一种单相逆变器及其波形控制方法
【专利摘要】本发明涉及电力电子【技术领域】，具体涉及一种单相逆变器及其波形控制方法。一种单相逆变器，包括输入直流电源Vdc，由4个功率开关管和与其反并联的4个续流二极管组成单相全桥逆变电路、滤波电感L、滤波电容C、负载Z、电压传感器VSEN、电流传感器ISEN、A/D转换电路、数字控制器和驱动电路。本发明当谐波含量大时，调整可调系统的参数K，使重复控制器起主要作用，使系统具有更好的稳定性；当谐波含量小时，调整可调系统的参数K，使PI控制器起主要作用，使系统具有较快的响应速度。该控制方案融合重复控制和PI控制各自的特点，充分发挥复合控制的优势，使系统具有输出波形好,动态响应快,适应负载的能力强等优点。
【专利说明】一种单相逆变器及其波形控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力电子【技术领域】，具体涉及一种单相逆变器及其波形控制方法。
【背景技术】
[0002]在各种电力电子装置中，逆变器的应用范围是最广泛的，但是逆变器的应用领域中面临着很多非线性问题，从而影响了逆变器输出电压波形质量。在这些非线性因素中，整流性负载占有相当比重。这些非线性整流性负载由于二极管周期性的导通和关断，整个电路的拓扑结构呈周期性变化，使得逆变器的输出电流畸变为一系列的尖顶窄脉冲，由于逆变器的输出阻抗不为零且在谐振频率附近的值很大，负载电流将在输出阻抗上形成压降，其谐波成分将引起电源输出端电压的波形畸变，电压THD值会超过5%，严重时会达到10%以上，远远超出供电质量标准，同时也会对接在逆变电源供电系统上的其它用电设备造成影响，严重时会在电路中产生震荡从而导致元器件损坏。对于电压型逆变器系统而言，为了防止桥臂直通而设置的死区延时也会对输出电压波形造成影响。
[0003]为了解决逆变电源输出波形失真，可以通过闭环控制方法减小输出电压的谐波，现有的控制方法包括:重复控制，PI控制，状态反馈控制，滑模控制，无差拍控制等；单一的控制存在各种不足之处，为了解决单一控制方式的不足，可以采用复合控制，目前最常用的复合控制是PI双闭环+重复控制，但在论文“基于电压控制模式的PV系统并网技术”中提到这种复合控制方案没有能有效发挥瞬时值调节器的能力，动态响应仍不理想，其原因在于，在这种复合方案下，重复控制和PID调节器的输入均为系统的跟踪误差，两个调节器对同一误差进行调节，结果两个调节量相互干扰。由于目前还没有一种完善的复合控制器整体设计方法，而两个控制器各自独立设计时又无法准确地考虑彼此的引入对原有控制模型产生的影响，因此系统的性能得不到保证；从另一个角度看，只使用重复控制器的效果是使输出完全的跟踪给定，输出电压和给定指令无相差，而只采用PID调节器时，系统输出和给定通常是有相差的，两者的调节特性不同，如果直接将其强行并到一起，可能会造成调节效果的混乱。由于以上两个因素的存在，为了保证系统的稳定性和稳态输出指标，通常是将P、I参数取小，但这样便直接牺牲了瞬时值调节器的动态响应能力，最后往往达不到了引入瞬时值控制的初衷。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种具有更好的动、静态性能的单相逆变器，本发明的目的还在于提供一种单相逆变器的波形控制方法。
[0005]本发明的目的是这样实现的:
[0006]一种单相逆变器，包括输入直流电源Vd。，由4个功率开关管和与其反并联的4个续流二极管组成单相全桥逆变电路、滤波电感L、滤波电容C、负载Z、电压传感器VSEN、电流传感器ISEN、A/D转换电路、数字控制器和驱动电路，第一功率开关管VTl的发射极E端接至第二功率开关管VT2的集电极C端构成一个桥臂1，第三功率开关管VT3的发射极E端接至第四功率开关管VT4的集电极C端构成桥臂2，桥臂I的第一功率开关管VTl的集电极C端与桥臂2的第三功率开关管VT3的集电极C端连接，桥臂I的第二功率开关管VT2的发射极E端与桥臂2的第四功率开关管VT4的集电极E端连接；直流电源Vd。的正极接至第一功率开关管VTl和第三功率开关管VT3的集电极C端，Vdc的负极接至第二功率开关管VT2和第四功率开关管VT4的发射极E端；滤波电感L 一端与桥臂I的中点A连接，滤波电感L另一端与滤波电容C连接，滤波电容C的另一端接至桥臂2的中点B上；负载Z并联在电容C的两端；电压传感器VSEN的两端并联接到电容C的两端，电流传感器ISEN串联到电感L与电容C连接的线路上；将电压传感器VSEN检测到的输出电压信号U。和电流传感器ISEN检测到的电流信号k馈入A/D转换电路，A/D转换电路将U。和k转换成数字信号送给数字控制器；在数字控制器中对输出正弦电压U。进行谐波频谱计算，实时地提取U。特定频率的谐波的频谱，在自适应机构中根据这些谐波频谱计算得到功率谱实时地调节可调系统的参数K，与此同时将输出电压U。和参考电压uMf送入减法器Al得到的误差e送入谐波提取环节，提取误差e谐波成分送给重复控制Gip补偿得到调节值u2，将U2与可调系统K作乘积得到补偿信号U3=Ku2,与此同时将误差e送给Gv调节得到U然后将L和L送入减法器A2，将得到的信号送入G。调节得到调节值U1，最后将信号U2和U3送给加法器A3得到补偿信号Uffl=U^U3,将Um送给SPWM调制器生成PWM信号，再将PWM信号送给驱动电路形成驱动脉冲信号，最后将驱动脉冲信号送给4个功率开关管VTl~VT4的门极G端。
[0007]负载Z是线性负载或非线性负载。
[0008]单相逆变器的波形控制方法包括:直流输入电源Vd。经单相全桥逆变电路后逆变为交流电，再经过LC滤波电路后，输出正弦电压U。和正弦电流k送给负载Z，使用电压传感器VSEN和电流传感器ISEN分别检测出输出正弦电压U。和正弦电流L再将U。和k送入A/D转换电路转换成数字信号，最后将该数字信号送给数字控制器，在数字控制器中，将检测到的输出电压U。与给定的参考电压uMf送入减法器Al作比较得到误差e，与此同时对输出电压U。进行谐波频谱计算，对输出电压信号U。进行傅里叶级数分解，实时地提取出输出电压信号U。特定频率的谐波的频谱，然后将得到的谐波频谱送入自适应机构中，在自适应机构中对这些谐波频谱进行计算得到功率谱S (ω )，利用最小二乘算法以使谐波信号功率谱S (ω)最小为原则实时地调节可调系统的参数K:
【权利要求】
1.一种单相逆变器，包括输入直流电源vd。，由4个功率开关管和与其反并联的4个续流二极管组成单相全桥逆变电路、滤波电感L、滤波电容C、负载Z、电压传感器VSEN、电流传感器ISEN、A/D转换电路、数字控制器和驱动电路，其特征是:第一功率开关管VTl的发射极E端接至第二功率开关管VT2的集电极C端构成一个桥臂1，第三功率开关管VT3的发射极E端接至第四功率开关管VT4的集电极C端构成桥臂2，桥臂I的第一功率开关管VTl的集电极C端与桥臂2的第三功率开关管VT3的集电极C端连接，桥臂I的第二功率开关管VT2的发射极E端与桥臂2的第四功率开关管VT4的集电极E端连接；直流电源Vd。的正极接至第一功率开关管VTl和第三功率开关管VT3的集电极C端，Vd。的负极接至第二功率开关管VT2和第四功率开关管VT4的发射极E端；滤波电感L 一端与桥臂I的中点A连接，滤波电感L另一端与滤波电容C连接，滤波电容C的另一端接至桥臂2的中点B上；负载Z并联在电容C的两端；电压传感器VSEN的两端并联接到电容C的两端，电流传感器ISEN串联到电感L与电容C连接的线路上；将电压传感器VSEN检测到的输出电压信号U。和电流传感器ISEN检测到的电流信号k馈入A/D转换电路，A/D转换电路将U。和k转换成数字信号送给数字控制器；在数字控制器中对输出正弦电压U。进行谐波频谱计算，实时地提取U。特定频率的谐波的频谱，在自适应机构中根据这些谐波频谱计算得到功率谱实时地调节可调系统的参数K，与此同时将输出电压U。和参考电压uMf送入减法器Al得到的误差e送入谐波提取环节，提取误差e谐波成分送给重复控制Gip补偿得到调节值u2，将U2与可调系统K作乘积得到补偿信号U3=Ku2，与此同时将误差e送给Gv调节得到U然后将k和h送入减法器A2，将得到的信号送入G。调节得到调节值U1，最后将信号U2和U3送给加法器A3得到补偿信号um=ui+u3，将Um送给SPWM调制器生成PWM信号，再将PWM信号送给驱动电路形成驱动脉冲信号，最后将驱动脉冲信号送给4个功率开关管VTl~VT4的门极G端。
2.根据权利要求1所述的一种单相逆变器，其特征在于:所述的负载Z线性负载或非线性负载。
3.一种单相逆变器`的波形控制方法，其特征是:直流输入电源Vd。经单相全桥逆变电路后逆变为交流电，再经过LC滤波电路后，输出正弦电压U。和正弦电流k送给负载Z，使用电压传感器VSEN和电流传感器ISEN分别检测出输出正弦电压U。和正弦电流L再将U。和k送入A/D转换电路转换成数字信号，最后将该数字信号送给数字控制器，在数字控制器中，将检测到的输出电压U。与给定的参考电压uMf送入减法器Al作比较得到误差e，与此同时对输出电压U。进行谐波频谱计算，对输出电压信号U。进行傅里叶级数分解，实时地提取出输出电压信号U。特定频率的谐波的频谱，然后将得到的谐波频谱送入自适应机构中，在自适应机构中对这些谐波频谱进行计算得到功率谱S (ω )，利用最小二乘算法以使谐波信号功率谱S(GJ)最小为原则实时地调节可调系统的参数K:
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Uc = C0 + ^ αμ co% n(oi + bn sin，
n=\ 式中11。是输出电压信号，ω =2π/τ是基波角频率，T是信号的周期，C。是直流分量，an，bn是相互正交的三角函数的幅值，
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CQ = ~ ^ui
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【文档编号】H02M1/12GK103516249SQ201310481256
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年10月15日 优先权日:2013年10月15日
【发明者】游江, 张国千, 孟繁荣, 罗耀华, 巩冰 申请人:哈尔滨工程大学