CN112953185A - 辅助逆变器的lc滤波器的参数设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及辅助逆变器的LC滤波器的参数设计方法，包括：根据三角波对称或者不对称采样输出电压信号,根据二重傅立叶积分对输出电压信号的各次谐波的幅值进行分析处理，确定输出电压信号的谐波含量最大时的第一频率；根据对称规则采样调制得到谐波电压幅值数据；根据谐波电压幅值数据和额定电压数据计算得到谐波电压含量数据；根据谐波电压含量数据和预设的谐波含量上限阈值确定第一函数；根据空载输出电压数据和预设的输出电压下限阈值确定第二函数；根据空载输出电流数据和输出电流上限阈值确定第三函数；根据第一函数、第二函数和第三函数确定参数取值范围；确定参数取值范围内最小电感数据为输出滤波电感数据，相应地确定输出滤波电容数据。

Description

辅助逆变器的LC滤波器的参数设计方法

技术领域

本发明涉及滤波器技术领域，尤其涉及辅助逆变器的LC滤波器的参数设计方法。

背景技术

辅助逆变器用于为列车空调、电热、冷却风机、空压机组、列车照明、充电机等车载设备提供电源，其主电路拓扑结构如图1所示。LC滤波器作为逆变器的关键组成部分，其主要作用是对逆变桥侧输出的脉冲电压进行滤波，确保LC滤波器输出侧电压满足负载需求。

目前常见的LC滤波器参数设计需满足如下要求：

1)LC滤波器的谐振频率大于等于10倍的基波频率，并且要小于等于0.5倍的开关频率；

2)滤波电容上的基波无功功率不大于系统容量的30％。

按照上述LC滤波器参数设计的LC滤波器在开关频率较高的系统中尚可应用，但是当开关频率较低时，则无法适用。例如开关频率为750Hz，按照上述要求进行设计，LC滤波器的谐振频率需要大于等于500Hz且小于等于375Hz。由此可见上述方法存在一定的局限性。此外，上述方法也没有考虑输出阻抗最优的问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供辅助逆变器的LC滤波器的参数设计方法，使得辅助逆变器可应用于任意开关频率范围，同时考虑了最优输出阻抗特性，具有良好的负载适应能力。

为实现上述目的，本发明提供了种辅助逆变器的LC滤波器的参数设计方法，所述参数包括输出滤波电感数据和输出滤波电容数据；所述参数设计方法包括：

根据三角波对称或者不对称采样所述辅助逆变器的输出电压信号,根据二重傅立叶积分对所述输出电压信号的各次谐波的幅值进行分析处理，确定输出电压信号的谐波含量最大时的第一频率；

根据对称规则采样调制得到在所述第一频率处的谐波电压幅值数据；

根据所述谐波电压幅值数据和额定电压数据计算得到在所述第一频率处的谐波电压含量数据；

根据在所述第一频率处的谐波电压含量数据和预设的谐波含量上限阈值确定第一函数；

根据在所述第一频率处的空载输出电压数据和预设的输出电压下限阈值确定第二函数；

根据在所述第一频率处的空载输出电流数据和输出电流上限阈值确定第三函数；

根据所述第一函数、第二函数和第三函数确定参数取值范围；所述参数取值范围内的电感数据和电容数据一一对应；

确定所述参数取值范围内最小电感数据为输出滤波电感数据，相应地确定输出滤波电容数据。

优选的，所述根据对称规则采样调制得到在所述第一频率处的谐波电压幅值数据具体包括：

根据公式1计算第一频率处的谐波电压幅值数据，公式1如下：

其中，

Z为负载阻抗；L为滤波电感数据；C为输出滤波电容数据；N＝(2ω_s-ω₀)/ω₀；ω_s为开关角频率；ω₀为基波角频率；β＝ω₀ ²LC；2ω_s-ω₀为第一频率；

为输出电压信号在第一频率处的谐波含量数据；

为在第一频率处的谐波电压幅值数据。

优选的，所述根据所述谐波电压幅值数据和额定电压数据计算在所述第一频率处的谐波电压含量数据具体包括：

根据公式2计算第一频率处的谐波电压含量数据，公式2如下：

其中，

U_n为额定电压数据；U_dc为每个支撑电容的承受电压数据；

Z为负载阻抗；L为滤波电感数据；C为输出滤波电容数据；β＝ω₀ ²LC；ω₀为基波角频率；ω_s为开关角频率；2ω_s-ω₀为第一频率；

为在第一频率处的谐波电压幅值数据；

为第一频率处的谐波电压含量数据；J₁(απ)为贝塞尔函数；

优选的，所述根据在所述第一频率处的谐波电压含量数据和预设的谐波含量上限阈值确定第一函数具体包括：

建立第一函数，如下公式3：

其中，

U_n为额定电压数据；U_dc为每个支撑电容的承受电压数据；

Z为负载阻抗；L为滤波电感数据；C为输出滤波电容数据；β＝ω₀ ²LC；ω₀为基波角频率；ω_s为开关角频率；2ω_s-ω₀为第一频率；

为在第一频率处的谐波电压幅值数据；

为第一频率处的谐波电压含量数据；J₁(απ)为贝塞尔函数；

为预设的谐波含量上限阈值。

优选的，所述根据在所述第一频率处的空载输出电压数据和预设的输出电压下限阈值确定第二函数具体包括：

建立第二函数，如下公式4：

其中，g为在第一频率处的空载输出电压数据；g′为预设的输出电压下限阈值；|Z|为负载阻抗；θ为功率因数角；β＝ω₀ ²LC；L为滤波电感数据；ω₀为基波角频率；

将

代入公式4，得到公式5：

其中，g′为预设的输出电压下限阈值；|Z|为负载阻抗；θ为功率因数角；β＝ω₀ ²LC；L为滤波电感数据；C为输出滤波电容数据；ω₀为基波角频率。

优选的，所述根据在所述第一频率处的空载输出电流数据和输出电流上限阈值确定第三函数具体包括：

建立第三函数，如下公式6：

I_mmax＝ω₀C_maxU_n≤I_n*30％ (公式6)

其中，I_mmax为在第一频率处的空载输出电流数据；I_n为额定电流数据；ω₀为基波角频率；U_n为额定电压数据；C_max为滤波电容数据的最大取值。

优选的，在确定所述参数取值范围内最小电感数据为输出滤波电感数据，相应地确定输出滤波电容数据之后，所述参数设计方法还包括：

根据所述参数取值范围确定两组边界数据；所述边界数据包括边界电感数据和边界电容数据；

判断所述第一组边界数据在空载、纯阻性满载、阻感性满载状态下谐波畸变率是否均小于第一阈值。

优选的，在确定所述参数取值范围内最小电感数据为输出滤波电感数据，相应地确定输出滤波电容数据之后，所述参数设计方法还包括：

判断所述辅助逆变器的输入电压为输入电压下限值时，在空载、纯阻性满载、阻感性满载下所述输出电压是否均大于第二阈值。

本发明实施例提供的辅助逆变器的LC滤波器的参数设计方法，使得辅助逆变器可应用于任意开关频率范围，同时考虑了最优输出阻抗特性，具有良好的负载适应能力。

附图说明

图1为本发明实施例提供辅助逆变器的拓扑结构图；

图2为本发明实施例提供的辅助逆变器的LC滤波器的参数设计方法的流程图；

图3为本发明实施例提供的滤波器的参数取值范围的示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

本发明提供的辅助逆变器的LC滤波器的参数设计方法，使得辅助逆变器可应用于任意开关频率范围，同时考虑了最优输出阻抗特性，具有良好的负载适应能力。

图1为本发明实施例提供辅助逆变器的拓扑结构图，为便于理解本发明的技术方案，首先结合图1对辅助逆变器的结构进行介绍。

如图1所示，辅助逆变器包括逆变桥和LC滤波器两部分。U_in为直流侧输入电压，i_load为直流正母线电流，U_uv为输出线电压，即u、v两点之间的电压，C₁、C₂为支撑电容，每只支撑电容的承受电压数据为U_dc，即U_in＝2U_dc，a、b、c为桥臂中点，L为输出滤波电感，C为输出滤波电容，输出滤波电感L和输出滤波电容C构成LC滤波器。

本发明的LC滤波器的参数设计方法，在进行参数设计时需满足以下4项指标：

1)输出电压U_uv总谐波含量不大于5％；

2)在低压重载工况下，输出电压U_uv满足输出电压要求，即不低于输出电压的下限值；

3)在空载工况下，输出电流i_o不大于额定电流的30％；

4)在满足以上3条的基础上，选择输出阻抗最小的LC参数组合。

表1为辅助逆变器的系统参数对照表，表1如下：

系统容量S/kVA	60
		直流侧电压U<sub>in</sub>/V	650(±10％)
额定电压U<sub>n</sub>/V	380
		基波频率f<sub>0</sub>/Hz	50
负载功率因数	0.85
		开关频率f<sub>s</sub>/Hz	1350

表1

以下的参数设计方法是基于上方已知系统参数实现的，本发明设计的辅助逆变器的LC滤波器的参数指的是输出滤波电感数据和输出滤波电容数据，即图1中的L和C。

图2为本发明实施例提供的辅助逆变器的LC滤波器的参数设计方法的流程图，以下结合图2对本发明技术方案进行详述。

步骤110，根据三角波对称或者不对称采样辅助逆变器的输出电压信号,根据二重傅立叶积分对输出电压信号的各次谐波的幅值进行分析处理，确定输出电压信号的谐波含量最大时的第一频率；

具体的，分析后可知2ω_s-ω₀处的谐波含量最大。

步骤120，根据对称规则采样调制得到在第一频率处的谐波电压幅值数据；

具体的，根据公式1计算第一频率处的谐波电压幅值数据，公式1如下：

其中，

Z为负载阻抗；L为滤波电感数据；C为输出滤波电容数据；N＝(2ω_s-ω₀)/ω₀；ω_s为开关角频率；ω₀为基波角频率；β＝ω₀ ²LC；2ω_s-ω₀为第一频率；

为输出电压信号在第一频率处的谐波含量数据；

为在第一频率处的谐波电压幅值数据。

步骤130，根据谐波电压幅值数据和额定电压数据计算得到在第一频率处的谐波电压含量数据；

具体的，根据公式2计算第一频率处的谐波电压含量数据，公式2如下：

其中，

U_n为额定电压数据；U_dc为每个支撑电容的承受电压数据；

Z为负载阻抗；L为滤波电感数据；C为输出滤波电容数据；β＝ω₀ ²LC；ω₀为基波角频率；ω_s为开关角频率；2ω_s-ω₀为第一频率；

为在第一频率处的谐波电压幅值数据；

为第一频率处的谐波电压含量数据；J₁(απ)为贝塞尔函数；

步骤140，根据在第一频率处的谐波电压含量数据和预设的谐波含量上限阈值确定第一函数；

具体的，由于空载时输出电压信号在第一频率处的谐波含量是最大的，因此本发明只需要保证空载时第一频率处的谐波含量符合指标即可。具体预设的谐波含量上限阈值是根据输出电压的单次谐波含量要求确定的。

建立第一函数，如下公式3：

其中，

U_n为额定电压数据；U_dc为每个支撑电容的承受电压数据；

Z为负载阻抗；L为滤波电感数据；C为输出滤波电容数据；β＝ω₀ ²LC；ω₀为基波角频率；ω_s为开关角频率；2ω_s-ω₀为第一频率；

为在第一频率处的谐波电压幅值数据；

为第一频率处的谐波电压含量数据；J₁(απ)为贝塞尔函数；

为预设的谐波含量上限阈值。

图3为本发明实施例提供的滤波器的参数取值范围的示意图，如图3所示，第一函数即为图3中1号曲线。

步骤150，根据在第一频率处的空载输出电压数据和预设的输出电压下限阈值确定第二函数；

具体的，建立第二函数，如下公式4：

其中，g为在第一频率处的空载输出电压数据；g′为预设的输出电压下限阈值；|Z|为负载阻抗；θ为功率因数角；β＝ω₀ ²LC；L为滤波电感数据；ω₀为基波角频率；

将

代入公式4，得到公式5：

其中，g′为预设的输出电压下限阈值；|Z|为负载阻抗；θ为功率因数角；β＝ω₀ ²LC；L为滤波电感数据；C为输出滤波电容数据；ω₀为基波角频率。

第二函数即为图3中2号曲线。

步骤160，根据在第一频率处的空载输出电流数据和输出电流上限阈值确定第三函数；

具体的，建立第三函数，如下公式6：

I_mmax＝ω₀C_maxU_n≤I_n*30％ (公式6)

其中，I_mmax为在第一频率处的空载输出电流数据；I_n为额定电流数据；ω₀为基波角频率；U_n为额定电压数据；C_max为滤波电容数据的最大取值。

第三函数即为图3中3号曲线。

步骤120,步骤150和步骤160之间没有时序关系，可以同步执行。

步骤170，根据第一函数、第二函数和第三函数确定参数取值范围；

具体的，如图3所示，阴影部分为第一函数、第二函数和第三函数组合形成的区域，即LC滤波器的参数取值范围。参数取值范围内的电感数据和电容数据一一对应。

步骤180，确定参数取值范围内最小电感数据为输出滤波电感数据，相应地确定输出滤波电容数据。

具体的，考虑到系统对后级负载的适应能力，因此输出阻抗越小，系统对后级负载的适应能力越强，即在LC乘积一定时，L值越小，系统输出阻抗越小，因此应选择尽量小的电感值。观察图3可知，B点是LC滤波器参数的最优选择，因此选择该点的电感值和电容值作为LC滤波器的参数。

为验证选取的参数数据是有效地，在确定参数取值范围内最小电感数据为输出滤波电感数据，相应地确定输出滤波电容数据之后，根据参数取值范围确定两组边界数据。边界数据包括边界电感数据和边界电容数据。判断第一组边界数据在空载、纯阻性满载、阻感性满载状态下谐波畸变率是否均小于第一阈值。判断辅助逆变器的输入电压为输入电压下限值时，在空载、纯阻性满载、阻感性满载下输出电压是否均大于第二阈值。若均满足，则认为参数有效。

在一个具体的例子中，通过本发明的参数设计方法选择的L_c＝580uH，C_f＝405uF。根据选择的L_c＝580uH，C_f＝405uF，考虑实际情况，选取L_c＝580uH，C_f＝405uF和L_c＝2130uH，C_f＝405uF两组边界数据进行理论计算和试验验证。

表2为L_c＝580uH，C_f＝405uF理论计算与试验测量对比表，如表2所示，在空载、满载(纯阻性)和满载(阻感性,cosψ＝0.85)三种负载情况下对理论计算和试验结果进行对比验证。

	空载畸变率	纯阻性满载畸变率	阻感性满载畸变率(cosψ＝0.85)
				理论计算	2.4％	2.2％	2.3％
试验测试	3.37％	2.44％	2.8％

表2

在验证第一组边界数据时，重点关注在输入电压最高时，空载工况下输出电压的总畸变率指标。通过对比表2中理论计算与试验测试结果，可见在三种工况下，空载工况下输出电压谐波畸变率最高，但均满足谐波畸变率小于5％的设计指标。另外，观察可知存在实验测量值大于理论计算值的现象，原因是试验时输出电压中含有2、5、7次等低次谐波。

表3为L_c＝2130uH，C_f＝405uF理论计算与试验测量对比表，如表3所示，在空载、满载(纯阻性)和满载(阻感性,cosψ＝0.85)三种负载情况下对理论计算和试验结果进行对比验证。

	空载畸变率	纯阻性满载畸变率	阻感性满载畸变率(cosψ＝0.85)
				理论计算	0.56％	0.59％	0.74％
试验测试	0.53％	2.44％	2.17％

表3

表4为L_c＝2130uH，C_f＝405uF输出电压对照表，如表4所示，在空载、满载(纯阻性)和满载(阻感性,cosψ＝0.85)三种负载情况下的试验结果。

表4

在验证此第二组边界数据时，重点关注在输入电压最低且满载时，逆变器是否能够输出给定电压。通过观察表3和表4可知，在三种工况下，试验时输出电压都能达到设计指标，且输出电压畸变率都满足标准。

由此可知，理论计算与是试验数据相符，验证了本发明的LC滤波器的参数设计方法的有效性。

本发明的辅助逆变器的LC滤波器的参数设计方法，使得辅助逆变器可应用于任意开关频率范围，同时考虑了最优输出阻抗特性，具有良好的负载适应能力。

专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种辅助逆变器的LC滤波器的参数设计方法，其特征在于，所述参数包括输出滤波电感数据和输出滤波电容数据；所述参数设计方法包括：

根据三角波对称或者不对称采样所述辅助逆变器的输出电压信号,根据二重傅立叶积分对所述输出电压信号的各次谐波的幅值进行分析处理，确定输出电压信号的谐波含量最大时的第一频率；

根据对称规则采样调制得到在所述第一频率处的谐波电压幅值数据；

根据所述谐波电压幅值数据和额定电压数据计算得到在所述第一频率处的谐波电压含量数据；

根据在所述第一频率处的谐波电压含量数据和预设的谐波含量上限阈值确定第一函数；

根据在所述第一频率处的空载输出电压数据和预设的输出电压下限阈值确定第二函数；

根据在所述第一频率处的空载输出电流数据和输出电流上限阈值确定第三函数；

根据所述第一函数、第二函数和第三函数确定参数取值范围；所述参数取值范围内的电感数据和电容数据一一对应；

确定所述参数取值范围内最小电感数据为输出滤波电感数据，相应地确定输出滤波电容数据。

2.根据权利要求1所述的辅助逆变器的LC滤波器的参数设计方法，其特征在于，所述根据对称规则采样调制得到在所述第一频率处的谐波电压幅值数据具体包括：

根据公式1计算第一频率处的谐波电压幅值数据，公式1如下：

其中，

Z为负载阻抗；L为滤波电感数据；C为输出滤波电容数据；N＝(2ω_s-ω₀)/ω₀；ω_s为开关角频率；ω₀为基波角频率；β＝ω₀ ²LC；2ω_s-ω₀为第一频率；

为输出电压信号在第一频率处的谐波含量数据；

为在第一频率处的谐波电压幅值数据。

3.根据权利要求1所述的辅助逆变器的LC滤波器的参数设计方法，其特征在于，所述根据所述谐波电压幅值数据和额定电压数据计算在所述第一频率处的谐波电压含量数据具体包括：

根据公式2计算第一频率处的谐波电压含量数据，公式2如下：

其中，

U_n为额定电压数据；U_dc为每个支撑电容的承受电压数据；

Z为负载阻抗；L为滤波电感数据；C为输出滤波电容数据；β＝ω₀ ²LC；ω₀为基波角频率；ω_s为开关角频率；2ω_s-ω₀为第一频率；

为在第一频率处的谐波电压幅值数据；

为第一频率处的谐波电压含量数据；J₁(απ)为贝塞尔函数；

4.根据权利要求1所述的辅助逆变器的LC滤波器的参数设计方法，其特征在于，所述根据在所述第一频率处的谐波电压含量数据和预设的谐波含量上限阈值确定第一函数具体包括：

建立第一函数，如下公式3：

其中，

U_n为额定电压数据；U_dc为每个支撑电容的承受电压数据；

Z为负载阻抗；L为滤波电感数据；C为输出滤波电容数据；β＝ω₀ ²LC；ω₀为基波角频率；ω_s为开关角频率；2ω_s-ω₀为第一频率；

为在第一频率处的谐波电压幅值数据；

为第一频率处的谐波电压含量数据；J₁(απ)为贝塞尔函数；

为预设的谐波含量上限阈值。

5.根据权利要求1所述的辅助逆变器的LC滤波器的参数设计方法，其特征在于，所述根据在所述第一频率处的空载输出电压数据和预设的输出电压下限阈值确定第二函数具体包括：

建立第二函数，如下公式4：

其中，g为在第一频率处的空载输出电压数据；g′为预设的输出电压下限阈值；|Z|为负载阻抗；θ为功率因数角；β＝ω₀ ²LC；L为滤波电感数据；ω₀为基波角频率；

将

代入公式4，得到公式5：

其中，g′为预设的输出电压下限阈值；|Z|为负载阻抗；θ为功率因数角；β＝ω₀ ²LC；L为滤波电感数据；C为输出滤波电容数据；ω₀为基波角频率。

6.根据权利要求1所述的辅助逆变器的LC滤波器的参数设计方法，其特征在于，所述根据在所述第一频率处的空载输出电流数据和输出电流上限阈值确定第三函数具体包括：

建立第三函数，如下公式6：

I_mmax＝ω₀C_maxU_n≤I_n*30％ (公式6)

其中，I_mmax为在第一频率处的空载输出电流数据；I_n为额定电流数据；ω₀为基波角频率；U_n为额定电压数据；C_max为滤波电容数据的最大取值。

7.根据权利要求1所述的辅助逆变器的LC滤波器的参数设计方法，其特征在于，在确定所述参数取值范围内最小电感数据为输出滤波电感数据，相应地确定输出滤波电容数据之后，所述参数设计方法还包括：

根据所述参数取值范围确定两组边界数据；所述边界数据包括边界电感数据和边界电容数据；

判断所述第一组边界数据在空载、纯阻性满载、阻感性满载状态下谐波畸变率是否均小于第一阈值。

8.根据权利要求1所述的辅助逆变器的LC滤波器的参数设计方法，其特征在于，在确定所述参数取值范围内最小电感数据为输出滤波电感数据，相应地确定输出滤波电容数据之后，所述参数设计方法还包括：

判断所述辅助逆变器的输入电压为输入电压下限值时，在空载、纯阻性满载、阻感性满载下所述输出电压是否均大于第二阈值。

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