消除单相背靠背变流器装置二次纹波的电路及方法与流程

本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种消除单相背靠背变流器装置二次纹波的电路及方法。

背景技术：

单相背靠背变流器装置因其网侧的正弦电流、四象限能量流动以及直流侧电压可控等优点，广泛应用于电力系统中。常规单相背靠背变流器装置采用ac-dc-ac结构，中间直流部分用电容实现能量的传递。这种常规结构正常工作中会产生不可忽略的二次纹波，这导致了单相背靠背变流器装置的直流侧电路需要一个大容值的电解电容，用来吸收二次纹波功率从而稳定直流侧电路电压。而电解电容体积大，功率密度低，成本高，寿命短约为5000小时，严重影响了整个装置的体积和寿命。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种消除单相背靠背变流器装置二次纹波的电路及方法，以解决相关技术中单相背靠背变流器装置，其直流侧电路需采用大容值的电解电容吸收二次纹波，导致单相背靠背变流器装置体积大，寿命短的技术问题。

第一方面，提供了一种消除单相背靠背变流器装置二次纹波的电路，包括：

单相h桥主电路，其包括并联的第一桥臂和第二桥臂，所述第一桥臂包括串联的开关器件s1、s2以及s3，所述第二桥臂包括串联的开关器件s4、s5以及s6，所述开关器件s1和s2之间、s2和s3之间设有连接点a、c，所述开关器件s4和s5之间、s5和s6之间设有连接点b、d；

第一交流侧电路，其与连接点a和连接点c连接；

第二交流侧电路，其与连接点b和连接点d连接；

直流侧电路，其设有与所述单相h桥主电路并联的电容cdc；

控制电路，其被配置为：

所述控制电路用于调节连接点a和b两点之间电压uab和连接点c和d两点之间电压ucd；

所述控制电路用于根据电压uab和电压ucd调节连接点a，b，c以及d的调制电压以及

所述控制电路用于根据调制电压以及控制六个开关器件开通和关断，消除直流侧电路上的二次纹波。

一些实施例中，所述控制电路用于以第一交流侧电路的电压us的幅值us和阻抗角θ1作为已知量，并以第一交流侧电路的电流is的幅值is以及电流is和电压us之间的相位角作为控制量，调节连接点a和b两点之间电压uab；

所述控制电路还用于以第一交流侧电路的阻抗角θ1和第二交流侧电路的阻抗角θ2作为已知量，并以第二交流侧电路连接点c和d两点之间电压ucd的幅值u2作为控制量，调节电压ucd。

一些实施例中，所述控制电路用于根据公式pi控制器以及准pr控制器，计算调制电压其中ud为直流侧电路的电容cdc的电压；

所述控制电路用于根据公式以及准pr控制器，计算调制电压

所述控制电路用于根据公式和计算调制电压以及

一些实施例中，所述控制电路用于将调制电压以及转换为脉冲宽度调制pwm控制信号，分别对应控制开关器件s1、s4、s3以及s6。

一些实施例中，所述开关器件s2的pwm控制信号为开关器件s1和s3的pwm控制信号的异或；

所述开关器件s5的pwm控制信号为开关器件s4和s6的pwm控制信号的异或。

第一方面，提供了一种基于上述电路消除单相背靠背变流器装置二次纹波的方法，包括以下步骤：

控制电路调节连接点a和b两点之间电压uab和连接点c和d两点之间电压ucd；

控制电路根据电压uab和电压ucd调节连接点a，b，c以及d的调制电压以及

控制电路根据调制电压以及控制六个开关器件开通和关断，消除直流侧电路上的二次纹波。

一些实施例中，控制电路调节连接点a和b两点之间电压uab和连接点c和d两点之间电压ucd，具体包括以下步骤：

控制电路以第一交流侧电路的电压us的幅值us和阻抗角θ1作为已知量，并以第一交流侧电路的电流is的幅值is以及电流is和电压us之间的相位角作为控制量，调节连接点a和b两点之间电压uab；

控制电路以第一交流侧电路的阻抗角θ1和第二交流侧电路的阻抗角θ2作为已知量，并以第二交流侧电路连接点c和d两点之间电压ucd的幅值u2作为控制量，调节电压ucd。

一些实施例中，控制电路根据电压uab和电压ucd调节连接点a，b，c以及d的调制电压以及具体包括以下步骤：

根据公式pi控制器以及准pr控制器，计算调制电压其中ud为直流侧电路的电容cdc的电压；

根据公式以及准pr控制器，计算调制电压

再根据公式和计算调制电压以及

一些实施例中，控制电路根据调制电压以及控制六个开关器件开通和关断，具体包括以下步骤：

控制电路将调制电压以及转换为脉冲宽度调制pwm控制信号，分别对应控制开关器件s1、s4、s3以及s6。

一些实施例中，开关器件s2的pwm控制信号为开关器件s1和s3的pwm控制信号的异或；

开关器件s5的pwm控制信号为开关器件s4和s6的pwm控制信号的异或。

本发明提供的技术方案带来的有益效果包括：

本发明实施例提供了一种消除单相背靠背变流器装置二次纹波的电路及方法，控制电路通过调节连接点a和b两点之间电压uab和连接点c和d两点之间电压ucd，进而调节桥臂上连接点a，b，c以及d的调制电压以及再根据调制电压以及控制六个开关器件开通和关断，可以消除直流侧电路上的二次纹波，从而大幅度减小直流侧电路电容的容值，直流侧电路电容的容值可采用非电解电容，非电解电容体积小，寿命长，也即减小单相背靠背变流器装置的体积，延长其寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的消除单相背靠背变流器装置二次纹波的电路的示意图；

图2为本发明实施例提供的得到开关器件s1、s4的pwm控制信号的控制流程图；

图3是本发明实施例提供的得到开关器件s3、s6的pwm控制信号的控制流程图；

图4是本发明实施例提供的第一桥臂连接点a、c的调制电压的示意图；

图5是本发明实施例提供的直流侧电路电压ud的电压图；

图6是本发明实施例提供的第一交流侧电路电流is的电流图；

图7是本发明实施例提供的第二交流侧电路电压ucd的电压图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种消除单相背靠背变流器装置二次纹波的电路，用以解决现有单相背靠背变流器装置中，其直流侧电路需设置大容值的电解电容吸收二次纹波，导致单相背靠背变流器装置体积大，寿命短的技术问题。

参见图1所示，一种消除单相背靠背变流器装置二次纹波的电路，包括：单相h桥主电路、第一交流侧电路、第二交流侧电路、直流侧电路以及控制电路。

单相h桥主电路包括并联的第一桥臂和第二桥臂，第一桥臂包括串联的开关器件s1、s2以及s3，第二桥臂包括串联的开关器件s4、s5以及s6，开关器件s1和s2之间、s2和s3之间设有连接点a、c，开关器件s4和s5之间、s5和s6之间设有连接点b、d。优选地，开关器件包括电力场效晶体管、绝缘栅双极型晶体管、门极可关断晶闸管和电力晶体管中的任意一种或者多种的组合。

第一交流侧电路与连接点a和连接点c连接，具体地，第一交流侧电路设有串联的第一电感l1和第一电阻r1。第二交流侧电路与连接点b和连接点d连接，具体地，第二交流侧电路设有串联的第二电感l2和第二电阻r2。直流侧电路设有与单相h桥主电路并联的电容cdc。

控制电路被配置为：

a、控制电路用于控制连接点a和b两点之间电压uab和连接点c和d两点之间电压ucd。

具体地，控制电路用于以第一交流侧电路的电压us的幅值us和阻抗角θ1作为已知量，并以第一交流侧电路的电流is的幅值is以及电流is和电压us之间的相位角作为控制量，调节连接点a和b两点之间电压uab。

控制电路还用于以第一交流侧电路的阻抗角θ1和第二交流侧电路的阻抗角θ2作为已知量，并以第二交流侧电路连接点c和d两点之间电压ucd的幅值u2作为控制量，调节电压ucd。

b、控制电路用于根据电压uab和电压ucd控制连接点a，b，c以及d的调制电压以及

具体地，根据公式pi控制器以及准pr控制器，计算调制电压其中ud为直流侧电路的电容cdc的电压。

根据公式以及准pr控制器，计算调制电压

再根据公式和计算调制电压以及

c、控制电路用于根据调制电压以及控制六个开关器件开通和关断，消除直流侧电路上的二次纹波。

具体地，控制电路将调制电压以及转换为脉冲宽度调制pwm控制信号，分别对应控制开关器件s1、s4、s3以及s6。进一步地，开关器件s2的pwm控制信号为开关器件s1和s3的pwm控制信号的异或；开关器件s5的pwm控制信号为开关器件s4和s6的pwm控制信号的异或。

下面以一组具体参数说明本发明实施例中的消除单相背靠背变流器装置二次纹波的电路的工作原理，具体参数如下表1：

表1

由于整个电路呈现容性，那么第一交流侧电路电压和电流分别为：

ud＝500v

第一交流侧电路的阻抗角由于进线电阻r1阻抗相对于进线电感l1非常小，因此忽略进线电阻，可以计算得出连接点a，b两点之间的电压控制uab：

第二交流侧电路的阻抗角

其中u2为第二交流侧电路连接点c、d两点之间的电压ucd的幅值，如果第二交流侧电路电压ucd的电压峰值也设定为220v，那么连接点c、d两点之间的电压ucd：ucd＝220sin(2πft+67.96°)。

确定连接点a、b之间和连接点c、d两点之间的调制电压和

参见图2，采用pi控制器和准pr控制器，计算得到连接点a、b之间的调制电压根据公式计算得到连接点a的调制电压和连接点b的调制电压

具体地，在图2中，pi控制器传递函数为：

其中k1p，k1r为控制器的比例系数和积分系数，s是一个变量，代表的是s域。取：k1p＝2；k1r＝10。

在图2中，准pr算法的传递函数为：

其中，ω0为谐振角频率，ωc为控制器的截止角频率。k2p，k2r为准pr控制器的系数，s是一个变量，代表的是s域。

取ω0＝2*50*3.14＝314rad/s；

ωc＝2*5*3.14＝31.4rad/s；

k2p＝2.5；

k2r＝6。

参见图3，再采用准pr控制器，计算得到连接点c、d之间的调制电压根据公式计算得到连接点c的调制电压和连接点d的调制电压

具体地，在图3中，准pr控制器的传递函数为：

其中，ω0为谐振角频率，ωc为控制器的截止角频率。k3p，k3r为准pr控制器的系数，s是一个变量，代表的是s域。

取ω0＝2*50*3.14＝314rad/s；

ωc＝2*5*3.14＝31.4rad/s；

k3p＝1.8；

k3r＝5。

将调制电压以及转换为脉冲宽度调制pwm控制信号，分别对应控制开关器件s1、s4、s3以及s6。同时，将开关器件s1和s3的pwm控制信号的异或作为开关器件s2的pwm控制信号，将开关器件s4和s6的pwm控制信号的异或作为开关器件s5的pwm控制信号。

参见图4所示，可以看出连接点a和连接点c的调制电压满足：和参见图5所示，经过约0.02秒后，直流侧电路电压ud基本稳定了。参见图6所示，经过约0.01秒后，第二交流侧电路电压电流is达到理想值。参见图7所示，经过约0.02秒后，第二交流侧电路电压ucd也基本稳定。

通过上述结果可以看出，本发明实施例中的消除单相背靠背变流器装置二次纹波的电路是有效的，可以将直流侧电路的二次纹波消除，二次纹波消除后，可以降低电容的容值，进而可以采用非电解电容。优选地，非电解电容可为薄膜电容，薄膜电容的寿命约为10万小时，寿命远远超过电解电容，体积远远小于电解电容，即实现减小背靠背变流器的体积，增加使用寿命的目的。

本发明实施例还提供一种消除单相背靠背变流器装置二次纹波的方法，包括以下步骤：

i、控制电路调节连接点a和b两点之间电压uab和连接点c和d两点之间电压ucd。

具体地，控制电路以第一交流侧电路的电压us的幅值us和阻抗角θ1作为已知量，并以第一交流侧电路的电流is的幅值is以及电流is和电压us之间的相位角作为控制量，调节连接点a和b两点之间电压uab。

控制电路以第一交流侧电路的阻抗角θ1和第二交流侧电路的阻抗角θ2作为已知量，并以第二交流侧电路连接点c和d两点之间电压ucd的幅值u2作为控制量，调节电压ucd。

ii、控制电路根据电压uab和电压ucd调节连接点a，b，c以及d的调制电压以及

具体地，根据公式pi控制器以及准pr控制器，计算调制电压其中ud为直流侧电路的电容cdc的电压。

根据公式以及准pr控制器，计算调制电压

再根据公式和计算调制电压以及

iii、控制电路根据调制电压以及控制六个开关器件开通和关断，消除直流侧电路上的二次纹波。

具体地，控制电路将调制电压以及转换为脉冲宽度调制pwm控制信号，分别对应控制开关器件s1、s4、s3以及s6。进一步地，开关器件s2的pwm控制信号为开关器件s1和s3的pwm控制信号的异或；开关器件s5的pwm控制信号为开关器件s4和s6的pwm控制信号的异或。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文发明的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。