RO130090B1 - Method for decoupling the oscillating power for single-phase inverters - Google Patents

Method for decoupling the oscillating power for single-phase inverters Download PDF

Info

Publication number
RO130090B1
RO130090B1 ROA201400611A RO201400611A RO130090B1 RO 130090 B1 RO130090 B1 RO 130090B1 RO A201400611 A ROA201400611 A RO A201400611A RO 201400611 A RO201400611 A RO 201400611A RO 130090 B1 RO130090 B1 RO 130090B1
Authority
RO
Romania
Prior art keywords
inverter
voltage
decoupling
power
output
Prior art date
Application number
ROA201400611A
Other languages
Romanian (ro)
Other versions
RO130090A0 (en
Inventor
Ioan Şerban
Original Assignee
Universitatea "Transilvania" Din Braşov
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Universitatea "Transilvania" Din Braşov filed Critical Universitatea "Transilvania" Din Braşov
Priority to ROA201400611A priority Critical patent/RO130090B1/en
Publication of RO130090A0 publication Critical patent/RO130090A0/en
Publication of RO130090B1 publication Critical patent/RO130090B1/en

Links

Landscapes

  • Inverter Devices (AREA)

Description

Invenția se referă la o metodă de decuplare a puterii oscilante pentru invertoare monofazate, în vederea atenuării componentei alternative a curentului de la intrarea invertorului și reducerii capacității condensatorului necesar pe linia de curent continuu a invertorului. Invenția se încadrează în domeniul convertoarelor electronice de putere pentru conversia c.c.-c.a. și c.a.-c.c., precum și controlul asociat acestora.The invention relates to a method of decoupling the oscillating power for single-phase inverters, in order to attenuate the alternating current component at the input of the inverter and to reduce the capacitor capacity required on the direct current line of the inverter. The invention falls within the field of electronic power converters for dc-dc conversion. and c.a.-c.c., as well as the control associated with them.

Sunt cunoscute mai multe soluții pentru atenuarea componentei alternative a puterii de pe linia de curent continuu a invertoarelor monofazate. La ora actuală, soluția pasivă de filtrare, ce utilizează un condensator electrolitic de mare capacitate pe linia de c.c. a invertorului, predomină în toate aplicațiile datorită simplității acesteia. Cu toate acestea, se caută noi soluții care să elimine principalul dezavantaj al metodei pasive, și anume durata de viață redusă a condensatorului electrolitic ce afectează fiabilitatea întregului sistem după cum se descrie și în lucrarea “Reliability of Candidate PhotovoltaicModule-lntegrated-lnverter(PV-MII)Topologies-A Usage Model Approach”, S. Hârb, R. S. Balog, IEEE Transactions on Power Electronics, voi. 28, no.6, 2013, pp.3019-3027.Several solutions are known for attenuating the alternating power component on the DC line of single-phase inverters. Currently, the passive filtration solution, which uses a high capacity electrolytic capacitor on the d.c. line. of the inverter, predominates in all applications due to its simplicity. However, new solutions are being sought to eliminate the main disadvantage of the passive method, namely the short life of the electrolytic capacitor which affects the reliability of the entire system as described in the paper “Reliability of Candidate PhotovoltaicModule-lntegrated-lnverter (PV- MII) Topologies-A Usage Model Approach ”, S. Hârb, RS Balog, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 28, no.6, 2013, pp.3019-3027.

Metodele active de decuplare existente au la bază circuite suplimentare funcționând ca filtre active de putere care extrag componenta oscilatorie a puterii și o deviază către un element de stocare de scurtă durată ce poate fi un condensator de capacitate mică, sau o bobină. Condensatoarele cu film de polipropilenă de capacitate redusă sunt preferate datorită duratei de viață ridicate, astfel eliminându-se problema menționată anterior referitoare la condensatoarele electrolitice. Cu toate acestea, soluțiile active existente necesită componente suplimentare, ca: tranzistoare, diode, filtre. Așadar, complexitatea convertoarelor va crește, costul lor va fi mai mare iar randamentul global se va diminua. O analiză recentă a principalelor metode de decuplare existente, în principal cele destinate micro-invertoarelor pentru panouri fotovoltaice (PV), se prezintă în lucrarea “A Review of Power Decoupling Techniques for Micro-inverters with Three Different Decoupling Capacitor Locations în PV systems”, H. Hu, S. Hârb, N. Kutkut, I. Batarseh, Z. J. Shen, IEEE Transactions on Power Electronics, voi. 28, no. 6, 2013 pp. 2711 - 2726. Se constată că soluțiile analizate din literatura tehnică de specialitate necesită cel puțin un element semiconductor suplimentar și elemente pasive. în continuare, se vor discuta invenții existente la nivel mondial, relevând principalele dezavantaje ale acestora față de invenția propusă.Existing active decoupling methods are based on additional circuits operating as active power filters that extract the oscillating power component and divert it to a short-term storage element that may be a small-capacity capacitor, or a coil. Low capacity polypropylene film capacitors are preferred due to their long service life, thus eliminating the aforementioned problem with electrolytic capacitors. However, existing active solutions require additional components, such as: transistors, diodes, filters. Therefore, the complexity of converters will increase, their cost will be higher and the overall efficiency will decrease. A recent analysis of the main existing decoupling methods, mainly those for micro-inverters for photovoltaic (PV) panels, is presented in "A Review of Power Decoupling Techniques for Micro-inverters with Three Different Decoupling Capacitor Locations in PV systems". H. Hu, S. Hârb, N. Kutkut, I. Batarseh, ZJ Shen, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 28, no. 6, 2013 pp. 2711 - 2726. It is found that the solutions analyzed in the technical literature require at least one additional semiconductor element and passive elements. Next, existing inventions worldwide will be discussed, highlighting their main disadvantages compared to the proposed invention.

O soluție generală de minimizare a componentei alternative a puterii în convertoare monofazate este prezentată în brevetul US 8325499 B2, “Methods for minimizing doublefrequency ripple power in single-phase power conditioners” .Philip T. Krein, Robert S. Balog, 2012. Aceasta constă în adăugarea unui sistem de stocare a energiei și a unei interfețe de putere care să devieze componenta oscilatorie a puterii, ce se transferă de la o sursă la o sarcină, sau rețea monofazată, către unitatea de stocare a energiei (ex. condensator). în brevetul menționat, se propune o metodă de control, ce are la bază generarea unei tensiuni pe elementul de stocare defazată cu 45° față de tensiunea alternativă de ieșire. Metoda implică utilizarea unui convertor bidirecțional suplimentar pentru elementul de stocare, ceea ce reprezintă un dezavantaj al invenției respective.A general solution for minimizing the alternative power component in single-phase converters is presented in U.S. Patent 83,25499 B2, “Methods for minimizing doublefrequency ripple power in single-phase power conditioners.” Philip T. Krein, Robert S. Balog, 2012. This consists of in the addition of an energy storage system and a power interface to divert the oscillating power component, which is transferred from a source to a load, or single-phase network, to the energy storage unit (eg capacitor). In that patent, a control method is proposed, which is based on the generation of a voltage on the storage element out of phase with 45 ° to the AC output voltage. The method involves the use of an additional bidirectional converter for the storage element, which is a disadvantage of the invention.

în brevetul US 2011261593A1 “Power converter for a power generator”, Shangzhi Pan, Sayed Aii Khajehoddin, Praveen K. Jain, Alireza Bakhshai, 2011, se propune un convertor electronic de putere pentru interfațarea unor generatoare de mică putere (ex. PV, turbine eoliene) cu rețeaua monofazată. Convertorul conține două trepte de conversie a puterii, la intrare un etaj c.c.-c.c., respectiv un invertor la ieșire. Prin controlul celor două etaje se obține eliminarea componentei oscilante de la intrare, care va fi procesată pe linia de c.c. a invertorului unde se utilizează un condensator de capacitate redusă (cu două ordine de mărime mai scăzută decât în cazul metodei pasive de filtrare). Ca urmare, tensiunea de c.c. nu va rămâne constantăin US patent 2011261593A1 “Power converter for a power generator”, Shangzhi Pan, Sayed Aii Khajehoddin, Praveen K. Jain, Alireza Bakhshai, 2011, an electronic power converter is proposed for interfacing low power generators (eg PV, turbines wind) with the single-phase network. The converter contains two power conversion stages, at the input a d.c.-d.c. stage, respectively an inverter at the output. By controlling the two floors, the elimination of the oscillating component from the input is obtained, which will be processed on the d.c. line. of the inverter where a capacitor of low capacity is used (two orders of magnitude smaller than in the case of the passive filtering method). As a result, the dc voltage. it will not remain constant

RO 130090 Β1 (sau cu riplu neglijabil) ca în cazul invertoarelor clasice, ci va conține o componentă alternativă 1 ridicată. Pentru a elimina poluarea armonică a curentului injectat în rețea ca urmare a variației tensiunii de c.c. se aplică o corecție asupra tensiunii de referință aplicate generatorului PWM 3 pentru comanda invertorului. Cu toate că invenția asigură decuplarea componentei alternative a puterii prin utilizarea unui condensatorde capacitate redusă, principalul dezavantaj al acesteia 5 constă în faptul că poate fi aplicată numai prin adăugarea unui etaj de conversie c.c.-c.c. De asemenea, pentru aplicații care necesită transferul bidirecțional de putere între intrare și ieșire 7 (ex. în cazul unui sistem de stocare a energiei), complexitatea convertorului c.c.-c.c. va crește considerabil. 9RO 130090 Β1 (or with negligible ripple) as in the case of conventional inverters, but will contain a high alternative component 1. To eliminate the harmonic pollution of the current injected in the network as a result of the variation of the dc voltage. a correction is applied to the reference voltage applied to the PWM 3 generator for the inverter control. Although the invention ensures the decoupling of the alternative power component by using a capacitor of low capacity, its main disadvantage 5 is that it can be applied only by adding a c.c.-c.c. conversion stage. Also, for applications that require bidirectional power transfer between input and output 7 (eg in the case of an energy storage system), the complexity of the d.c.-d.c converter. will increase considerably. 9

O altă invenție, US 2012257429A1, “Two-stage single phase bi-directional PWM power converter with DC link capacitor reduction”, Dong Dong, Dushan Boroyevich, Ruxi Wang, Fred 11 Wang, 2012, poate asigura reducerea substanțială a condensatorului de filtrare de c.c., putând fi adaptată și pentru aplicații cu transfer bidirecțional al puterii, și constă în adăugarea unui braț 13 cu două tranzistoare serie cu rol de filtru activ pe linia de c.c. a invertorului. Se asigură, astfel, devierea componentei oscilante a puterii către acest condensator. Se exemplifică o aplicație în 15 care reducerea capacității condensatorului este de aproximativ 30 de ori față de filtrarea pasivă. Principalul dezavantaj al metodei îl constituie adăugarea a două tranzistoare și a unui inductor 17 de filtrare pentru asigurarea funcției de decuplare, crescând complexitatea sistemului ce se va reflecta și într-un cost mai ridicat. 19 în brevetul US 8670249 B2, “Inverter for a distributed power generator”, Sayed Aii Khajehoddin, Praveen Jain, Alireza Bakhshai, 2014, se propune un invertor de curent pentru 21 conectarea panourilor PV la rețeaua monofazată, în care se utilizează un inductor de c.c. si un convertor c.c.-c.c. cu un tranzistor si o diodă care asigură, pe lângă adaptarea nivelului de 23 tensiune de la intrare, și funcția de decuplare. în acest caz nu se folosesc condensatoare ci bobina din cadrul invertorului de curent este utilizată ca element de stocare pe termen scurt 25 pentru filtrarea componentei oscilante a puterii. Bobina va fi parcursă de curentul continuu de sarcină la care se adaugă o componentă alternativă ridicată, ceea ce poate conduce la saturația 27 circuitului magnetic. Pe lângă acest aspect, decuplarea necesită suplimentar un tranzistor și o diodă, ceea ce reprezintă principalele dezavantaje ale invenției menționate. 29Another invention, US 2012257429A1, “Two-stage single phase bi-directional PWM power converter with DC link capacitor reduction”, Dong Dong, Dushan Boroyevich, Ruxi Wang, Fred 11 Wang, 2012, can provide substantial reduction of the filter capacitor cc, can also be adapted for applications with bidirectional power transfer, and consists in adding an arm 13 with two series transistors with active filter role on the cc line of the inverter. This ensures that the power oscillating component is diverted to this capacitor. An application in 15 is exemplified in which the reduction of the capacitor capacity is about 30 times compared to the passive filtration. The main disadvantage of the method is the addition of two transistors and a filter inductor 17 to ensure the decoupling function, increasing the complexity of the system which will be reflected in a higher cost. 19 in US patent 8670249 B2, “Inverter for a distributed power generator”, Sayed Aii Khajehoddin, Praveen Jain, Alireza Bakhshai, 2014, a current inverter is proposed for 21 connecting the PV panels to the single-phase network, in which a power inductor is used. cc if a c.c.-c.c. with a transistor and a diode that ensures, in addition to adapting the input voltage level 23, the decoupling function. In this case no capacitors are used but the coil within the current inverter is used as a short-term storage element 25 for filtering the oscillating power component. The coil will be traversed by the direct load current to which a high alternating component is added, which can lead to saturation 27 of the magnetic circuit. In addition to this aspect, the decoupling additionally requires a transistor and a diode, which are the main disadvantages of said invention. 29

Invenția urmărește dezvoltarea unei metode de decuplare a componentei oscilante a puterii pentru invertoare monofazate în punte H, fără a utiliza elemente semiconductoare supli- 31 mentare.The invention aims to develop a method for decoupling the oscillating power component for single-phase H-bridge inverters, without using additional semiconductor elements.

Problema tehnică pe care o rezolvă invenția constă în asigurarea decuplării compo- 33 nentei oscilante a puterii în cazul invertoarelor monofazate.The technical problem solved by the invention consists in ensuring the decoupling of the oscillating component of the power in the case of single-phase inverters.

Acestă problemă tehnică se rezolvă doar prin controlul invertorului și prin utilizarea unor 35 condensatoare nepolarizate cu film de polipropilenă, conectate pe fiecare braț al punții invertoare între punctul median și una din bornele liniei de c.c.. 37This technical problem is solved only by controlling the inverter and by using 35 non-polarized capacitors with polypropylene film, connected on each arm of the inverter bridge between the midpoint and one of the terminals of the dc line. 37

Metoda de decuplare a puterii oscilante pentru invertoare monofazate, care asigură decuplarea componentei oscilatorii a puterii instantanee se aplică unui circuit alcătuit dintr-un 39 invertor în punte H, comandat cu pulsuri modulate în lățime (PWM), ce este alimentat printr-o linie de curent continuu, punctele mediane ale celor două brațe ale punții invertorului fiind 41 conectate la două bobine de filtrare, iar la bornele de ieșire ale bobinelor fiind conectate două condensatoare nepolarizate de c.a. destinate decuplării componentei oscilante a puterii 43 instantanee de ieșire, celelalte două terminale ale condensatoarelor fiind conectate împreună la una din bornele de c.c., DC+ sau DC- ale invertorului, iar ieșirea diferențială a invertorului 45 poate alimenta o sarcină, iar metoda constă în:The method of decoupling the oscillating power for single-phase inverters, which ensures the decoupling of the oscillating component of the instantaneous power, is applied to a circuit consisting of a 39 H-bridge inverter, controlled by width-modulated pulses (PWM), which is supplied by a line of direct current, the midpoints of the two arms of the inverter bridge being 41 connected to two filter coils, and to the output terminals of the coils being connected two non-polarized capacitors of ca designed to disconnect the oscillating component of the instantaneous output power 43, the other two terminals of the capacitors being connected together to one of the dc, DC + or DC- terminals of the inverter, and the differential output of the inverter 45 can supply a load and the method consists in:

- generarea a două tensiuni uAB și ucomp de către o structură de reglare formată din două 47 subsisteme principale, un subsitem care furnizează valoarea de referință a tensiunii diferențiale de ieșire uAB și alt subsitem care furnizează o tensiune de compensare u^p calculată în funcție 49- generation of two voltages u AB and u comp by a control structure consisting of two 47 main subsystems, a subsystem providing the reference value of the differential output voltage u AB and another subsystem providing a calculated compensation voltage u ^ p in office 49

RO 130090 Β1 de puterea aparentă S a sarcinii de la ieșirea invertorului, pulsația tensiunii de ieșire ω, unghiul de defazaj φ dintre tensiunea și curentul de sarcină și capacitatea condensatoarelor de decuplare Cd EN 130090 Β1 of the apparent power S of the load at the output of the inverter, the pulsation of the output voltage ω, the phase shift angle φ between the voltage and the load current and the capacity of the disconnect capacitors C d

- înmulțirea semnalului uAB cu un factor 1/2 într-un bloc de amplificare, semnalul rezultat se adună prin intermediul unui sumator cu semnalul ucomp, rezultând o tensiune de comandă uA, care împărțită prin intermediul unui bloc de divizare la tensiunea de pe linia de c.c. UDC, furnizează un semnal cu factorul de umplere DA pentru primul braț al invertorului,- multiplying the signal u AB by a factor of 1/2 in an amplification block, the resulting signal is collected by means of an adder with the signal u comp , resulting in a control voltage u A , which is divided by means of a division block at the voltage of on the DC line DC , provides a signal with the filling factor D A for the first arm of the inverter,

- scăderea semnalului uABînmulțit cu un factor 1/2 în blocul de amplificare, din tensiunea ucomp în sumator, rezultând o tensiunea de comandă uB, care împărțită prin intermediul unui bloc de divizare la tensiunea de pe linia de c.c. UDC, furnizează un semnal cu factorul de umplere DB pentru cel de-al doilea braț al invertorului,- the decrease of the signal u AB multiplied by a factor 1/2 in the amplification block, from the voltage u comp in the adder, resulting in a control voltage u B , which divided by means of a division block at the voltage on the DC line U DC , provides a signal with the filling factor D B for the second arm of the inverter,

- comanda cu cele două semnale DA și DB a tranzistoarelor TrT4 din cadrul punții H a invertorului prin intermediul unui generator de pulsuri PWM, asigurându-se, astfel decuplarea componentei oscilatorii a puterii instantanee a invertorului.- control with the two signals D A and D B of the transistors T r T 4 within the H-bridge of the inverter by means of a PWM pulse generator, thus ensuring the decoupling of the oscillating component of the instantaneous power of the inverter.

Principalul avantaj al invenției propuse este acela că se asigură funcția de decuplare în condiții similare față de soluțiile prezentate anterior, dar fără utilizarea de elemente semiconductoare suplimentare.The main advantage of the proposed invention is that it provides the decoupling function under similar conditions to the solutions presented above, but without the use of additional semiconductor elements.

Un alt avantaj al invenției constă în faptul că poate fi utilizată în diferite aplicații ce necesită un invertor monofazat, ce poate funcționa unidirecțional (ex. interfațarea surselor de energie regenerabilă la rețea, sau alimentarea unei sarcini monofazate), sau bidirecțional (ex. sisteme de stocare a energiei). Datorită numărului mic de componente necesare, complexitatea sistemului prin metoda aplicată este redusă, ceea ce reprezintă un alt avantaj al invenției.Another advantage of the invention is that it can be used in various applications requiring a single-phase inverter, which can operate unidirectional (eg interfacing renewable energy sources to the grid, or powering a single-phase load), or bidirectional (eg energy storage). Due to the small number of components required, the complexity of the system by the applied method is reduced, which is another advantage of the invention.

Se dă în continuare un exemplu de realizare a invenției în legătură și cu figurile 1 ...3, care prezintă:An embodiment of the invention is given below in connection with figures 1 ... 3, which show:

- fig. 1, schema invertorului monofazat cu metoda de decuplare propusă;- fig. 1, the diagram of the single-phase inverter with the proposed decoupling method;

- fig. 2, principalele forme de undă caracteristice invertorului monofazat cu metoda de decuplare conform invenției;- fig. 2, the main waveforms characteristic of the single-phase inverter with the decoupling method according to the invention;

- fig. 3, rezultate experimentale:- fig. 3, experimental results:

a) idc cu și fără decuplare;a) i dc with and without decoupling;

b) Udc cu și fără decuplare;b) U dc with and without decoupling;

c) analiza armonică a curentului idc cu și fără decuplare;c) harmonic analysis of the i dc current with and without decoupling;

d) tensiunea (uCd1) și curentul (iCd1) unui condensator de decuplare;d) the voltage (u Cd1 ) and current (i Cd1 ) of a decoupling capacitor;

e) tensiunea (u0) și curentul (/0) pe sarcină, curentul prin primul braț al invertorului (iA).e) voltage (u 0 ) and current (/ 0 ) on load, current through the first arm of the inverter (i A ).

Fig. 1 prezintă schema invertorului monofazat cu un circuit de decuplare a componentei alternative a puterii și structura de control care asigură funcția de decuplare propusă. Sistemul este alcătuit dintr-un invertor de tensiune 1 în punte H cu patru tranzistoare T1-T4, care este alimentat printr-o linie 2 de curent continuu cu tensiunea Udc. Tranzistoarele T1-T4 sunt comandate cu pulsuri modulate în lățime (PWM). Punctele mediane A și B ale celor două brațe ale punții invertorului sunt conectate la două bobine de filtrare 3, fiecare având inductanța Lf. La bornele de ieșire ale bobinelor sunt cuplate două condensatoare nepolarizate 4 de c.a. de capacitate egală Cd celelalte două terminale ale condensatoarelor fiind conectate împreună la una din bornele de c.c. ale invertorului 5, DC+ sau DC-. în funcție de aplicația în care se utilizează, ieșirea invertorului 6 în c.a. (cu tensiunea u0) poate fi conectată la o rețea monofazată, generator monofazat, sau la o sarcină locală. Conform acestei figuri, se indică faptul că prin metoda de control aferentă se asigură transferul componentei oscilante a puterii (p) către cele două condensatoare de decuplare, astfel că linia de c.c. a invertorului va fi parcursă doar de componenta medie a puterii (P). în același timp soluția inventată nu va influența în mod negativ funcția primară a invertorului, astfel încât mărimile de ieșire u0 și i0 nu vor fi afectate.FIG. 1 shows the diagram of the single-phase inverter with a decoupling circuit of the alternative power component and the control structure that ensures the proposed decoupling function. The system consists of a voltage inverter 1 in the H bridge with four transistors T1-T4, which is supplied by a DC line 2 with the voltage U dc . T1-T4 transistors are controlled by width modulated pulses (PWM). The midpoints A and B of the two arms of the inverter bridge are connected to two filter coils 3, each having the inductance L f . Two non-polarized AC capacitors 4 of equal capacity C d are connected to the output terminals of the coils, the other two terminals of the capacitors being connected together to one of the DC terminals of the inverter 5, DC + or DC-. Depending on the application in which it is used, the output of inverter 6 in ac (with voltage u 0 ) can be connected to a single-phase network, single-phase generator, or to a local load. According to this figure, it is indicated that the related control method ensures the transfer of the oscillating power component (p) to the two decoupling capacitors, so that the dc line of the inverter will be traversed only by the average power component (P). at the same time the invented solution will not negatively influence the primary function of the inverter, so that the output quantities u 0 and i 0 will not be affected.

RO 130090 Β1RO 130090 Β1

Principiul metodei de control a invertorului cu circuitul de decuplare constă în 1 modificarea tensiunilor de comandă ale celor două brațe ale punții H, astfel încât componenta alternativă a puterii vehiculate la ieșire să fie transferată condensatoarelor 4. Considerând cazul 3 funcționării cu sarcină liniară la bornele invertorului, puterea instantanee p(t) de ieșire poate fi exprimată astfel: 5 p(t) = Scos¢/- Scos(2cot - φ) (1)7 PP în care:9The principle of the control method of the inverter with the decoupling circuit consists in 1 the modification of the control voltages of the two arms of the H-bridge, so that the alternative component of the output power is transferred to the capacitors 4. Considering the case 3 of linear load operation , the instantaneous output power p (t) can be expressed as follows: 5 p (t) = Output ¢ / - Output (2cot - φ) (1) 7 P P where: 9

- P, reprezintă componenta medie a puterii;- P, represents the average component of power;

- p, componenta oscilatorie, sau de c.a., cu frecvență egală cu dublul frecvenței de 11 ieșire;- p, the oscillating component, or a.c., with a frequency equal to twice the frequency of 11 outputs;

Conform metodei se impune ca cele două condensatoare cu valori egale, ale circuitului 13 de decuplare să preia toată componenta alternativă p = pcdl + pcd2 , adică:According to the method, it is required that the two capacitors with equal values, of the decoupling circuit 13 take over all the alternative component p = p cdl + p cd2 , ie:

~ x-ι du^d} „ du (·!-,~ x-ι du ^ d } „du (·! -,

P = CdUCd\ “ ! CdUcd2 — (2) 17 în același timp, se impune ca tensiunea de ieșire (u0) să nu fie afectată de circuitul de 19 decuplare, adică:P = C d U C d \ “! C d U cd2 - (2) 17 at the same time, it is required that the output voltage (u 0 ) is not affected by the decoupling circuit 19, ie:

u o = ucdi — ucd2 = u o = u cdi - u cd2 =

Rezolvând sistemul de ecuații dat de (2) și (3), rezultă expresia matematică a tensiunilor la bornele celor două condensatoare, conform metodei: 25 uCdl2(t) =+— + — Audiat - φ\-2υ2ο sin2(ryr) + 4L/20 +-^-sin(țz?) Cd^’ 2 2]^Cd [ J ° V 7 co aCd Vlcomp în care: S=UOIO - puterea aparentă de ieșire; Uo, l0 - valoarea efectivă a tensiunii, respectiv 31 curentului de ieșire; ω - pulsația tensiunii de ieșire; φ - defazajul dintre tensiunea și curentul de ieșire; Cd - capacitatea unui condensator de decuplare; Uco - o tensiune inițială pe conden- 33 satoare, ce se determină numeric, conform relației (6) exprimată în unități raportate.Solving the system of equations given by (2) and (3), results the mathematical expression of the voltages at the terminals of the two capacitors, according to the method: 25 u Cdl2 (t) = + - + - Audiat - φ \ -2υ 2 ο sin 2 ( ryr) + 4L / 2 0 + - ^ - sin (țz?) Cd ^ '2 2] ^ Cd [J ° V 7 co aCd V ' l comp where: S = U O I O - apparent output power; U o , l 0 - the effective value of the voltage, respectively 31 of the output current; ω - pulsation of the output voltage; φ - the phase shift between the voltage and the output current; C d - the capacity of a decoupling capacitor; U co - an initial voltage per capacitor, which is determined numerically, according to the relation (6) expressed in reported units.

în ecuația (4) se evidențiază următoarele componente de tensiune pe cele două 35 condensatoare:Equation (4) shows the following voltage components on the two capacitors:

- o componentă diferențială ± u/2, care se regăsește la ieșirea filtrului și formează 37 tensiunea de sarcină u0,- a differential component ± u / 2, which is found at the output of the filter and forms 37 the load voltage u 0 ,

- o componenă de compensare u^p generată cu scopul de a realiza funcția de 39 decuplare propusă și care are un caracter de mod comun (se anulează pe terminalele de ieșire). 41- a compensation component u ^ p generated in order to perform the proposed decoupling function 39 and which has a common mode character (canceled on the output terminals). 41

Pentru generalizare, relația (4) poate fi scrisă în unități raportate (u.r.) astfel:For generalization, relation (4) can be written in reported units (u.r.) as follows:

2S' sin(2ryi - φ) - 2 sin2 (cot) + 4+----sin(^) (5) 45 u' 1 2S' UCd\,12S 'sin (2ryi - φ) - 2 sin 2 (cot) + 4 + ---- sin (^) (5) 45 u' 1 2S ' U Cd \, 1

2VQ2VQ

RO 130090 Β1 în care pentru mărimile raportate (notate cu indicele ‘) s-au luat ca mărimi de bază:RO 130090 Β1 in which for the reported quantities (denoted by the index ‘) the following were taken as basic quantities:

Sn , cu c - puterea aparentă nominală, iar (On - pulsațiaS n , with c - the nominal apparent power, and (O n - the pulsation

U b = U o'^b = ^n'^b = n . a>n vb nominala.U b = U o '^ b = ^ n' ^ b = n . a> n v b nominal.

Tensiunea U ’c0 se poate determina numeric uilizând următoarea relație:The voltage U ' c0 can be determined numerically using the following relation:

^co max < sin 0<ύ)ί<2π 2 (cot) sr ^ co max <sin 0 <ύ) ί <2π 2 (cot) s r

----[sin(2c?r - cp) + >---- [sin (2c? r - cp) +>

(6)(6)

De meționat că, în cadrul acestei analize, căderea de tensiune pe filtrul Lf de la ieșirea invertorului este neglijată la frecvențe mult mai mici decât frecvența de comutație PWM, astfel că tensiunea de pe cele două condensatoare de decuplare este considerată aproximativ egală cu tensiunea de pe cele două brațe ale invertorului (wcdl2 = Fo) . Conform aceluiași raționament, următoarea aproximație este de asemenea valabilă: uo = uAB .It should be noted that, in this analysis, the voltage drop across the L f filter at the inverter output is neglected at frequencies much lower than the PWM switching frequency, so that the voltage on the two decoupling capacitors is considered approximately equal to the voltage of on the two arms of the inverter (w cdl2 = Fo). According to the same reasoning, the following approximation is also valid: u o = u AB .

Plecând de la ecuația (5), fig. 2 prezintă principalele forme de undă caracteristice invertorului cu metoda de decuplare conform invenției. Tensiunile de pe cele două condensatoare de decuplare, împreună cu tensiunea de ieșire sunt prezentate în fig. 2a, iar curenții principali din circuit sunt reprezentați în fig. 2b. De remarcat faptul că pe linia de c.c. curentul idc conține doar componenta medie (/dc). Ca urmare a metodei de control conform invenției, tensiunile de pe cele două condensatoare din circuitul de decuplare vor conține armonici de ordin par, principala fiind cea de ordinul 2, însă nefiind afectată tensiunea de ieșire. De asemenea, curenții prin condensatoare și prin brațele invertorului vor conține armonici superioare, așa cum se arată în fig. 2c. în fig. 2d s-au reprezentat pe o perioadă a tensiunii alternative valorile instantanee ale principalelor puteri din circuit. Se observă că p = pCdi + Pcd2 astfel încât pdc = P. Așadar, funcția de decuplare este îndeplinită, după cum este revendicată, fără utilizarea unor elemente semiconductoare suplimentare.Starting from equation (5), fig. 2 shows the main waveforms characteristic of the inverter with the decoupling method according to the invention. The voltages on the two decoupling capacitors, together with the output voltage are shown in fig. 2a, and the main currents in the circuit are represented in fig. 2b. Note that on the dc line the current i dc contains only the average component (/ dc ). As a result of the control method according to the invention, the voltages on the two capacitors in the decoupling circuit will contain even order harmonics, the main one being the second order one, but the output voltage not being affected. Also, the currents through the capacitors and the inverter arms will contain higher harmonics, as shown in fig. 2c. in fig. 2d The instantaneous values of the main powers in the circuit were represented over a period of alternating voltage. It is observed that p = p C di + Pcd2 such that p dc = P. Therefore, the decoupling function is fulfilled, as claimed, without the use of additional semiconductor elements.

Metoda constă, așa cum se prezintă și în schema bloc din fig. 1, dintr-o structură de reglare formată din două subsisteme, un subsistem 7 care furnizează valoarea de referință a tensiunii diferențiale de ieșire(uAB) , și alt subsistem 8 care generează componenta de compensare ucomp necesară funcției de decuplare. Generarea celor două tensiuni se poate face fie prin calcul direct conform relațiilor (4) sau (5), fie prin utilizarea unor regulatoare automate. Semnalul uAB înmulțit cu 1/2 prin blocul de amplificare 9, este adunat prin intermediul unui sumator 10 cu semnalul u , rezultând tensiunea de comandă uA , care împărțită prin intermediul unui bloc de divizare 11 la tensiunea de pe linia de c.c. Udc furnizează factorul de umplere DA pentru primul braț al invertorului. Similiar, tensiunea UAB , înmulțită cu 1/2 prin blocul de amplificare 9, este scăzută din tensiunea ucomp prin sumatorul 12 și rezultă tensiunea de comandă uB , care împărțită prin intermediul unui bloc de divizare 13 la tensiunea de pe linia de c.c. Udc furnizează factorul de umplere DB pentru cel de-al doilea braț al invertorului. în continuare, factorii de umplere rezultați DA și DB sunt transmiși unui generator 14 de pulsuri PWM, care furnizează 4 pulsuri de comandă pentru tranzistoarele T, - T4 din cadrul punții invertorului.The method consists, as shown in the block diagram in fig. 1, of a control structure consisting of two subsystems, a subsystem 7 which provides the reference value of the output differential voltage (u AB ), and another subsystem 8 which generates the compensation component u comp necessary for the decoupling function. The generation of the two voltages can be done either by direct calculation according to relations (4) or (5), or by using automatic regulators. The signal u AB multiplied by 1/2 by the amplification block 9, is collected by means of an adder 10 with the signal u, resulting in the control voltage u A , which divided by means of a division block 11 at the voltage on the line d DC U dc provides the filling factor D A for the first arm of the inverter. Similarly, the voltage U AB , multiplied by 1/2 by the amplification block 9, is subtracted from the voltage u comp by the adder 12 and results in the control voltage u B , which divided by a division block 13 at the voltage on the dc line U dc provides the filling factor D B for the second arm of the inverter. Next, the resulting filling factors D A and D B are transmitted to a PWM pulse generator 14, which supplies 4 control pulses for the transistors T, - T 4 within the inverter bridge.

Fig. 3 prezintă rezultate experimentale relevante pentru a demonstra funcționalitatea invertorului monofazat cu circuitul de decuplare și a metodei inventate.FIG. 3 shows relevant experimental results to demonstrate the functionality of the single-phase inverter with the decoupling circuit and the invented method.

RO 130090 Β1RO 130090 Β1

S-a utilizat un stand de laborator cu un invertor monofazat ce alimentează o sarcină 1 liniară de 1kW la o tensiune de 230V și frecvența de 50Hz. Tensiunea de alimentare de c.c. este de 450V, iar frecvența de comutație PWM este de 10kHz. 3A laboratory stand was used with a single-phase inverter that supplies a 1kW linear load at a voltage of 230V and a frequency of 50Hz. DC supply voltage is 450V and the PWM switching frequency is 10kHz. 3

Condensatoarele de decuplare au capacitatea Cd = 60pF fiecare. Evidențierea reducerii componentei alternative a curentului idc s-a realizat prin compararea rezultatelor obținute cu 5 metoda de decuplare inventată, față de cazul clasic al unui invertor în punte H fără decuplare. Astfel, fig. 3a și fig. 3b ilustrează curentul idc și tensiunea udc în cele două cazuri. Se observă 7 o micșorare semnificativă a componentei oscilante. De asemenea, analiza armonică a curentului idc, din fig. 3c arată o atenuare substanțială a componentei alternative principale de 9 100Hz. Fig. 3d și fig. 3e prezintă tensiunile pe un condensator de decuplare și pe sarcină, respectiv curenții prin condensator, filtru și sarcină. Forma de undă a tensiunii pe un 11 condensator de decuplare se observă că este similară celei din fig. 2a, iar curentul prin același condensator conține, pe lângă componentele armonice de frecvență joasă, un riplu produs de 13 comutația tranzistoarelor. De remarcat faptul că tensiunea de ieșire uo nu suferă distorsiuni armonice vizibile, factorul de distorsiune total al tensiunii fiind de aproximativ 2%, așadar 15 alimentarea sarcinii nu este afectată de circuitu I și metoda de decuplare.Disconnect capacitors have a capacity of C d = 60pF each. The highlighting of the reduction of the alternative component of the i dc current was made by comparing the results obtained with the 5 decoupling method invented, compared to the classic case of an inverter in the H-bridge without decoupling. Thus, FIG. 3a and fig. 3b illustrates the current i dc and the voltage u dc in the two cases. A significant decrease in the oscillating component is observed. Also, the harmonic analysis of the current i dc , from fig. 3c shows a substantial attenuation of the main alternating component of 9 100Hz. FIG. 3d and fig. 3e shows the voltages on a decoupling capacitor and on the load, respectively the currents through the capacitor, filter and load. The voltage waveform on a decoupling capacitor is observed to be similar to that of FIG. 2a, and the current through the same capacitor contains, in addition to the low frequency harmonic components, a ripple produced by the 13 switching of the transistors. It should be noted that the output voltage u o does not suffer from visible harmonic distortions, the total voltage distortion factor being about 2%, so the load supply is not affected by circuit I and the decoupling method.

Claims (1)

RevendicareClaim 1. Metodă de decuplare a puterii oscilante pentru invertoare monofazate, care asigură decuplarea componentei oscilatorii a puterii instantanee a unui invertor (1) în punte H, comandat cu pulsuri modulate în lățime (PWM), ce este alimentat printr-o linie (2) de curent continuu, punctele mediane ale celor două brațe ale punții invertorului fiind conectate la două bobine (3) de filtrare, iar la bornele de ieșire ale bobinelor fiind conectate două condensatoare (4) nepolarizate de c.a. destinate decuplării componentei oscilante a puterii instantanee de ieșire, celelalte două terminale ale condensatoarelor fiind conectate împreună la una din bornele (5) de c.c., DC+ sau DC- ale invertorului, iar ieșirea (6) diferențială a invertorului putând alimenta o sarcină, și este caracterizată prin aceea că, constă în următoarele etape:1. Method of decoupling the oscillating power for single-phase inverters, which ensures the decoupling of the oscillating component of the instantaneous power of an inverter (1) in the H-bridge, controlled by width-modulated pulses (PWM), which is fed by a line (2) of direct current, the midpoints of the two arms of the inverter bridge being connected to two filter coils (3), and to the output terminals of the coils being connected two non-polarized capacitors (4) intended to disconnect the oscillating component of the instantaneous output power, the other two terminals of the capacitors being connected together to one of the terminals (5) of DC, DC + or DC- of the inverter, and the differential output (6) of the inverter can supply a load, and is characterized in that it consists of the following stages: - se generează două tensiuni uAB și ucomp de către o structură de reglare formată din două subsisteme principale, un subsitem (7) care furnizează valoarea de referință a tensiunii diferențiale de ieșireuAB și alt subsitem (8) care furnizează o tensiune de compensareu comp calculată în funcție de puterea aparentă S a sarcinii de la ieșirea invertorului, pulsația tensiunii de ieșire ω, unghiul de defazaj φ dintre tensiunea și curentul de sarcină și capacitatea condensatoarelor de decuplare Cd - two voltages u AB and u comp are generated by a control structure consisting of two main subsystems, one subsystem (7) which provides the reference value of the differential output voltage AB and another subsystem (8) which provides a compensation voltage u comp calculated according to the apparent power S of the load at the inverter output, the pulsation of the output voltage ω, the phase shift angle φ between the voltage and the load current and the capacitance of the disconnect capacitors C d - se înmulțește semnalul uAB cu un factor 1/2 într-un bloc de amplificare (9), semnalul rezultat se adună prin intermediul unui sumator (10) cu semnalul ucomp , rezultând o tensiune de comandă uA , care împărțită prin intermediul unui bloc de divizare (11) la tensiunea de pe linia de c.c. Udc, furnizează un semnal cu factorul de umplere D A pentru primul braț al invertorului,- multiply the signal u AB by a factor of 1/2 in an amplification block (9), the resulting signal is summed by means of an adder (10) with the signal u comp , resulting in a control voltage u A , which divided by a splitting block (11) at the voltage on the DC line U dc , provides a signal with the filling factor D A for the first arm of the inverter, - se scade semnalul uAB înmulțit cu un factor 1/2 în blocul de amplificare (9), din tensiunea ucomp într-un sumator (12), rezultând o tensiune de comandă ub , care împărțită prin intermediul unui bloc de divizare (13) la tensiunea de pe linia de c.c. Udc, furnizează un semnal cu factorul de umplere DB pentru cel de-al doilea braț al invertorului,- subtract the signal u AB multiplied by a factor of 1/2 in the amplification block (9), from the voltage u comp in an adder (12), resulting in a control voltage u b, which is divided by a division block ( 13) at the voltage on the DC line U dc , provides a signal with the filling factor D B for the second arm of the inverter, - se comandă cu cele două semnale DA și DB tranzistoarele TrT4 din cadrul punții H a invertorului (1) prin intermediul unui generator (14) de pulsuri PWM, asigurându-se astfel decuplarea componentei oscilatorii a puterii instantanee a invertorului (1).- the transients T r T 4 in the H-bridge of the inverter (1) are controlled by the two signals D A and D B by means of a PWM pulse generator (14), thus ensuring the decoupling of the oscillating component of the instantaneous power of the inverter ( 1).
ROA201400611A 2014-08-11 2014-08-11 Method for decoupling the oscillating power for single-phase inverters RO130090B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ROA201400611A RO130090B1 (en) 2014-08-11 2014-08-11 Method for decoupling the oscillating power for single-phase inverters

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ROA201400611A RO130090B1 (en) 2014-08-11 2014-08-11 Method for decoupling the oscillating power for single-phase inverters

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RO130090A0 RO130090A0 (en) 2015-02-27
RO130090B1 true RO130090B1 (en) 2020-12-30

Family

ID=52544120

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
ROA201400611A RO130090B1 (en) 2014-08-11 2014-08-11 Method for decoupling the oscillating power for single-phase inverters

Country Status (1)

Country Link
RO (1) RO130090B1 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107508479B (en) * 2017-08-01 2024-01-30 华东交通大学 Four-switch alternating-current side power decoupling circuit and decoupling control method

Also Published As

Publication number Publication date
RO130090A0 (en) 2015-02-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Lee et al. Improved single-phase split-source inverter with hybrid quasi-sinusoidal and constant PWM
US9859814B2 (en) Method and apparatus for independent control of multiple power converter sources
Liu et al. An active damping method using inductor-current feedback control for high-power PWM current-source rectifier
Shaffer et al. A common-ground single-phase five-level transformerless boost inverter for photovoltaic applications
US9608447B2 (en) Solar photovoltaic three-phase micro-inverter and a solar photovoltaic generation system
Mohan et al. A comparative analysis of multi carrier SPWM control strategies using fifteen level cascaded H-bridge multilevel inverter
CN110323959B (en) Single-phase inverter capable of inhibiting secondary ripple and common-mode leakage current and control method thereof
RU2629005C2 (en) Converter unit with parallelly included multistage semiconductor converters and their control method
KR20120058833A (en) Grid-connected inverter system
Serban A novel transistor-less power decoupling solution for single-phase inverters
JP6396135B2 (en) Power converter
Nair et al. Performance of three phase 11-level inverter with reduced number of switches using different PWM techniques
Itoh et al. Experimental verification of single-phase inverter with power decoupling function using boost-up chopper
KR20130049095A (en) Photovoltaic power generating apparatus and controlling method of the same in grid-connected system
CN102856928A (en) Inverter
RO130090B1 (en) Method for decoupling the oscillating power for single-phase inverters
Khan et al. Switchless power decoupling and switchless leakage current elimination in grid-tied inverters
Mukundan et al. An improved H-bridge multilevel inverter-based multiobjective photovoltaic power conversion system
Duong et al. Switching-cell structure-based generic five-level current-source inverter
Gupta et al. Multi carrier PWM for cascade topology of multilevel inverter
JP2012143060A (en) System linkage device
Ghias et al. Performance evaluation of a five-level flying capacitor converter with reduced DC bus capacitance under two different modulation schemes
Serban Improved control method for single-phase inverters with a minimalist power decoupling circuit
Aganza-Torres et al. Decoupling capacitor minimization in HF-link single-phase cycloconverter based microinverter
Tran et al. A Single-phase cascaded h-bridge quasi switched boost inverter for renewable energy sources applications