一種消除輸入電流紋波的兩級式逆變器及其控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種消除輸入電流紋波的兩級式逆變器及其控制方法。
【背景技術】
[0002] 隨著能源消耗量的日益增加，儲量有限的化石燃料日益減少并終將枯竭，發展清 潔、高效、可持續發展的新能源動力技術已成為十分緊迫的任務。在新能源及其它分布式發 電系統中，為獲得負載所需的高壓交流電，帶有前級直流變換器的逆變器已得到了廣泛的 應用。例如附圖1所示，為一種典型的反激兩級式逆變器。對于這種系統，交流輸出功率中 含有的兩倍頻功率脈動反饋到直流輸入側表現為低頻電流紋波，會影響蓄電池、燃料電池 等輸入源的使用壽命，嚴重時會干擾直流電源系統的穩定性，因此解決新能源發電系統中 的電流紋波問題，提高新能源的利用效率已刻不容緩。近年來，為了解決這個問題，出現了 一些關于抑制電流紋波的逆變電路拓撲和控制策略。在電路中并聯大電解電容或者LC諧 振電路，通過將諧振電路頻率設計為兩倍輸出頻率，可以實現消除電流紋波的目的，但電解 電容的使用壽命有限，且要濾除低頻電流紋波所需的電感和電容體積都比較大，降低了系 統的可靠性和功率密度。也可在電路中接入有源濾波器，但額外增加的電路必然需要額外 的控制系統，使整個系統都變的較為復雜，不利于一體化。而把輔助電路嵌入到原有的變換 器中，只需適當改進原有的控制方法就可以實現直流輸入側電流紋波的消除。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的在于針對上述逆變器所存在的技術缺陷提供一種消除輸入電流紋 波的兩級式逆變器及其控制方法，該逆變器不僅能夠實現直流變交流的逆變，而且同時消 除了直流輸入側的電流紋波，減小了輸入電流紋波對輸入源的干擾，提高了系統效率。
[0004] 本發明為實現上述目的，采用如下技術方案：
[0005] -種消除輸入電流紋波的兩級式逆變器包括直流電源、輸入電容、原邊開關管、隔 離變壓器、副邊開關管、中間直流母線電容、結構相同的第一逆變橋臂和第二逆變橋臂以及 濾波電路，其中直流電源的正極分別接輸入電容的一端和隔離變壓器的原邊繞組同名端， 直流電源的負極分別接輸入電容的另一端和原邊開關管的發射極，原邊開關管的集電極接 隔離變壓器的原邊繞組異名端，副邊開關管的集電極接隔離變壓器的副邊繞組異名端，兩 個逆變橋臂都包括二個開關管，第一開關管的集電極、副邊開關管的發射極和中間直流母 線電容的一端連接構成逆變橋臂的正輸入端，第二開關管的發射極、隔離變壓器的副邊繞 組同名端和中間直流母線電容的另一端連接構成逆變橋臂的負輸入端，第一開關管的發射 極與第二開關管的集電極連接構成逆變橋臂的輸出端，第一逆變橋臂的輸出端接到濾波電 路的正端，第二逆變橋臂的輸出端接到濾波電路的負端；還包括由隔離變壓器的兩個輔助 繞組、輔助開關管和輔助電容構成的輔助電路，其中輔助開關管包括兩個開關管，隔離變壓 器的輔助繞組由相同匝數的輔助繞組Nxl、Nx2組成，第一輔助開關管的集電極接第一輔助繞 組Nxl的異名端，第一輔助開關管的發射極分別與第二輔助開關管的集電極和輔助電容的 一端相連，第二輔助開關管的發射極接第二輔助繞組Nx2的同名端，輔助電容的另一端分別 接第一輔助繞組Nxl的同名端和第二輔助繞組Nx2的異名端。
[0006] -種消除輸入電流紋波的兩級式逆變器的控制方法，其中，逆變橋臂的控制方法 為傳統單級性PWM調制；還包括以下步驟：
[0007] 步驟A，檢測輔助電容電壓信號，中間直流母線電壓信號，逆變橋臂的輸入電流信 號；
[0008] 步驟B，將步驟A得到的輔助電容電壓信號輸入輔助電容電壓控制電路，獲得輔助 電容電壓擾動信號；
[0009] 步驟C，將步驟A得到的中間直流母線電壓信號輸入中間直流母線電壓控制電路， 獲得中間直流母線電壓擾動信號；
[0010] 步驟D，將步驟A得到的中間直流母線電壓信號和逆變橋臂的輸入電流信號輸入 基準生成電路，獲得原邊電流參考信號和副邊電流參考信號；
[0011] 步驟E，將步驟B得到輔助電容電壓擾動信號加入步驟D得到的原邊電流參考信 號，獲得原邊電流實際參考信號；
[0012] 步驟F，將步驟C得到的中間直流母線電壓擾動信號加入步驟D得到的副邊電流參 考信號，獲得副邊電流實際參考信號；
[0013] 步驟G，將步驟E得到的原邊電流實際參考信號和步驟F得到的副邊電流實際參考 信號輸入調制波生成電路，獲得第一、第二、第三調制波信號；
[0014] 步驟H，將前述第一、第二調制波信號分別輸入PWM控制電路，獲得第一、第二邏輯 信號；
[0015] 步驟I，將步驟G得到的第三調制波信號輸入過零比較器，獲得第三邏輯信號；
[0016] 步驟J，將前述第一邏輯信號輸入邏輯電路，在邏輯電路中先經過邏輯非門后，再 經過邏輯非門，得到原邊開關管的控制信號；
[0017] 將前述第一、第二、第三邏輯信號分別輸入邏輯電路，在邏輯電路中第一、第二邏 輯信號經過邏輯異或門后，和第三邏輯信號一起接入邏輯與門，得到第一輔助開關管的控 制信號；
[0018] 將前述第一、第二、第三邏輯信號分別輸入邏輯電路，在邏輯電路中第一、第二邏 輯信號經過邏輯異或門，第三邏輯信號經過邏輯非門后，再一起接入邏輯與門，得到第二輔 助開關管的控制信號；
[0019] 將前述第一、第二、第三邏輯信號分別輸入邏輯電路，在邏輯電路中第一邏輯信 號、第一輔助開關管的控制信號和第二輔助開關管的控制信號一起接入邏輯或非門，得到 副邊開關管的控制信號；
[0020] 步驟K，將步驟J得到的原邊開關管的控制信號，第一輔助開關管的控制信號，第 二輔助開關管的控制信號以及副邊開關管的控制信號分別輸入驅動電路，得到原邊開關管 的驅動信號、副邊開關管的驅動信號以及兩個輔助開關管的驅動信號，控制該兩級式逆變 器。
[0021] 本發明與原有技術相比的主要技術特點是，由于副邊增加了輔助繞組，通過控制 輔助開關管（9)的開通關斷把紋波轉移到輔助電容（10)上，從而實現對輸入電流紋波的消 除，而且傳統兩級式逆變器的功能也被保持。
【附圖說明】
[0022] 附圖1是傳統兩級式逆變器電路結構示意圖。
[0023] 附圖2是本發明的一種消除輸入電流紋波的兩級式逆變器主電路及其控制方法 的結構示意圖。
[0024] 附圖3是本發明的一種消除輸入電流紋波的兩級式逆變器中隔離變壓器等效后 的電路結構示意圖。
[0025] 附圖4是本發明的一種消除輸入電流紋波的兩級式逆變器主要工作波形示意圖。
[0026] 附圖5~附圖9是本發明的一種消除輸入電流紋波的兩級式逆變器的各開關模態 示意圖。
[0027] 附圖10是本發明應用于輸出電壓220V/50HZ場合下輸入電流、輔助電容電壓、副 邊電流及中間直流母線電壓的仿真波形。
[0028] 附圖11是本發明應用于輸出電壓220V/50HZ場合下中間直流母線電壓、逆變橋臂 的輸入電流及輸出電壓的仿真波形。
[0029] 上述附圖中的主要符號名稱A、電源電壓。Q、輸入電容。 功率開關管。Cd。、中間直流母線電容。?；、隔離變壓器。Ni、隔離變壓器原邊繞組。N2、隔離 變壓器副邊繞組。K、激磁電感。Lf、濾波電感。Cf、濾波電容。&、負載。Nxl、Nx2隔離變壓器 輔助繞組。Cx、輔助電容。vx、輔助電容兩端電壓。vd。、中間直流母線電壓。Vc]、逆變器輸出 電壓。
【具體實施方式】
[0030] 下面結合附圖對發明的技術方案進行詳細說明：
[0031] 附圖2所示的是一種消除輸入電流紋波的兩級式逆變器主電路及其控制方法的 結構示意圖。由直流電源t、輸入電容1、原邊開關管2、隔離變壓器3、副邊開關管4、中間 直流母線電容5、兩個逆變橋臂6和7、濾波電路8、輔助開關管9及輔助電容10組成。Sp、 Ss、SfS4、Sxl、Sx2是八只功率開關管，Ci是輸入電容，?\是隔離變壓器，Cx是輔助電容，Cd。 是中間直流母線電容，Lf是輸出濾波電感，Cf是輸出濾波電容，L為負載。v。、逆變器輸出 電壓。
[0032] 檢測輔助電容電壓信號vx，中間直流母線電壓信號vd。，逆變橋臂的輸入電流信號 iinv;將輔助電容電壓信號vx輸入輔助電容電壓控制電路，獲得輔助電容電壓擾動信號；將 中間直流母線電壓信號&輸入中間直流母線電壓控制電路，獲得中間直流母線電壓擾動 信號；將中間直流母線電壓信號vd。和逆變橋臂的輸入電流信號iιην輸入基準生成電路，獲 得原邊電流參考信號Iu和副邊電流參考信號ih;將輔助電容電壓擾動信號加入原邊電 流參考信號Iu，獲得原邊電流實際參考信號I: ，將中間直流母線電壓擾動信號加入副邊 電流參考?目號ih，獲得副邊電流實際參考?目號Lrcf，將原邊電流實際參考?目號Ii和副 邊電流實際參考信號i2 ^輸入調制波生成電路，獲得第一調制波信號Mi、第二調制波信號 M2和第三調制波信號Μ3;將第一調制波信號Mi和第二調制波信號Μ2分別輸入PWM控制電 路，獲得第一邏輯信號(^和第二邏輯信號C2;將第三調制波信號Μ3輸入過零比較器，獲得 第三邏輯信號C3;將第一邏輯信號(^輸入邏輯電路，在邏輯電路中先經過邏輯非門后，再經 過邏輯非門，得到原邊開關管的控制信號Qp;將第一邏輯信號Ci、第二邏輯信號(：2和第三邏 輯信號C3分別輸入邏輯電路，在邏輯電路中第一邏輯信號C 第二邏輯信號C2經過邏輯 異或門后，和第三邏輯信號C3-起接入邏輯與門，得到第一輔助開關管的控制信號Qxl;將 第一邏輯信號Q、第二邏輯信號C2和第三邏輯信號C3分別輸入邏輯電路，在邏輯電路中第 一邏輯信號(^和第二邏輯信號(： 2經過邏輯異或門，第三邏輯信號(：3經過邏輯非門后，再一 起接入邏輯與門，得到第二輔助開關管的控制信號Qx2;將第一邏輯信號Ci、第二邏輯信號C2 和第三邏輯信號C3分別輸入邏輯電路，在邏輯電路中第一邏輯信號q、第一輔助開關管的 控制信號Qxl和第二輔助開關管的控制信號Qx2-起接入邏輯或非門，得到副邊開關管的控 制信號Qs;將原邊開關管的控制信號Qp，第一輔助開關管的控制信號Qxl，第二輔助開關管的 控制信號Qx2以及副邊開關管的控制信號Qs分別輸入驅動電路，得到原邊開關管