CN113394959A - 一种基于脉动功率反馈的二次谐波电流抑制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电能变换装置中的控制技术，公开了一种基于脉动功率反馈的二次谐波电流抑制系统及方法。该方法将前级直直变换器的电感电流采样信号与输出电压采样信号通过乘法器，乘法器的输出通过带通滤波器，带通滤波器的输出与电感电流采样信号一起作为电流调节器反馈信号，电压调节器的输出信号为电流调节器的基准。电流调节器产生调制信号，并将其送入PWM调制器，最后经过驱动电路得到控制Buck类直直变换器的主功率管Q1～Qn工作的驱动信号。该方法具有可抑制两级式单相逆变器输入二次谐波，以及控制电路结构简单、实现方便等优点。

Description

一种基于脉动功率反馈的二次谐波电流抑制系统及方法
技术领域
本发明属于电能变换装置中的控制技术，涉及的是一种基于脉动功率反馈的二次谐波电流抑制方法。
背景技术
目前新能源、飞机及电动汽车等分布式发电系统中，通常兼容传统低压直流电源系统规格，如沿用28V、42V等直流电源。为获得负载所需115V或220V交流电，通常需要采用两级式架构——前级直直变换器完成逆变器输入输出电压匹配及电气隔离，后级逆变器完成直流到交流转换并给终端负载供电。
在两级式单相逆变器中，由于后级逆变器的瞬时输出功率包含二倍输出电压频率的脉动功率，致使前级直直变换器输入电流中存在二倍输出电压频率的脉动。该二次谐波电流不仅会增加开关管的电流应力，还会增加开关管的导通损耗以及磁性元件的损耗，且会对开关管的软开关造成影响，从而不利于提高变换器的效率。另一方面输入电流中的二倍频低频脉动会对输入源造成干扰，影响输入源的性能，对燃料电池等新能源的寿命也有重大影响，因此对这类变换装置的输入低频脉动电流大小有标准规定必须控制在较小值。
增大直流母线电容是抑制该脉动电流最简单的方法，但这会增大系统的体积，不利于变换器功率密度的提高。于直流母线上并接双向变换器的方法可以达到不用增大母线电容来抑制脉动电流的效果，但这增加了系统的复杂程度，不利于可靠性的提高。对于双环控制的直直变换器，于电压环输出增加带阻滤波器、于电流采样环节增加带通滤波器、虚拟阻抗等方法，虽然可以有效地抑制输入电感电流二次谐波脉动，但这会间接增大其它次谐波的大小，抑制效果受限。因此需要一种不仅能有效抑制电感电流二次谐波脉动，同时能抑制输入二次谐波脉动，且不影响直直变换器动态性能及可靠性的方法，优化变换器的工作性能。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在针对两级式单相逆变器中的前级Buck类直直变换器，提出一种基于脉动功率反馈的二次谐波电流抑制方法。
本发明提供了一种基于脉动功率反馈的二次谐波电流抑制系统，包括主电路模块和抑制电路模块；
所述主电路模块包括输入电源、前级直直变换器和单相逆变器及负载；所述单相逆变器及负载包括单相逆变器和负载；所述输入电源接至所述前级直直变换器的输入端，所述前级直直变换器的输出端接至所述单相逆变器的输入端，所述单相逆变器的输出端与所述负载连接；
所述抑制电路模块包括乘法器、带通滤波器、电压调节器、电流调节器、PWM调制器和驱动电路；
所述前级直直变换器的电感电流采样信号和输出电压采样信号分别接至所述乘法器的两个输入端，所述乘法器的输出端接至带通滤波器的输入端，所述带通滤波器的输出与电感电流采样信号一起接电流调节器的反相输入端；所述前级直直变换器的输出电压采样信号接入电压调节器的反相端，所述电压基准信号接入电压调节器的同相端；电压调节器的输出端接电流调节器的同相输入端，电流调节器的输出接PWM调制器的同相端，PWM调制器的输出端接驱动电路，驱动电路的输出驱动所述前级直直变换器工作。
进一步的，所述带通滤波器的表达式为：
Figure BDA0003156053760000011
其中，A0为通带增益，Q为品质因数，ω0为二次谐波的角频率。
本发明还提供了一种基于脉动功率反馈的二次谐波电流抑制方法，基于上述的二次谐波电流抑制系统实现，包括以下步骤：
S1.采样获得前级直直变换器的输出电压采样信号vCf_f以及滤波电感电流采样信号iLf_f；
S2.将所述输出电压采样信号vCf_f和所述滤波电感电流采样信号iLf_f输入乘法器，然后将所述乘法器的输出送入带通滤波器，所述带通滤波器输出脉动功率反馈补偿信号vi；
S3.将所述电压基准信号Vref送入电压调节器的正相输入端，所述输出电压采样信号vCf_f送入电压调节器的负相输入端，所述电压调节器输出电压调节器输出电压误差放大信号vc；
S4.将所述脉动功率反馈补偿信号vi与所述滤波电感电流采样信号iLf_f分别送入电流调节器的两个反相输入端；将所述电压调节器输出电压误差放大信号vc送入电流调节器的正向输入端，所述电流调节器产生输出调制信号vr；
S5.将所述输出调制信号vr送入PWM调制电路后产生高频PWM脉冲信号，所述高频PWM脉冲信号经过驱动电路后，得到所述前级直直变换器的开关管的驱动信号，继而控制前级直直变换器主功率管Q1～Qn的工作。
与现有技术相比，本发明提供的基于脉动功率反馈的二次谐波电流抑制方法具有以下优点：
(1)利用电感电流与输出电压的乘积计算出反向传递的二次谐波功率大小，通过对反向传递二次谐波功率的抑制进而达到对输入二次谐波电流抑制的效果；
(2)在传统的控制策略中加入乘法器与带通滤波器，电路结构简单，易于实现，且不会影响两级式直交逆变器其他功能特性；
(3)与传统的在主电路回路中增加滤波器的方法相比，本方法是通过对前级直直变换器控制电路的改进即可实现对两级直交逆变器输入电流低频脉动的抑制，从而可以有效减轻变换器重量和体积以及控制变换器成本；
(4)与传统的电感电流二次谐波的方法相比，本方法可以更加有效地抑制直直变换器输入端的二次谐波电流。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于脉动功率反馈的二次谐波电流抑制系统结构示意图；
图1中的标号名称：1——输入电源；2——前级直直变换器；3——单相逆变器及负载；4——乘法器；5——带通滤波器；6——电压调节器；7——电流调节器；8——PWM调制器；9——驱动电路；
图1中的主要符号名称：Vin——输入直流电源，Lf——前级直直变换器输出滤波电感，Cf——前级直直变换器输出滤波电容，vCf——前级直直变换器输出电压，vCf_f——前级直直变换器输出电压采样，iLf——前级直直变换器输出滤波电感电流，iLf_f——滤波电感电流采样信号，Vref——电压基准信号，vc——电压调节器输出电压误差放大信号，vi——脉动功率反馈补偿信号，vr——输出调制信号；
图2是本发明实施例两级式单相逆变器前级直直变换器输出滤波电感电流波形图；其中，图2中的上图为加抑制电路前两级式单相逆变器前级直直变换器输出滤波电感电流波形图；图2中的下图为加抑制电路后两级式单相逆变器前级直直变换器输出滤波电感电流波形图；
图3是本发明实施例两级式单相逆变器前级直直变换器；其中，图3中上图为加抑制电路前两级式单相逆变器前级直直变换器输入电流波形图；图3中下图为加抑制电路后两级式单相逆变器前级直直变换器输入电流波形图。
具体实施方式
为使本发明的目的，技术方案及效果更加清楚、明确，以及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供的一种基于脉动功率反馈的二次谐波电流抑制系统如图1所示，其包括输入电源1、前级直直变换器2、单相逆变器及负载3、乘法器4、带通滤波器5、电压调节器6、电流调节器7、PWM调制器8、驱动电路9。其中，主电路部分：输入电源1接至直直变换器2的输入端，直直变换器2的输出端接至单相逆变器的输入端，单相逆变器的输出接负载；前级直直变换器2的抑制电路部分：前级直直变换器2的电感电流采样信号与输出电压采样信号分别接至乘法器4的两个输入端，乘法器的输出端接至带通滤波器5的输入端，带通滤波器的输出与电感电流采样信号一起接电流调节器7的反相输入端，前级直直变换器2的输出电压采样信号，以及电压基准信号分别接入电压调节器6的反相端与同相端，电压调节器6的输出端接电流调节器的同相输入端，电流调节器的输出接PWM调制器8的同相端，PWM调制器8的输出接驱动电路9，驱动电路9的输出驱动前级直直变换器2工作。
下面以图1为主，阐述本发明的具体工作原理。采用电压检测电路检测前级直直变换器2的输出电压采样信号vCf_f，一方面将其与电压基准信号Vref比较后，产生误差信号送入电压调节器6，另一方面将其送入乘法器4的一个输入端；采用电流采样电路检测前级直直变换器2的滤波电感电流采样信号iLf_f，一方面将其送入电流调节器7的一个反相输入端，另一方面将其送入乘法器4的另一个输入端；将乘法器4的输出信号送入带通滤波器5的输入端，产生的脉动功率反馈补偿信号vi送入电流调节器7的另一个反相输入端；电压调节器6的输出送入电流调节器7的同相端；电流调节器7的输出，即是PWM调制信号；PWM调制信号经过调制电路8、驱动电路9最终得到前级直直变换器(2)的开关管的驱动信号vr，以控制前级直直变换器2的工作。本发明中，带通滤波器5的表达式为：
Figure BDA0003156053760000031
其中，A0、Q、ω0分别为通带增益、品质因数、中心角频率，A0、Q根据具体要求设定，ω0设定为所述二次谐波的角频率。
本发明在两级式单相逆变器中增加二次谐波电流抑制电路前后的主要波形示意图如图2、图3所示。图2是本发明实施例两级式单相逆变器前级直直变换器输出滤波电感电流波形图；其中，图2中的上图为加抑制电路前两级式单相逆变器前级直直变换器输出滤波电感电流波形图；图2中的下图为加抑制电路后两级式单相逆变器前级直直变换器输出滤波电感电流波形图；图3是本发明实施例两级式单相逆变器前级直直变换器；其中，图3中上图为加抑制电路前两级式单相逆变器前级直直变换器输入电流波形图；图3中下图为加抑制电路后两级式单相逆变器前级直直变换器输入电流波形图。根据图2和图3可知，本发明提供的方法可以有效地抑制直直变换器输入端的二次谐波电流。
在两级式单相逆变器中，由于后级的单相逆变器的瞬时输出功率包含二倍输出电压频率的脉动功率，致使前级直直变换器输入电流中存在二倍输出电压频率的脉动。本申请通过引入乘法器与带通滤波器的作用是：计算出传入到前级直直变换器2输入端的二次脉动功率的大小，通过对输入端的二次脉动功率的反馈从而达到抑制输入二次谐波电流的作用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于脉动功率反馈的二次谐波电流抑制系统，其特征在于，包括主电路模块和抑制电路模块；
所述主电路模块包括输入电源(1)、前级直直变换器(2)和单相逆变器及负载(3)；所述单相逆变器及负载(3)包括单相逆变器和负载；所述输入电源(1)接至所述前级直直变换器(2)的输入端，所述前级直直变换器(2)的输出端接至所述单相逆变器的输入端，所述单相逆变器的输出端与所述负载连接；
所述抑制电路模块包括乘法器(4)、带通滤波器(5)、电压调节器(6)、电流调节器(7)、PWM调制器(8)和驱动电路(9)；
所述前级直直变换器(2)的电感电流采样信号和输出电压采样信号分别接至所述乘法器(4)的两个输入端，所述乘法器(4)的输出端接至带通滤波器(5)的输入端，所述带通滤波器(5)的输出与电感电流采样信号一起接电流调节器(7)的反相输入端；所述前级直直变换器(2)的输出电压采样信号接入电压调节器(6)的反相端，所述电压基准信号接入电压调节器(6)的同相端；电压调节器(6)的输出端接电流调节器(7)的同相输入端，电流调节器(7)的输出接PWM调制器(8)的同相端，PWM调制器(8)的输出端接驱动电路(9)，驱动电路(9)的输出驱动所述前级直直变换器(2)工作；
所述带通滤波器(5)的表达式为：
Figure FDA0003156053750000011
其中，A0为通带增益，Q为品质因数，ω0为二次谐波的角频率。
2.一种基于脉动功率反馈的二次谐波电流抑制方法，基于权利要求1所述的二次谐波电流抑制系统实现，其特征在于，包括以下步骤：
S1.采样获得前级直直变换器(2)的输出电压采样信号vCf_f以及滤波电感电流采样信号iLf_f；
S2.将所述输出电压采样信号vCf_f和所述滤波电感电流采样信号iLf_f输入乘法器(4)，然后将所述乘法器(4)的输出送入带通滤波器(5)，所述带通滤波器(5)输出脉动功率反馈补偿信号vi；
S3.将所述电压基准信号Vref送入电压调节器(6)的正相输入端，所述输出电压采样信号vCf_f送入电压调节器(6)的负相输入端，所述电压调节器(6)输出电压调节器输出电压误差放大信号vc；
S4.将所述脉动功率反馈补偿信号vi与所述滤波电感电流采样信号iLf_f分别送入电流调节器(7)的两个反相输入端；将所述电压调节器输出电压误差放大信号vc送入电流调节器(7)的同向输入端，所述电流调节器(7)输出PWM调制信号vr；
S5.将所述PWM调制信号vr送入PWM调制电路(8)后产生高频PWM脉冲信号，所述高频PWM脉冲信号经过驱动电路(9)后，得到所述前级直直变换器(2)的开关管的驱动信号。
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