助于减小逆变器对电网或负载电能质量的负面影响。

Description

基于对数电流反馈的H桥逆变器自适应控制方法
技术领域
本发明涉及单相H桥逆变器反馈控制的技术领域，尤其是指一种基于对数电流反馈的H桥逆变器自适应控制方法。
背景技术
大功率开关器件的出现使电力电子技术得到长足发展，各类大功率电能变换应用得以实现。直流-交流变换作为电能变换中的一种应用在现代能源与电力工程中愈发得到重视，特别是各类电池系统都需要使用逆变器进行直流-交流变换作为其接入电网系统的缓冲级。
然而，由于开关器件的非线性特征，大量运用开关器件的逆变器会给电网造成谐波污染。这些谐波污染中，除了不可避免的在开关调制频率频段的污染，还有谐波从功率电路通过寄生参数耦合到控制回路造成的二次污染，以及空间交变磁场通过天线效应耦合到控制回路造成的噪声。这些谐波污染需要电网系统投入更多的成本建设滤波器以保证电能质量达到应用要求。因此，若可以在变换器端抑制这些谐波，便可以降低电网建设成本，提高电网质量。
为了抑制这些额外噪声带来的谐波污染，现代开关电源产品在设计上一般通过降低等效反馈增益以抑制噪声带来的影响，或者在一些高端产品上额外的采用极其复杂的电路或控制器。前者虽然可以简单实现，但同时需要以降低系统动态性能作为代价；后者不仅需要为系统增加额外的成本，而且复杂系统的可靠性也存疑。因此，有必要设计出一种简单可靠，同时对系统动态性能影响较小抑制电流谐波的控制方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种基于对数电流反馈的H桥逆变器自适应控制方法，有效抑制功率电感电流采样噪声对H桥逆变器产生的电磁干扰，同时保证逆变器具有良好的动态性能，且实现简单，在传统H桥逆变器的基础上不需要增加额外的硬件。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：基于对数电流反馈的H桥逆变器自适应控制方法，所述H桥逆变器为主功率电路，并配套有由负载及依次相连的直流电源、采样调理模块、数字控制模块和MOS管驱动模块组成的外围电路；所述H桥逆变器包括第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、功率电感和输出电容；所述第一MOS管的漏极与第二MOS管的漏极连接至直流电源的正极，所述第一MOS管的源极连接至第三MOS管的漏极，所述第二MOS管的源极连接至第四MOS管的漏极，所述第三MOS管的源极与第四MOS管的源极连接至直流电源的负极，所述功率电感的正极连接至第一MOS管的源极，所述输出电容的正极连接至功率电感的负极，所述输出电容的负极连接至第二MOS管的源极，所述负载与输出电容并联；
所述H桥逆变器自适应控制方法，包括以下步骤：
1)获得参考电流值iref，其计算公式是：
Figure BDA0002008084290000021
其中，Z为负载电阻值；C为输出电容值；逆变器工作在并网状态时，uref为电网侧电压值；逆变器工作在离网状态时，uref为根据具体工程需要决定的理想输出电压值；
2)获得参考电流绝对值|iref|、功率电感电流绝对值|i|与参考电压绝对值|uref|，其计算公式是：
Figure BDA0002008084290000022
其中，i为功率电感电流值；
3)将参考电流绝对值|iref|与功率电感电流绝对值|i|相减得到差值E＝(|iref|-|i|)；判断差值E若大于
Figure BDA0002008084290000031
则取差值E为
Figure BDA0002008084290000032
判断差值E若小于1，则取差值E为1；
4)计算步骤3)得到的差值E的对数值lnE；
5)使用步骤4)得到的对数值lnE计算反馈增益k，其公式是：
Figure BDA0002008084290000033
其中，L为功率电感值；Vin为直流电源电压值；T为数字控制模块的控制周期；
6)根据电流反馈控制律得到控制信号d，其公式是：
Figure BDA0002008084290000034
7)根据控制信号d与参考电流值iref调制开关信号，其过程是：
若参考电流值iref为正，则向MOS管驱动模块输出第二MOS管关断信号、第三MOS管关断信号与第四MOS管开通信号，并在前
Figure BDA0002008084290000035
时间内输出第一MOS管关断信号，在之后的dT时间输出第一MOS管开通信号，在最后
Figure BDA0002008084290000036
时间输出第一MOS管关断信号；若参考电流值iref为负，则向MOS管驱动模块输出第一MOS管关断信号、第四MOS管关断信号与第三MOS管开通信号，并在前
Figure BDA0002008084290000037
时间内输出第二MOS管关断信号，在之后的dT时间输出第二MOS管开通信号，在最后
Figure BDA0002008084290000038
时间输出第二MOS管关断信号。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、本发明方法能够实现功率电感电流与参考电流的误差值在单个周期内衰减为0，因此能够实现H桥逆变器对功率电感电流采样噪声所带来电磁干扰的抑制，提高H桥逆变器功率电感电流的稳态谐波性能。
2、在负载发生扰动时，本发明方法可以使功率电感电流在短时间内完成动态过程，达到新的稳定状态，使H桥逆变器对负载扰动具有较短的响应时间。
3、本发明方法计算简单，且不需要在传统H桥逆变器上增加额外的硬件或机构，缩短了工程开发与调试时间。
附图说明
图1为H桥逆变器的电路结构图。
图2为本发明方法的控制流程图。
图3为存在功率电感电流采样噪声时设计案例仿真稳态波形图。
图4为负载电阻在输出电压达到峰值时分别增大与恢复的仿真动态波形图。
具体实施方式
下面结合具体实施例与附图对本发明的实施作进一步的详细叙述。但本发明的实施不限于此。
本实施例所提供的基于对数电流反馈的H桥逆变器自适应控制方法，在SIMULINK仿真平台上得以实现，如图1所示，H桥逆变器为主功率电路，并配套有由负载Z及依次相连的直流电源Vin、采样调理模块、数字控制模块和MOS管驱动模块组成的外围电路；所述H桥逆变器包括第一MOS管S1、第二MOS管S2、第三MOS管S3、第四MOS管S4、功率电感L和输出电容C；第一MOS管S1的漏极与第二MOS管S2的漏极连接至直流电源Vin的正极，第一MOS管S1的源极连接至第三MOS管S3的漏极，第二MOS管S2的源极连接至第四MOS管S4的漏极，第三MOS管S3的源极与第四MOS管S4的源极连接至直流电源Vin的负极，功率电感L的正极连接至第一MOS管S1的源极，输出电容C的正极连接至功率电感L的负极，输出电容C的负极连接至第二MOS管S2的源极，负载Z与输出电容C并联。
各项参数如下表1所示。
表1实施例各项参数
参数 值 参数 值
功率电感L 4mH 直流电源电压V<sub>in</sub> 200V
输出电容C 2.2μF 参考电压u<sub>ref</sub> 155sin(100πnT)
负载Z 30Ω 控制周期T 25μs
其中，参考电压uref中的n为数字控制模块所记录的周期数。如图2所示，本实施例所提供的基于对数电流反馈的H桥逆变器自适应控制方法，具体实施如下：
H桥逆变器正常工作，进入中断逻辑后，依次执行下列步骤：
1)根据公式
Figure BDA0002008084290000051
以及由数字控制模块所记录的周期数n可以求得参考电流iref＝5.18sin(100πnT)+0.108cos(100πnT)。
2)根据公式
Figure BDA0002008084290000052
获得参考电流绝对值|iref|、功率电感电流绝对值|i|与参考电压绝对值|uref|。其中功率电感电流值i在H桥逆变器进入中断逻辑前由采样调理模块获得。
3)将参考电流绝对值|iref|与功率电感电流绝对值|i|相减得到差值E＝(|iref|-|i|)；判断差值E若大于
Figure BDA0002008084290000053
则取差值E为1.46；判断差值E若小于1，则取差值E为1。
4)计算步骤3)得到的差值E的对数值lnE。
5)使用步骤4)得到的对数值lnE计算反馈增益k，其公式是：
Figure BDA0002008084290000061
其中，直流电源电压值Vin在H桥逆变器进入中断逻辑前由采样调理模块获得。
6)根据电流反馈控制律得到控制信号d，其公式是：
Figure BDA0002008084290000062
7)根据控制信号d与参考电流值iref调制开关信号，其过程是：
若参考电流值iref为正，则向MOS管驱动模块输出第二MOS管关断信号、第三MOS管关断信号与第四MOS管开通信号，并在前
Figure BDA0002008084290000063
时间内输出第一MOS管关断信号，在之后的dT时间输出第一MOS管开通信号，在最后
Figure BDA0002008084290000064
时间输出第一MOS管关断信号；若参考电流值iref为负，则向MOS管驱动模块输出第一MOS管关断信号、第四MOS管关断信号与第三MOS管开通信号，并在前
Figure BDA0002008084290000065
时间内输出第二MOS管关断信号，在之后的dT时间输出第二MOS管开通信号，在最后
Figure BDA0002008084290000066
时间输出第二MOS管关断信号。完成中断逻辑。
图3显示了功率电感电流采样存在干扰时噪声波形以及实施例的稳态波形。其中，电流采样白噪声功率为1W。从图3可以看出，即使采样噪声功率高达1W，逆变器功率电感电流总谐波畸变率仍能维持在5％，达到一般工程应用的要求，说明本发明控制方法对电流谐波具有良好的抑制能力。
图4显示了实施例负载电阻在输出电容电压达到峰值时分别增大20Ω与恢复的仿真波形。在动态过程中，电流由较小值变化至较大值的调节时间为0.51ms；由较大值变化至较小值的调节时间为0.28ms，均无超调且达到了良好的程度，说明本发明控制方法在抑制电流谐波的同时使逆变器具有良好的动态性能。
本领域技术人员可以在不违背本发明的原理和实质的前提下对本具体实施例做出各种修改或补充或者采用类似的方式替代，但是这些改动均落入本发明的保护范围。因此本发明技术范围不局限于上述实施例。

Claims (1)

1.基于对数电流反馈的H桥逆变器自适应控制方法，所述H桥逆变器为主功率电路，并配套有由负载及依次相连的直流电源、采样调理模块、数字控制模块和MOS管驱动模块组成的外围电路；所述H桥逆变器包括第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、功率电感和输出电容；所述第一MOS管的漏极与第二MOS管的漏极连接至直流电源的正极，所述第一MOS管的源极连接至第三MOS管的漏极，所述第二MOS管的源极连接至第四MOS管的漏极，所述第三MOS管的源极与第四MOS管的源极连接至直流电源的负极，所述功率电感的正极连接至第一MOS管的源极，所述输出电容的正极连接至功率电感的负极，所述输出电容的负极连接至第二MOS管的源极，所述负载与输出电容并联；
其特征在于，所述H桥逆变器自适应控制方法，包括以下步骤：
1)获得参考电流值iref，其计算公式是：
Figure FDA0002237134240000011
其中，Z为负载电阻值；C为输出电容值；逆变器工作在并网状态时，uref为电网侧电压值；逆变器工作在离网状态时，uref为根据具体工程需要决定的理想输出电压值；
2)获得参考电流绝对值|iref|、功率电感电流绝对值|i|与参考电压绝对值|uref|，其计算公式是：
Figure FDA0002237134240000012
其中，i为功率电感电流值；
3)将参考电流绝对值|iref|与功率电感电流绝对值|i|相减得到差值E＝(|iref|-|i|)；判断差值E若大于
Figure FDA0002237134240000021
则取差值E为
Figure FDA0002237134240000022
判断差值E若小于1，则取差值E为1；T为数字控制模块的控制周期；
4)计算步骤3)得到的差值E的对数值lnE；
5)使用步骤4)得到的对数值lnE计算反馈增益k，其公式是：
Figure FDA0002237134240000023
其中，L为功率电感值；Vin为直流电源电压值；
6)根据电流反馈控制律得到控制信号d，其公式是：
Figure FDA0002237134240000024
7)根据控制信号d与参考电流值iref调制开关信号，其过程是：
若参考电流值iref为正，则向MOS管驱动模块输出第二MOS管关断信号、第三MOS管关断信号与第四MOS管开通信号，并在前
Figure FDA0002237134240000025
时间内输出第一MOS管关断信号，在之后的dT时间输出第一MOS管开通信号，在最后
Figure FDA0002237134240000026
时间输出第一MOS管关断信号；若参考电流值iref为负，则向MOS管驱动模块输出第一MOS管关断信号、第四MOS管关断信号与第三MOS管开通信号，并在前
Figure FDA0002237134240000027
时间内输出第二MOS管关断信号，在之后的dT时间输出第二MOS管开通信号，在最后
Figure FDA0002237134240000028
时间输出第二MOS管关断信号。
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