专利名称：两级式逆变器中前级变换器二次谐波电流的抑制方法及其控制电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种两级式逆变器中前级变换器低频脉动电流的抑制方法及其控制电路，属于新能源发电和功率电子变换的范畴。
背景技术：
随着能源危机和环境污染问题日益严重，新能源的开发与利用越来越受到人们的重视。目前，新能源的主要开发与利用方式是分布式发电，其中逆变器是其重要组成核心。 根据逆变器的组成级数，可分为单级式与两级式两大类。由于新能源供电单元存在间隙性与随机性的缺点，逆变器的输入电压变化范围往往较宽。两级式逆变器可以利用前级直流变换器进行调压，从而有利于后级逆变器进行优化设计，因而被广泛地应用于分布式发电系统。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，致使前级直流变换器中存在二倍输出电压频率的二次谐波电流。该二次谐波电流不仅会增大开关管的电流应力，还会增加开关管的导通损耗以及磁芯损耗，当前级直流变换器采用软开关技术时，二次谐波电流的存在还将减小开关管的软开关范围，从而不利于提高变换器效率。因此，需要采用一定的方法来抑制该二次谐波电流。增大母线电容有利于减小前级直流变换器中的二次谐波电流，这种方法简单，却增加了电路体积，不利于提高变换器的功率密度。通过在中间母线上并接双向变换器的方法可以达到以较小的电容来抑制二次谐波电流的目的，但其增加了系统的复杂程度，不利于提高系统的可靠性，且附加了系统损耗。当前级直流变换器采用单电压环控制时，通过降低电压环的截止频率或者在控制环路中加入带阻滤波器可以有效抑制二次谐波电流，但其抑制能力有限，二次谐波电流所能达到的最小脉动量与前级直流变换器采用开环控制时相同。基于虚拟电阻的二次谐波电流抑制方法，通过在前级直流变换器的控制环路中引入电感电流比例反馈并同时降低电压外环带宽，能够进一步提高二次谐波电流的抑制能力。但是，这种方法使得前级直流变换器电压外环截止频率较低，致使其动态特性较差，当负载发生突变时，中间母线电压会出现明显的跌落和过冲现象。母线电压的明显跌落可能导致逆变器输出电压出现“削顶”现象，从而影响动态过程中负载的供电质量，而母线电压的明显过冲则会大幅增大后级逆变器开关管的电压应力。因此，需要寻找新的控制策略，使其不仅能显著抑制前级直流变换器中的二次谐波电流，还能改善其动态特性，从而优化变换器的工作性能。
发明内容
本发明的目的是针对两级式逆变器中的前级直流变换器，提出一种基于带通滤波器电流内环的二次谐波电流抑制方法。本发明的另一目的是提供一种适用于两级式逆变器中前级直流变换器的控制电路。采用该种控制方法前级直流变换器控制电路的工作原理如下电压采样电路检测中间母线电压，将其与电压基准信号进行比较后，产生误差信号送入电压调节器；电流采样电路检测前级直流变换器的电感电流，并将其送入带通滤波器；带通滤波器的输出信号与电压调节器的输出信号经过加法器相加产生调制信号；将调制信号送入PWM调制电路并经过驱动电路得到开关管的驱动信号，从而控制前级直流变换器进行工作。该两级式逆变器中前级直流变换器的控制电路包括电压调节器、加法器、PWM调制器以及驱动电路，该控制电路还包括带通滤波器，该带通滤波器采用单级式结构或采用多级式结构，该带通滤波器的输入端连接至前级直流变换器电流采样电路的输出端，输出端连接至所述加法器输入端。上述两级式逆变器中的前级直流变换器采用的是Buck类直流变换器。 上述的电压调节器采用的是比例-积分调节器，亦可以是其他类型的补偿网络。本发明与现有技术相比，其主要特点如下采用基于带通滤波器电流内环的二次谐波电流抑制方法不仅能够显著抑制前级直流变换器中的二次谐波电流，还能够提高前级直流变换器电压外环的截止频率从而加快其动态响应速度，使得其工作特性得到优化。
附图I是现有两级式逆变器的结构框图。附图2是简化的现有两级式逆变器的电路原理图。附图3是在滤波电感支路中串联RLC并联支路的电路原理图。附图4是本发明基于带通滤波器电流内环二次谐波电流抑制方法的控制框图。附图5是本发明前级直流变换器的控制电路原理图。附图6是本发明几种其他形式带通滤波器和电压调节器的硬件电路原理图。附图6 包括 6-1 ；6-2 ；6-3 ；6-4 和 6-5。附图7是现有的前级直流变换器的控制电路原理图。附图8是本发明两级式逆变器的稳态实验波形。附图9是本发明两级式逆变器在负载突变过程中的动态实验波形。附图10是本发明两级式逆变器在输入电压突变过程中的动态实验波形。上述附图中的主要符号名称其中Vin为前级Buck类直流变换器的输入电压，LfS滤波电感，Cf为滤波电容，Zl为逆变器输出负载，Idc为后级逆变器输入电流中的直流分量，i2nd为后级逆变器输入电流中的低频脉动分量，Vm是锯齿载波的幅值，Hv为电压采样系数，Gv(S)为电压调节器的传递函数，Gbpf(S)为带通滤波器的传递函数，R1^ R2、R3、R4、R5、Ra、Rb为组成带通滤波的电阻，CpC2为其中的电容，R7、R8为组成电压调节器的电阻，C3为其中的电容，R为组成加法器的电阻，AvctS中间母线电压脉动，为前级直流变换器的电感电流，i0为逆变器输出电流，V0为逆变器输出电压。
具体实施方式
附图I给出了两级式逆变器的结构框图，它由前级Buck类直流变换器级联后级逆变器组成。由于后级逆变器的瞬时输出功率中包含二倍输出电压频率的脉动功率，致使前级直流变换器中存在二倍输出电压频率的二次谐波电流。本发明即要针对该前级Buck类直流变换器提出一种基于带通滤波器电流内环的二次谐波电流抑制方法。附图2给出了简化的两级式逆变器的电路原理图。由该图可见，逆变器输入端的二次谐波电流由电感支路与电容支路共同分担。为了减小滤波电感支路中的二次谐波电流，需要改变滤波电感支路的支路阻抗从而降低该支路与滤波电容支路对二次谐波电流的分流比，这可以通过在滤波电感支路中串联阻抗的方法来实现。基于虚拟电阻的二次谐波电流抑制方法等效于在滤波电感支路中串联了电阻。尽管串联电阻能够显著减小二次谐波电流，但是其大幅降低了补偿前系统的低频段环路增益，从而导致前级直流变换器电压外环的带宽难以提闻。事实上，为了减小二次谐波电流，只需要增大在二倍输出电压频率处电感支路的支路阻抗，并不需要通过串联电阻从而提高电感支路在全频段的支路阻抗。利用电感与电 容分别在高频段和低频段呈现低阻抗的性质，在所串联的电阻上同时并联电感和电容，并通过设计保证所并联的电感与电容在二倍输出电压频率处发生并联谐振，如附图3所示，则在电感支路中所串联的RLC并联支路只显著提高二倍输出电压频率处电感支路的支路阻抗，而对电感支路其他频率段的支路阻抗影响较小。此时，RLC并联支路的加入只降低补偿前系统在二倍输出电压频率附近的环路增益，而对低频段的环路增益影响较小，这将有利于提高电压外环的截止频率。附图3中的RLC并联支路可以通过引入带通滤波器电流内环的方法来进行虚拟，此即本发明所提出的基于带通滤波器电流内环的二次谐波电流抑制方法。附图4所示为本发明所提出的基于带通滤波器电流内环的二次谐波电流抑制方法的控制框图，图中Gbpf(S)为带通滤波器，Gv(s)为电压调节器，Hv为中间母线电压采样系数。该控制框图的工作原理如下中间母线电压经过采样后得到电压采样信号f，将其与电压基准信号进行比较作差后产生误差信号，再通过电压调节器后产生输出信号V。；采样滤波电感电流L并将其通过带通滤波器，产生输出信号Vi ;将V。与Vi作差，其结果即为调制信号 ' ;最后将'通过PWM调制电路产生占空比从而控制前级直流变换器的开关管进行开通和关断。附图5给出了在该种控制方式下，前级直流变换器的控制电路原理图，它由带通滤波器、电压调节器、加法器、PWM调制器以及驱动电路组成。其中前级直流变换器的电感电流采样信号f作为带通滤波器的输入信号，中间母线电压的采样信号f以及电压基准信号分别作为电压调节器反相输入端和同相输入端的输入信号，带通滤波器的输出信号Vi与电压调节器的输出信号V。分别连接至加法器的两个输入电阻，加法器的输出信号为调制信号连接至PWM调制器的同相输入端，驱动电路的输出信号Q1In分别与前级直流变换器相应的开关管连接。该控制电路的具体工作原理如下分压电阻网络R9、R1(i采样前级直流变换器的中间母线电压Vra，得到电压采样信号vCf—f，将其通过电压调节器与电压基准信号Vref进行比较放大后产生输出信号V。；前级直流变换器的滤波电感电流流经采样电阻Rs产生电流采样信号f，将其送入带通滤波器后产生输出信号Vi ；电压调节器的输出信号V。与带通滤波器的输出信号Vi经过加法器相加产生调制信号 ' ;将 ' 送入PWM调制电路并经过图腾柱驱动电路放大后得到开关管的驱动信号Q1In,继而控制前级直流变换器相应的开关管进行开通与关断。需要说明的是，附图5所示的硬件电路实现方案不唯一。上述控制电路中的带通滤波器可以采用单级式结构，也可以采用多级式结构，其硬件电路具有多种实现方案，但只要其能够从电流采样信号iw—f中提取出二倍逆变器输出电压频率的信号即可。电压调节器可以采用PI调节器，亦可以采用单零点单极点、双零点双极点等其他形式的补偿网络。附图6分别给出了几种其他形式带通滤波器和电压调节器的硬件电路原理图，其中附图6-1实例属于单级式带通滤波器，附图6-2和6-3实例属于多级式带通滤波器，附图6-4实例是一个单零点单极点的补偿网络，附图6-5实例是一个双零点双极点的补偿网络。如果去掉附图5中带通滤波器的后级以及附图6-2和6-3带通滤波器实例的后 级，则这些多级式结构相应地转换为单级式结构。附图5只是给出了一种可行的硬件电路实现方案的电路原理图，其中带通滤波器采用的是两级式结构，电压调节器采用的是PI调节器。附图7给出了现有的基于虚拟电阻二次谐波电流抑制方法的控制电路原理图。对比附图5与附图7可见，本发明所提出的基于带通滤波器电流内环的二次谐波电流抑制方法，实质上是用一个带通滤波器取代了附图7中的比例调节器。该带通滤波器具有只提取放大电流采样信号f中二倍逆变器输出电压频率信号的作用，因而只增大在二倍输出电压频率处电感支路的支路阻抗，却不影响其他频段的电感支路阻抗，从而使得本发明所提出的二次谐波电流抑制方法对低频段的环路增益影响较小，有利于提高电压外环的截止频率。附图5中的带通滤波器是一个两级式的带通滤波器，它由前级固定Q1值的带通滤波器和后级同相放大器组成，其中运算放大器、电阻R1 R3、Ra、Rb，以及电容Cp C2构成前级固定Q1值的带通滤波器，运算放大器、电阻R4 R6构成后级同相放大器，通过调节后级同相放大器的增益，可以调节该带通滤波器的等效Q值。附图5中带通滤波器的连接方式如下电阻R1串联电容C2与前级运算放大器的同相输入端相接，电容C1并接在R1与C2的连接点和信号地之间，电阻R2并接在前级运算放大器的同相输入端和信号地之间，电阻R2跨接在R1与C2的连接点和前级运算放大器的输出端之间，电阻Ra并接在前级运算放大器的反相输入端和信号地之间，电阻Rb，作为反馈电阻连接于前级运算放大器的反相输入端和输出端之间，电阻R4作为输入电阻连接于前级运算放大器的输出端和后级运算放大器的同相输入端，电阻R5作为反馈电阻连接于后级运算放大器的反相输入端和输出端之间，电阻R6并接在后级运算放大器的反相输入端和信号地之间。附图5中带通滤波器的设计方法如下取R1 = R2 = R3 = LC1=C2=C,则该带通滤波器的传递函数、中心频率值，通带增益A。以及等效Q值的表达式分别为
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^tBPF (^) — '7(sRCf+s 3-^ RC+ 2
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权利要求
1.一种适用于两级式逆变器中前级直流变换器的控制电路，该控制电路包括电压调节器、加法器、PWM调制器以及驱动电路，其特征在于该控制电路还包括带通滤波器，该带通滤波器采用单级式结构或采用多级式结构，该带通滤波器的输入端连接至前级直流变换器电流采样电路的输出端，输出端连接至所述加法器输入端。
2.根据权利要求I所述的控制电路，其特征在于该带通滤波器为一个两级式的带通滤波器，它由前级固定Q1值的带通滤波器和后级同相放大器组成，其中运算放大器、电阻R1 R3、Ra、Rb，以及电容CpC2构成前级固定Q1值的带通滤波器，运算放大器、电阻R4 R6构成后级同相放大器。
3.根据权利要求2所述的控制电路，其特征在于所述带通滤波器的电阻R1串联电容C2与前级运算放大器的同相输入端相接，电容C1并接在R1与C2的连接点和信号地之间，电阻R2并接在前级运算放大器的同相输入端和信号地之间，电阻R2跨接在R1与C2的连接点和前级运算放大器的输出端之间，电阻Ra并接在前级运算放大器的反相输入端和信号地之间，电阻Rb，作为反馈电阻连接于前级运算放大器的反相输入端和输出端之间，电阻R4作为输入电阻连接于前级运算放大器的输出端和后级运算放大器的同相输入端，电阻R5作为反馈电阻连接于后级运算放大器的反相输入端和输出端之间，电阻R6并接在后级运算放大器的反相输入端和信号地之间。
4.根据权利要求I所述的控制电路，其特征在于其中，电压调节器采用PI调节器，或采用单零点单极点或者双零点双极点形式的补偿网络。
5.两级式逆变器中前级变换器二次谐波电流的抑制方法，其特征在于该方法包括以下步骤 中间母线电压经过采样后得到电压采样信号f，将其与电压基准信号Vref进行比较作差后产生误差信号，再通过电压调节器后产生输出信号V。; 采样滤波电感电流L并将其通过带通滤波器，产生输出信号Vi ; 将V。与Vi作差，其结果即为调制信号' ; 最后将 ' 通过PWM调制电路产生占空比从而控制前级直流变换器的开关管进行开通和关断。
6.根据权利要求6所述的抑制方法，其特征在于该方法具体步骤如下分压电阻网络R9^R10采样前级直流变换器的中间母线电压vra，得到电压采样信号f，将其通过电压调节器与电压基准信号Vm进行比较放大后产生输出信号V。； 前级直流变换器的滤波电感电流L流经采样电阻Rs产生电流采样信号f，将其送入带通滤波器后产生输出信号Vi ； 电压调节器的输出信号V。与带通滤波器的输出信号Vi经过加法器相加产生调制信号 将 ' 送入PWM调制电路并经过图腾柱驱动电路放大后得到开关管的驱动信号Q1In,继而控制前级直流变换器相应的开关管进行开通与关断。
全文摘要
本发明两级式逆变器中前级变换器二次谐波电流的抑制方法及其控制电路。该方法不仅能够显著抑制前级直流变换器中的低频脉动电流，还能够改善其动态性能，加快动态响应速度。前级直流变换器的控制电路由带通滤波器、电压调节器、加法器、PWM调制器以及驱动电路组成，其工作原理如下电压采样电路检测中间母线电压，将其与电压基准信号比较后，产生误差信号送入电压调节器；电流采样电路检测前级直流变换器的电感电流，并将其通过带通滤波器的输出信号与电压调节器的输出信号经过加法器相加产生调制信号；将调制信号送入PWM调制电路并经过驱动电路得到开关管的驱动信号，从而控制前级直流变换器进行工作。
文档编号H02M1/14GK102843020SQ20121032872
公开日2012年12月26日 申请日期2012年9月6日 优先权日2012年9月6日
发明者张力, 任小永, 阮新波 申请人:南京航空航天大学