CN113922643B - 一种两级式单相逆变器输入偶数次谐波抑制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电能变换装置中的控制技术领域，涉及的是一种两级式单相逆变器输入偶数次谐波抑制系统及方法。该方法将前级直直变换器的电感电流采样信号与调制信号通过乘法器相乘，乘法器的输出作为偶次谐波调节器的反相输入，偶次谐波调节器与电流调节器的输出分别作为加法器的两个正相输入，电压调节器与偶次谐波调节器的基准由外部给定，电压调节器的输出信号为电流调节器的基准。加法器产生调制信号，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偶数次谐波，以及控制电路结构简单、实现方便等优点。
Description
技术领域
本发明属于电能变换装置中的控制技术领域，涉及的是一种两级式单相逆变器输入偶数次谐波抑制系统及方法。
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偶数次谐波的大小，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，同时能抑制输入其它偶数次谐波电流，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
本发明目的在于针对两级式单相逆变器中的前级Buck类直直变换器，提出一种两级式单相逆变器输入偶数次谐波抑制方法，该方法不仅可以有效地抑制直直变换器输入端的二次谐波电流，还能抑制其它偶数次谐波电流，进而达到对输入谐波电流更好的抑制效果。
本发明采用如下技术方案：
一种两级式单相逆变器输入偶数次谐波抑制系统，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直流电源、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；所述输入直流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、偶次谐波调节器、电压调节器、电流调节器、加法器、PWM调制器、驱动电路；
所述前级直直变换器的电感电流采样信号分别接至乘法器的一个输入端与电流调节器的反相输入端，偶次谐波基准信号与乘法器的输出端分别接至偶次谐波调节器的同相输入端与反相输入端，偶次谐波调节器的输出接至加法器的一个同相输入端；前级直直变换器的输出电压采样信号与电压基准信号分别接入电压调节器的反相输入端与同相输入端，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加法器的另一个同相输入端，加法器的输出分别连接PWM调制器与乘法器的另一输入端，PWM调制器的输出接驱动电路，驱动电路的输出驱动前级直直变换器工作；
其中，偶次谐波调节器的传递函数为：
其中，A用于调节输出增益；m用于防止控制器输出不稳定，0<m<1，s为复频率，T为单相逆变器输出电压基波周期。
本申请还提供了一种两级式单相逆变器输入偶数次谐波抑制方法，该抑制方法基于上述的两级式单相逆变器输入偶数次谐波抑制系统实现，包括以下步骤：
步骤1：获取输出电压采样信号vCf_f，将所述输出电压采样信号vCf_f与电压基准信号vref作差后产生的误差信号经电压调节器(6)放大后得到输出电压误差放大信号vc；
步骤2：获取电感电流采样信号iLf_f，将所述输出电压误差放大信号vc与所述电感电流采样信号iLf_f经电流调节器(7)处理后获得电流误差信号vi；
步骤3：将所述电流误差信号vi经过加法器(8)处理后产生调制信号vr；所述经过加法器(8)处理具体为：将所述电流误差信号vi与谐波补偿信号vh求和；
所述谐波补偿信号vh为所述电感电流采样信号iLf_f与所述调制信号vr经过乘法器(4)处理后，再与偶次谐波基准信号作差后产生的误差信号经过偶次谐波调节器(5)处理得到，所述谐波补偿信号vh的初始值为0；
步骤4：检测加法器(8)输出的调制信号vr；将调制信号vr送入PWM调制器(9)的同相输入端，调制信号vr与载波比较产生高频PWM脉冲信号，所述高频PWM脉冲信号经过驱动电路(10)得到开关管的驱动信号，所述开关管的驱动信号控制前级直直变换器(2)主功率管Q1～Qn的工作。
进一步的，上述两级式单相逆变器输入偶数次谐波抑制方法中，所述获取输出电压采样信号vCf_f，具体为：对前级直直变换器(2)的输出端滤波电容Cf上的电压vCf进行采样得到。
进一步的，上述两级式单相逆变器输入偶数次谐波抑制方法中，所述获取电感电流采样信号iLf_f，具体为：对前级直直变换器(2)的滤波电感Lf上的电流iLf进行采样得到。
进一步的，上述两级式单相逆变器输入偶数次谐波抑制方法中，所述偶次谐波基准信号设置为0。
与现有技术相比，本发明的两级式单相逆变器输入偶数次谐波电流抑制方法具有以下优点：
(1)利用电感电流与调制信号的乘积构造出输入谐波电流，在此基础上通过重复控制器反馈控制达到抑制输入中偶数次谐波电流的效果；
(2)在传统的控制策略中加入乘法器、重复控制器、加法器，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偶数次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，本方法不仅可以有效地抑制直直变换器输入端的二次谐波电流，还能抑制其它偶数次谐波电流，进而达到对输入谐波电流更好的抑制效果。
附图说明
图1是本发明实施例提供的两级式单相逆变器输入偶数次谐波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——偶次谐波调节器；6——电压调节器；7——电流调节器；8——加法器；9——PWM调制器；10——驱动电路；
图1中的主要符号的含义：Vin——输入直流电源，Lf——前级直直变换器的输出滤波电感，Cf——前级直直变换器的输出端滤波电容，vCf——前级直直变换器的输出端滤波电容上的电压(前级直直变换器输出电压)，vCf_f——前级直直变换器的输出电压采样信号，iLf——前级直直变换器输出滤波电感电流，iLf_f——前级直直变换器输出滤波电感电流采样信号，vref——电压基准信号，vc——电压调节器的输出电压误差放大信号，vi——电流调节器输出的电流误差信号，vr——调制信号；
图2是本发明在两级式单相逆变器中对偶数次谐波电流抑制的主要波形示意图。其中：图2(a)是加抑制电路前后，两级式单相逆变器前级直直变换器输入电流波形图；图2(b)是加抑制电路前后，两级式单相逆变器的输出电压波形图。
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。
本发明实施例提供了一种两级式单相逆变器输入偶数次谐波抑制系统，结构示意图如图1所示，包括主电路模块和抑制电路模块；主电路模块包括输入直流电源1、前级直直变换器2和单相逆变器及负载3；单相逆变器及负载3包括单相逆变器和负载；输入直流电源1接至所述前级直直变换器2的输入端，前级直直变换器2的输出端接至单相逆变器的输入端，单相逆变器的输出端与负载连接；
抑制电路模块包括乘法器4、偶次谐波调节器5、电压调节器6、电流调节器7、加法器8、PWM调制器9、驱动电路10；前级直直变换器2的电感电流采样信号分别接至乘法器4的一个输入端与电流调节器7的反相输入端，偶次谐波基准信号与乘法器4的输出端分别接至偶次谐波调节器5的同相输入端与反相输入端，偶次谐波调节器5的输出接至加法器8的一个同相输入端；前级直直变换器2的输出电压采样信号与电压基准信号分别接入电压调节器6的反相输入端与同相输入端，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的输出接加法器8的另一个同相输入端，加法器8的输出分别连接PWM调制器9与乘法器4的另一输入端，PWM调制器9的输出接驱动电路10，驱动电路10的输出驱动前级直直变换器2工作。
基于上述如图1所示的两级式单相逆变器输入偶数次谐波抑制系统，本发明实施例提供了一种两级式单相逆变器输入偶数次谐波抑制方法，包括以下步骤：
步骤11：对前级直直变换器2的输出端滤波电容Cf上的电压vCf进行采样得到输出电压采样信号vCf_f，将输出电压采样信号vCf_f与电压基准信号vref作差后产生的误差信号送入电压调节器6，得到电压调节器6的输出电压误差放大信号vc，将输出电压误差放大信号vc作为电流调节器7的同相输入；
步骤12：对前级直直变换器2的滤波电感Lf上的电流iLf进行采样得到电感电流采样信号iLf_f；
步骤13：将电感电流采样信号iLf_f分别送入电流调节器7的反相输入端与乘法器4的一个输入端；
步骤14：检测加法器8输出的调制信号vr，将其送入乘法器4的另一输入端；将乘法器4的输出与偶次谐波基准信号作差后产生的误差信号通过偶次谐波调节器5，产生谐波补偿信号vh；偶次谐波基准信号设为0，谐波补偿信号vh的初始值为0；
其中，偶次谐波调节器5的传递函数为：
其中，A用于调节输出增益，A的取值根据谐波抑制要求以及系统的稳定性折中考虑；m用于防止控制器输出不稳定，0<m<1，s为复频率，T为逆变器输出电压基波周期。
步骤15：将电流调节器7输出的电流误差信号vi送入加法器8的同相输入端，与谐波补偿信号vh求和后产生调制信号vr；
步骤16：将调制信号vr送入PWM调制器9的同相输入端，调制信号vr与载波比较产生高频PWM脉冲信号，所述高频PWM脉冲信号经过驱动电路10得到开关管的驱动信号，所述开关管的驱动信号控制前级直直变换器2主功率管Q1～Qn的工作。
上述两级式单相逆变器输入偶数次谐波抑制方法对应的电路关键波形见图2，根据图2可知，本发明实施例提供的抑制方法不仅可以有效地抑制直直变换器输入端的二次谐波电流，还能抑制其它偶数次谐波电流，进而达到对输入谐波电流更好的抑制效果。
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。
引入乘法器的作用是：计算出输入侧谐波电流的大小，通过对输入谐波电流的反馈从而达到抑制输入谐波电流的作用。
引入偶次谐波调节器的作用是：利用所述偶次谐波调节器偶数次谐波频率处增益大的特点，达到对偶数次谐波电流的抑制效果。
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 (5)
1.一种两级式单相逆变器输入偶数次谐波抑制系统，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直流电源（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；所述输入直流电源（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）、偶次谐波调节器（5）、电压调节器（6）、电流调节器（7）、加法器（8）、PWM调制器（9）、驱动电路（10）；
所述前级直直变换器（2）的电感电流采样信号分别接至乘法器（4）的一个输入端与电流调节器（7）的反相输入端，偶次谐波基准信号与乘法器（4）的输出端分别接至偶次谐波调节器（5）的同相输入端与反相输入端，偶次谐波调节器（5）的输出接至加法器（8）的一个同相输入端；前级直直变换器（2）的输出电压采样信号与电压基准信号分别接入电压调节器（6）的反相输入端与同相输入端，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）的输出接加法器（8）的另一个同相输入端，加法器（8）的输出分别连接PWM调制器（9）的同相输入端与乘法器（4）的另一输入端，PWM调制器（9）的反相输入端连接载波，PWM调制器（9）的输出接驱动电路（10），驱动电路（10）的输出驱动前级直直变换器（2）工作；
其中，偶次谐波调节器（5）的传递函数为：
其中，A用于调节输出增益；m用于防止偶次谐波调节器的输出不稳定，0<m<1，s为复频率，T为单相逆变器输出电压基波周期。
2.一种两级式单相逆变器输入偶数次谐波抑制方法，所述抑制方法基于权利要求1所述的两级式单相逆变器输入偶数次谐波抑制系统实现，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：获取输出电压采样信号v Cf_f ，将所述输出电压采样信号v Cf_f 与电压基准信号v ref 作差后产生的误差信号经电压调节器（6）放大后得到输出电压误差放大信号v c ；
步骤2：获取电感电流采样信号i Lf_f ，将所述输出电压误差放大信号v c 与所述电感电流采样信号i Lf_f 经电流调节器（7）处理后获得电流误差信号v i ；
步骤3：将所述电流误差信号v i 经过加法器（8）处理后产生调制信号v r ；所述经过加法器（8）处理具体为：将所述电流误差信号v i 与谐波补偿信号v h 求和；
所述谐波补偿信号v h 为所述电感电流采样信号i Lf_f 与所述调制信号v r 经过乘法器（4）处理后，再与偶次谐波基准信号作差后产生的误差信号经过偶次谐波调节器（5）处理得到，所述谐波补偿信号v h 的初始值为0；
步骤4：检测加法器（8）输出的调制信号v r ；将调制信号v r 送入PWM调制器（9）的同相输入端，调制信号v r 与载波比较产生高频PWM脉冲信号，所述高频PWM脉冲信号经过驱动电路（10）得到开关管的驱动信号，所述开关管的驱动信号控制前级直直变换器（2）主功率管Q 1~Q n的工作。
3.根据权利要求2所述的两级式单相逆变器输入偶数次谐波抑制方法，其特征在于，所述获取输出电压采样信号v Cf_f ，具体为：对前级直直变换器（2）的输出端滤波电容C f 上的电压v Cf 进行采样得到。
4.根据权利要求2所述的两级式单相逆变器输入偶数次谐波抑制方法，其特征在于，所述获取电感电流采样信号i Lf_f ，具体为：对前级直直变换器（2）的滤波电感L f 上的电流i Lf 进行采样得到。
5.根据权利要求2所述的两级式单相逆变器输入偶数次谐波抑制方法，其特征在于，所述偶次谐波基准信号设置为0。
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