专利名称：一种瞬时谐波估算及补偿型单相逆变电源及其控制方法
技术领域：
本发明属于电力电子功率变换技术领域，具体涉及一种瞬时谐波估算及补偿型单相逆变电源及其控制方法。
背景技术：
现代逆变技术已被广泛的用于工业和民用领域中的各种功率变换系统和装置中， 其中，单相逆变电源广泛用于办公自动化、医药、通讯及国防等方面。随着逆变技术的发展与应用，对单相逆变器电源提出了更高的要求，在很多场合都要求逆变器的输出电压波形精确地跟踪给定信号，且具有快速的动态响应。针对这些问题，目前有很多控制方案，如数字PID控制、多环反馈加前馈控制、无差拍控制、重复控制、滑模变结构、模糊控制以及神经网络控制等等。数字PID控制可以使控制过程快速、准确、平稳，具有良好的控制效果，但是，在采样频率不够高的情况下，系统的采样量化误差会降低算法的分辨率，使得PID调节器的控制精度变差。无差拍控制在理想状态下，输出能够很好地跟踪给定，波形畸变率很小，但是，对系统参数的变化反应灵敏， 系统的鲁棒性差。重复控制专门克服死区、非线性负载引起的输出波形周期性畸变，但是控制实时性差，动态响应速度慢。此外还有滑模变结构控制，模糊控制，神经网络控制等，每一种控制方法都有其特长，但都在某些方面存在某些缺点。因此，各种控制方法互相结合，优势互补，结合成复合的控制方案是一种必然的发展趋势。
发明内容
针对逆变电源带非线性负载(如整流器)时，由于滤波电感上的谐波电流造成的负载电压波形的失真问题，本发明提供一种瞬时谐波估算及补偿型单相逆变装置及其控制方法，有效减小单相逆变器输出电压的谐波。一种瞬时谐波估算及补偿型单相逆变电源，包括全桥逆变电路、滤波电路、输出电压采样电路、输出电流采样电路、SPWM驱动信号电平转换电路、IGBT驱动电路、显示电路、按键电路、DSP、FPGA和电源电路。所述全桥逆变电路包括一个直流侧滤波电容和四个全控型开关器件IGBT，如图I 所示，四个IGBTg1^ g2>g3>g4中，g:和g4构成一个桥臂，g2和g3构成一个桥臂，gi和g3同时通、断，&和g4同时通、断。全桥逆变电路的作用是四个IGBT在SPWM调制技术的控制下将外部输入的直流电Ud(如光伏电池发出的直流电、整流器输出的直流电等等)逆变成某一频率或可变频率的交流电供给负载。所述滤波电路为低通滤波电路，频率较低的基波可以通过低通滤波电路且幅值没有裳减，频率较闻的谐波经过低通滤波电路后幅值会大幅裳减。所述输出电压采样电路包括变压器、比例放大电路、电压信号抬升电路和限幅电路，变压器的输出端经分压电阻后与比例放大器的输入端相连，比例放大器的输出端与电压信号抬升电路的输入端相连，电压信号抬升电路的输出端连接限幅电路，该限幅电路输出端作为输出电压采样电路的输出端与DSP的AD转换引脚相连。所述输出电流采样电路包括霍尔电流传感器、电流信号抬升电路和限幅电路，霍尔电流传感器的输出端经过并联电阻与电压信号抬升电路输入端相连，电压信号抬升电路输出端连接限幅电路，该限幅电路输出端作为输出电流采样电路的输出端与DSP的AD转换引脚相连。所述SPWM驱动信号电平转换电路的输入端与DSP的PWM端口相连，将DSP产生的 SPWM信号转换为符合IGBT驱动电路需要的电平信号。所述IGBT驱动电路选用两个现有技术中的驱动板，每块驱动板驱动全桥逆变电路桥臂上的两个IGBT ；所述显示电路的控制端口与DSP的GPIO端口相连。所述按键电路包括9个四角按键，9个四角按键与DSP的GPIO端口相连，组成九路独立键盘，低电平有效。按键功能分别为复位键、运行键、停止键、确定键、返回键、右键、左键、上键和下键，操作人员可以通过此按键电路与显示电路配合，查看、设置单相逆变电源的各个参数。所述DSP与FPGA之间采用串行外围设备接口(SPI)进行通信，DSP的SPI引脚与 FPGA相应的IO引脚相连。所述电源电路为DSP和FPGA提供所需电源，包括5V转3. 3V电路、5V转I. 8V电路、5V转2. 5V电路和5V转I. 2V电路；5V转3. 3V电路是将外部输入+5V电压转换稳定的 +3. 3V模拟电源和数字电源输出，为减小模拟电源与数字电源之间的干扰，采用滤波电感进行隔离；5V转I. 8V电路是将外部输入+5V电压转换为稳定的+1. 8V模拟电源和数字电源输出；5V转2. 5V电路是将外部输入+5V电压转换为稳定的+2. 5V数字电源输出；5V转I. 2V 电路是将外部输入+5V电压根据R31与R32的比例转换为稳定的+1. 2V数字电源输出。采用上述单相逆变电源进行瞬时谐波估算及补偿的控制方法，具体步骤如下步骤I :对单相逆变电源的输出电压和输出电流进行采样，送至DSP中的AD模块， AD模块对输入的模拟信号离散化转化为数字量；DSP的AD模块的采样周期为T，则第k(k = 0，I，2，……，^ )个采样周期T时刻的输出电压采样值为V (kT)、输出电流采样值为I (kT)。步骤2 =DSP通过SPI将电压采样值V (kT)、输出电流采样值I (kT)发送给FPGA。步骤3 :采用瞬时谐波估算法建立复合观测器，分别对电压采样值V(kT)、输出电流采样值I(kT)中的直流分量、基波分量、各次谐波分量进行估算。瞬时谐波估算法是利用复合观测器从周期信号(V(kT)或I (kT))中在线估算各次谐波。首先假设周期信号为y(kT)，y(kT)可以看作是直流信号ytl(kT)和角频率为 (ω为基波角频率，谐波次数m= 1，2，L，N)的正弦信号ym(kT)之和的模型，这些分量可
以写成一个 N+1 维的空间向量 y(kT) = [y0 (kT) ,Y1 (kT) ,y2 (kT),. . . ,ym (kT),. . . , yN(kT)], 即
权利要求
1.一种瞬时谐波估算及补偿型单相逆变电源，其特征在于包括全桥逆变电路、滤波电路、输出电压采样电路、输出电流采样电路、SPWM驱动信号电平转换电路、IGBT驱动电路、显示电路、按键电路、DSP、FPGA和电源电路；所述全桥逆变电路包括一个直流侧滤波电容和四个全控型开关器件IGBT，四个 IGBTgpgygyg4中,g!和g4构成一个桥臂，g2和g3构成一个桥臂，gi和g3同时通、断，g2和 g4同时通、断；所述滤波电路为低通滤波电路；所述输出电压采样电路包括变压器、比例放大电路、电压信号抬升电路和限幅电路，变压器的输出端经分压电阻后与比例放大器的输入端相连，比例放大器的输出端与电压信号抬升电路的输入端相连，电压信号抬升电路的输出端连接限幅电路，该限幅电路输出端作为输出电压采样电路的输出端与DSP的AD转换引脚相连；所述输出电流采样电路包括霍尔电流传感器、电流信号抬升电路和限幅电路，霍尔电流传感器的输出端经过并联电阻与电压信号抬升电路输入端相连，电压信号抬升电路输出端连接限幅电路，该限幅电路输出端作为输出电流采样电路的输出端与DSP的AD转换引脚相连；所述SPWM驱动信号电平转换电路的输入端与DSP的PWM端口相连；所述IGBT驱动电路选用两个驱动板，每块驱动板驱动全桥逆变电路桥臂上的两个 IGBT ；所述显示电路的控制端口与DSP的GPIO端口相连；所述按键电路包括9个四角按键，9个四角按键与DSP的GPIO端口相连，组成九路独立键盘，低电平有效；所述DSP与FPGA之间采用串行外围设备接口进行通信，DSP的SPI引脚与FPGA相应的IO引脚相连；所述电源电路为DSP和FPGA提供所需电源，包括5V转3. 3V电路、5V转I. 8V电路、5V 转2. 5V电路和5V转I. 2V电路。
2.采用权利要求I所述的瞬时谐波估算及补偿型单相逆变电源进行瞬时谐波估算及补偿的控制方法，其特征在于具体步骤如下步骤I :对单相逆变电源的输出电压和输出电流进行采样，送至DSP中的AD模块，AD模块对输入的模拟信号离散化转化为数字量；DSP的AD模块的采样周期为T，则第k(k = 0,1,2,……，⑴)个采样周期T时刻的输出电压采样值为V (kT)、输出电流采样值为I (kT)；步骤2 : =DSP通过SPI将电压采样值V (kT)、输出电流采样值I (kT)发送给FPGA ； 步骤3 :采用瞬时谐波估算法建立复合观测器，分别对电压采样值V(kT)、输出电流采样值I(kT)中的直流分量、基波分量、各次谐波分量进行估算；瞬时谐波估算法利用复合观测器从周期信号V(kT)或I(kT)中在线估算各次谐波； 首先假设周期信号为y(kT)，y(kT)看作是直流信号ytl(kT)和角频率为πιω (ω为基波角频率，谐波次数m= 1，2，L，N)的正弦信号ym(kT)之和的模型，这些分量写成一个N+1维的空间向量 y(kT) = [y0 (kT), Y1 (kT), y2 (kT), . . . , ym (kT), . . . , yN(kT)],即其中状态转移矩阵Atl = I，输出矩阵Ctl = I ;当m> O时，式(2)中的第m个子块的状态向量
全文摘要
一种瞬时谐波估算及补偿型单相逆变电源及其控制方法，该单相逆变电源，包括全桥逆变电路、滤波电路、输出电压采样电路、输出电流采样电路、SPWM驱动信号电平转换电路、IGBT驱动电路、显示电路、按键电路、DSP、FPGA和电源电路。能够稳定、准确地实现直流电的逆变、输出电压、输出电流的采样和SPWM控制信号的驱动，同时DSP与FPGA的配合使用，能够高效、快速的实现控制算法。本发明方法采用基于D-Q模型的基波跟踪控制保证输出波形峰值和相位的稳态精度具有良好动态响应；采用前馈补偿和反馈补偿能够有效的降低输出电压中的总谐波畸变率及外部噪声干扰，输出电压的波形得到良好的控制。
文档编号H02M1/12GK102611289SQ20121007580
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月21日 优先权日2012年3月21日
发明者刘秀翀, 张化光, 王旭, 纪茂新, 闫士杰 申请人:东北大学