CN110719043B - 一种逆变器谐波补偿方法及其控制装置 - Google Patents

一种逆变器谐波补偿方法及其控制装置 Download PDF

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Abstract

一种逆变器谐波补偿方法及其控制装置，旨在克服现有技术中的逆变器谐波补偿方法占用内存空间大、系统设计复杂等缺点，提供了一种逆变器谐波补偿方法，包含如下步骤：A、检测跟踪目标的频率；B、检测输出电压或输出电流的过零点；C、根据过零点和当前MCU的中断频率，计算一个周波的数据点；D、记录一个周波的输出电压或输出电流；E、计算所需谐波的实部与虚部，并转换成谐波幅值与角度；F、计算逆变电路的功率开关器件的导通时间；G、重复步骤E、F；H、计算得出导通时间控制信号，对功率开关器件的开通与关断进行控制。还提供一种逆变器谐波补偿的控制装置。本发明减小了内存空间及计算时间、简化了系统设计，适合进行逆变器谐波补偿时使用。

Description

一种逆变器谐波补偿方法及其控制装置
技术领域
本发明涉及逆变器技术领域，尤其涉及一种逆变器谐波补偿方法及其控制装置。
背景技术
逆变器作为电力电子设备的基本组成部分，广泛应用在UPS、APF、光伏逆变器等设备中。这些设备直接接口用户的负载设备或者电网，为了不影响客户的负载设备或者电网的正常运行，市场对逆变器输出的谐波含量提出了较高的要求。目前常见的逆变器谐波补偿方法主要有重复控制、比例谐振控制、基于FFT(快速傅立叶变换)谐波提取。
重复控制，是基于内模原理的一种控制思想。内模原理的本质是把系统外部信号的动力学模型植入控制器以构成高精度的反馈控制系统。这样的系统能够无静差的跟随输入信号。重复控制实现简单方便，但是其中包含滤波器设计困难。滤波器设计不当，会严重影响系统的稳定性，这在逆变器并联的场景中尤其严重。
比例谐振控制，建立在PI控制理论基础上，目的是为消除PI控制存在的稳态误差。比例谐振控制在PI控制基础上增加了无损谐振环节，在谐振频率处使控制器的增益无穷大，从而达到消除系统稳态误差的目的。比例谐振控制在谐振频率处的增益很大，可以有效减小谐波，但是在谐波频率之外，控制器的增益迅速衰减。如果要实现多次谐波的补偿，就要设计多个谐振控制器。这给控制算法的设计带来了困难。
基于FFT(快速傅立叶变换)谐波提取的谐波补偿方法，是使用FFT将谐波提取出来，对特定的谐波进行针对性的控制。但是FFT应用在逆变器上存在两个缺点：一是占用大量内存空间。二是需要使用特定的数据点数来计算。这两个确定对逆变器的设计都是很不利的。首先，逆变器控制一般使用MCU(微控制单元)进行运算，MCU的内存是很小的，正常的逻辑处理就占据了大部分空间，无法提供足够的内存空间给FFT计算使用。其次，使用特定点数来计算。逆变器的输出频率是有一定变化范围的，以UPS为例，其输出的频率变化范围是45hz～66hz。这么大的频率变化范围，如果使用特定点数来计算，意味着MCU中断频率、模拟量的采样频率、PWM(脉冲宽度调制)载波频率都需要做出大范围的改变，这直接影响影响输出电感量、软件算法控制参数的设计。这些都对电力电子设备的设计带来负面的影响。
发明内容
本发明克服了现有技术中的逆变器谐波补偿方法占用内存空间大、系统设计复杂等缺点，提供了一种逆变器谐波补偿方法，还提供一种逆变器谐波补偿的控制装置。
本发明实现第一发明目的采用的技术方案是：一种逆变器谐波补偿方法，包含如下步骤：
A、利用采样电路检测跟踪目标的频率，如果跟踪目标的频率变化小于设定的阈值，则进行谐波补偿；否则退出谐波补偿，并将控制量缓慢清除；
B、利用采样电路检测输出电压或输出电流的过零点，或者根据控制电路设定的频率获取过零点；
C、根据步骤B所述的过零点和当前MCU的中断频率，计算一个周波的数据点，如果数据点不为整数，则微调MCU的中断频率、采样频率、逆变电路的开关周期，保证数据点为整数；
D、使用步骤C所述的调整后的采样频率记录一个周波的输出电压或输出电流；
E、根据步骤D记录的输出电压及输出电流数据，使用傅立叶级数计算所需谐波的实部与虚部，并转换成谐波幅值与角度；
F、将步骤E计算到的谐波幅值与角度，输入到控制电路的调节器，最终计算出对应谐波下逆变电路的功率开关器件的导通时间；
G、重复步骤E、步骤F，计算多次谐波下逆变电路的功率开关器件的导通时间，将所有的导通时间求和，即可得到最终的导通时间；
H、计算得出步骤G所述的导通时间控制信号，经驱动电路功率放大后对逆变电路功率开关器件的开通与关断进行控制，实现输出谐波的补偿。
进一步的，所述步骤D中，记录一个周波的输出电压或输出电流，采用一个先入先出的缓存，每个采样频率记录一个数据，并且把旧的数据剔除。
进一步的，所述步骤E中，傅立叶级数的公式如下：
Figure GDA0002846907170000031
Figure GDA0002846907170000032
将谐波实部、虚部转换成角度的公式如下：
Figure GDA0002846907170000033
其中，x为一个周波的电压数据或电流数据，N为一个周波的数据点数，k为需要计算的谐波次数，n为0～N的整数。
进一步的，所述步骤F中，调节器计算还包含如下步骤：
F.1、将步骤E计算得到的谐波幅值，符号取反，作为误差值输入到积分器中，经过积分器计算，得到对应k次谐波频率下的有功控制量CRe(k)、无功控制量CIm(k)，积分器的公式如下：
CRe(k)＝∫Hi*(-Re(k))
CIm(k)＝∫Hi*(-Im(k))
其中，Hi为积分系数，Re(k)、Im(k)为步骤E计算得到的k次谐波实部与虚部；F.2、将k次谐波频率下的控制量有功控制量CRe(k)、无功控制量CIm(k)转换到基波频率下的控制量Cb(k)；
F.3、将Cb(k)乘以步骤C计算到的逆变电路的开关周期，即可得到逆变电路功率开关器件的导通时间。
进一步的，所述步骤F.2还包含如下步骤：
F.2.1、根据步骤C调整的中断频率，计算k次谐波的角度步长，具体计算公式如下：
Figure GDA0002846907170000041
其中Δθ(k)为对应k次谐波的角度步长。fint为经调整过的中断频率；
F.2.2、计算控制量Cb(k)的转换角度，具体公式如下：
θ(k)＝Δθ(k)+θ0(k)+θc(k)
其中，Δθ(k)为对应k次谐波的角度步长，θ0(k)为步骤E计算到的k次谐波角度，θc(k)为补偿角，目的是提高系统的稳定性及补偿控制延时；
F.2.3、计算基波下的控制量Cb(k)，具体公式如下：
Cb(k)＝CRe(k)*cos(θ(k))+CIm(k)*sin(θ(k))。
本发明实现第二发明目的采用的技术方案是：一种逆变器谐波补偿的控制装置，控制装置包括：逆变电路、采样电路、控制电路和驱动电路，所述的逆变电路的输出与采样电路的输入电连接；
所述的采样电路将逆变器输出电压、逆变器输出电流转换成弱电信号并经电平抬高之后送入控制电路的MCU；
所述的控制电路根据权利要求1所述的逆变器谐波补偿方法计算出逆变电路的控制量，并转换成逆变电路的功率开关器件的导通时间，生成PWM控制信号，通过高速I/O口将PWM控制信号输出至驱动电路；
所述的驱动电路接收来自PWM控制电路的控制信号，控制信号经放大之后去控制逆变电路的功率开关器件的通断。
本发明的有益效果是：基于FFT(快速傅立叶变换)谐波提取的谐波补偿方法，虽然每次转换都计算出所有谐波，但不是所有谐波都会被使用，这造成了大量时间与内存空间的浪费，而本发明的方法无需计算所有的谐波，可按照需求计算特定谐波，这样可以大大减小内存空间及计算时间。本发明的方法按照逆变器输出频率，微调MCU中断频率、采样频率、逆变电路的开关周期，保证谐波提取计算的点数是整数即可，无需特定点数，避免大范围调整中断频率、采样频率、逆变电路的开关周期，影响逆变器相关参数的设计。本发明的方法可计算多次谐波，各次谐波的数学模型一致，使用同样的控制参数，无需像比例谐振控制一样，设计多个控制器，简化了系统设计。
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的描述。
附图说明
附图1为本发明的控制装置的结构框图。
附图中，1为逆变电路、2为驱动电路、3为控制电路、4为采样电路、5为负载、6为直流母线。
具体实施方式
本实施例的一种逆变器谐波补偿方法，包含如下步骤：
A、利用采样电路检测跟踪目标的频率，如果跟踪目标的频率变化小于设定的阈值，则进行谐波补偿；否则退出谐波补偿，并将控制量缓慢清除；
B、利用采样电路检测输出电压或输出电流的过零点，或者根据控制电路设定的频率获取过零点；
C、根据步骤B所述的过零点和当前MCU的中断频率，计算一个周波的数据点，如果数据点不为整数，则微调MCU的中断频率、采样频率、逆变电路的开关周期，保证数据点为整数；
D、使用步骤C所述的调整后的采样频率记录一个周波的输出电压或输出电流，采用一个先入先出的缓存，每个采样频率记录一个数据，并且把旧的数据剔除；
E、根据步骤D记录的输出电压及输出电流数据，使用傅立叶级数计算所需谐波的实部与虚部，并转换成谐波幅值与角度，
傅立叶级数的公式如下：
Figure GDA0002846907170000061
Figure GDA0002846907170000062
将谐波实部、虚部转换成角度的公式如下：
Figure GDA0002846907170000063
其中，x为一个周波的电压数据或电流数据，N为一个周波的数据点数，k为需要计算的谐波次数，n为0～N的整数；
F、将步骤E计算到的谐波幅值与角度，输入到控制电路的调节器，最终计算出对应谐波下逆变电路的功率开关器件的导通时间，调节器计算包含如下步骤：
F.1、将步骤E计算得到的谐波幅值，符号取反，作为误差值输入到积分器中，经过积分器计算，得到对应k次谐波频率下的有功控制量CRe(k)、无功控制量CIm(k)，积分器的公式如下：
CRe(k)＝∫Hi*(-Re(k))
CIm(k)＝∫Hi*(-Im(k))
其中，Hi为积分系数，Re(k)、Im(k)为步骤E计算得到的k次谐波实部与虚部；
F.2、将k次谐波频率下的控制量有功控制量CRe(k)、无功控制量CIm(k)转换到基波频率下的控制量Cb(k)，包含如下步骤：
F.2.1、根据步骤C调整的中断频率，计算k次谐波的角度步长，具体计算公式如下：
Figure GDA0002846907170000071
其中Δθ(k)为对应k次谐波的角度步长。fint为经调整过的中断频率；
F.2.2、计算控制量Cb(k)的转换角度，具体公式如下：
θ(k)＝Δθ(k)+θ0(k)+θc(k)
其中，Δθ(k)为对应k次谐波的角度步长，θ0(k)为步骤E计算到的k次谐波角度，θc(k)为补偿角，目的是提高系统的稳定性及补偿控制延时；
F.2.3、计算基波下的控制量Cb(k)，具体公式如下：
Cb(k)＝cRe(k)*cos(θ(k))+CIm(k)*sin(θ(k))；
F.3、将Cb(k)乘以步骤C计算到的逆变电路的开关周期，即可得到逆变电路功率开关器件的导通时间；
G、重复步骤E、步骤F，计算多次谐波下逆变电路的功率开关器件的导通时间，将所有的导通时间求和，即可得到最终的导通时间；
H、计算得出步骤G所述的导通时间控制信号，经驱动电路功率放大后对逆变电路功率开关器件的开通与关断进行控制，实现输出谐波的补偿。
在未使用本实施例的逆变器谐波补偿方法前，该UPS(不间断电源)装置的输出电压谐波含量如下图所示：
Figure GDA0002846907170000081
Figure GDA0002846907170000091
从上表所知，输出电压的15次、21次、27次、33次、39次不符合标准。使用了本实施例的逆变器谐波补偿方法之后，得到的输出电压谐波如下图所示，各次谐波均符合标准。
Figure GDA0002846907170000092
Figure GDA0002846907170000101
如附图1所示，本实施例的一种逆变器谐波补偿的控制装置，在UPS(不间断电源)的逆变部分应用，控制装置包括：逆变电路1、采样电路4、控制电路3和驱动电路2。直流母线6为逆变电路1提供直流能量与直流电压，直流母线6的输出与逆变电路1的输入电连接。逆变电路1的输出与负载5的输入电连接。逆变电路1的输出还与采样电路4的输入电连接。本实施例的逆变电路1采用T型三电平逆变电路，但实际应用中，可以是其他类型的逆变电路，例如三相半桥电路等实现直流电转换成交流电的电路。采样电路4将逆变器输出电压、逆变器输出电流转换成弱电信号并经电平抬高之后送入控制电路3的MCU。所述的控制电路3根据上述的逆变器谐波补偿方法计算出逆变电路1的控制量，并转换成逆变电路1的功率开关器件的导通时间，生成PWM控制信号，通过高速I/O口将PWM控制信号输出至驱动电路2。本实施例的控制电路3采用的MCU型号是TI TMS320F28335，这是一款主频150MHz，内含单精度浮点运算单元的高性能数字处理器。所述的驱动电路2接收来自控制电路3的PWM控制信号，控制信号经放大之后去控制逆变电路1的功率开关器件的通断，实现谐波补偿的效果。

Claims (6)

1.一种逆变器谐波补偿方法，其特征在于，包含如下步骤：
A、利用采样电路检测跟踪目标的频率，如果跟踪目标的频率变化小于设定的阈值，则进行谐波补偿；否则退出谐波补偿，并将控制量缓慢清除；
B、利用采样电路检测输出电压或输出电流的过零点，或者根据控制电路设定的频率获取过零点；
C、根据步骤B所述的过零点和当前MCU的中断频率，计算一个周波的数据点，如果数据点不为整数，则微调MCU的中断频率、采样频率、逆变电路的开关周期，保证数据点为整数；
D、使用步骤C所述的调整后的采样频率记录一个周波的输出电压或输出电流；
E、根据步骤D记录的输出电压及输出电流数据，使用傅立叶级数计算所需谐波的实部与虚部，并转换成谐波幅值与角度；
F、将步骤E计算到的谐波幅值与角度，输入到控制电路的调节器，最终计算出对应谐波下逆变电路的功率开关器件的导通时间；
G、重复步骤E、步骤F，计算多次谐波下逆变电路的功率开关器件的导通时间，将所有的导通时间求和，即可得到最终的导通时间；
H、计算得出步骤G所述的导通时间控制信号，经驱动电路功率放大后对逆变电路功率开关器件的开通与关断进行控制，实现输出谐波的补偿。
2.根据权利要求1所述的一种逆变器谐波补偿方法，其特征在于，所述步骤D中，记录一个周波的输出电压或输出电流，采用一个先入先出的缓存，每个采样频率记录一个数据，并且把旧的数据剔除。
3.根据权利要求1所述的一种逆变器谐波补偿方法，其特征在于，所述步骤E中，傅立叶级数的公式如下：
Figure FDA0002846907160000021
Figure FDA0002846907160000022
将谐波实部、虚部转换成角度的公式如下：
Figure FDA0002846907160000023
其中，x为一个周波的电压数据或电流数据，N为一个周波的数据点数，k为需要计算的谐波次数，n为0～N的整数。
4.根据权利要求1所述的一种逆变器谐波补偿方法，其特征在于，所述步骤F中，调节器计算还包含如下步骤：
F.1、将步骤E计算得到的谐波幅值，符号取反，作为误差值输入到积分器中，经过积分器计算，得到对应k次谐波频率下的有功控制量CRe(k)、无功控制量CIm(k)，积分器的公式如下：
CRe(k)＝∫Hi*(-Re(k))
CIm(k)＝∫Hi*(-Im(k))
其中，Hi为积分系数，Re(k)、Im(k)为步骤E计算得到的k次谐波实部与虚部；
F.2、将k次谐波频率下的控制量有功控制量CRe(k)、无功控制量CIm(k)转换到基波频率下的控制量Cb(k)；
F.3、将Cb(k)乘以步骤C计算到的逆变电路的开关周期，即可得到逆变电路功率开关器件的导通时间。
5.根据权利要求4所述的一种逆变器谐波补偿方法，其特征在于，所述步骤F.2还包含如下步骤：
F.2.1、根据步骤C调整的中断频率，计算k次谐波的角度步长，具体计算公式如下：
Figure FDA0002846907160000031
其中Δθ(k)为对应k次谐波的角度步长，fint为经调整过的中断频率；
F.2.2、计算控制量Cb(k)的转换角度，具体公式如下：
θ(k)＝Δθ(k)+θ0(k)+θc(k)
其中，Δθ(k)为对应k次谐波的角度步长，θ0(k)为步骤E计算到的k次谐波角度，θc(k)为补偿角，目的是提高系统的稳定性及补偿控制延时；
F.2.3、计算基波下的控制量Cb(k)，具体公式如下：
Cb(k)＝CRe(k)*cos(θ(k))+CIm(k)*sin(θ(k))。
6.一种逆变器谐波补偿的控制装置，其特征在于，控制装置包括：逆变电路、采样电路、控制电路和驱动电路，
所述的逆变电路的输出与采样电路的输入电连接；
所述的采样电路将逆变器输出电压、逆变器输出电流转换成弱电信号并经电平抬高之后送入控制电路的MCU；
所述的控制电路根据权利要求1所述的逆变器谐波补偿方法计算出逆变电路的控制量，并转换成逆变电路的功率开关器件的导通时间，生成PWM控制信号，通过高速I/O口将PWM控制信号输出至驱动电路；
所述的驱动电路接收来自控制电路的PWM控制信号，控制信号经放大之后去控制逆变电路的功率开关器件的通断。
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