CN113206590A - 一种单相逆变器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种单相逆变器，包括：主回路模块和控制回路模块；主回路模块采集供电系统的电压及电流输出信号；控制回路模块根据电压输出信号，控制主回路模块执行基于二次谐振校正的电压闭环控制方法，输出DC/DC电路升压电压值，并实现减小直流母线的二次电压纹波幅值；控制回路模块根据升压电压值及电压与电流输出信号，控制主回路模块执行基于前馈反馈的电压闭环控制方法，实现DC/AC电路的全桥逆变，完成直流电压到交流电压的转换。

Description

一种单相逆变器及其控制方法
技术领域
本发明涉及逆变器领域，特别涉及一种单相逆变器及其控制方法。
背景技术
目前，由于单相逆变器存在输入和输出功率不匹配问题，导致直流母线电压存在较大的二次纹波。由于单相逆变器由前级DC-DC电路和后级DC-AC电路组成，无论DC-DC电路是隔离式还是非隔离式，均会因直流母线电压侧含有二次纹波而使得输入端预充电电容电压中产生二次纹波分量。对于高铁车辆使用的单相逆变器而言，其输入端与蓄电池相连。单相逆变器输入端二次纹波分量的存在会造成蓄电池发热，从而降低蓄电池寿命。传统的单相逆变器为了避免二次纹波，增加了较大的预充电电容及升压直流母线电容值，这造成了单相逆变器体积大、重量重，为提高单机容量，传统单相逆变器体积、重量进一步增加，不符合高铁车辆体积小、重量轻的要求。且二次纹波电压的存在，造成逆变器输出电压质量下降、效率下降，这不符合高铁车辆“绿色”、“节能”、“高效”的发展趋势。
随着下一代高铁车辆上牵引供电系统、辅助供电系统的各组成部分单机容量均增加，车上电磁环境更加复杂。产品的抗电磁干扰性能需要进一步加强，传统单相逆变器为抑制电磁干扰，提高产品可靠性，输入、输出端的EMI滤波电路规模较大，尤其是共模电感、差模电感的体积大、重量重，不再适应目前高铁车辆的发展趋势。
中国专利公开号为CN111786586A的发明公开了一种基于二阶广义积分器的单相逆变器振荡抑制策略和装置，但是该发明中只公开了通过二阶广义积分器进行振荡抑制，并没有解决二次纹波电压抑制以及抗噪声干扰的技术问题。
因此，当前如何解决一种能够适用于高铁车辆的新型单相逆变器及其控制方法的技术问题，同时该单相逆变器及其控制方法需要具有良好的二次纹波电压抑制功能，且能够实现优越的抗噪声干扰性能，依然存在巨大的困难。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出的一种适用于单相逆变器及其控制方法。上述单相逆变器及其控制方法具有良好的二次纹波电压抑制功能，且能够实现优越的抗噪声干扰性能。从而达到高效率、高功率密度、轻量化的要求。
本发明申请一些实施例中，提供一种单相逆变器，设置于供电系统内，包括：
主回路模块：用于采集供电系统的电压及电流输出信号；
控制回路模块：连接于主回路模块，控制回路模块用于根据电压输出信号，控制主回路模块执行基于二次谐振校正的电压闭环控制方法，输出DC/DC电路升压电压值，并实现减小直流母线的二次电压纹波幅值；控制回路模块根据升压电压值及电压及电流输出信号，控制主回路模块执行基于前馈反馈的电压闭环控制方法，实现DC/AC电路的全桥逆变，完成直流电压到交流电压的转换。
作为优选，上述主回路模块包括：
电压传感器：用于采集供电系统的电压输出信号，电压传感器包括：输入电压传感器、预充电电压传感器、直流母线电压传感器和逆变器输出电压传感器；
电流传感器：用于采集供电系统的电流输出信号，电流传感器包括：逆变器电感电流传感器和逆变器负载电流传感器；
预充电电路：用于接收预充电控制信号，完成预充电；
DC/DC电路：用于实现升压并减小直流母线的二次电压纹波幅值；
DC/AC电路：用于实现基于正交解耦滤波器的前馈反馈闭环控制，实现DC/AC电路的全桥逆变。
作为优选，上述控制回路模块包括：
监控上位机模块：用于下发启动指令，设定电压初始值；
控制板：连接于监控上位机模块、电压传感器、电流传感器、预充电电路、DC/DC电路、DC/AC电路，控制板用于接收启动指令，通过电压传感器和电流传感器采集电压和电流输出信号，完成对预充电电路、DC/DC电路和DC/AC电路的控制。
作为优选，上述控制板包括：
控制预充电模块：通过输入电压传感器采集输入电压和预充电电压传感器采集预充电电压，并向预充电电路发出预充电控制信号，完成预充电；
控制二次谐振模块：在预充电结束后，通过直流母线电压传感器采集直流母线电压，并基于二次谐振校正的电压单闭环方法，控制DC/DC电路实现升压并减小直流母线的二次电压纹波幅值；
控制前馈反馈闭环模块：通过逆变器输出电压传感器采集逆变器输出电压，及通过逆变器电感电流传感器采集电感电流和逆变器负载电流传感器采集负载电流，基于正交解耦滤波器的前馈反馈闭环控制方法，控制DC/AC电路实现全桥逆变。
本发明申请一些实施例中，提供一种单相逆变器控制方法，应用于如上所述单相逆变器，步骤包括：
主回路操作步骤：采集供电系统的电压及电流输出信号；
控制回路控制步骤：控制回路模块根据主回路模块采集的电压输出信号，控制主回路模块执行基于二次谐振校正的电压闭环控制方法，输出DC/DC电路升压电压值，并实现减小直流母线的二次电压纹波幅值；控制回路模块根据升压电压值及电压与电流信号，控制主回路模块执行前馈反馈闭环控制，实现DC/AC电路的全桥逆变。
作为优选，上述主回路操作步骤包括：
电压信号采集步骤：采集供电系统的电压输出信号；
电流信号采集步骤：采集供电系统的电流输出信号；
预充电步骤：接收预充电控制信号，完成预充电；
升压及抑制二次纹波步骤：DC/DC电路实现升压并减小直流母线的二次电压纹波幅值；
全桥逆变步骤：DC/AC电路基于前馈反馈闭环控制方法，实现DC/AC电路的全桥逆变。
作为优选，上述控制回路控制步骤包括：
监控上位机步骤：下发启动指令，设定电压初始值；
控制步骤：接收启动指令，通过电压传感器，电流传感器采集电压和电流输出信号，完成对预充电电路，DC/DC电路和DC/AC电路的控制。
作为优选，上述控制步骤还包括：
控制预充电步骤：通过输入电压传感器和预充电电压传感器采集输出信号，并向预充电电路发出预充电控制信号，完成预充电；
控制二次谐振步骤：在预充电结束后，控制板通过直流母线电压传感器采集输出信号，并基于二次谐振校正的电压单闭环方法，控制DC/DC电路实现升压并减小直流母线的二次电压纹波幅值；
控制前馈反馈闭环步骤：控制板通过逆变器负载电流传感器，逆变器电感电流传感器和逆变器负载电流传感器采集电压和电流输出信号，基于正交解耦滤波器的前馈反馈闭环控制方法，控制DC/AC电路实现全桥逆变。
作为优选，上述基于二次谐振校正环节的电压单闭环控制方法，包括步骤：
数据预处理步骤：对直流母线电压传感器采集输出信号进行数据预处理，得到预处理直流母线电压；
二次谐振校正步骤：根据预处理直流母线电压与预设的直流母线电压的差值进行二次谐振校正，得到校正电压；
电压环调节步骤：预处理直流母线电压与预设的直流母线电压的差值经过电压环进行调节，得到调节电压；将校正电压与调节电压送入控制板进行处理。
作为优选，上述基于正交解耦滤波器的前馈反馈闭环控制方法，包括步骤：
正交分量获取步骤：基于正交解耦滤波器获得正交分量；
抗干扰步骤：基于正交解耦滤波器的抗噪声干扰控制算法，实现抗噪声干扰；
预测补偿步骤：基于前馈反馈控制的抗逆变器突加负载扰动干扰，进行预测补偿。
本发明的突出技术效果和优点在于：
1)工程造价低，SiC MOSFET虽为新型器件，造价仍低于传统单相逆变器使用的模块化IGBT；随着电感、电容量的下降也可降低电容、电感造价，使得单相逆变器成本降低；采用新型碳化硅MOSFET作为开关管替代传统的IGBT，开关损耗极低，因此大幅提高了整机的效率，满载下的效率可以达到98％；
2)采用100kHz的开关频率，使得DC/DC电路内部的变压器、升压电感，DC/AC电路中滤波电感、滤波电容，预充电电容，直流母线侧支撑电容的体积和重量大大降低,整机的功率密度得以大幅提升，相较于同等功率的单相逆变器，功率密度可提高75％；
3)从工程造价角度，充分利用了SiC MOSFET的耐压和耐流特性，相对与传统单相逆变器，开关管造价降低；由于电感、电容量值的下降，整机造价降低；
3)数据预处理环节可快速提取有效数据，提高系统闭环控制的精准度。二次谐振校正环节可以有效抑制直流母线的二次电压纹波，从而也降低了预充电电容中的二次电压纹波，这提高了输出电能质量，也减少了对输入端蓄电池的损害；二次电压纹波的降低也减小了电容上的损耗，提高DC-DC变换器效率；二次电压纹波的降低还使得预充电电容、直流母线电容量减小，从而减小整机体积，有利于整机功率密度的提高；
4)逆变器输出电压、电感电流、负载电流经ODF环节后可返回已滤除高频噪声干扰的正交分量，有利于整机的抗高频噪声干扰性能；前馈控制的添加有利提高整机抗负载扰动性能。
附图说明
图1为本发明实施例单相逆变器的结构示意图；
图2所示为本发明实施例单相逆变器的硬件原理图；
图3为本发明单相逆变器控制方法流程图；
图4为本发明主回路操作步骤流程图；
图5为本发明控制回路控制步骤流程图；
图6所示为本发明具体实施例单相逆变器的控制方法流程图；
图7为本发明具体实施例二次谐振校正环节的电压单闭环控制方法流程图；
图8本发明具体实施例基于ODF的数据处理结构图；
图9为本发明具体实施例基于ODF的前馈-反馈闭环控制算法结构图。
以上图中：
10、单相逆变器 20、主回路模块
30、控制回路模块
201、电压传感器 202、电流传感器
203、预充电电路 204、DC/DC电器
205、DC/AC电路
31、监控上位机模块 32、控制板
321、控制预充电模块 322、控制二次谐振模块
323、控制前馈反馈闭环模块
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本申请应用于其他类似情景。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本申请公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本申请揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本申请公开的内容不充分。在本申请中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域普通技术人员显式地和隐式地理解的是，本申请所描述的实施例在不冲突的情况下，可以与其它实施例相结合。除非另作定义，本申请所涉及的技术术语或者科学术语应当为本申请所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请所涉及的“一”、“一个”、“一种”、“该”等类似词语并不表示数量限制，可表示单数或复数。本申请所涉及的术语“包括”、“包含”、“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；例如包含了一系列步骤或模块(单元)的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可以还包括没有列出的步骤或单元，或可以还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。本申请所涉及的“连接”、“相连”、“耦接”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。
本申请所涉及的“多个”是指两个或两个以上。“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。本申请所涉及的术语“第一”、“第二”、“第三”等仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序。
本发明旨在提供一种适用于高铁车辆的新型单相逆变器及其控制方法。该单相逆变器及其控制方法具有良好的二次纹波电压抑制功能，且能够实现优越的抗噪声干扰性能。从而达到高效率、高功率密度、轻量化的要求。
下面结合附图对本申请提供的一种单相逆变器及其控制方法做进一步说明。
图1为本发明单相逆变器的结构示意图，如图1所示，本发明提出的一种单相逆变器10，设置于供电系统内，包括：主回路模块20和控制回路模块30；
主回路模块20采集供电系统的电压及电流输出信号；
控制回路模块30连接于主回路模块20，控制回路模块30根据电压输出信号，控制主回路模块20执行基于二次谐振校正的电压闭环控制方法，输出DC/DC电路升压电压值，并实现减小直流母线的二次电压纹波幅值；
控制回路模块30根据升压电压值及电压与电流输出信号，控制主回路模块20执行基于前馈反馈的电压闭环控制方法，实现DC/AC电路的全桥逆变，完成直流电压到交流电压的转换。
其中，主回路模块20包括：电压传感器201，电流传感器202，预充电电路203，DC/DC电器204和DC/AC电路205；
电压传感器201采集供电系统的电压输出信号，并且电压传感器201包括：输入电压传感器；预充电电压传感器；直流母线电压传感器；逆变器输出电压传感器；
电流传感器202采集供电系统的电流输出信号，电流传感器202包括：逆变器电感电流传感器和逆变器负载电流传感器；
预充电电路203接收预充电控制信号，完成预充电；
DC/DC电路204实现升压并减小直流母线的二次电压纹波幅值；
DC/AC电路205实现基于正交解耦滤波器的前馈反馈闭环控制，实现DC/AC电路的全桥逆变。
其中，控制回路模块30包括：监控上位机模块31和控制板32；
监控上位机模块31下发启动指令，设定电压初始值；
控制板32连接于输入电压传感器201，电流传感器202，预充电电路203，DC/DC电路204和DC/AC电路205，接收启动指令，通过电压传感器201，电流传感器202采集电压和电流输出信号，完成对预充电电路203，DC/DC电路204和DC/AC电路205的控制。
更进一步的，控制板32包括：控制预充电模块321，控制二次谐振模块322和控制前馈反馈闭环模块323；
控制预充电模块321，当控制板32通过输入电压传感器和预充电电压传感器采集输出信号，并向预充电电路203发出预充电控制信号，完成预充电；
控制二次谐振模块322，在预充电结束后，控制板32通过直流母线电压传感器采集输出信号，并基于二次谐振校正的电压单闭环方法，控制DC/DC电路204实现升压并减小直流母线的二次电压纹波幅值；
控制前馈反馈闭环模块323，在控制板32通过逆变器负载电流传感器，逆变器电感电流传感器和逆变器负载电流传感器采集电压和电流输出信号后，基于正交解耦滤波器的前馈反馈闭环控制方法，控制DC/AC电路205实现全桥逆变。
作为优选，上述单相逆变器采用碳化硅MOSFET作为开关管。
下面结合附图对本申请提供的一种单相逆变器的具体实施例进一步说明。
图2为本发明具体实施例单相逆变器的硬件原理图，如图2所示，结构上划分成两大部分：主回路和控制回路。主回路由DC110V输入接口、输入EMI电路、预充电电路、防浪涌电路、DC/DC电路、DC/AC电路、输出EMI电路、单相交流输出接口等组成。控制回路由控制板、风机、NTC、监控上位机等部件组成，控制板的主控芯片为DSP芯片。如图1所示，电压传感器包括：TV1—输入电压传感器，TV2—预充电电压传感器、TV3—直流母线电压传感器、TV4—逆变器输出电压传感器；电流传感器包括：TA1——逆变器电感电流传感器、TA2—逆变器负载电流传感器。监控上位机通过RS232接口与控制板实现全双工通信。DC/DC电路为移相全桥电路，DC/AC为单相逆变电路。
为实现高频化、轻量化、高效率、高功率密度，单相逆变器采用SiC MOSFET，前级和后级变换器均工作在100kHz高频下，大幅降低了预充电电容、直流母线电压侧支撑电容、移相全桥高频电抗器、单相逆变器输出滤波电感和电容的量值，电感、电容的体积和重量随之下降。以预充电电容量为例，同等输出功率下，传统单相逆变器的预充电电容值为10000μF以上，而基于本发明提出的设计方法的预充电电容值仅为1200μF，这大大减小了新型单相逆变器的体积。
本发明在单相逆变器的硬件上的具有突出的技术效果：
1)在硬件电路的设计上，采用的开关管不再采用传统的IGBT，而是采用新型碳化硅MOSFET。采用传统的IGBT作为开关管，考虑到高频下的开关损耗会很大，因此开关频率最大不超过25kHz；新型SiC MOSFET作为开关管，开关损耗极低，因此开关频率提高到100kHz,高开关频率可以大大降低整机内部的电感等电磁元件的体积，实现了单相逆变器的小型化、轻量化设计，整机功率密度大幅提高。
2)从工程造价方面，SiC MOSFET的使用，降低了开关管成本，同时，高开关频率使得电容、电感量值的减小，也降低了单机成本。
下面结合附图对本申请提供的一种单相逆变器控制方法做进一步说明。
图3为本发明单相逆变器控制方法流程图，如图3所示，本发明还提出了一种单相逆变器控制方法，应用于如上所述的单相逆变器10，其特征在于，步骤包括：
主回路操作步骤：采集供电系统的电压及电流输出信号；
控制回路控制步骤：控制回路模块30根据主回路模块20采集的电压输出信号，控制主回路模块30执行基于二次谐振校正的电压闭环控制方法，输出DC/DC电路升压电压值，并实现减小直流母线的二次电压纹波幅值；控制回路模块30根据升压电压值及电压与电流信号，控制主回路模块20执行前馈反馈闭环控制，实现DC/AC电路的全桥逆变。
其中，图4为本发明主回路操作步骤流程图，如图4所示，主回路操作步骤包括：
电压信号采集步骤：采集供电系统的电压输出信号；
电流信号采集步骤：采集供电系统的电流输出信号；
预充电步骤：接收预充电控制信号，完成预充电；
升压及抑制二次纹波步骤：DC/DC电路实现升压并减小直流母线的二次电压纹波幅值；
全桥逆变步骤：DC/AC电路基于前馈反馈闭环控制方法，实现DC/AC电路的全桥逆变。
其中，图5为本发明控制回路控制步骤流程图，如图5所示，控制回路控制步骤包括：
监控上位机步骤：下发启动指令，设定电压初始值；
控制步骤：接收启动指令，通过电压传感器201，电流传感器202采集电压和电流输出信号，完成对预充电电路203，DC/DC电路204和DC/AC电路205的控制。
其中，控制步骤还包括：
控制预充电步骤：通过输入电压传感器和预充电电压传感器采集输出信号，并向预充电电路203发出预充电控制信号，完成预充电；
控制二次谐振步骤：在预充电结束后，控制板32通过直流母线电压传感器采集输出信号，并基于二次谐振校正的电压单闭环方法，控制DC/DC电路204实现升压并减小直流母线的二次电压纹波幅值；
控制前馈反馈闭环步骤：控制板32通过逆变器负载电流传感器，逆变器电感电流传感器和逆变器负载电流传感器采集电压和电流输出信号，基于正交解耦滤波器的前馈反馈闭环控制方法，控制DC/AC电路205实现全桥逆变。
其中，基于二次谐振校正环节的电压单闭环控制方法，包括步骤：
数据预处理步骤：对直流母线电压传感器采集输出信号进行数据预处理，得到预处理直流母线电压；
二次谐振校正步骤：根据预处理直流母线电压与预设的直流母线电压的差值进行二次谐振校正，得到校正电压；
电压环调节步骤：预处理直流母线电压与预设的直流母线电压的差值经过电压环进行调节，得到调节电压；将校正电压与调节电压送入控制板32进行处理。
其中，基于正交解耦滤波器的前馈反馈闭环控制方法，包括步骤：
正交分量获取步骤：基于正交解耦滤波器获得正交分量；
抗干扰步骤：基于正交解耦滤波器的抗噪声干扰控制算法，实现抗噪声干扰；
预测补偿步骤：基于前馈反馈控制的抗逆变器突加负载扰动干扰，进行预测补偿。
下面结合附图对本申请具体实施例提供的一种单相逆变器控制方法做进一步说明。
图6所示为本发明具体实施例单相逆变器的控制方法流程图，如图6所示，具体的实现方式和步骤如下：
1.DC110V接入图1中的“DC110V输入接口”，单相逆变器执行上电自检；
2.设定直流母线电压给定值Udc_ref，设定逆变器输出电压d轴给定值Vsd_ref、输出电压q轴给定值Vsq_ref，设定输出频率给定值fref；
3.监控上位机下发启动指令给控制板，控制板采集TV1、TV2的输出信号，得到当前输入电压Uin和预充电电压Uyu，控制板发出信号控制图1中“预充电电路”完成预充电过程，预充电过程结束的条件为：Uyu>＝0.95Uin且预充电时间不小于400ms；
4.预充电结束后，控制板采集TV3的输出信号，得到当前直流母线电压Udc；除传统的PID调节器外，添加一种基于二次谐振校正环节(SORC，Second-order ResonantCompensation)的电压单闭环算法，控制图1中DC/DC电路实现升压并减小直流母线的二次电压纹波幅值。反馈的直流母线电压经数据预处理环节后再进行反馈，这是为了抑制高频噪声干扰，使反馈值精确可靠，提高产品质量和可靠性。
图7为本发明具体实施例二次谐振校正环节的电压单闭环控制算方法结构图，如图7所示“基于二次谐振校正环节的电压单闭环控制算法”的具体实现步骤为：
1)直流母线电压反馈值Udc经数据预处理环节后得到Udcf与给定的直流母线电压Udc_ref作差，得到偏差后作为电压环PID调节器的输入，电压环PID调节器的输出记为D；
2)数据预处理环节传递函数Gc(s)为
Figure BDA0003096848340000111
其中，Kc为数据预处理环节增益，Tc为数据预处理环节延迟时间。
离散化表达式为
Udcf(n)＝a0Udc(n)+a1Udc(n-1)+b0Udcf(n-1) (2)
其中，Udc(n)为当前采样周期得到的直流母线电压值，Udc(n-1)为上一个采样周期直流母线电压值；Udcf(n-1)为上一个采样周期数据预处理环节的输出值；Udcf(n)为当前采样周期数据预处理环节的输出值。其中，a0＝0.634，a1＝0.634，b0＝0.268。
数据预处理环节可有效辨别高频噪声干扰数据和有效数据，并自动提取有效数据并将其输出。
3)Udcf与Udc_ref得到的偏差同样作为SORC的输入，SORC的输出记为D1，SORC的传递函数为
Figure BDA0003096848340000121
其中，kr是SORC的增益，ωr是SORC的品质因子，ωreq是要抑制纹波的角频率。
为保证其响应速度并具有较好的二次电压纹波抑制效果，令krωr＝40，响应式(3)的离散化表达为
y(n)＝a0y(n-1)+a1y(n-2)+a2y(n-2)+b0u(n)+b1u(n-1)+b2u(n-2) (4)
其中，a0＝0.9922，a1＝-1.968，a2＝1，b0＝0.9922，b1＝-1.968，b2＝1。
PID调节器的输出D与SORC的输出D1相加得到Dr，送入DSP中进行处理。
在控制板的DSP芯片程序里设置一个频率为100kHz的高频三角波作为载波；Dr与高频三角波比较得到高频脉冲P11及其互补脉冲P12，P21在时域上滞后P11 Dr个开关周期，P22在时域上滞后P12 Dr个开关周期，开关周期即为高频三角波的周期。P11、P12为图2中DC/DC超前桥臂的驱动脉冲，P21、P22为图2中滞后桥臂的驱动脉冲。
本发明提出的单相逆变器的控制方法，基于前级移相全桥电路，提出的一种“基于二次谐振校正环节的电压闭环控制算法”，具体如下：
(1)数据预处理环节算法具体如图5所示；
(2)二次谐振校正环节算法具体如图5所示；
数据预处理环节可快速提取有效数据，提高系统闭环控制的精准度。二次谐振校正环节可以有效抑制直流母线的二次电压纹波，从而也降低了预充电电容中的二次电压纹波，这提高了输出电能质量，也减少了对输入端蓄电池的损害；二次电压纹波的降低也减小了电容上的损耗，提高DC-DC变换器效率；二次电压纹波的降低还使得预充电电容、直流母线电容量减小，从而减小整机体积，有利于整机功率密度的提高。
该二次谐振校正环节控制方法的有益效果：
(1)实现了100kHz高开关频率下的电压单闭环控制；
(2)二次谐振校正环节的引入，大大降低了直流母线电压、预充电电压及输入电压的二次纹波电压值下降，从而降低了二次纹波带来的损耗，提高了整机效率；
(3)二次谐振校正环节的引入可以抑制二次纹波电压，从而提高电容可靠性、延长电容寿命，提高产品质量。
(4)直流母线电压经过数据预处理环节后再作为反馈量，实现了准确控制，提高抗高频噪声干扰能力。
本发明具体实施例中基于正交解耦滤波器的前馈-反馈闭环控制算法，具体如下：
图8本发明具体实施例基于ODF的数据处理结构图，图9为本发明具体实施例基于ODF的前馈-反馈闭环控制算法结构图，如图8及图9所示，本发明“基于ODF的前馈-反馈闭环控制算法”，其中ODF即为正交解耦滤波器(Orthogonal Decoupling Filter，ODF)，具体实现步骤为：
控制板采集TV4的输出信号得到单相逆变器的输出电压Vs；控制板采集TA1、TA2分别得到单相逆变器的电感电流Ir和负载电流Is。得到上述电压电流值后，按照设计的一种“基于正交解耦滤波器的前馈-反馈闭环控制算法”控制图2中DC/AC电路实现全桥逆变。
ODF的传递函数为
Figure BDA0003096848340000141
Figure BDA0003096848340000142
其中，k是决定ODF带宽的常数，ω是基频角频率。
取ω＝2πf＝100π，k＝1，得到ODF的α轴、β轴离散化表达式为
α轴：yα(n)＝yα(n-1)+Ts(a0u(n-1)+a1u(n-2)+a2u(n-3))
β轴：yβ(n)＝yβ(n-1)+kωyα(n)-(yα(n)-u(n)) (6)
其中，Ts为采样周期，a0＝1.92，a1＝1.33，a2＝0.42。
ODF不仅能够获得正交分量，同时也具有滤波功能。即便采样得到的逆变器输出电压、负载电流、电感电流含有高频噪声干扰，使用ODF算法后，也会得到质量优越的正交分量Vsα、Vsβ，Isα、Isβ，Irα、Irβ，从而达到精确控制的效果。
2)按照式(7)、(8)、(9)，计算逆变器输出电压、电感电流、负载电流的d、q轴分量：
Vsd＝Vsαcosθ+Vsβsinθ
Vsq＝Vsβcosθ-Vsαsinθ (7)
Isd＝Isαcosθ+Isβsinθ
Isq＝Isβcosθ-Isαsinθ (8)
Ird＝Irαcosθ+Irβsinθ
Irq＝Irβcosθ-Irαsinθ (9)
式中，Vsd为逆变器输出电压的d轴分量，Vsq为逆变器输出电压的q轴分量；Isd为逆变器负载电流的d轴分量，Isq为逆变器负载电流的q轴分量；Ird为逆变器电感电流的d轴分量，Irq为逆变器电感电流的q轴分量；θ为逆变器输出电压的相位，计算方法为：
θ(n)＝θ(n-1)+2πf(n)·Ts,n≥1
θ(n)＝θ(n)+2π,θ(n)>2π
θ(0)＝0 (10)
其中，Ts为采样周期，θ(n)为当前采样周期的逆变器输出电压的相位，θ(n-1)为上一个采样周期的逆变器输出电压的相位；f(n)为当前采样周期的逆变器输出电压的频率；
3)逆变器输出电压d轴给定值Vsd_ref与逆变器输出d轴反馈值Vsd作差，得到偏差后作为第一电压外环PI调节器的输入，第一电压外环PI调节器的输出记为Ird_ref；同理，输出电压q轴给定值Vsq_ref与逆变器输出q轴反馈值Vsq作差，得到偏差后作为第二电压外环PI调节器的输入，第二电压外环PI调节器的输出记为Irq_ref。Ird_ref与前馈值-ωCVsd+kIsq相加后与反馈值Ird的偏差作为第一电流环的输入，第一电流环的输出即为Vpwm_d；Irq_ref与前馈值ωCVsq+kIsd相加后与反馈值Irq的偏差作为第二电流环的输入，第二电流环的输出即为Vpwm_q。
抗负载电流干扰的预测前馈值获得方法为：
当给逆变器施加负载扰动时，不仅仅影响输出电流，还会对输出电压产生扰动，依据式(11)对扰动电压进行预测：
Vcomd＝2πf(n)LIsq
Vcomq＝2πf(n)LIsd (11)
其中，Vcomd为d轴扰动电压预测值；Vcomq为q轴扰动电压预测值，L为图1中DC/AC电路输出滤波电感的感值。
抗负载电压干扰的预测前馈值获得方法为：
当给逆变器施加负载扰动时，依据式(12)对扰动电流进行预测：
Icomd＝2πf(n)CUsd
Icomq＝2πf(n)CUsq (12)
其中，Icomd为d轴扰动电流预测值，Icomq为q轴扰动电流预测值，C为图1中DC/AC电路中的滤波电容的容值。
4)Vpwm_d、Vpwm_q作为反park变换模块的输入，根据(13)式，得到SPWM调制需要的调制波Vpwm_α。
Vpwm_α＝Vpwm_d·cosθ-Vpwm_q·sinθ (13)
其中，θ为当前采样周期的逆变器输出电压的相位。
5)在控制板的DSP芯片程序里设置一个频率为100kHz的高频三角波作为DC/AC载波，Vpwm_α与载波相比较得到图1中DC/AC逆变电路的开关管的驱动脉冲。
2)基于后级单相全桥逆变电路，提出了一种“基于ODF的前馈-反馈闭环控制算法”：
(1)基于ODF的正交分量获得方法，对应图7；
(2)基于ODF的抗噪声干扰控制算法，对应图7；
(3)基于前馈-反馈控制的抗逆变器突加负载扰动干扰的预测补偿方法，对应图7；
逆变器输出电压、电感电流、负载电流经ODF环节后可返回已滤除高频噪声干扰的正交分量，有利于整机的抗高频噪声干扰性能；前馈控制的添加有利提高整机抗负载扰动性能。
2)基于后级单相全桥逆变电路，提出了一种“基于ODF的前馈-反馈控制算法”，有益效果体现在：
(1)利用ODF得到逆变器输出电压、电感电流和负载电流的正交分量，且利用其滤波功能，可保证系统抗高频噪声干扰能力，实现逆变器的精确控制。
(2)逆变器突加负载扰动时的扰动电流预测补偿方法，对应图4具体实现步骤的5),可以实现对扰动电流的精确预测，并依据预测值进行补偿，提高了逆变器抗负载扰动性能；
(3)给逆变器突加负载扰动时的扰动电压预测补偿方法，对应图4具体实现步骤的5)，可以实现对扰动电压的精确预测，并依据预测值进行补偿，进一步提高了逆变器抗负载扰动性能。
本发明提出的一种适用于高铁车辆的新型单相逆变器及其控制方法。本发明方法具有良好的二次纹波电压抑制功能，且能够实现优越的抗噪声干扰性能。从而达到高效率、高功率密度、轻量化的要求。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种单相逆变器，设置于供电系统内，其特征在于，包括：
主回路模块：用于采集所述供电系统的电压及电流输出信号；
控制回路模块：连接于所述主回路模块，所述控制回路模块用于根据所述电压输出信号，控制所述主回路模块执行基于二次谐振校正的电压闭环控制方法，输出DC/DC电路升压电压值，并实现减小直流母线的二次电压纹波幅值；所述控制回路模块根据所述升压电压值及所述电压及电流输出信号，控制所述主回路模块执行基于前馈反馈的电压闭环控制方法，实现DC/AC电路的全桥逆变，完成直流电压到交流电压的转换。
2.根据权利要求1所述单相逆变器，其特征在于，所述主回路模块包括：
电压传感器：用于采集所述供电系统的电压输出信号，所述电压传感器包括：输入电压传感器、预充电电压传感器、直流母线电压传感器和逆变器输出电压传感器；
电流传感器：用于采集所述供电系统的电流输出信号，所述电流传感器包括：逆变器电感电流传感器和逆变器负载电流传感器；
预充电电路：用于接收所述预充电控制信号，完成预充电；
DC/DC电路：用于实现升压并减小直流母线的二次电压纹波幅值；
DC/AC电路：用于实现基于正交解耦滤波器的前馈反馈闭环控制，实现DC/AC电路的全桥逆变。
3.根据权利要求1所述单相逆变器，其特征在于，所述控制回路模块包括：
监控上位机模块：用于下发启动指令，设定电压初始值；
控制板：连接于所述监控上位机模块、所述电压传感器、所述电流传感器、所述预充电电路、所述DC/DC电路、所述DC/AC电路，所述控制板用于接收所述启动指令，通过所述电压传感器和所述电流传感器采集电压和电流输出信号，完成对所述预充电电路、所述DC/DC电路和所述DC/AC电路的控制。
4.根据权利要求3所述单相逆变器，其特征在于，所述控制板包括：
控制预充电模块：通过所述输入电压传感器采集输入电压和所述预充电电压传感器采集预充电电压，并向所述预充电电路发出所述预充电控制信号，完成预充电；
控制二次谐振模块：在预充电结束后，通过所述直流母线电压传感器采集直流母线电压，并基于二次谐振校正的电压单闭环方法，控制所述DC/DC电路实现升压并减小直流母线的二次电压纹波幅值；
控制前馈反馈闭环模块：通过所述逆变器输出电压传感器采集逆变器输出电压，及通过所述逆变器电感电流传感器采集电感电流和所述逆变器负载电流传感器采集负载电流，基于正交解耦滤波器的前馈反馈闭环控制方法，控制所述DC/AC电路实现全桥逆变。
5.一种单相逆变器控制方法，应用于如权利要求1-4中任意一项所述单相逆变器，其特征在于，步骤包括：
主回路操作步骤：采集所述供电系统的电压及电流输出信号；
控制回路控制步骤：所述控制回路模块根据所述主回路模块采集的电压输出信号，控制所述主回路模块执行基于二次谐振校正的电压闭环控制方法，输出DC/DC电路升压电压值，并实现减小直流母线的二次电压纹波幅值；所述控制回路模块根据所述升压电压值及所述电压与电流信号，控制所述主回路模块执行前馈反馈闭环控制，实现DC/AC电路的全桥逆变。
6.根据权利要求5所述单相逆变器控制方法，其特征在于，所述主回路操作步骤包括：
电压信号采集步骤：采集所述供电系统的电压输出信号；
电流信号采集步骤：采集所述供电系统的电流输出信号；
预充电步骤：接收所述预充电控制信号，完成预充电；
升压及抑制二次纹波步骤：DC/DC电路实现升压并减小直流母线的二次电压纹波幅值；
全桥逆变步骤：DC/AC电路基于前馈反馈闭环控制方法，实现DC/AC电路的全桥逆变。
7.根据权利要求5所述单相逆变器控制方法，其特征在于，所述控制回路控制步骤包括：
监控上位机步骤：下发启动指令，设定电压初始值；
控制步骤：接收所述启动指令，通过所述电压传感器，所述电流传感器采集电压和电流输出信号，完成对所述预充电电路，所述DC/DC电路和所述DC/AC电路的控制。
8.根据权利要求7所述单相逆变器控制方法，其特征在于，所述控制步骤还包括：
控制预充电步骤：通过所述输入电压传感器和预充电电压传感器采集输出信号，并向所述预充电电路发出所述预充电控制信号，完成预充电；
控制二次谐振步骤：在预充电结束后，所述控制板通过所述直流母线电压传感器采集输出信号，并基于二次谐振校正的电压单闭环方法，控制所述DC/DC电路实现升压并减小直流母线的二次电压纹波幅值；
控制前馈反馈闭环步骤：控制板通过逆变器负载电流传感器，逆变器电感电流传感器和逆变器负载电流传感器采集电压和电流输出信号，基于正交解耦滤波器的前馈反馈闭环控制方法，控制所述DC/AC电路实现全桥逆变。
9.根据权利要求8所述单相逆变器控制方法，其特征在于，所述基于二次谐振校正环节的电压单闭环控制方法，包括步骤：
数据预处理步骤：对所述直流母线电压传感器采集输出信号进行数据预处理，得到预处理直流母线电压；
二次谐振校正步骤：根据所述预处理直流母线电压与预设的直流母线电压的差值进行二次谐振校正，得到校正电压；
电压环调节步骤：所述预处理直流母线电压与预设的直流母线电压的差值经过电压环进行调节，得到调节电压；将所述校正电压与所述调节电压送入所述控制板进行处理。
10.根据权利要求8所述单相逆变器控制方法，其特征在于，基于正交解耦滤波器的前馈反馈闭环控制方法，包括步骤：
正交分量获取步骤：基于正交解耦滤波器获得正交分量；
抗干扰步骤：基于正交解耦滤波器的抗噪声干扰控制算法，实现抗噪声干扰；
预测补偿步骤：基于前馈反馈控制的抗逆变器突加负载扰动干扰，进行预测补偿。
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