CN110572017B - 一种单相逆变器直流宽频域纹波抑制装置及其控制方法 - Google Patents

一种单相逆变器直流宽频域纹波抑制装置及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单相逆变器直流宽频域纹波抑制装置及其控制方法，主要包括混合直流有源滤波器及其滑模反馈线性化控制方法，用于治理单项逆变器直流侧电流纹波，提高负荷供电质量。所述混合直流有源滤波器包括无源电感L和直流有源滤波器。其中，所述无源电感L串联在直流电源与逆变器间，与储能电容C构成LC滤波器，用于抑制直流纹波中高频成分；所述直流有源滤波器与逆变器部分相并联，并采用滑模反馈线性化控制方法，用于补偿直流纹波电流的低频成分。而所述滑模反馈线性化控制方法可将直流有源滤波器直流侧电压和输出电流作为一个整体进行控制，具有更高的控制精度和更好的系统鲁棒性。

Description

一种单相逆变器直流宽频域纹波抑制装置及其控制方法
技术领域
本发明专利属于单相逆变器直流纹波治理技术领域，特别是涉及一种直流混合有源滤波器及其反馈线性化滑模控制方法。
背景技术
随着国防工业及新能源发电的发展，单相逆变器的应用越来越多，单相逆变器直流侧电流会有谐波电流，直流低频谐波严重危害直流侧电源供电的健康及可靠性，单相逆变器直流侧低频谐波治理的问题日益突出。由于低频谐波电流频率较低，仅用滤波电容来滤除直流侧谐波，则需要较大的电容，不但会增加电力电子装备的体积，且使用寿命较短。直流有源滤波器是补偿直流电流中谐波电流的有效装置，其由于体积小，滤波效果好，在国防工业，特别是航空电力系统中已经应用，其原理是产生与谐波电流具有同幅值，但相位相反的电流，注入到逆变器直流侧，达到消除谐波电流的目的。混合有源滤波器当前均指交流混合有源滤波器，其通过无源滤波器和有源滤波器相结合来提高交流谐波治理质量，与单纯的有源滤波器相比，混合有源滤波器综合了无源滤波器和有源滤波器的优点，具有更高的谐波治理能力。
有源滤波器控制技术主要分为谐波检测和有源滤波器控制。谐波检测是有源滤波器正常工作的基础，谐波检测的快速性、准确性及灵活性直接影响到有源滤波器的跟踪、补偿特性。早期的谐波电流检测方法是通过模拟电路来实现的，但由于模拟滤波器引起的相位和幅值误差较大且高精度的模拟滤波器很难设计，已很少采用。随着电子技术和计算机的发展，数字谐波检测方法已经成为主流。对于有源滤波器的控制一般采用电压外环、电流内环的双闭环控制，外环控制直流侧电压的稳定，内环则控制有源滤波器输出电流跟随目标电流，常规的双环控制控制速度较慢，严重制约着有源滤波器对谐波补偿的效果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提出一种单相逆变器直流宽频域纹波抑制装置的控制方法，该方法基于反馈线性化理论及滑模变结构控制，在电路参数具有一定误差的情况下仍能高效的治理逆变器直流侧低频二次谐波及中高频谐波电流。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种单相逆变器直流宽频域纹波抑制装置的控制方法，包括以下步骤：
1)将基于boost电路的直流有源滤波器与逆变器部分并联，然后在直流有源滤波器和逆变器直流侧电容C1之间增加滤波电感L1，构成LC滤波器，用来抑制直流纹波中高频成分；
2)检测逆变器直流侧电压vin，测量通过LC滤波器后直流侧电流iL1，直流有源滤波器电容电压vc和直流有源滤波器输出电流iapf，随后用滑动平均值滤波器滤除电流iL1中的低频谐波电流，得到直流侧电流iL1中的直流量，然后用电流iL1减去检测出的直流量，将相减后的差取反后得到直流混合有源滤波器的指令电流iref；
3)取x＝[x1,x2]＝[iapf,vc]，通过反馈线性化变换，得到与直流有源滤波器电容电压vc和输出电流iapf等效的微分同胚控制目标z1和z2；基于控制目标z1和z2，根据下式计算出控制变量u；控制变量u与单位三角载波相比较，生成直流有源滤波器开关管通断的开关信号，控制变量大于单位三角载波信号则开关管导通，否则关断。
步骤3)中，反馈线性化变换前后公式为：
Figure GDA0003043012300000021
Figure GDA0003043012300000022
其中L2为直流有源滤波器电感，C2为直流有源滤波器电容。
步骤4)中，
Figure GDA0003043012300000023
Figure GDA0003043012300000024
s＝e2+c1e1；z1ref为z1的参考值，z2ref为z2的参考值；k,ε和c1为控制器参数，k>0,ε>0和c1>0；
Figure GDA0003043012300000025
为z2ref的导数。
相应地，本发明还提供了一种单相逆变器直流宽频域纹波抑制装置，包括基于boost电路的直流有源滤波器与逆变器；所述直流有源滤波器与逆变器并联；所述直流有源滤波器与逆变器之间接有滤波电感；所述直流有源滤波器的控制过程主要为：将控制变量u与单位三角载波相比较，生成直流有源滤波器开关管通断的开关信号，控制变量大于单位三角载波信号则开关管导通，否则关断；
Figure GDA0003043012300000031
z1ref为z1的参考值，z2ref为z2的参考值；k,ε和c1为控制器参数；[x1,x2]＝[iapf,vc]；vc为直流有源滤波器电容电压；iapf为直流有源滤波器输出电流；vin为逆变器直流侧电压；L2为直流有源滤波器电感；k>0,ε>0和c1>0；
Figure GDA0003043012300000032
为z2ref的导数。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明针对单相逆变器直流侧纹波治理的问题，将LC滤波器与直流有源滤波器相结合，得到直流混合有源滤波器，并应用反馈线性化理论及滑模变结构控制实现直流有源滤波器的控制，其在控制速度和控制精度上较传统的电压电流双环控制都有很大的提高，设计的直流混合有源滤波器不仅具有较高的控制精度，具有优异的滤波器效果，而且对电路参数不敏感，具有较强的鲁棒性。
附图说明
图1带有直流混合有源滤波器的单项逆变器并网电路及其控制框图。
图2含直流混合有源滤波器的单相逆变器等效电路图。
图3直流混合有源滤波器阻抗幅频特性曲线图。
图4增加直流混合有源滤波器前实验波形图。
图5增加直流混合有源滤波器后实验波形图。
具体实施方式
带有直流混合有源滤波器的单相逆变器并网结构图如图1所示。在单相逆变器直流侧电容C和直流有源滤波器之间增加滤波电感L，LC滤波器由电容C1和电感L1构成；直流有源滤波器由电容C1,电感L1和S5和S6构成；电感上电流为iL1，直流有源滤波器输出电流为iapf，经过直流混合有源滤波器后的直流电流为i1。
针对基于boost电路的直流有源滤波器进行建模，根据平均开关模型可以得到，状态方程：
Figure GDA0003043012300000041
Figure GDA0003043012300000042
其中，u为S5的控制信号，C2为有源滤波器直流侧电容，L2为有源滤波器电感，vc为有源滤波器直流侧电容C2电压，Zapf(s)为有源滤波器等效阻抗。
根据式(2)，将直流有源滤波器等效为一个阻抗，单相逆变器等效为一个直流电源和二倍频电流源，图1的等效电路图如图2所示。根据式(2)可以得到有源滤波器的阻抗幅频特性曲线图如图3所示。
选取状态变量x＝[x1,x2]＝[iapf,vc],输出变量y＝h(x)＝x1，输入变量u＝Dk，根据式(1)可以得到状态方程：
Figure GDA0003043012300000043
选取坐标变换公式：
Figure GDA0003043012300000044
将式(3)状态方程经下边坐标变换，可以得到式(3)微分同胚的状态方程：
Figure GDA0003043012300000045
其中w为新的等效控制变量。
由式(5)定义新的输出函数：
y＝z1 (6)
由式(5)，定义状态误差：
Figure GDA0003043012300000046
由式(5)，构建滑模面函数：
s＝e2+c1e1 (8)
根据式(5)，(7)和(8)，可以求出式(5)中新的等效控制：
Figure GDA0003043012300000051
其中，ε，c1和k为控制器参数。
根据式(9)，求取对应的原控制量u：
Figure GDA0003043012300000052
由式(10)可以求取对应的原控制量u，将u与三角载波信号相比较，如果u大于三角载波信号，则S5导通，S6断开，否则，则S5导通，S6断开。
根据图1搭建基于TMS320F28335的含有直流混合有源滤波器的单相逆变器并网实验平台进行研究，实验结果如图4和图5所示，其中图4增加直流混合有源滤波器前实验波形图，图5增加直流混合有源滤波器后实验波形图。
经过实际例的结果可以看出，所设计的直流混合有源滤波器及反馈线性化滑模控制可以很好的治理单相逆变器直流侧的二次谐波电流，降低直流侧的谐波电流。

Claims (3)

1.一种单相逆变器直流宽频域纹波抑制装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将基于boost电路的直流混合有源滤波器与逆变器并联，然后在直流混合有源滤波器和逆变器直流侧电容C1之间增加滤波电感L1，构成LC滤波器，用来抑制直流纹波中高频成分；所述基于boost电路的直流混合有源滤波器由电感L2、第一开关管、第二开关管、电容C2构成；所述电感L2与第一开关管串联，该串联电路与输入电压vin并联构成所述直流混合有源滤波器的直流侧；所述第二开关管与电容串联后，再与所述第一开关管并联；所述电感L2一端与所述滤波电感L1连接；所述滤波电感L1与逆变器直流侧电容C1串联；
2)检测逆变器输入电压vin，测量LC滤波器滤波电感L1上的电流iL1，直流混合有源滤波器电容C2电压vc和直流混合有源滤波器输出电流iapf，随后用滑动平均值滤波器滤除电流iL1中的低频谐波电流，得到直流侧电流iL1中的直流量，然后用电流iL1减去检测出的直流量，将相减后的差取反后得到直流混合有源滤波器的指令电流iref；
3)取x＝[x1,x2]T＝[iapf,vc]T，通过反馈线性化变换，得到与直流混合有源滤波器电容电压vc和输出电流iapf等效的微分同胚控制目标z1和z2；基于控制目标z1和z2，根据下式计算出控制变量u；控制变量u与单位三角载波相比较，生成直流混合有源滤波器开关管通断的开关信号，控制变量大于单位三角载波信号则开关管导通，否则关断；
Figure FDA0003043012290000011
Figure FDA0003043012290000012
s＝e2+c1e1；z1ref为z1的参考值，z2ref为z2的参考值；k,ε和c1为控制器参数，c1>0；
Figure FDA0003043012290000013
为z2ref的导数。
2.根据权利要求1所述的一种单相逆变器直流宽频域纹波抑制装置的控制方法，其特征在于：步骤3)中，反馈线性化变换前后公式为：
Figure FDA0003043012290000021
Figure FDA0003043012290000022
其中L2为直流混合有源滤波器电感，C2为直流混合有源滤波器电容。
3.一种单相逆变器直流宽频域纹波抑制装置，其特征在于，包括基于boost电路的直流混合有源滤波器与逆变器；所述直流混合有源滤波器与逆变器并联；所述直流混合有源滤波器与逆变器之间接有滤波电感；所述直流混合有源滤波器的控制过程主要为：将控制变量u与单位三角载波相比较，生成直流混合有源滤波器开关管通断的开关信号，控制变量大于单位三角载波信号则开关管导通，否则关断；
Figure FDA0003043012290000023
ε＞0,k＞0，
Figure FDA0003043012290000024
z1ref为z1的参考值，z2ref为z2的参考值；k,ε和c1为控制器参数；[x1,x2]T＝[iapf,vc]T；vc为直流混合有源滤波器电容电压；iapf为直流混合有源滤波器输出电流；vin为逆变器输入电压；L2为直流混合有源滤波器电感；c1>0；
Figure FDA0003043012290000025
为z2ref的导数；所述基于boost电路的直流混合有源滤波器由电感L2、第一开关管、第二开关管、电容C2构成；所述电感L2与第一开关管串联，该串联电路与输入电压vin并联；所述第二开关管与电容串联后，再与所述第一开关管并联；所述电感L2一端与所述滤波电感L1连接；所述滤波电感L1与逆变器直流侧电容C1串联。
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