CN201937458U - 具有谐波抑制装置的逆变器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了具有谐波抑制装置的逆变器，包括DC-AC逆变器模块、谐波抑制装置、脉宽调制模式发生器和第一运算器，谐波抑制装置接收输入电压并且输出修正参数，修正参数是输入电压的直流分量与输入电压之间的比值，谐波抑制装置将修正参数输出到第一运算器，第一运算器连接在脉宽调制模式发生器和向脉宽调制模式发生器提供控制信号的电源之间，使用修正参数对电源提供的控制信号进行修正，并向脉宽调制模式发生器提供修正后的控制信号，脉宽调制模式发生器根据修正后的控制信号生成驱动信号。本实用新型所公开的逆变器避免了使用大容量电容器所引起的体积大、成本高且寿命短的缺陷。

Description

具有谐波抑制装置的逆变器

技术领域

本实用新型涉及一种逆变器，更具体地说，涉及具有谐波抑制装置的逆变器。

背景技术

理想情况下，逆变器的输入电压仅包含直流分量，并且转换后的输出电流是没有畸变的正弦波。然而，在实际情况下，输入电压一般会受到电网的影响而包含交流分量，这样就会导致输出电流的畸变，由此对其所接入的电网造成污染。为了保证电流的质量，例如对于并网电压源逆变器(VSI)，一般可以考虑采用较大容量的电容器。但是，电容器的容量越大，其尺寸就越大，且成本越高，充电时间也会越长。而容量较小的电容器尽管尺寸小、成本低，但是会导致更高的纹波电压。因此，需要提供一种能够在输入的直流电压有较严重畸变的情况下不需要配置容量较大的电容器仍能提供高质量的交流输出的逆变器。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对以上缺陷提供一种具有谐波抑制装置的逆变器。

为了实现上述目的，本实用新型提供一种电压源逆变器，其包括对输入电压进行变换的DC-AC(直流交流)逆变器模块、谐波抑制装置、脉宽调制(PWM)模式发生器和第一运算器，谐波抑制装置接收输入电压并且输出修正参数，该修正参数是输入电压的直流分量与输入电压之间的比值，谐波抑制装置将该修正参数输出到第一运算器，第一运算器连接在脉宽调制模式发生器和向脉宽调制模式发生器提供控制信号的电源之间，来使用所述修正参数对该电源提供的控制信号进行修正，并向脉宽调制模式发生器提供修正后的控制信号，脉宽调 制模式发生器根据修正后的控制信号生成驱动DC-AC逆变器模块的驱动信号。

根据本实用新型的上述逆变器，其特征在于谐波抑制装置包括降压单元、带通滤波器、低通滤波器和第二运算器，降压单元接收逆变器的输入电压，将降压后的电压分别输入到带通滤波器和低通滤波器，低通滤波器和带通滤波器分别输出降压后的电压的直流分量和交流分量，第二运算器接收降压后的电压的直流分量和交流分量，并向第一运算器输出降压后的电压的直流分量与降压后的电压之间的比值来作为修正参数，该比值等于输入电压的直流分量与输入电压之间的比值；第一运算器向脉宽调制模式发生器输出的修正后的控制信号等于输入电压的直流分量除以输入电压的值与控制信号之间的乘积。

根据本实用新型的上述逆变器，第二运算器包括除法器和加法器，除法器接收降压后的电压的直流分量和交流分量，向加法器输出减压后的电压的直流分量和交流分量的比值，加法器通过运算输出直流分量与输入电压之间的比值。

此外，本实用新型还提供一种电流源逆变器，其包括对输入电流进行变换的DC-AC逆变器模块、谐波抑制装置、脉宽调制模式发生器和第一运算器，谐波抑制装置接收输入电流，并且输出修正参数，该修正参数等于输入电流的直流分量与输入电流之间的比值，谐波抑制装置将该修正参数输出到第一运算器，第一运算器连接在脉宽调制模式发生器和向脉宽调制模式发生器提供控制信号的电源之间，来使用修正参数对该电源提供的控制信号进行修正，并向脉宽调制模式发生器提供修正后的控制信号，脉宽调制模式发生器根据修正后的控制信号生成驱动DC-AC逆变器模块的驱动信号。

根据本实用新型的上述电流源逆变器，其特征在于还包括电流检测单元，电流检测单元输出的检测的电流的直流分量和交流分量之比等于输入逆变器的输入电流的直流分量与交流分量之比，谐波抑制装置包括降压单元、带通滤波器、低通滤波器和第二运算器，降压单元接收电流检测单元的输出并向带通滤波器和低通滤波器输出降压后的电压，低通滤波器和带通滤波器分别输出降压后的电压的直流分量和交流分量，其中降压后的电压的直流分量和交流分量之比等于电流检 测单元输出的检测的电流的直流分量和交流分量之比，所述第二运算器接收降压后的电压的直流分量和交流分量，并向第一运算器输出降压后的电压的直流分量和降压后的电压之间的比值，该比值等于输入电流的直流分量与输入电流之间的比值，第一运算器向脉宽调制模式发生器输出的修正后的控制信号等于输入电流的直流分量除以输入电流的值与控制信号之间的乘积。

根据本实用新型的上述电流源逆变器，第二运算器包括除法器和加法器，除法器接收降压后的电压的直流分量和交流分量，，向加法器输出降压后的电压的直流分量和交流分量的比值，而加法器通过加法运算输出降压后的电压的直流分量与降压后的电压之间的比值。

本实用新型所公开的逆变器避免了使用大容量电容器所引起的体积大、成本高且寿命短的缺陷。本实用新型采用控制脉宽调制模式发生器的控制信号来调节逆变器的输出的方式成本较低、所需增加的电路体积较小，并且可以有效地根据逆变器的输入的变化来调节其输出，使得在逆变器直流输入出现较大畸变的情况下，也可以得到质量比较好的输出电流。

附图说明

本实用新型可以参照附图和说明书被更好地理解。

图1示出了根据本实用新型的一种实施方式的模块框图；

图2示出了根据本实用新型的一种实施方式的电路示意图；

图3示出了根据本实用新型的另一种实施方式的电路示意图；

图4示出了根据本实用新型的再一种实施方式的电路示意图实用新型。

具体实施方式

下文中结合示例性实施例来进一步描述本实用新型。

本实用新型的谐波抑制的方式考虑根据输入电压中的交流分量来调节脉宽调制模式发生器向逆变器的开关元件发出的驱动信号，由此来调节逆变器输出的电压，从而减少或消除逆变器输出电压中的谐波分量，进而消除输出电流的畸变。而调节脉宽调制模式发生器所发出 的驱动信号可以通过改变脉宽调制模式发生器的控制信号(也称为参考信号)或者载波信号来实现。本实用新型主要采用调节控制信号的方式来实现对输出电压的谐波分量的消除。

一般来说，对于电压源逆变器而言，输出电压波形与输入电压和控制信号V_control的关系可以如下列等式(1)所示。这里的控制信号指的是脉宽调制模式发生器中与载频信号进行比较的参考信号，其用M₁sinωt表示。对于不同类型的脉宽调制模式发生器，可以以不同的方式表达V_control。在这里采用M₁sinωt仅是一种示例。

V_out＝V_inV_control＝V_inM₁sinωt                                        (1)

从等式(1)可以看出，当V_in只包括直流分量时，V_out只包含基波分量。如果输入电压V_in中除了包括直流分量V_dclink，dc之外还包括交流分量V_dclink，ac，那么根据等式(1)的输出电压V_out还将会包括谐波分量。下列等式(2)中以输入信号V_in包含k次交流分量为例示出了输入与输出电压的关系，其中k为大于0的整数，ρ选自0°～360°。

V_out＝[V_dclink，dc+V_dclink，ac sin(kωt+ρ)]M₁sinωt                  (2)

为了消除输出电压V_out中的谐波分量，本实用新型考虑调节等式(1)中的控制信号V_control。通过计算，本实用新型的实用新型人得到满足以下等式(3)的新的控制信号，在该控制信号下，由输入电压的交流分量所导致的输出电压的谐波分量将会被抵消：

$V_{\mathrm{control}-\mathrm{new}}=V_{\mathrm{control}}\left[\frac{1}{1+\mathrm{\μ}\sin (\mathrm{k\ωt}+\mathrm{\ρ})}\right]=M_1\sin \mathrm{\ωt}\left[\frac{1}{1+\mathrm{\μ}\sin (\mathrm{k\ωt}+\mathrm{\ρ})}\right]---\left(3\right)$

其中 $\mathrm{\μ}=\frac{V_{\mathrm{dclink},\mathrm{ac}}}{V_{\mathrm{dclink},\mathrm{dc}}}$

等式(3)也可以变换为：

$V_{\mathrm{control}-\mathrm{new}}=M_1\sin \mathrm{\ωt}\left[\frac{V_{\mathrm{dclink},\mathrm{dc}}}{V_{\mathrm{dclink},\mathrm{dc}}+V_{\mathrm{dclink},\mathrm{ac}}\sin (\mathrm{k\ωt}+\mathrm{\ρ})}\right]=M_1\sin \mathrm{\ωt}\left[\frac{V_{\mathrm{dclink},\mathrm{dc}}}{V_{\mathrm{in}}}\right]---\left(4\right)$

从上述等式可以看出新的控制信号与输入电压V_in的直流和交流分量相关。

图1示出了根据本实用新型的一种实施方式的模块框图。电压源逆变器100的DC-AC逆变器模块110接收具有谐波分量的输入电压V_in并且其输出电压为V_out。如图1所示，为了实现对脉宽调制控制信号的改变，在输入电压V_in和脉宽调制模式发生器120之间加入了谐波抑制装置130。谐波抑制装置130输出修正参数P。第一运算器180根据修正参数P对输入脉宽调制模式发生器120的控制信号进行修正，将修正后的控制信号输入到脉宽调制模式发生器120。这样，谐波抑制装置130根据输入电压V_in来调节脉宽调制模式发生器120的控制信号，从而改变脉宽调制模式发生器120所发出的驱动信号，进而消除逆变器100的逆变器模块110输出的电压V_out中的谐波分量。

更具体的电路示例在图2中示出。如图2所示，逆变器200的谐波抑制装置230主要由降压单元240、带通滤波器250、低通滤波器260、第二运算器270构成。包含直流分量V_dclink，dc和交流分量V_dclink，ac的输入电压V_in输入到逆变器模块210，并同时输入到谐波抑制装置230。

尽管可以通过低通滤波器和带通滤波器直接得到输入电压V_in的直流分量V_dclink，dc和交流分量V_dclink，ac，由此来根据等式(4)搭建适合的电路计算对控制信号的修正参数，但是为了电路的搭建更简单且更稳定，在该实施例中，引入降压单元240来对输入到谐波抑制装置230的输入电压V_in进行降压，得到降压后的电压V_step-down。该降压后的电压随后输入到带通滤波器250和低通滤波器260。带通滤波器250和低通滤波器260分别输出交流分量V_{step-down，ac}和直流分量V_{step-down，dc}。降压后的电压的直流分量V_{step-down，dc}与交流分量V_{step-down，ac}之间的比值与输入电压V_in的直流分量V_dclink，dc与交流分量V_dclink，ac之间的比值是基本相等的。输出的直流和交流分量通过第二运算器270的计算得到直流分量V_{step-down，dc}与降压后的电压V_step-down之间的比值，该比值与输入电压V_in中的直流分量V_dclink，dc与输入电压V_in之间的比值基本相等，来作为控制信号M₁sinωt的修正参数。

通过第二运算器270所得到的谐波抑制装置的输出结果被输入到第一运算器280中，以对控制信号V_control进行修正。第一运算器280可以由乘法器、除法器等适合的运算模块构成，其可以根据谐波抑制装置230的第二运算器270对修正参数的计算方式来进行相应的选择。

例如，如果谐波抑制装置230计算得到1+μsin(kωt+ρ) 

即 

则第一运算器280利用除法器计算得到  $V_{\mathrm{control}-\mathrm{new}}=M_1\sin \mathrm{\ωt}\left[\frac{1}{1+\mathrm{\μ}\sin (\mathrm{k\ωt}+\mathrm{\ρ})}\right].$

采用降压电路后，计算修正参数的过程除了通过模拟电路之外也可以通过MCU(微控制器)或者DSP(数字信号处理器)等装置来实现，由此可以提高计算精度和稳定性，并且减少电路的体积和复杂程度。

修正之后的控制信号V_control-new被输入到脉宽调制模式发生器，作为参考信号与载波信号进行比较，从而得到驱动逆变器210的各个开关的驱动信号。

此外，逆变器模块的输出端还可以连接电感L，其具有等效电阻RL。电感L可以在这里用作低通滤波器。

图2中以全桥电压源逆变器为例示出了逆变器的电路图，不过本领域技术人员可以理解本实用新型的谐波抑制装置可以根据需要用于各种逆变器，包括三相和单相逆变器。另外，脉宽调制模式发生器可以根据需要进行选择，例如可以选择正弦脉宽调制(SPWM)。

一般来说，输入信号中包含的交流分量中以k＝2的交流分量对输出电压影响最大，因此在实际应用中，可以采用本实用新型来主要消除输入信号中二次谐波分量对输出电压和电流的影响。

图3示出了构成如图2所述的谐波抑制电路的一种更具体的实施例。在图中，谐波抑制装置330的降压单元340输出经过降压后的电压V_step-down，其分别输入到低通滤波器360和带通滤波器350，得到直流分量V_{step-down，dc}与交流分量V_{step-down，ac}。它们经过包含除法器371和加法器372的第二运算器370，得到等式(3)中的1+μsin(kωt+ρ)。第二运算器370输出的结果作为控制信号V_control的修正参数与控制信号V_control一起输入到包括除法器381的第一运算器380中，第一运算器380输出修正之后的控制信号V_control-new到脉宽调制模式发生器320，来调节驱动逆变器模块310的各个开关的驱动信号，以达到消除逆变器 模块310输出中的谐波的作用。

图4示出了逆变器为全桥电流源逆变器的一种实施例。与图2所示的实施例不同的是，谐波抑制装置接收的是检测的输入逆变器的电流，而不是输入逆变器的电压。

对于电流源逆变器而言，可以得到与等式(1)类似的关系式。输出电流波形与输入电流和控制信号V_control的关系如下列等式(5)所示：

I_out＝I_inV_control＝I_inM₁sinωt                                     (5)

为了抵消由输入电流的交流分量所导致的输出电流的谐波分量，从而避免逆变器输出的畸变，新的控制信号如下计算：

$V_{\mathrm{control}-\mathrm{new}}=M_1\sin \mathrm{\ωt}\left[\frac{1}{1+\mathrm{\μ}\sin (\mathrm{k\ωt}+\mathrm{\ρ})}\right]---\left(6\right)$

其中 $\mathrm{\μ}=\frac{I_{\mathrm{dclink},\mathrm{ac}}}{I_{\mathrm{dclink},\mathrm{dc}}}$

K为大于0的整数，ρ选自0°～360°。

等式(6)也可以变换为：

$V_{\mathrm{control}-\mathrm{new}}=M_1\sin \mathrm{\ωt}\left[\frac{I_{\mathrm{dclink},\mathrm{dc}}}{I_{\mathrm{dclink},\mathrm{dc}}+I_{\mathrm{dclink},\mathrm{ac}}\sin (\mathrm{k\ωt}+\mathrm{\ρ})}\right]=M_1\sin \mathrm{\ωt}\left[\frac{I_{\mathrm{dclink},\mathrm{dc}}}{I_{\mathrm{in}}}\right]---\left(7\right)$

图4所示的逆变器包括电流检测单元490。谐波抑制装置430接收检测的输入逆变器的电流之后，降压单元440会对谐波抑制装置430接收的输入进行降压，输出经过降压后的电压。降压后的电压会经过低通滤波器460和带通滤波器450，而后分别得到降压后的电压的直流分量和交流分量，它们之间的比值等于输入逆变器的电流的直流分量I_dclink，dc与交流分量I_dclink，ac之比。谐波抑制装置430的第二运算器470以与参照图3所述的谐波抑制装置330的第二运算器370相同的方式工作，得到等式(6)中的1+μsin(kωt+ρ)，。第二运算器470输出的结果作为控制信号V_control的修正参数与控制信号V_control一起输入到包括除法器481的第一运算器480中，第一运算器480输出修正之后的控制信号 

到脉宽调制模式发生器420，来调节驱动逆 变器模块400的各个开关的驱动信号，以达到消除逆变器410输出中的谐波的作用。

此外，如图4所示，逆变器模块的输出端可以连接LC(电感电容)滤波电路，来进一步消除逆变器模块的输出电压中的谐波分量。

尽管己经参照许多特定细节描述了本实用新型，但本领域的普通技术人员将认识到，本实用新型可在不脱离本实用新型的精神的情况下以其它特定形式实施。例如，本实用新型的逆变器可以根据实际需要进行选择，包括各种电压源和电流源逆变器。谐波抑制电路的运算单元也可以根据需要选择不同的搭建方式，例如采用模拟电路或者通过MCU(微控制器)或DSP(数字信号处理器)等装置来实现。因此，本领域的普通技术人员将会理解，本实用新型不受前述说明性细节的限制，而是由所附权利要求限定。

Claims (16)

1.一种具有谐波抑制装置的逆变器，该逆变器是电压源逆变器，其特征在于，包括对输入电压进行变换的DC-AC逆变器模块、谐波抑制装置、脉宽调制模式发生器和第一运算器，谐波抑制装置接收输入电压并且输出修正参数，该修正参数等于输入电压的直流分量与输入电压之间的比值，谐波抑制装置将该修正参数输出到第一运算器，第一运算器连接在脉宽调制模式发生器和向脉宽调制模式发生器提供控制信号的电源之间，来使用所述修正参数对该电源提供的控制信号进行修正，并向脉宽调制模式发生器提供修正后的控制信号，脉宽调制模式发生器根据修正后的控制信号生成驱动DC-AC逆变器模块的驱动信号。

2.根据权利要求1所述的逆变器，其特征在于谐波抑制装置包括降压单元、带通滤波器、低通滤波器和第二运算器，降压单元接收所述输入电压，将降压后的电压分别输入到带通滤波器和低通滤波器，低通滤波器和带通滤波器分别输出降压后的电压的直流分量和交流分量，第二运算器接收降压后的电压的直流分量和交流分量，并向第一运算器输出降压后的电压的直流分量与降压后的电压之间的比值作为修正参数，该比值等于输入电压的直流分量与输入电压之间的比值；第一运算器向脉宽调制模式发生器输出的修正后的控制信号等于输入电压的直流分量除以输入电压的值再与控制信号之间的乘积。

3.根据权利要求2所述的逆变器，其特征在于第二运算器包括除法器和加法器，除法器接收降压后的电压的直流分量和交流分量，向加法器输出降压后的电压的直流分量和交流分量的比值，加法器通过运算输出降压后的电压的直流分量与降压后的电压之间的比值。

4.根据权利要求1所述的逆变器，其特征在于逆变器模块的输出端连接一电感。 

5.根据权利要求1所述的逆变器，其特征在于输入电压的交流分量是二次谐波分量。

6.根据权利要求1所述的逆变器，其特征在于脉宽调制模式发生器是正弦脉宽调制模式发生器。

7.根据权利要求1所述的逆变器，其特征在于第一运算器是通过模拟电路、MCU或者DSP实现的。

8.根据权利要求2所述的逆变器，其特征在于第二运算器是通过模拟电路、MCU或者DSP实现的。

9.一种具有谐波抑制装置的逆变器，该逆变器是电流源逆变器，其特征在于包括对输入电流进行变换的DC-AC逆变器模块、谐波抑制装置、脉宽调制模式发生器和第一运算器，谐波抑制装置接收输入电流，并且输出修正参数，该修正参数等于输入电流的直流分量与输入电流之间的比值，谐波抑制装置将该修正参数输出到第一运算器，第一运算器连接在脉宽调制模式发生器和向脉宽调制模式发生器提供控制信号的电源之间，来使用修正参数对该电源提供的控制信号进行修正，并向脉宽调制模式发生器提供修正后的控制信号，脉宽调制模式发生器根据修正后的控制信号生成驱动DC-AC逆变器模块的驱动信号。

10.根据权利要求9所述的逆变器，其特征在于还包括电流检测单元，其中电流检测单元输出的检测的电流的直流分量和交流分量之比等于输入逆变器的输入电流的直流分量与交流分量之比，所述谐波抑制装置包括降压单元、带通滤波器、低通滤波器和第二运算器，降压单元接收电流检测单元的输出并向带通滤波器和低通滤波器输出降压后的电压，低通滤波器和带通滤波器分别输出降压后的电压的直流分量和交流分量，其中降压后的电压的直流分量和交流分量之比等于电流检测单元输出的检测的电流的直流分量和交流分量之比，第二运算器接收降压后的电压的直流分量和交流分量，并向第一运算器输出降压后 的电压的直流分量和降压后的电压之间的比值，该比值等于输入电流的直流分量与输入电流之间的比值，第一运算器向脉宽调制模式发生器输出的修正后的控制信号等于输入电流的直流分量除以输入电流的值与控制信号之间的乘积。

11.根据权利要求10所述的逆变器，其特征在于第二运算器包括除法器和加法器，除法器接收降压后的电压的直流分量和交流分量，向加法器输出降压后的电压的直流分量和交流分量的比值，而加法器通过加法运算输出降压后的电压的直流分量和降压后的电压之间的比值。

12.根据权利要求9所述的逆变器，其特征在于逆变器模块的输出端连接LC滤波器。

13.根据权利要求9所述的逆变器，其特征在于输入电压的交流分量是二次谐波分量。

14.根据权利要求9所述的逆变器，其特征在于脉宽调制模式发生器是正弦脉宽调制模式发生器。

15.根据权利要求9所述的逆变器，其特征在于第一运算器是通过模拟电路、MCU或者DSP实现的。

16.根据权利要求9所述的逆变器，其特征在于第二运算器是通过模拟电路、MCU或者DSP实现的。 

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