CN112202322B - 基于有源负电容的等效零阻抗抑制二次纹波电流的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于有源负电容的等效零阻抗抑制二次电流纹波的方法，应用在等效零阻抗电路，所述等效零阻抗电路包括串联的电容C和有源负电容Crvi，连接在逆变电路的直流侧；有源负电容Crvi包括一对互补导通的开关管Sa与Sa、一个电感Lr和一个电容Cr。所述二次纹波抑制方法在逆变器直流侧吸收二次电流纹波，使二次脉动能量在逆变器直流侧与等效零阻抗电路间传递，对交流侧影响少，且等效零阻抗电路可以应对不同频率的电流谐波，泛用性强。同时，等效零阻抗电路在运行过程中具有良好的二次纹波抑制效果和较快的动态响应。本发明能够提升系统的功率密度，延长电源使用寿命，使电路稳定性增强。

Description

基于有源负电容的等效零阻抗抑制二次纹波电流的方法
技术领域
本发明涉及电能质量技术领域，具体涉及一种基于有源负电容的等效零阻抗抑制二次电流纹波的方法。
背景技术
逆变器由于交流侧正弦电压电流的影响，输出功率呈现二倍于基频的脉动，反馈到直流侧将使电源电流或者电压产生大幅度二次纹波。在当前移动电源多为稳压输出模式的情况下，电源电流将包含大量低频纹波，尤其是二次电流纹波，使电源稳定性和寿命大幅降低。
目前有效的二次纹波抑制方法可以分为两类。第一类是不增加额外电路或器件，通过控制的方式实现。其最明显的优点是实现成本低，很适合既成电路的升级。例如在一个工作周期内的特定位置改变传统正弦脉宽调制控制的开关通断，主动注入其他低次谐波，减小二次纹波幅值，但是引入低次其他谐波降低了电能质量，还增大了开关损耗。
第二类是加入了新元件构成额外的辅助电路，减少或者吸收二次纹波。此方向又可根据辅助电路加入后二次脉动能量的流动方式细分为三小类，首先是在交流侧直接抵消二次脉动功率，其次是在直流母线端吸收二次脉动功率，这两类是目前主流的解决方式。最后是在多级式电路中，向前级转移二次功率脉动，例如通过添加陷波滤波器和谐振调节器来减少二倍频的电流纹波。但作为级联系统，在抑制中间级母线上的二次纹波，将脉动功率大幅转移到电源，导致电源的使用寿命降低，只考虑了母线电压的稳定性，并没有从根本上解决低频纹波对电源带来的损害。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种基于有源负电容的等效零阻抗抑制二次电流纹波的方法，能够提升系统的功率密度，延长电源使用寿命，使电路稳定性增强。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案是：
一种基于有源负电容的等效零阻抗抑制二次电流纹波的方法，应用在包括有等效零阻抗电路的逆变器上，所述等效零阻抗电路包括串联的电容C和有源负电容Cvri，所述等效零阻抗电路连接在逆变器的直流侧。
优选的，所述有源负电容Cvri包括第一构成开关管Sa、第二构成开关管Sb、构成电感Lr和构成电容Cr；所述第一构成开关管Sa和所述第二构成开关管Sb组成一桥臂且互补导通；所述桥臂两端分别连接直流母线的正负极，所述桥臂中点连接构成电感Lr的一端，构成电感Lr的另一端为端口M，连接构成电容Cr的一端，构成电容Cr的另一端为端口N，连接直流母线的负极；Sa和Sb的互补导通使得端口MN行为在直流上与传统电容定义一致，相当于断路，在交流上与电容相反、与电感相似，等效于电感端口行为，即端口电压uMN超前流入端口的电流ihar 90°；所述ihar表示直流母线电流中的谐波分量。
优选的，所述有源负电容Cvri端电压uCvri采用构成电容Cr电压外环、构成电感Lr电流内环双闭环控制；通过采集逆变器输出电压uo和输出电流io，经过计算得到参考电压uh及其相位，从而得到有源负电容Crvi端口的参考电压uCvri-ref，将其输入电压外环PI补偿器，输出后作为内环电感Lr电流的参考，与反馈的电感电流iLr进行比较后，最终通过正弦脉宽调制SPWM控制第一构成开关管Sa和第二构成开关管Sb的通断；
所述有源负电容Cvri端电压uCvri和电容C电压uc的交流分量在对特定谐波表现零阻抗时相位相反，且满足直流母线电压的总约束；当等效零阻抗电路的瞬时功率与逆变器产生的二次脉动功率大小相等且相位相反时，则可实现指定次纹波电流的吸收；电路中的二次电流纹波仅在负载与等效零阻抗电路间传递，减少对电源的伤害。
优选的，所述逆变器包括单相全桥逆变器和其他会使直流侧产生二次脉动功率的电压源型逆变器。
本发明的有益效果为：
1)本发明能够实现二次纹波吸收支路等效零阻抗，吸收二次纹波电流，大幅缩小电路中所需储能元件的体积，提高系统的功率密度；同时，母线电压等级越高，吸收二次电流纹波的能力越强；
2)本发明无需改变原有的逆变器结构，在逆变器直流侧并联即能工作，实现可热拔插式运行，对逆变器交流侧无影响，二次脉动功率仅在逆变器交流侧和该支路之间传递，提升电源的使用寿命、提高运行稳定性；
3)本发明所用器件成本低(1个电感，2个开关，2个电容)，控制简单，纹波吸收支路实现软开关运行，对系统效率影响小；
4)本发明能够实现对阻性、非阻性等任意线性负载引起的二次脉冲功率抑制；同时，可扩展对任意次或组合次低频纹波的抑制。
附图说明
图1是含有源负电容的等效零阻抗电路原理图；
图2是有源负电容电路的模态分析图；
图3是有源负电容电路中开关驱动波形及电感电流与电容电压波形；
图4是有源负电容电路的控制框图；
图5是含有源负电容支路切除时输入电流及其傅里叶分析图；
图6是含有源负电容支路电压波形图；
图7是含有源负电容的支路工作时输入电流及输出电压波形图；
图8是含有源负电容的支路工作时输入电流傅里叶分析图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
参照图1和图4所示，一种基于有源负电容的等效零阻抗抑制二次电流纹波的方法，应用在包括有等效零阻抗电路的逆变器上，所述等效零阻抗电路包括串联的电容C和有源负电容Cvri，所述等效零阻抗电路连接在逆变器的直流侧。所述有源负电容Cvri包括第一构成开关管Sa、第二构成开关管Sb、构成电感Lr和构成电容Cr；所述第一构成开关管Sa和所述第二构成开关管Sb组成一桥臂且互补导通；所述桥臂两端分别连接直流母线的正负极，所述桥臂中点连接构成电感Lr的一端，构成电感Lr的另一端为端口M，连接构成电容Cr的一端，构成电容Cr的另一端为端口N，连接直流母线的负极；Sa和Sb的互补导通使得端口MN行为在直流上与传统电容定义一致，相当于断路，在交流上与电容相反、与电感相似，等效于电感端口行为，即端口电压uMN超前流入端口的电流ihar90°；所述ihar表示直流母线电流中的谐波分量。
所述逆变器还包括第一功率开关管S1、第二功率开关管S2、第三功率开关管S3、第四功率开关管S4、输出滤波电感Lf、输出滤波电容Cf和输出端负载R。
有源负电容由互补导通的功率开关管Sa和Sb组成一桥臂，桥臂两端分别连接直流母线的正负极，桥臂中点连接电感Lr的一端，电感Lr的另一端称为端口M，连接电容Cr的一端，电容Cr的另一端为端口N。
所述第一功率开关管S1、第二功率开关管S2、第三功率开关管S3、第四功率开关管S4按照传统全桥逆变器接法连接，逆变器输出端连接由输出滤波电感Lf和输出滤波电容Cf构成的滤波器，再连接负载R。
本发明采用如下控制方式：
负电容的第一构成开关管Sa的栅极和源极间所加的驱动信号与负电容的第二构成开关管Sb的栅极和源极间所加的驱动信号互补。
所述第一功率开关管S1和第四功率开关管S4的栅极和源极间所加的驱动信号相同，所述第二功率开关管S2和第三功率开关管S3的栅极和源极间所加的驱动信号相同，所述第一功率开关管S1和第四功率开关管S4的栅极和源极间所加的驱动信号与第二功率开关管S2和第三功率开关管S3互补。
所述第一构成开关管Sa、第二构成开关管Sb和所述第一功率开关管S1、第二功率开关管S2、第三功率开关管S3、第四功率开关管S4的开通和关断采用正弦脉宽调制(SPWM)进行控制，逆变器的开关频率综合考虑系统容量、开关管电压电流应力和系统效率优化等因素合理选取。
以逆变器输出电压作为参考点，设
Figure BDA0002640294970000051
其中，所述Uo表示输出电压幅值，Io表示输出电流幅值，uo表示输出电压，io表示输出电流，θ表示负载功率因数角。
输入电源为直流电压源，理想状况下电源电压稳定，输入输出功率匹配，故输入电源流出的电流必定包含一个二倍频分量iin_2，大小为
Figure BDA0002640294970000061
其中，Ui表示输入电压幅值；
为抑制上述脉动能量，本发明提出有源负电容的等效零阻抗电路，根据负电容的性质，有
Figure BDA0002640294970000062
其中，ihar表示直流母线电流中的谐波分量，Ceq表示C与Cvri串联后的等效容值。
等效零阻抗电路通过控制第一构成开关管Sa和第二构成开关管Sb，使有源负电容Cvri与电容C对指定次谐波电流表现零阻抗，消除指定次电流纹波。此时，有源负电容Cvri端电压uCvri和电容C电压uc的交流分量相位相反，同时满足直流母线电压的总约束，即
Figure BDA0002640294970000063
其中，Uh为调制电压幅值，uh为调制电压；β为调制相位角，即调制电压相对与输出电压的相位，k为比例因子，k由电路中的电容C和负电容Cvri中电容Cr的容值之比确定。当电容C与有源负电容Cvri在指定频率处串联等效零阻抗时，该支路含有的能量Eres为
Figure BDA0002640294970000064
将支路能量Eres对时间求导，得该支路的瞬时功率为
Figure BDA0002640294970000071
当该支路的瞬时功率和逆变器产生的二次脉动功率大小相等，相位相反，则可实现指定次电流纹波的抑制，即
Figure BDA0002640294970000072
此时电路中的二次电流纹波仅在负载与等效零阻抗电路间传递，对电源的影响大幅减少。该式同时也说明拓扑结构对非纯阻性的线性负载都能起到良好的效果，调制电压相位β与负载阻抗角θ相位差固定，原电路若能在θ∈(-π,π]稳定运行，那么此拓扑结构就能在对应的相位角下实现二次电流纹波的抑制。
根据上述公式，在一个开关周期中，图1所示的有源负电容电路有4种工作模态，如图2所示，具体描述如下：
第一构成开关管Sa零电压开通，电感Lr电流iLr正向时，电感Lr电流iLr正向增大，电源Ui给电感Lr和电容Cr充电，电容电压ucr上升，对应模态(a)；
第一构成开关管Sa由于寄生漏源电容钳制，零电压关断进入死区时间，电感Lr电流iLr正向减小，电感Lr通过Sb的体二极管续流给电容Cr充电，为下一模态Sb零电压开通做准备，电容电压ucr上升，对应模态(b)；
第二构成开关管Sb零电压开通，电感电流iLr正向减少到零并反向增大，电容Cr通过电感Lr和Sb放电，电容电压ucr下降，对应模态(c)；
第二构成开关管Sb由于寄生漏源电容钳制，零电压关断进入死区时间，电感Lr iLr反向减小，电容Cr通过电感Lr和Sa的体二极管将能量返回电源Ui，为下一模态Sa零电压开通做准备，电容电压ucr下降，对应模态(d)；
Sa与Sb的开关信号和电容电压ucr与电感电流iLr的波形关系如图3所示。
具体控制策略采用有源负电容Cvri端电压uCvri采用电容Cr电压外环、电感Lr电流内环双闭环控制。通过采集逆变器输出电压uo和输出电流io，经过计算得到参考电压uh及其相位，从而得到有源负电容端口的参考电压uCvri-ref，将其输入电压外环PI补偿器，输出后作为内环电感Lr电流的参考，与反馈的电感电流iLr进行比较后，最终通过正弦脉宽调制(SPWM)控制开关Sa和Sb的通断。逆变器通过采集逆变器输出电压uo，与设定的输出电压比较后，进入PI补偿器。最终通过SPWM控制开关S1、S2、S3、S4。
由上述控制方式可知，电压Uh的幅值越大，支路包含的能量越多，所能吸收的二次脉动能量越多，但电压Uh的幅值不会超过输入电压Ui的一半。当电容C与负电容中的Cr容值相等时，比例因子k＝0.5，电压Uh获得最大上限，电路对特定谐波等效零阻抗时，使支路的功率与二次脉动功率相等。进一步，得到含有源负电容的支路中的电容取值大小为
Figure BDA0002640294970000081
其中，M为调制比，Uo＝MUi。上式不仅定义了所需电容大小，而且由于结果不含电压，可知在电压等级提升后，无需增大电容容值也可满足系统运行要求，说明了该拓扑结构可在母线高电压的情况下发挥出自身最大的优势。
为减少Lr与Cr谐振次纹波对电路造成的影响，要使Lr与Cr谐振频率大于电路工作频率的21倍。设工作频率为fw(即逆变器输出电压频率)，则电感Lr的最大值为
Figure BDA0002640294970000082
根据上述参数选取，进行电路仿真。设计参数如表所示。从表中可以看出，输入电压Ui为250V，输出电压Uo幅值为200V，开关频率fs为10kHz，电容C和Cr为150μF，电感Lr为120μH，逆变器输出滤波电感Lf为2.5mH，滤波电容Cf为1μF，负载Ro为50Ω。仿真所用逆变器为单相全桥逆变器。
Figure BDA0002640294970000091
有源负电容支路中使用的电感Lr为120μH，电容C和Cr为150μF。若使用传统的无源LC谐振，在相同的感值下，电容需要21mF；在相同的容值下，电感需要16.8mH。充分体现了有源负电容的等效LC谐振拓扑在功率密度上的优势。
图5是含有源负电容的支路切除时输入电流及其傅里叶分析图；可见电路中直流母线的二次电流纹波无法被抑制，幅值占比高达99.8％。
图6是含有源负电容的等效零阻抗电压波形图；电容C和负电容Cvri的电压以直流电源正极电压的二分之一电位点为对称点发生正弦周期变化，最大值不超过Ui。
图7是含有源负电容的支路工作时输入电流及输出电压波形图；
图8是含有源负电容的支路工作时输入电流傅里叶分析图；其中输入电流二倍频分量只占直流分量3.6％。
上述仅为本发明的一个具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (2)

1.一种基于有源负电容的等效零阻抗抑制二次电流纹波的方法，应用在包括有等效零阻抗电路的逆变器上，其特征在于，所述等效零阻抗电路包括串联的电容C和有源负电容Cvri，所述等效零阻抗电路连接在逆变器的直流侧；
所述有源负电容Cvri包括第一构成开关管Sa、第二构成开关管Sb、构成电感Lr和构成电容Cr；所述第一构成开关管Sa和所述第二构成开关管Sb组成一桥臂且互补导通；所述桥臂两端分别连接直流母线的正负极，所述桥臂中点连接构成电感Lr的一端，构成电感Lr的另一端为端口M，连接构成电容Cr的一端，构成电容Cr的另一端为端口N，连接直流母线的负极；Sa和Sb的互补导通使得端口MN行为在直流上与传统电容定义一致，相当于断路，在交流上与电容相反、与电感相似，等效于电感端口行为，即端口电压uMN超前流入端口的电流ihar 90°；所述ihar表示直流母线电流中的谐波分量；
所述有源负电容Cvri端电压uCvri采用构成电容Cr电压外环、构成电感Lr电流内环双闭环控制；通过采集逆变器输出电压uo和输出电流io，经过计算得到参考电压uh及其相位，从而得到有源负电容Crvi端口的参考电压uCvri-ref，将其输入电压外环PI补偿器，输出后作为内环电感Lr电流的参考，与反馈的电感电流iLr进行比较后，最终通过正弦脉宽调制SPWM控制第一构成开关管Sa和第二构成开关管Sb的通断；
所述有源负电容Cvri端电压uCvri和电容C电压uc的交流分量在对特定谐波表现零阻抗时相位相反，且满足直流母线电压的总约束；当等效零阻抗电路的瞬时功率与逆变器产生的二次脉动功率大小相等且相位相反时，则可实现指定次纹波电流的吸收；电路中的二次电流纹波仅在负载与等效零阻抗电路间传递，减少对电源的伤害。
2.根据权利要求1所述的基于有源负电容的等效零阻抗抑制二次电流纹波的方法，其特征在于，所述逆变器包括单相全桥逆变器和其他会使直流侧产生二次脉动功率的电压源型逆变器。
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