專利名稱：一種瞬時諧波估算及補償型單相逆變電源及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力電子功率變換技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種瞬時諧波估算及補償型單相逆變電源及其控制方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代逆變技術(shù)已被廣泛的用于工業(yè)和民用領(lǐng)域中的各種功率變換系統(tǒng)和裝置中， 其中，單相逆變電源廣泛用于辦公自動化、醫(yī)藥、通訊及國防等方面。隨著逆變技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，對單相逆變器電源提出了更高的要求，在很多場合都要求逆變器的輸出電壓波形精確地跟蹤給定信號，且具有快速的動態(tài)響應(yīng)。針對這些問題，目前有很多控制方案，如數(shù)字PID控制、多環(huán)反饋加前饋控制、無差拍控制、重復(fù)控制、滑模變結(jié)構(gòu)、模糊控制以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等等。數(shù)字PID控制可以使控制過程快速、準確、平穩(wěn)，具有良好的控制效果，但是，在采樣頻率不夠高的情況下，系統(tǒng)的采樣量化誤差會降低算法的分辨率，使得PID調(diào)節(jié)器的控制精度變差。無差拍控制在理想狀態(tài)下，輸出能夠很好地跟蹤給定，波形畸變率很小，但是，對系統(tǒng)參數(shù)的變化反應(yīng)靈敏， 系統(tǒng)的魯棒性差。重復(fù)控制專門克服死區(qū)、非線性負載引起的輸出波形周期性畸變，但是控制實時性差，動態(tài)響應(yīng)速度慢。此外還有滑模變結(jié)構(gòu)控制，模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，每一種控制方法都有其特長，但都在某些方面存在某些缺點。因此，各種控制方法互相結(jié)合，優(yōu)勢互補，結(jié)合成復(fù)合的控制方案是一種必然的發(fā)展趨勢。

發(fā)明內(nèi)容
針對逆變電源帶非線性負載(如整流器)時，由于濾波電感上的諧波電流造成的負載電壓波形的失真問題，本發(fā)明提供一種瞬時諧波估算及補償型單相逆變裝置及其控制方法，有效減小單相逆變器輸出電壓的諧波。一種瞬時諧波估算及補償型單相逆變電源，包括全橋逆變電路、濾波電路、輸出電壓采樣電路、輸出電流采樣電路、SPWM驅(qū)動信號電平轉(zhuǎn)換電路、IGBT驅(qū)動電路、顯示電路、按鍵電路、DSP、FPGA和電源電路。所述全橋逆變電路包括一個直流側(cè)濾波電容和四個全控型開關(guān)器件IGBT，如圖I 所示，四個IGBTg1^ g2>g3>g4中，g:和g4構(gòu)成一個橋臂，g2和g3構(gòu)成一個橋臂，gi和g3同時通、斷，&和g4同時通、斷。全橋逆變電路的作用是四個IGBT在SPWM調(diào)制技術(shù)的控制下將外部輸入的直流電Ud(如光伏電池發(fā)出的直流電、整流器輸出的直流電等等)逆變成某一頻率或可變頻率的交流電供給負載。所述濾波電路為低通濾波電路，頻率較低的基波可以通過低通濾波電路且幅值沒有裳減，頻率較聞的諧波經(jīng)過低通濾波電路后幅值會大幅裳減。所述輸出電壓采樣電路包括變壓器、比例放大電路、電壓信號抬升電路和限幅電路，變壓器的輸出端經(jīng)分壓電阻后與比例放大器的輸入端相連，比例放大器的輸出端與電壓信號抬升電路的輸入端相連，電壓信號抬升電路的輸出端連接限幅電路，該限幅電路輸出端作為輸出電壓采樣電路的輸出端與DSP的AD轉(zhuǎn)換引腳相連。所述輸出電流采樣電路包括霍爾電流傳感器、電流信號抬升電路和限幅電路，霍爾電流傳感器的輸出端經(jīng)過并聯(lián)電阻與電壓信號抬升電路輸入端相連，電壓信號抬升電路輸出端連接限幅電路，該限幅電路輸出端作為輸出電流采樣電路的輸出端與DSP的AD轉(zhuǎn)換引腳相連。所述SPWM驅(qū)動信號電平轉(zhuǎn)換電路的輸入端與DSP的PWM端口相連，將DSP產(chǎn)生的 SPWM信號轉(zhuǎn)換為符合IGBT驅(qū)動電路需要的電平信號。所述IGBT驅(qū)動電路選用兩個現(xiàn)有技術(shù)中的驅(qū)動板，每塊驅(qū)動板驅(qū)動全橋逆變電路橋臂上的兩個IGBT ；所述顯示電路的控制端口與DSP的GPIO端口相連。所述按鍵電路包括9個四角按鍵，9個四角按鍵與DSP的GPIO端口相連，組成九路獨立鍵盤，低電平有效。按鍵功能分別為復(fù)位鍵、運行鍵、停止鍵、確定鍵、返回鍵、右鍵、左鍵、上鍵和下鍵，操作人員可以通過此按鍵電路與顯示電路配合，查看、設(shè)置單相逆變電源的各個參數(shù)。所述DSP與FPGA之間采用串行外圍設(shè)備接口(SPI)進行通信，DSP的SPI引腳與 FPGA相應(yīng)的IO引腳相連。所述電源電路為DSP和FPGA提供所需電源，包括5V轉(zhuǎn)3. 3V電路、5V轉(zhuǎn)I. 8V電路、5V轉(zhuǎn)2. 5V電路和5V轉(zhuǎn)I. 2V電路；5V轉(zhuǎn)3. 3V電路是將外部輸入+5V電壓轉(zhuǎn)換穩(wěn)定的 +3. 3V模擬電源和數(shù)字電源輸出，為減小模擬電源與數(shù)字電源之間的干擾，采用濾波電感進行隔離；5V轉(zhuǎn)I. 8V電路是將外部輸入+5V電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的+1. 8V模擬電源和數(shù)字電源輸出；5V轉(zhuǎn)2. 5V電路是將外部輸入+5V電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的+2. 5V數(shù)字電源輸出；5V轉(zhuǎn)I. 2V 電路是將外部輸入+5V電壓根據(jù)R31與R32的比例轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的+1. 2V數(shù)字電源輸出。采用上述單相逆變電源進行瞬時諧波估算及補償?shù)目刂品椒?，具體步驟如下步驟I :對單相逆變電源的輸出電壓和輸出電流進行采樣，送至DSP中的AD模塊， AD模塊對輸入的模擬信號離散化轉(zhuǎn)化為數(shù)字量；DSP的AD模塊的采樣周期為T，則第k(k = 0，I，2，……，^ )個采樣周期T時刻的輸出電壓采樣值為V (kT)、輸出電流采樣值為I (kT)。步驟2 =DSP通過SPI將電壓采樣值V (kT)、輸出電流采樣值I (kT)發(fā)送給FPGA。步驟3 :采用瞬時諧波估算法建立復(fù)合觀測器，分別對電壓采樣值V(kT)、輸出電流采樣值I(kT)中的直流分量、基波分量、各次諧波分量進行估算。瞬時諧波估算法是利用復(fù)合觀測器從周期信號(V(kT)或I (kT))中在線估算各次諧波。首先假設(shè)周期信號為y(kT)，y(kT)可以看作是直流信號ytl(kT)和角頻率為 (ω為基波角頻率，諧波次數(shù)m= 1，2，L，N)的正弦信號ym(kT)之和的模型，這些分量可
以寫成一個 N+1 維的空間向量 y(kT) = [y0 (kT) ,Y1 (kT) ,y2 (kT),. . . ,ym (kT),. . . , yN(kT)], 即
權(quán)利要求
1.一種瞬時諧波估算及補償型單相逆變電源，其特征在于包括全橋逆變電路、濾波電路、輸出電壓采樣電路、輸出電流采樣電路、SPWM驅(qū)動信號電平轉(zhuǎn)換電路、IGBT驅(qū)動電路、顯示電路、按鍵電路、DSP、FPGA和電源電路；所述全橋逆變電路包括一個直流側(cè)濾波電容和四個全控型開關(guān)器件IGBT，四個 IGBTgpgygyg4中,g!和g4構(gòu)成一個橋臂，g2和g3構(gòu)成一個橋臂，gi和g3同時通、斷，g2和 g4同時通、斷；所述濾波電路為低通濾波電路；所述輸出電壓采樣電路包括變壓器、比例放大電路、電壓信號抬升電路和限幅電路，變壓器的輸出端經(jīng)分壓電阻后與比例放大器的輸入端相連，比例放大器的輸出端與電壓信號抬升電路的輸入端相連，電壓信號抬升電路的輸出端連接限幅電路，該限幅電路輸出端作為輸出電壓采樣電路的輸出端與DSP的AD轉(zhuǎn)換引腳相連；所述輸出電流采樣電路包括霍爾電流傳感器、電流信號抬升電路和限幅電路，霍爾電流傳感器的輸出端經(jīng)過并聯(lián)電阻與電壓信號抬升電路輸入端相連，電壓信號抬升電路輸出端連接限幅電路，該限幅電路輸出端作為輸出電流采樣電路的輸出端與DSP的AD轉(zhuǎn)換引腳相連；所述SPWM驅(qū)動信號電平轉(zhuǎn)換電路的輸入端與DSP的PWM端口相連；所述IGBT驅(qū)動電路選用兩個驅(qū)動板，每塊驅(qū)動板驅(qū)動全橋逆變電路橋臂上的兩個 IGBT ；所述顯示電路的控制端口與DSP的GPIO端口相連；所述按鍵電路包括9個四角按鍵，9個四角按鍵與DSP的GPIO端口相連，組成九路獨立鍵盤，低電平有效；所述DSP與FPGA之間采用串行外圍設(shè)備接口進行通信，DSP的SPI引腳與FPGA相應(yīng)的IO引腳相連；所述電源電路為DSP和FPGA提供所需電源，包括5V轉(zhuǎn)3. 3V電路、5V轉(zhuǎn)I. 8V電路、5V 轉(zhuǎn)2. 5V電路和5V轉(zhuǎn)I. 2V電路。
2.采用權(quán)利要求I所述的瞬時諧波估算及補償型單相逆變電源進行瞬時諧波估算及補償?shù)目刂品椒?，其特征在于具體步驟如下步驟I :對單相逆變電源的輸出電壓和輸出電流進行采樣，送至DSP中的AD模塊，AD模塊對輸入的模擬信號離散化轉(zhuǎn)化為數(shù)字量；DSP的AD模塊的采樣周期為T，則第k(k = 0,1,2,……，⑴)個采樣周期T時刻的輸出電壓采樣值為V (kT)、輸出電流采樣值為I (kT)；步驟2 : =DSP通過SPI將電壓采樣值V (kT)、輸出電流采樣值I (kT)發(fā)送給FPGA ； 步驟3 :采用瞬時諧波估算法建立復(fù)合觀測器，分別對電壓采樣值V(kT)、輸出電流采樣值I(kT)中的直流分量、基波分量、各次諧波分量進行估算；瞬時諧波估算法利用復(fù)合觀測器從周期信號V(kT)或I(kT)中在線估算各次諧波； 首先假設(shè)周期信號為y(kT)，y(kT)看作是直流信號ytl(kT)和角頻率為πιω (ω為基波角頻率，諧波次數(shù)m= 1，2，L，N)的正弦信號ym(kT)之和的模型，這些分量寫成一個N+1維的空間向量 y(kT) = [y0 (kT), Y1 (kT), y2 (kT), . . . , ym (kT), . . . , yN(kT)],即其中狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣Atl = I，輸出矩陣Ctl = I ;當m> O時，式(2)中的第m個子塊的狀態(tài)向量
全文摘要
一種瞬時諧波估算及補償型單相逆變電源及其控制方法，該單相逆變電源，包括全橋逆變電路、濾波電路、輸出電壓采樣電路、輸出電流采樣電路、SPWM驅(qū)動信號電平轉(zhuǎn)換電路、IGBT驅(qū)動電路、顯示電路、按鍵電路、DSP、FPGA和電源電路。能夠穩(wěn)定、準確地實現(xiàn)直流電的逆變、輸出電壓、輸出電流的采樣和SPWM控制信號的驅(qū)動，同時DSP與FPGA的配合使用，能夠高效、快速的實現(xiàn)控制算法。本發(fā)明方法采用基于D-Q模型的基波跟蹤控制保證輸出波形峰值和相位的穩(wěn)態(tài)精度具有良好動態(tài)響應(yīng)；采用前饋補償和反饋補償能夠有效的降低輸出電壓中的總諧波畸變率及外部噪聲干擾，輸出電壓的波形得到良好的控制。
文檔編號H02M1/12GK102611289SQ20121007580
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月21日
發(fā)明者劉秀翀, 張化光, 王旭, 紀茂新, 閆士杰 申請人:東北大學(xué)