CN1941592A - 一种逆变器谐振峰抑制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种逆变器谐振峰抑制方法，该方法为：逆变器控制器根据采样的逆变器滤波器输出信号产生第一控制信号；将所述第一控制信号作为陷波器传递函数的输入量产生第二控制信号，其中该陷波器的陷波频率在以所述逆变器滤波器的谐振峰频率为中心值所确定的阈值范围内；脉宽调制器根据所述第二控制信号产生脉冲信号，并利用该脉冲信号驱动所述逆变器的功率管。本发明还同时公开了一种逆变器控制装置。

Description

一种逆变器谐振峰抑制方法及装置

技术领域

本发明涉及电源技术，尤其涉及交流和直流变换技术中逆变器谐振峰抵制方法及装置。

背景技术

逆变器是变频器、不间断电源系统(UPS)、电子镇流器等产品的重要组成部分，它的性能好坏直接决定了产品的性能。逆变器一般由直流电容、开关管，以及LC输出滤波器组成，如图1所示。

综合考虑包括输出电容的无功电流分量、成本等因素，一般滤波器的谐振频率为输出电压基波频率的10倍左右，如对于220V/50Hz的基波输出电压，可以取L＝250uH，C＝150uF，电感中的电阻约为R＝0.03欧姆。图2为该滤波器的幅频特性图，在LC的谐振频率 $f_r=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{LC}}}=822\mathrm{Hz}$ 处有个很大的谐振峰。该谐振峰对逆变器的控制提出了很大的挑战，特别是在逆变器空载时，更容易出现系统的不稳定，为此需要设置谐振峰抑制环节来抑制逆变器的谐振峰，如图3所示。

常见的谐振峰抑制环节一般用比例积分(PI)来实现，PI控制器本身相当于二阶低通滤波器，为了抑制住控制对象中高的谐振峰，通过调节控制参数，使调节器的幅频特性在对象谐振频率处有足够的衰减。由于二阶低通滤波器的幅频特性的下降斜率为-40dB/10倍频，要在逆变器谐振频率处产生如此高的负增益，必须将二阶滤波器本身的截至频率设置得比较低，这样二阶滤波器在抵消逆变器谐振峰的同时，也会显著地降低逆变器截止频率以下很宽一段频率范围内的增益，从而大大增加相应频率段内的稳态误差。另外，过低的控制器截止频率导致系统的截止频率很低，也会严重影响系统的动态响应性能。

以图2的逆变器参数为例，谐振峰抑制环节幅频特性图如图4所示，图3中A、C两点间的逆变器等效控制对象的幅频特性图如图5所示，与加入谐振峰抑制环节前的幅频特性图2相比：谐振峰抑制环节抵消掉了822Hz处的逆变器谐振峰的同时，使逆变器的截止频率降低到17.5Hz，但17.5Hz-822Hz内的增益也被显著降低，这样很难设计该等效控制对象的控制器以达到良好的动态和稳态性能指标。

发明内容

本发明提供一种逆变器谐振峰抵制方法及装置，以解决现有技术抑制逆变器谐振峰存在增加稳态误差和影响系统的动态响应性能的问题。

本发明提供以下技术方案：

一种逆变器谐振峰抑制方法，包括如下步骤：

由逆变器控制器根据采样的逆变器滤波器输出信号产生第一控制信号；

将所述第一控制信号作为陷波器传递函数的输入量产生第二控制信号，其中该陷波器的陷波频率在以所述逆变器滤波器的谐振峰频率为中心值所确定的阈值范围内；

脉宽调制器根据所述第二控制信号产生脉冲信号，并利用该脉冲信号驱动所述逆变器的功率管。

其中：

所述谐振峰频率从由逆变器滤波器的电感和电容参数所确定的波特图中获得。

将当前工频周期内得到的第一控制信号和上一工频周期得到的第一控制信号通过传递函数后组合成加强的第二控制信号。

所述陷波器为零相移陷波器。

一种逆变器控制装置，包括：

逆变器控制器，用于根据逆变器中的滤波器输出信号产生第一控制信号；

陷波器，与所述逆变器控制器连接，用于将所述逆变器控制器输出的第一控制信号作为传递函数的输入量产生第二控制信号；

脉宽调制器，与所述陷波器连接，用于根据所述第二控制信号产生脉冲信号，该脉冲信号用于控制所述逆变器的功率管。

本发明利用陷波器，尤其是零相移陷波器对逆变器控制对象进行有效的谐振峰抵消，不仅使谐振峰得到有效抑制，而且高频段的衰减性能也可得明显加强，大大改善了逆变器控制对象的特性，使传统的逆变器控制器容易设计并达到良好的动态和稳态性能。

附图说明

图1为现有逆变器的电路原理示意图；

图2为逆变器的滤波器的幅频特性图；

图3为在逆变器的控制装置中增加谐振峰抑制环节的示意图；

图4为现有技术中谐振峰抑制环节幅频特性示意图；

图5为逆变器等效控制对象的幅频特性示意图；

图6为本发明中陷波器的幅频特性示意图；

图7为本发明中逆变器及其控制装置的电路原理示意图；

图8为本发明中加入了陷波器后的逆变器滤波器的幅频特性示意图。

具体实施方式

基于经典控制理论中的系统开环频率特性的分频段思路，对于不同的频率段，采取不同的实现方式。在低频段，主要应该采用高增益原则；在中频段，主要应该考虑稳定性；在高频段，则应该考虑系统的抗干扰性能。

本实施例中利用零相移陷波器对逆变器控制对象进行有效的谐振峰抵消，使传统的逆变器控制器容易实现并达到良好的动态和稳态性能。

零相移陷波器的传函为：

$S\left(z\right)=\frac{a_m{z}^m+a_{m-1}{z}^{m-1}+...+a_0+...+a_{m-1}{z}^{-(m-1)}+a_m{z}^{-m}}{{2a}_m+{2a}_{m-1}+...+a_0}---\left(1\right)$

式中z＝re^jω为z变换的复变量(在极坐标中，r为矢径，ω为复角)。通过参数m的合理配置，可以衍生出很多性能优越的陷波器，如 $S\left(z\right)=\frac{z^3+2+z^{-3}}{4}$ (m＝3，a₀＝2，a₃＝1)，该陷波器的陷波频率约为1kHz，在采样频率为6kHz时，它们的幅频特性图如图6所示，从图中可知这类陷波器的零相移特性。因为陷波器 $S\left(z\right)=\frac{z^3+2+z^{-3}}{4}$ 的陷波频率很接近图2所示逆变器滤波器的谐振频率，所以它很适合用来抵消该逆变器的谐振峰值，且对其它频率段的增益影响很小，不会明显影响其它频率段的性能指标。

参阅图7所示，逆变器控制装置包括逆变器控制器、陷波器和脉宽调制器(PWM)。逆变器控制器通过采样的逆变器滤波器输出信号产生控制信号U(该信号的产生与现有技术中的方式相同)；该控制信号U作为陷波器传递函数的输入量产生新的控制信号u′＝S(z)*u，脉宽调制器根据该控制信号U’调制出占空比为D的脉冲，通过该脉冲信号驱动逆变器的功率管。

零相移陷波器的m参数需要根据逆变器滤波器的谐振峰频率确定，选择的m参数应该使陷波器的陷波频率在逆变器滤波器的谐振峰频率附近。逆变器滤波器的谐振峰频率可从根据逆变器的电感(L)和电容(C)的参数产生的LC滤波器的波特图(波特图可以用MATLAB工具的Bode函数自动生成，包括幅频特性曲线和相频特性曲线)中获得，如图2所示，从波特图中可得到逆变器滤波器的谐振峰频率为822Hz。在对得到逆变器滤波器的谐振峰频率后，以这个谐振峰频率为中心值确定阈值范围，如：中心值±200Hz，在该范围内选择陷波器的陷波频率。选择的m参数使陷波器的陷波频率越接近逆变器滤波器的谐振峰频率，其控制电流峰值的效果就越好，否则，其效果就会相对差。

在选择陷波器的参数后，求出加入陷波器后的等效逆变器控制对象，即图3中从A点到C点的传递函数，产生加入陷波器后的频幅特性关系，然后判断陷波器对逆变器滤波器谐振峰的抑制效果，如果达到可以能接受的抑制效果，则确定了所选择的陷波器，否则重新选择参数以形成新的陷波器。

由于陷波器S(z)传递函数中涉及超前环节，在控制软件中实现所选择的陷波器S(z)时为了将控制量U“超前实施”，进行了控制量具有重复性的假设，将无法“超前实施”的控制量延迟至下一工频周期适当时刻而获得超前性，即将当前工频周期内得到的第一控制信号和上一工频周期得到的第一控制信号通过传递函后组合成加强的第二控制信号。

例如，将控制量延迟(N-2)拍，相当于将控制量在下一个工频周期提前2拍实施。超前环节z^k的实现与之类似，它的物理意义是：将控制量在下一个周期提前k拍实施。其中N是在一个输出电压周期内采样和控制的次数，如采样和控制频率为6kHz，输出的基波电压为50Hz，则 $N=\frac{6000}{50}=120.$ 在实际的实现中，只要保存上一个周期各点的控制量，那么本周期里各点的实施量都可以容易得到计算。

以选择的陷波器传递函数 $S\left(z\right)=\frac{z^3+2+z^{-3}}{4}$ 为例，该陷波器的谐波频率为1kHz，其波特图如图6所示，加入该零相移陷波器后，对逆变器滤波器的幅频特性如图8所示。从图中可以看到，原来的谐振峰得到有效抑制，高频段的衰减性能也得到了明显加强，大大改善了逆变器控制对象的特性，用普通的逆变器控制器就可以达到低频的高增益中频的高带宽，它们分别对应系统的稳态误差和动态响应性能。

在本发明中，零相移陷波器的传递函数并不限于 $S\left(z\right)=\frac{z^3+2+z^{-3}}{4},$ 例如还可以为 $S\left(z\right)=\frac{z^4+2+z^{-4}}{4}.$

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1、一种逆变器谐振峰抑制方法，其特征在于，包括如下步骤：

由逆变器控制器根据采样的逆变器滤波器输出信号产生第一控制信号；

将所述第一控制信号作为陷波器传递函数的输入量产生第二控制信号，其中该陷波器的陷波频率在以所述逆变器滤波器的谐振峰频率为中心值所确定的阈值范围内；

脉宽调制器根据所述第二控制信号产生脉冲信号，并利用该脉冲信号驱动所述逆变器的功率管。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述谐振峰频率从由逆变器滤波器的电感和电容参数所确定的波特图中获得。

3、如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将当前工频周期内得到的第一控制信号和上一工频周期得到的第一控制信号通过传递函数后组合成加强的第二控制信号。

4、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述陷波器为零相移陷波器。

5、一种逆变器控制装置，其特征在于，包括：

逆变器控制器，用于根据逆变器中的滤波器输出信号产生第一控制信号；

陷波器，与所述逆变器控制器连接，用于将所述逆变器控制器输出的第一控制信号作为陷波器传递函数的输入量产生第二控制信号；

脉宽调制器，与所述陷波器连接，用于根据所述第二控制信号产生脉冲信号，该脉冲信号用于控制所述逆变器的功率管。

6、如权利要求5所述的逆变器控制装置，其特征在于，所述陷波器为零相移陷波器。

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