CN111697803A - 一种中点共模注入单相逆变器功率解耦控制系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于单相逆变器技术领域，公开了一种中点共模注入单相逆变器功率解耦控制系统及控制方法，此单相逆变器功率解耦电路的交流侧和直流侧各并联一组对称电容；所述两组对称电容用于缓冲二倍频功率，分裂交流侧和直流侧原有的支撑电容与滤波电容，并将两组电容中点连接构成共模回路，为二倍频功率提供回路；所述控制模块，包括电路控制单元以及二次纹波控制单元，用于进行电压电流双环控制以及直流侧二次纹波控制。在没有附加开关的情况下，仅依靠小容值电容可消除单相逆变器直流侧二次纹波脉动，使得二倍频功率得到补偿，从而达到去电解电容的目的。
Description
技术领域
本发明属于单相逆变器控制技术领域，尤其涉及一种中点共模注入式单相逆变器功率解耦控制系统及控制方法。
背景技术
目前，单相逆变器广泛运用于储能系统、分布式发电系统和光伏发电等可再生领域。单相逆变器具有固有的两倍频波动，导致系统性能下降。例如在光伏系统中影响MPPT跟踪、燃料电池系统过热、LED照明应用闪烁等问题。
如今许多功率解耦技术被运用于单相逆变器中，主要分为有源解耦和无源解耦，无源解耦技术主要在直流侧并联一个大电解电容缓冲二倍频功率，但大电解电容具有体积大、寿命短、可靠性低等缺点。为了用薄膜电容取代体积大的电解电容，提出了许多有源解耦方法，有提出算法在两级式逆变器直流环节，利用算法和中间级母线电容缓冲二倍频功率，在文献《两级式逆变器母线电压二次纹波分析及抑制》提出将输出功率前馈到前级直流变换器的方法抑制二次纹波，但需要较大电容值。也有提出带高频变压器型的功率解耦方式，在文献《A novel parallel active filter for current pulsation smoothing onsingle stage grid-connected AC-PV modules》提出双向buck/boost变换器，虽然达到抑制二次纹波目的，但额外引入低频变压器使得系统损耗较大。还有方案通过与原始H桥电路开关复用情况构造解耦电路，均要额外的引入开关管，增加系统成本。
上述方案均能有效的抑制直流侧二次纹波，但是都需要额外开关管，增加整个系统的成本与损耗，此外还有部分方案解耦后，直流侧仍然存在低频纹波，未完全解耦，同时有的解耦方案未有效的利用解耦电容。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：普遍通过有源解耦方法增加开关器件，使得成本较高，电路结构复杂，算法复杂程度较高，难以调节。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种中点共模注入单相逆变器功率解耦控制系统及控制方法。本发明电路结构简单，无附加开关管，控制算法简单，效果良好。
本发明提出一种中点共模注入单相逆变器解耦控制，利用基频电压注入，控制交流侧和直流侧分裂形式的原有支撑电容与滤波电容中共模电压分量，并将两组对称电容中点相连，为二倍频功率提供共模回路，即可有效的抑制直流侧二次纹波，算法简单，且提高了解耦电容利用率。本发明同属开关复用型解耦范畴，仅利用原始H桥电路即可进行二倍频功率补偿控制。
本发明发明主电路为传统H桥，分裂交流侧和直流侧原有支撑电容与滤波电容，并通过连接两组电容中点构成共模回路。
本发明是这样实现的，一种中点共模注入单相逆变器功率解耦控制系统，所述中点共模注入单相逆变器功率解耦控制系统包括：
传统H桥电路，交流侧和直流侧分裂形式的原有支撑电容和滤波电容，并通过连接两组电容中点构成共模回路；
直流侧和交流侧分裂形式的原有支撑电容和滤波电容，用于缓冲二倍频功率，当每组对称电容的中点相连时，为二倍频功率提供回路。
直流侧与交流侧两组对称电容都是为了补偿交流侧产生的脉动功率，中点连线是为了构成二倍频功率回路，使得直流侧不产生二次纹波，同时增加解耦电容利用率。
所述控制模块，包括电路控制单元以及二倍频功率控制单元，用于进行电压电流双环控制以及二倍频功率控制。
进一步，所述中点共模注入单相逆变器功率解耦电路主电路部分为传统H桥；所述功率解耦电路由H桥逆变器的开关管G1、G2、G3和G4四个开关管组成；
所述开关管G1和G2构成桥臂A，开关管G3和G4构成桥臂B；
电感L1和电感L2分别接在两桥臂的A点和B点，解耦电容C1和C2一端分别接在负载两侧，另一端直接相连于直流侧分裂电容点O1处。
进一步，所述中点共模注入单相逆变器功率解耦电路包括共模和差模两种模式；
所述差模状态，用于进行直流侧与交流侧功率传递；
所述共模状态，用于通过控制电容电压共模分量进行二倍频脉动功率补偿，实现功率解耦。
进一步，所述控制模块包括：
电路控制单元，外环为电压控制器，内环为电流控制器，采用电压电流双环控制进行电路电流电压的控制。
本发明的另一目的在于提供一种中点共模注入单相逆变器功率解耦控制方法，包括：通过在传统H桥电路基础上，分裂交流侧和直流侧原有支撑电容和滤波电容，并通过连接两组电容中点构成共模回路，通过控制共模电压进行功率解耦。
控制框图10上半部分控制电容C1中的电压情况，采样电容c1中电压与给定参考电压做差，通过电压控制器产生电感L1电流参考值，电感电流参考值与采样电流做差产生误差，误差值通过电流控制器产生拓扑图中左桥臂的占空比，另外一条桥臂占空比的产生与此类似。
进一步，所述控制共模电压进行功率解耦的方法包括：
在没有附加开关下，通过向共模回路注入基频电压补偿在交流侧出现的二倍频功率，从而消除直流侧二倍频纹波脉动；达到去电解电容的目的。
进一步，所述共模电压控制进行功率解耦的方法进一步包括：
在未加入共模状态下，采用单极性调制，同一桥臂上下导通占空比互补；加入共模电压后，控制交流侧电容电压为
上式中B为所需要的共模分量幅值，θ为最佳补偿的共模分量相位，电感储存的功率忽略不计，到如下所示的功率关系
Pvc1+Pvc2+Pvc3+Pvc4＝Pad
其中Pvc1为交流侧电容C1瞬时功率，Pvc2为交流侧电容C2瞬时功率，Pvc3为直流侧电容C3瞬时功率，Pvc4为直流侧电容C4瞬时功率，Pvg为输出功率，Pad为直流侧功率，，得到
本发明的另一目的在于提供一种搭载所述中点共模注入功率解耦控制系统的单相逆变器，所述单相逆变器包括：传统H桥电路，交流侧和直流侧分裂形式的原有支撑电容和滤波电容，并通过连接两组电容中点构成共模回路；
直流侧和交流侧分裂形式的原有支撑电容和滤波电容，用于缓冲二倍频功率，两组对称电容的中点相连，为二倍频功率提供回路；
控制模块，包括电路控制单元以及二倍频功率控制单元，用于进行电压电流双环控制以及二倍频功率控制。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明是基于单相逆变形式的交流侧功率解耦电路，通过控制该拓扑交流侧和直流侧分裂形式的原有支撑电容与滤波电容，并通过连接两组电容中点构成共模回路，控制共模电压，即可达到功率解耦效果，此拓扑集中于交流侧解耦，由于脉动功率产生于交流侧，因此该电路能够起到就地补偿的效果，提高逆变器的效率，且无需附加器件，性价比高，同时利用所提出的拓扑结构能够实现解耦电容正负运行，使得电容利用率提高。
本发明提出了一种能实现功率解耦的单相全桥逆变器，，在没有附加开关的情况下，仅依靠小容值的电容，通过向共模回路注入基频电压，消除直流侧二倍频纹波脉动，达到去电解电容化的目的。
对比的技术效果或者实验效果包括：图11为未加入解耦控制和图12本发明加入解耦控制的直流侧电流波形图，可以明显的看出几乎达到完全解耦效果，过往的技术一般还会存在微小的脉动，或者甚至达不到完全解耦二次纹波。
如图13所示，可以看出解耦电容能够正负运行，利用率较高。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，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是本发明实施例提供的中点共模注入单相逆变器功率解耦控制系统拓扑图。
图2是本发明实施例提供的中点共模注入单相逆变器功率解耦控制系统结构示意图；
图中：1、单相逆变器功率解耦电路；2、电容；3、控制模块；4、电路控制单元；5、二倍频功率控制单元。
图3是本发明实施例提供的未加入共模二倍纹波电流回路示意图。
图4是本发明实施例提供的加入共模二倍纹波电流回路示意图。
图5是本发明实施例提供的未加入解耦的电容电压和负载电压示意图。
图6是本发明实施例提供的未加入功率解耦直流侧电流示意图。
图7是本发明实施例提供的电容电压负载电压、解耦电容电流和负载电流示意图。
图中：(a)功率解耦后电容电压负载电压示意图；(b)功率解耦后解耦电容电流和负载电流示意图。
图8是本发明实施例提供的加入功率解耦直流侧电流波形示意图。
图9是本发明实施例提供的解耦后直流侧电容电压波形示意图。
图10是本发明实施例提供的控制框图。
图11是本发明实施例提供的未加入解耦控制的直流侧电流波形图。
图12是本发明加入解耦控制的直流侧电流波形图。
图13是本发明实施例提供的出解耦电容能够正负运行利用率图。。
图14是本发明实施例提供的另一种自主生成共模电压的控制方式控制原理图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种中点共模注入式单相逆变器功率解耦控制系统及控制方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
本发明提供一种中点共模注入式单相逆变器功率解耦控制方法，包括：通过在传统H桥电路基础上，分裂直流侧和交流侧原有支撑电容和滤波电容，通过连接两组对称电容中点构成共模回路，并通过控制共模电压进行功率解耦。
所述共模电压控制进行功率解耦的方法包括：
在没有附加开关下，通过小容值的电容，向共模回路注入基频电压，即可达到补偿二倍频功率的目的，消除直流侧二次纹波脉动，达到去电解电容化的目的。
如图1-图2所示，本发明实施例提供的中点共模注入单相逆变器功率解耦控制系统包括：
传统H桥电路1、两个电容2、控制模块3。
所述功率解耦电路1的交流侧和直流侧各并联两个分裂形式的原有支撑电容和滤波电容2。
所述两组电容2用于缓冲纹波功率，当两组对称电容2的中点连在一起，为二倍频功率提供回路。
所述控制模块3，包括电路控制单元4以及纹波控制单元5，用于进行电压电流双环控制以及直流侧纹波控制。
本发明实施例提供的单相逆变器功率解耦电路主电路为传统H桥电路；所述单相逆变器功率解耦电路由H桥逆变器的开关管G1、G2、G3和G4四个开关管组成。
所述开关管G1和G2构成桥臂A，开关管G3和G4构成桥臂B。
电感L1和电感L2分别接在两桥臂的A点和B点，解耦电容C1和C2一端分别接在负载两侧，另一端直接相连于直流侧原有的支撑电容分裂点O1处。
本发明实施例提供的单相逆变器功率解耦电路包括共模和差模两种模式；
所述差模状态，用于进行直流侧与交流侧功率传递；
所述共模状态，用于通过控制电容电压共模分量进行脉动功率补偿，实现解耦。
本发明实施例提供的控制模块3包括：
电路控制单元4，外环为电压控制器，内环为电流控制器，采用电压电流双环控制进行电路电流电压的控制；
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1：
本发明是基于单相逆变器的交流侧功率解耦电路，只需对单相逆变器交流侧和直流侧分裂形式的原有支撑电容和滤波电容进行共模电压注入，即可达到功率解耦效果，此拓扑集中于交流侧解耦，无需附加器件，性价比高，利用所提出的拓扑结构通过控制能够实现解耦电容正负运行，提高电容利用率。
1、拓扑结构
图1所示，为本发明中点共模注入单相逆变器功率解耦电路的结构拓扑，主体结构为传统的H桥逆变器的四个开关管组成，开关管G1和G2构成桥臂A，开关管G3和G4构成桥臂B，电感L1和电感L2分别接在两桥臂的A点和B点，解耦电容C1和C2一端分别接在负载两侧，另一端直接相连于直流侧原有支撑分裂点O1处，形成基本电路结构，解耦电路主要有共模和差模两种模式，差模状态下主要是实现直流侧与交流侧功率传递，共模状态下则是通过控制电容电压共模分量来实现脉动功率补偿，达到解耦效果。
2、原理
如图1所示，整个拓扑可视为传统H桥电路和直流侧与交流侧分裂形式的原有支撑电容和滤波电容组成，两组对称电容通过中点相连构成共模回路，控制两组对称电容共模电压用来补偿二倍频功率、。在未加入共模状态下，整个电路控制方式类似于传统H桥逆变器，采用单极性调制，同一桥臂上下导通占空比互补。加入共模电压之后，控制交流侧电容电压为
上式中B为所需要的共模分量幅值，θ为最佳补偿的共模分量相位，现假设电感储存的功率可以忽略不计，可得到如下所示的功率关系
Pvc1+Pvc2+Pvc3+Pvc4＝Pad
其中Pvc1为交流侧电容C1瞬时功率，Pvc2为交流侧电容C2瞬时功率，Pvc3为直流侧电容C3瞬时功率，Pvc4为直流侧电容C4瞬时功率，Pvg为输出功率，Pad为直流侧输入功率，可建立关系如上式，得到
从图3和图4可以看出，在未注入共模时，二倍频纹波经过直流电源侧，通过在共模回路注入基频共模电压，使得二倍频功率得到补偿，直流侧不出现二倍纹波。
3.控制系统
为了对如图所示中点共模注入单相逆变器功率解耦电路进行控制，在进行系统控制设计的基础上，将整个拓扑主电路部分视为传统H桥，分别设置电压电流双环控制，外环为电压控制器，内环为电流控制器，。
下面结合仿真实验对本发明的技术效果作进一步说明。
在仿真软件matlab上对该拓扑的工作情况进行仿真，开关频率20kHz，直流侧电压450V，电容值C1＝C2＝C3＝C4＝60uf，电感值为1mh，以下显示解耦前后电压、电流波形。
图5为未注入共模电压时，交流侧电容电压与输出电压波形，电容电压与输出电压都为基频波形，频率为50Hz，幅值约为103V，且电容C1与C2电压波形正好相差半个周期，幅幅值相等，输出电压幅值约为206V，如公式(1)，(2)所示，电容电压幅值为输出幅值的一半。
图6为未加入功率解耦情况下直流侧电流波形，直流偏置量约为0.25A，脉动幅幅值约为1A，电流脉动频率为100Hz，为直流侧与交流侧功率不平衡造成的直流侧电流脉动，因此当未进行解耦的情况下，直流侧会存在较大的电流脉动。
图7(a)为加入解耦后的交流侧电容电压和输出电压，图7(b)为功率解耦后解耦电容电流和负载电流，从图中可以看出这组电容电压不再是相差半个周期，而是存在确定的角度，角度主要由注入的共模电压幅值、相角和输出电压幅值三者确定，相比于未注入共模电压之前，输出电压没有受到影响，输出电压频率依然为50Hz，幅值约为206V的正弦波形，电容电压比没加入共模时增加了，此时电容VC1电压幅值约为148V，电容VC2电压幅值约为120V，两个解耦电容所增加的含量存在差别，是由于共模注入导致不平衡。
图8为注入基频共模电压后，直流侧电流波形，电流稳定在0.3A左右，可以清楚的看出，相比于之前未注入基频共模电压时，二次纹波脉动几乎没有，基本达到完全解耦的效果。
图9所示为所加直流侧电容电压波形，该电容电压存在直流偏置量，约为直流侧电源的一半，为225V，两电容电压最大值约为306V，最小值约为144V，脉动幅度约为162V，同时由于直流侧两电容与交流侧电容中性点直接相连，连线主要是为共模电流构成完整的KCL回路，因此影响直流侧电容电压脉动原因主要是注入的共模分量引起，从图中看出，两电容电压正好脉动相反，虽然由于直流偏置量的存在，致使电容电压较高，但是电容为储能元件，不耗能，两电容电压脉动能够正好抵消，对外显示仍为稳定直流源，不会增加逆变器桥臂的电压应力，相比于别的增加桥臂的方法更能减小损耗。
控制框图10上半部分控制电容C1中的电压情况，采样电容c1中电压与给定参考电压做差，通过电压控制器产生电感L1电流参考值，电感电流参考值与采样电流做差产生误差，误差值通过电流控制器产生拓扑图中左桥臂的占空比，另外一条桥臂占空比的产生与此类似。
本发明提出了一种能实现功率解耦，消除直流侧纹波脉动的单相全桥逆变器，在没有附加开关的情况下，仅依靠小容值的电容，就将在交流侧出现的脉动功率限制在交流侧，而不出现在直流端，主要通过向交流侧电容注入基频电压，使得解耦电容能够正负运行，提高了交流侧电容利用率。
图11是本发明实施例提供的未加入解耦控制的直流侧电流波形图。
图12是本发明加入解耦控制的直流侧电流波形图。
图13是本发明实施例提供的出解耦电容能够正负运行利用率图。
本发明还可以通过另外一种自主生成共模电压的控制方式控制本发明电路，如图14所示通过直接采样两电感电流和负载电流，后经过高通滤波器提取脉动纹波功率，通过采样电感电流可以生成共模电流，脉动纹波功率单元除以共模电流生成共模电压，上半部分为差模电压控制，通过采样差模电压与给定值产生误差通过电压控制器产生电感电流参考值，电感电流参考值与采样电感电流产生误差，通过电流控制器产生差模电压控制信号。
本发明提出了一种能实现功率解耦，消除直流侧纹波脉动的单相全桥逆变器，在没有附加开关的情况下，仅依靠小容值的电容，通过向共模回路注入基频电压，可达到补偿二倍频功率的目的。，
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种中点共模注入单相逆变器功率解耦控制系统，其特征在于，所述中点共模注入单相逆变器功率解耦控制系统包括：
在传统H桥逆变电路的基础上，通过分裂交流侧和直流侧原有的支撑电容和滤波电容，并将两组电容中点连接构造共模回路，用于为二倍频功率提供流通路径；
控制模块，包括电路控制单元以及二倍频功率控制单元，用于进行电压电流双环控制以及二倍频功率控制。
2.如权利要求1所述中点共模注入单相逆变器功率解耦控制系统，其特征在于，所述单相逆变器功率解耦电路主电路部分为传统H桥；所述单相逆变器功率解耦电路由H桥逆变器的开关管G1、G2、G3和G4四个开关管组成；
所述开关管G1和G2构成桥臂A，开关管G3和G4构成桥臂B；
电感L1和电感L2分别接在两桥臂的A点和B点，解耦电容C1和C2一端分别接在负载两侧，另一端直接相连于直流侧分裂电容点O1处。
3.如权利要求1所述中点共模注入单相逆变器功率解耦控制系统，其特征在于，所述单相逆变器功率解耦电路通过差模模式进行直流侧与交流侧功率传递；
还通过共模模式控制电容电压共模分量进行二倍频功率补偿，实现解耦。
4.如权利要求1所述中点共模注入单相逆变器功率解耦控制系统，其特征在于，所述多个电容为两组通过中点相连构成共模回路的对称电容。
5.如权利要求1所述中点共模注入单相逆变器功率解耦控制系统，其特征在于，所述控制模块包括：
电路控制单元，外环为电压控制器，内环为电流控制器，采用电压电流双环控制进行电路电流电压的控制。
6.一种中点共模注入单相逆变器功率解耦控制方法，其特征在于，所述中点共模注入单相逆变器功率解耦控制方法包括：通过在传统H桥电路基础上，分裂交流侧和直流侧的支撑电容与滤波电容，并通过连接两组电容中点各并联构成共模回路，通过共模电压控制进行功率解耦。
7.如权利要求6所述的中点共模注入单相逆变器功率解耦控制方法，其特征在于，所述共模电压控制进行功率解耦的方法包括：
在没有附加开关下，通过小容值的电容向共模回路注入基频电压，使得交流侧得到二倍频功率补偿，消除单相逆变器直流侧二次纹波脉动，去电解电容化。
8.如权利要求6所述的中点共模注入单相逆变器功率解耦控制方法，其特征在于，所述共模电压控制进行功率解耦的方法进一步包括：
在未加入共模状态下，采用单极性调制，同一桥臂上下导通占空比互补；加入共模电压后使得交流侧电容电压为
上式中B为所需要的共模分量幅值，θ为最佳补偿的共模分量相位，电感储存的功率忽略不计，到如下所示的功率关系
Pvc1+Pvc2+Pvc3+Pvc4＝Pad
其中Pvc1为交流侧电容C1瞬时功率，Pvc2为交流侧电容C2瞬时功率，Pvc3为直流侧电容C3瞬时功率，Pvc4为直流侧电容C4瞬时功率，Pvg为输出功率，Pad为直流侧功率，得到
9.一种搭载权利要求1～5任意一项所述中点共模注入单相逆变器功率解耦电路，其特征在于，所述单相逆变器功率解耦电路包括：传统H桥电路，分裂交流侧和直流侧原有的支撑电容与滤波电容，并将两组中点相连构成共模回路；
两组对称电容，用于缓冲二倍频功率，每组对称电容的中点连在一起，为二倍频功率提供回路；
控制模块，包括电路控制单元以及二倍频功率控制单元，用于进行电压电流双环控制以及二倍频功率控制。
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