CN112838577B - 基于有源虚拟电感的多次低频电流纹波抑制方法 - Google Patents

基于有源虚拟电感的多次低频电流纹波抑制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于有源虚拟电感的多次低频电流纹波抑制方法，该方法具有可热插拔，控制简洁，可靠性高，所需传感器少等优势。纹波抑制支路由有源虚拟电感Lvri与电容Creal串联构成，并联在直流母线端。有源虚拟电感Lvri的由一对互补导通的开关管Sa与Sb，一个电感Lr和一个电容Cr构成。该多次低频纹波抑制方法在直流母线端吸收低频电流纹波，使脉动能量在直流母线与该拓扑结构间传递，对负载影响少。该方法可以同时应对单次或多次低频电流谐波，泛用性强。同时，该拓扑结构在电路运行过程中具有良好的低频纹波抑制效果和较快的响应速度。本发明可用较小感值的电感与较小容值电容实现较好的纹波抑制效果，增加了系统的功率密度，提高了电源效率，延长了电源使用寿命，使电路稳定性增强。

Description

基于有源虚拟电感的多次低频电流纹波抑制方法
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虚拟电感多次低频电流纹波抑制方法。
背景技术
在含直流母线的交直流微电网中，存在多种类型的交流负载，输出功率往往会呈现出多次低频脉动，并反馈到直流母线侧，则会使直流母线产生不同次的电流或电压低频纹波。然而，分布式电源大多为电压源输出模式，即直流母线电压一般保持恒定，因此，直流母线电流中必将包含大量相互叠加的多次低频纹波。这些低频纹波会降低逆变器的输出功率和转换效率，并给电源带来损害。
目前针对直流母线有效的低频纹波抑制方法可分为两类。第一类是通过控制或调制方法消除纹波或减少纹波的产生；第二类是增加额外的有源或无源储能电路，让纹波能量转移到储能电路中。
第一类通过控制或调制的方法按照位置又可分为直流母线侧消除和交流侧消除。在交流侧消除例如特定纹波消除法，是对逆变器的控制方法优化。通过计算出特定的开关导通角即可消除指定频率的纹波。但针对多次谐波的情况下，其计算量过于庞大，而且对于每一个变流器都有不一样的导通角，控制繁琐。而在直流母线上抑制低频纹波能量的方法，例如控制每个变流器或负载的开关管相移角度，可使各个负载产生的不同纹波相互叠加相互抵消。只是该方法对负载产生的纹波有要求，若产生的纹波频率各不相同，无论是在理论上还是实际中都无法完全消除低频纹波。
第二类增加额外储能电路的方法，按照位置也可分为直流母线侧和交流测。但是因为在交流侧添加的储能电路只能抑制逆变器本身产生的低频纹波，多个逆变器同时存在时需要添加多个储能电路，故在直流母线侧添加储能电路的方法更具有实用性。传统的方法是在直流母线上串联大电感或者并联大电容，与有源储能电路相比，功率密度低下。目前应用最多的是利用有源储能电路进行功率平衡来抑制低频纹波，但针对多次低频纹波的技术却还尚未见报道。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种仅使用小电容、小电感、少量开关管与传感器的电压源型直流母线多次低频电流纹波的抑制方法及其控制方式，减少直流侧储能元件的体积，提高系统功率密度。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案是：基于有源虚拟电感的多次低频电流纹波抑制方法，包括含有源虚拟电感串联电容的抑制纹波电路；
所述抑制纹波电路由有源虚拟电感Lvri与电容Creal串联构成，连接在直流母线之间；
所述抑制纹波电路利用纹波抑制支路的瞬时功率与负载产生的脉动功率大小相等，相位相反，实现指定多次纹波电流的吸收。
在一较佳实施例中：所述有源虚拟电感Lvri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的另一端连接在电容Cr和电容Creal的中间，即电容Cr的负极板和电容Creal的正极板；
电容Cr的正极连接直流母线的正极，电容Creal的负极连接直流母线的负极。通过控制开关Sa和Sb，有源虚拟电感Lvri和电容Creal的端口行为在直流上与一致，在交流上相反。
所述的基于有源虚拟电感的多次低频电流纹波抑制方法，其特征在于：所述电容Cr和电容Creal端电压uLvri与uCreal采用电容电压外环、电感Lr电流内环双闭环控制；
通过采集直流母线电流ibus，经过计算得到有源虚拟电感端口的参考电压 uLvri-ref或uCreal-ref；上述有源虚拟电感Lvri端电压uLvri即为电容Cr的端电压uCr；
通过采集有源虚拟电感或电容端口的电压uLvri或uCreal，与参考电压uLvri-ref或uCreal-ref的差值输入电压外环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SPWM控制开关Sa和Sb的通断。
在一较佳实施例中：所述电容Cr和电容Creal端电压uLvri与uCreal采用电容电压单闭环控制；
通过采集直流母线电流ibus，经过计算得到有源虚拟电感端口的参考电压 uLvri-ref或uCreal-ref；上述有源虚拟电感Lvri端电压uLvri即为电容Cr的端电压uCr；
通过采集有源虚拟电感或电容端口的电压uLvri或uCreal，与参考电压uLvri-ref或uCreal-ref的差值输入电压环PI补偿器，通过正弦脉宽调制(SPWM)控制开关Sa和Sb的通断。
在一较佳实施例中：所述有源虚拟电感Lvri端电压uLvri和电容Creal电压uCreal的交流分量在对特定多次谐波表现功率平衡时相位相反，且满足直流母线电压的总约束。
在一较佳实施例中：适用的负载为会使直流母线产生低频脉动功率的负载。
在一较佳实施例中：所述负载包括单相逆变器或三相逆变器或直流负载
本发明的有益效果为：
1)提出了一种有源虚拟电感的构建方法，实现多次低频电流纹波吸收支路功率匹配，吸收多次低频电流纹波，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。
2)无需改变原有负载的连接方式，在直流母线并联即能工作，实现可热拔插式运行。对负载无影响，低频脉动功率仅在直流母线和该支路之间传递，提升电源的使用寿命、提高运行稳定性。
3)所用器件成本低(1个电感，2个开关，2个电容，2或3个传感器)，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)实现对阻性、非阻性等任意负载引起的多次脉动功率抑制。
附图说明
图1是含有源虚拟电感的多次低频纹波抑制电路原理图；
图2是含有源虚拟电感的多次低频纹波抑制流程图；
图3是含有源虚拟电感的LC串联电路的模态分析图；
图4是含有源虚拟电感的LC串联电路中开关驱动波形及电感电流与电容电压波形；
图5是含有源虚拟电感的LC串联电路的控制框图；
图6是含有源虚拟电感的LC串联电路各状态下输入电流及其傅里叶分析图；
其中，Creal-与有源虚拟电感串联的电容，Lvir-有源虚拟电感，Lr-有源虚拟电感的构成电感，Cr-有源虚拟电感的构成电容，Sa-源虚拟电感的第一构成开关管，Sb-源虚拟电感的第二构成开关管，Udc-直流母线电压，ibus-直流母线电流， In是第n次电流谐波的幅值，qn是第n次电流谐波的相位。
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。
基于有源虚拟电感的多次低频电流纹波抑制方法，包括含有源虚拟电感串联电容的抑制纹波电路；所述抑制纹波电路由有源虚拟电感Lvri与电容Creal串联构成，连接在直流母线之间；所述抑制纹波电路利用纹波抑制支路的瞬时功率与负载产生的脉动功率大小相等，相位相反，实现指定多次纹波电流的吸收。
参照图1，所述有源虚拟电感Lvri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的另一端连接在电容Cr和电容Creal的中间，即电容Cr的负极板和电容Creal的正极板。电容Cr的正极连接直流母线的正极，电容Creal的负极连接直流母线的负极。通过控制开关Sa和Sb，使得有源虚拟电感Lvri和电容Creal的端口行为在交流上相反，即电容Cr的端口行为从容性变成了感性。
上述的基于有源虚拟电感的多次低频电流纹波抑制方法，有源虚拟电感Lvri和电容Creal端电压uLvri与uCreal可采用电容电压单闭环控制，也可采用电容Creal电压外环、电感Lr电流内环双闭环控制。通过采集直流母线电流idc，经过计算得到有源虚拟电感或电容端口的参考电压uLvri-ref或uCreal-ref。若采用单闭环控制，则通过采集有源虚拟电感电容端口的电压uLvri或uCreal，与参考电压uLvri-ref或 uCreal-ref的差值输入电压环PI补偿器，通过SPWM控制开关Sa和Sb的通断，该方式下仅需2个传感器。若采用双闭环控制，则将上述差值输入电压外环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SPWM控制开关Sa和Sb的通断，该方式下仅需3个传感器。
有源虚拟电感Lvri端电压uLvri和电容Creal端电压uCreal的交流分量在对特定多次谐波表现功率平衡时相位相反，且满足直流母线电压的总约束。当纹波抑制支路的瞬时功率与负载产生的脉动功率大小相等，相位相反，则可实现指定多次纹波电流的吸收。直流母线中的低频电流纹波仅在负载与纹波抑制电路间传递，减少对电源的损害。
本发明采用如下控制方式：
有源虚拟电感的第一构成开关管Sa的栅极和源极间所加的驱动信号与有源虚拟电感的第二构成开关管Sb的栅极和源极间所加的驱动信号互补。
所述负电容的第一、第二构成开关管Sa、Sb的开通和关断采用正弦脉宽调制 SPWM进行控制，纹波抑制电路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。
当直流母线中的电流包含多次低频电流纹波时，该电流可表示为
Figure GDA0002994984630000061
利用功率匹配，当该支路的瞬时功率和负载带来的低频脉动功率大小相等，相位相反，则可实现指定次电流纹波的抑制，即
Figure GDA0002994984630000062
求解上述微分方程，取Cr＝Creal＝C，得
Figure GDA0002994984630000063
上述K1，K2是微分方程求解时引入的常数，由方程解的初始状态决定。此即为多次低频电流谐波抑制的基本模式，可抑制直流电压母线中大部分的低频电流谐波，若要进一步解决纹波残留问题，则需进行下文提及的特殊模式。
在基本模式的基础上，再寻找uCr在20毫秒(单个工频周期)内的最小值 min[uCr]，并记录其出现时间t1，t2，…，tk，k∈N*。最后作为PI补偿器参考信号的uLvri-ref需调制为
Figure GDA0002994984630000071
含有源虚拟电感的多次低频纹波抑制的流程图如图2所示。在纹波抑制电路开始工作后，首先检测一个线电压周期(20ms)的母线电流，再对其进行傅里叶分析，得到各个频次纹波的幅值及其相位信息。若检测到的是首个线电压周期的母线电流，则直接计算ucr；若不是，则需与检测得到的历史周期中各个相应频次电流纹波分量的幅值与相位叠加，再进行ucr的计算。得到ucr后，若所用处理器的运算能力允许，则可进行前文所述的特殊模式下的优化；若运算能力不足(硬件配置不足或是设定吸收纹波的总次数过多等情况)时，也可牺牲一定的纹波抑制效果来满足较快的响应速度要求。并在计算完成后的下一个周期进行纹波抑制。
在一个开关周期中，图1所示的含有源虚拟电感的LC串联电路各有2种工作模态在3段电感电流区域，如图3(a)所示，Cr与Creal的状态具有对称性，这里以Creal为例分析，具体描述如下：
区域D2&D4：iLr在一个开关周期内变向，如图3(b)，在此工作区域，开关 Sa和Sb均实现零电压开通。
模态I：开关Sa导通，Sb关断。当iLr正向时，直流母线通过开关Sa给电感 Lr和电容Creal充电。电流iLr正向增大，uCreal增大，如图4(a)。当iLr反向时，电感Lr和电容Creal通过开关Sa的体二极管将能量反馈回直流母线。电流iLr反向减小，uCreal减小，如图4(c)。
模态II：开关Sa关断，Sb导通。当iLr正向时，电感Lr通过开关Sb的体二极管给电容Creal充电。电流iLr正向减小，uCreal增大，如图4(b)。当iLr反向时，电容Creal通过开关Sb给电感Lr充电。电流iLr反向增大，uCreal减小，如图4(d)。
区域D1：iLr>0，电压uCreal增大，如图3(c)。
模态I：开关Sa导通，Sb关断。直流母线通过开关Sa给电感Lr和电容Creal充电。电流iLr正向增大，uCreal增大，如图4(a)。
模态II：开关Sa关断，Sb导通。电感Lr通过开关Sb的体二极管给电容Creal充电。电流iLr正向减小，uCreal增大，如图4(b)。
区域D3：iLr<0，电压uCreal减小，如图3(d)。
模态I：开关Sa导通，Sb关断。电感Lr和电容Creal通过开关Sa的体二极管将能量反馈给直流母线。电流iLr反向减小，uCreal减小，如图4(c)。
模态II：开关Sa关断，Sb导通。电容Creal通过开关Sb给电感Lr充电。电流 iLr反向增大，uCreal减小，如图4(d)。
有源虚拟电感Lvri和电容Creal端电压uLvri与uCreal可采用电容电压单闭环控制，也可采用电容Creal电压外环、电感Lr电流内环双闭环控制。通过采集直流母线电流idc，经过计算得到有源虚拟电感或电容端口的参考电压uLvri-ref或uCreal-ref。若采用单闭环控制，则通过采集有源虚拟电感或电容端口的电压uLvri或uCreal，与参考电压uLvri-ref或uCreal-ref的差值输入电压环PI补偿器，通过SPWM控制开关Sa和Sb的通断，该方式下仅需2个传感器。若采用双闭环控制，则将上述差值输入电压外环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SPWM控制开关Sa和Sb的通断，该方式下仅需3个传感器。如图5所示。
由上述控制方式可知，含有源虚拟电感的支路中的电容取值大小与直流母线电压与脉动功率大小有关，即如下式所示，其中Phar为产生电流纹波的脉动功率。
Figure GDA0002994984630000091
根据GB/T 14549 93的纹波指标规定，为减少Lr与Cr、Creal谐振次纹波对系统造成的影响，要使Lr与Cr、Creal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 GDA0002994984630000092
根据上述参数选取，进行电路仿真。有源虚拟电感电路设计参数如表所示，直流母线电压Ui为250V，电容Cr和Creal为150μF，电感Lr为120μH，开关频率fs为10kHz。
Figure GDA0002994984630000093
仿真利用2个单相逆变器引入低频谐波，输出电压均为125V，输出滤波电感均为2.5mH，滤波电容均为1μF，开关频率均为10kHz，负载均为50Ω。交流输出电压频率为50Hz和75Hz，分别引入100Hz(二倍频)和150Hz(三倍频) 电流谐波。
图6(a)是含有源虚拟电感电路未激活时，电路中各电信号的仿真结果。在 2个输出频率不同的逆变器同时工作的情况下，直流母线电流含有大量低频纹波。
图6(b)是含有源虚拟电感电路在基础模式下工作时，电路中各电信号的仿真结果。在2个输出频率不同的逆变器同时工作的情况下，直流母线电流中存在的低频纹波被大幅吸收，但每经过20毫秒仍会出现小幅电流震荡。
图6(c)是含有源虚拟电感电路在特殊模式下工作时，电路中各电信号的仿真结果。在2个输出频率不同的逆变器同时工作的情况下，直流母线电流中存在的低频纹波被大幅吸收，且在整个工作周期内无明显震荡。
图6(d)是上述三种情况下，直流母线电流进行傅里叶分析后的结果。在含有源虚拟电感结构的纹波抑制电路未工作时，该情况下电流中的二次谐波电流占46.9％，三次谐波电流占47.9％。在含有源虚拟电感结构的纹波抑制电路在基础模式下工作时，该情况下电流中的二次谐波电流占4.2％，三次谐波电流占4.8％，但在前21次频率范围内产生了额外的电流谐波。在含有源虚拟电感结构的纹波抑制电路在特殊模式下工作时，该情况下电流中的二次谐波电流占1.2％，三次谐波电流占2.4％，且在前21次频率范围内几乎不产生额外的电流谐波。
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 (6)

1.基于有源虚拟电感的多次低频电流纹波抑制方法，其特征在于包括含有源虚拟电感串联电容的抑制纹波电路；
所述抑制纹波电路由有源虚拟电感Lvri与电容Creal串联构成，连接在直流母线之间；
所述抑制纹波电路利用纹波抑制支路的瞬时功率与负载产生的脉动功率大小相等，相位相反，实现指定多次纹波电流的吸收；
所述有源虚拟电感Lvri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的另一端连接在电容Cr和电容Creal的中间，即电容Cr的负极板和电容Creal的正极板；
电容Cr的正极连接直流母线的正极，电容Creal的负极连接直流母线的负极， 通过控制开关Sa和Sb，有源虚拟电感Lvri和电容Creal的端口行为在直流上与一致，在交流上相反。
2.根据权利要求1所述的基于有源虚拟电感的多次低频电流纹波抑制方法，其特征在于：所述电容Cr和电容Creal端电压uLvri与uCreal采用电容电压外环、电感Lr电流内环双闭环控制；
通过采集直流母线电流ibus，经过计算得到有源虚拟电感端口的参考电压uLvri-ref或uCreal-ref；上述有源虚拟电感Lvri端电压uLvri即为电容Cr的端电压uCr；
通过采集有源虚拟电感或电容端口的电压uLvri或uCreal，与参考电压uLvri-ref或uCreal-ref的差值输入电压外环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控制开关Sa和Sb的通断。
3.根据权利要求1所述的基于有源虚拟电感的多次低频电流纹波抑制方法，其特征在于：所述电容Cr和电容Creal端电压uLvri与uCreal采用电容电压单闭环控制；
通过采集直流母线电流ibus，经过计算得到有源虚拟电感端口的参考电压uLvri-ref或uCreal-ref；上述有源虚拟电感Lvri端电压uLvri即为电容Cr的端电压uCr；
通过采集有源虚拟电感或电容端口的电压uLvri或uCreal，与参考电压uLvri-ref或uCreal-ref的差值输入电压环PI补偿器，通过正弦脉宽调制控制开关Sa和Sb的通断。
4.根据权利要求2或3所述的基于有源虚拟电感的多次低频电流纹波抑制方法，其特征在于：所述有源虚拟电感Lvri端电压uLvri和电容Creal电压uCreal的交流分量在对特定多次谐波表现功率平衡时相位相反，且满足直流母线电压的总约束。
5.根据权利要求1所述的基于有源虚拟电感的多次低频电流纹波抑制方法，其特征在于：适用的负载为会使直流母线产生低频脉动功率的负载。
6.根据权利要求5所述的基于有源虚拟电感的多次低频电流纹波抑制方法，其特征在于：所述负载包括单相逆变器或三相逆变器或直流负载。
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