一種直流-交流逆變器的控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及直流-交流變換領(lǐng)域，具體來(lái)說(shuō)是指一種直流-交流逆變器的控制方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 直流-交流逆變器是工業(yè)上最常見(jiàn)的電源轉(zhuǎn)換器之一，它被廣泛應(yīng)用于新能源、 電網(wǎng)、汽車(chē)電子以及不間斷電源等領(lǐng)域。此類(lèi)電源的數(shù)字控制方法是電力電子研究的一個(gè) 熱點(diǎn)方向。相較于模擬控制方法，數(shù)字控制方法因具有可重復(fù)編程性、更好的抗噪能力以及 對(duì)使用條件不敏感等優(yōu)點(diǎn)而受到研究者更多的關(guān)注。
[0003] 盡管從二十世紀(jì)九十年代開(kāi)始，數(shù)字控制方法逐漸應(yīng)用到直流-交流逆變器，且 性能已經(jīng)展現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)。但是，模擬控制器仍然長(zhǎng)期處于主要地位，針對(duì)直流-交流逆變器， 數(shù)字控制方法市場(chǎng)份額較小。隨著微電子工藝的發(fā)展，在成本和尺寸方面的制約逐漸被打 破，數(shù)字控制方法也因其優(yōu)越的性能而受到設(shè)計(jì)者的青睞。數(shù)字控制方法的研究熱點(diǎn)目前 主要集中于逆變器的自動(dòng)穩(wěn)定運(yùn)行、系統(tǒng)級(jí)集成、實(shí)時(shí)有效監(jiān)控和優(yōu)化以及能改善瞬態(tài)性 能和減小總諧波失真的非線(xiàn)性控制等方面。
[0004] 直流-交流逆變器一般由開(kāi)關(guān)周期和高電平時(shí)間兩個(gè)控制變量控制。如圖1所示， 一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)兩個(gè)控制信號(hào)（實(shí)線(xiàn)的PWM信號(hào)1和虛線(xiàn)的PWM信號(hào)2)的變化情況如下： 兩信號(hào)占空比相同，即T 1= T2;而兩信號(hào)的周期內(nèi)首次電平跳變時(shí)間不同，即τ 2> T1。電感 電流在此周期內(nèi)的變化量相同，即A Iu= A I W而電容電壓在信號(hào)1驅(qū)動(dòng)下的增量AVci 大于圖1揭示了一個(gè)現(xiàn)象：相同占空比、不同高電平跳變時(shí)間的脈沖寬度調(diào)制信號(hào) 對(duì)電容電壓，即本發(fā)明中的輸出電壓的控制效果不同。電路參量中τ的取值會(huì)影響輸出電 壓的變化，從而影響電路的可靠性、穩(wěn)態(tài)特性和瞬態(tài)特性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種瞬態(tài)特性和總諧波失真都要優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的直 流-交流逆變器的控制方法，所述直流-交流逆變器由脈沖寬度調(diào)制信號(hào)（d)驅(qū)動(dòng)，并包括 由電感和電容組成的濾波電路，該方法包括：
[0006] a.將開(kāi)關(guān)周期（TJ、電平跳變時(shí)間（τ D、高電平時(shí)間（T1)作為所述控制方法的控 制變量；
[0007] b.將一個(gè)開(kāi)關(guān)周期（Te)分成[0 ; τ J、[ τ 1; τ 1+TJ、[ τ 1+T1;T J三個(gè)時(shí)間段，列 出每個(gè)時(shí)間段中電感的電流變化量、電容的電壓變化量的表達(dá)式；
[0008] c.將所述三個(gè)時(shí)間段的每個(gè)時(shí)間段的電感的電流變化量、電容的電壓變化量分別 加和，得到一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)電感的電流變化量和電容的電壓變化量的表達(dá)式；
[0009] d.從步驟c中的表達(dá)式推導(dǎo)出電平跳變時(shí)間（τ J、高電平時(shí)間（T1)關(guān)系式；
[0010] e.從所述關(guān)系式計(jì)算出電平跳變時(shí)間（^)、高電平時(shí)間（T1),從而以開(kāi)關(guān)周期 CU、電平跳變時(shí)間（T1)、高電平時(shí)間（T1)進(jìn)行控制。
[0011] 其中，所述開(kāi)關(guān)周期CU是脈沖寬度調(diào)制信號(hào)（d)的周期，電平跳變時(shí)間（τ D是 從開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始到首次產(chǎn)生電平跳變的時(shí)間，高電平時(shí)間（T1)是開(kāi)關(guān)周期內(nèi)首次產(chǎn)生電平 跳變到電平再跳回的時(shí)間。
[0012] 其中，一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)電感的電流變化量通過(guò)施加到直流-交流逆變器上的電流 傳感器測(cè)得。
[0013] 其中，一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)電容的電壓變化量通過(guò)增加用于存儲(chǔ)兩個(gè)相鄰開(kāi)關(guān)周期之 間的電容電壓差的寄存器得到。
[0014] 本發(fā)明改變了現(xiàn)有技術(shù)中脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的產(chǎn)生模式，將一個(gè)開(kāi)關(guān)周期劃分為 三個(gè)部分，由開(kāi)關(guān)周期、電平跳變時(shí)間、高電平時(shí)間三個(gè)控制變量進(jìn)行控制，相比于現(xiàn)有技 術(shù)中直流-交流逆變器的控制方法僅由開(kāi)關(guān)周期和高電平時(shí)間兩個(gè)控制變量控制的方法， 本發(fā)明由兩個(gè)控制變量改為三個(gè)控制變量，可以準(zhǔn)確的體現(xiàn)出相同占空比不同高電平跳變 時(shí)間的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)對(duì)電容電壓的不同控制效果，因此該方法與現(xiàn)有技術(shù)相比可以極 大地加快直流-交流逆變器在負(fù)載突變的情況下響應(yīng)恢復(fù)的時(shí)間和幅度，且有效降低輸出 正弦信號(hào)的總諧波失真。
【附圖說(shuō)明】
[0015] 通過(guò)閱讀參照以下附圖所作的對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它 特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：
[0016] 圖1是相同占空比、不同高電平跳變時(shí)間對(duì)狀態(tài)變量的影響示意圖；
[0017] 圖2是本發(fā)明提出的一種直流-交流逆變器的控制方法的流程圖；
[0018] 圖3是本發(fā)明提出的直流-交流逆變器的控制系統(tǒng)的框圖；
[0019] 圖4是直流-交流逆變器的控制模型結(jié)構(gòu)圖；
[0020] 圖5是脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的波形圖；
[0021] 圖6是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例對(duì)總諧波失真的仿真圖。附圖中相同或相似的附圖標(biāo) 記代表相同或相似的部件。
[0022] 圖7是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例對(duì)負(fù)載瞬態(tài)變化的仿真圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施 例作詳細(xì)描述。
[0024] 下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終 相同或類(lèi)似的標(biāo)號(hào)表示相同或類(lèi)似的元件或具有相同或類(lèi)似功能的元件。下面通過(guò)參考附 圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對(duì)本發(fā)明的限制。
[0025] 下文的公開(kāi)提供了許多不同的實(shí)施例或例子用來(lái)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的不同結(jié)構(gòu)。為了簡(jiǎn) 化本發(fā)明的公開(kāi)，下文中對(duì)特定例子的部件和設(shè)置進(jìn)行描述。當(dāng)然，它們僅僅為示例，并且 目的不在于限制本發(fā)明。此外，本發(fā)明可以在不同例子中重復(fù)參考數(shù)字和/或字母。這種 重復(fù)是為了簡(jiǎn)化和清楚的目的，其本身不指示所討論各種實(shí)施例和/或設(shè)置之間的關(guān)系。
[0026] 下面參考圖2~圖4來(lái)說(shuō)明本發(fā)明。
[0027] 如圖2所示，本發(fā)明提供了一種直流-交流逆變器的控制方法。該直流-交流逆 變器由脈沖寬度調(diào)制信號(hào)d驅(qū)動(dòng)，且該直流-交流逆變器具有由電感L和電容C組成的濾 波電路，該控制方法包括：
[0028] a.將開(kāi)關(guān)周期?；、電平跳變時(shí)間τ i、高電平時(shí)間T1作為所述控制方法的控制變 量，其中開(kāi)關(guān)周期?；是脈沖寬度調(diào)制信號(hào)d的周期，電平跳變時(shí)間τ i是從開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始到 首次產(chǎn)生電平跳變的時(shí)間，高電平時(shí)間T1是開(kāi)關(guān)周期內(nèi)首次產(chǎn)生電平跳變到電平再跳回的 時(shí)間；
[0029] b.將開(kāi)關(guān)周期Te分成[0 ; τ J、[ τ 1; τ 1+!\]、[ τ 1+T1;T J三個(gè)時(shí)間段，對(duì)于其中 每個(gè)時(shí)間段，分別將電感L的電流的變化量、電容C的電壓的變化量用開(kāi)關(guān)周期?；、電平跳 變時(shí)間τ i、高電平時(shí)間T1、以及與電感L與電容C的電流或電壓來(lái)表示；
[0030] c.將所述三個(gè)時(shí)間段的每個(gè)時(shí)間段的電感L的電流的變化量、電容C的電壓的變 化量分別加和，得到一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)電感L的電流的變化量、一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)電容C的電壓 的變化量用開(kāi)關(guān)周期?；、電平跳變時(shí)間τ i、高電平時(shí)間T1、以及與電感L與電容C的電流或 電壓的表不式；
[0031] d.在給定開(kāi)關(guān)周期?；的情況下，從一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)電感L的電流的變化量、一個(gè) 開(kāi)關(guān)周期內(nèi)電容C的電壓的變化量的表示式中，推導(dǎo)出電平跳變時(shí)間τ i、高電平時(shí)間！\用 電感L與電容C的電流或電壓、一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)電感L的電流的變化量、一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)電 容C的電壓的變化量的關(guān)系式；
[0032] e.從所述關(guān)系式計(jì)算出電平跳變時(shí)間T1、高電平時(shí)間T1，從而以開(kāi)關(guān)周期?；、電 平跳變時(shí)間T 1、高電平時(shí)間T1進(jìn)行控制。
[0033] 圖3是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中的直流-交流逆變器的控制系統(tǒng)的框圖，接下來(lái)，將 結(jié)合一個(gè)【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明提出的方法進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0034] 如圖4所示，一個(gè)基本的直流-交流逆變器由脈沖寬度調(diào)制信號(hào)d驅(qū)動(dòng)，控制功率 開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通或者關(guān)斷。電路中的濾波器件由電感L和電容C組成，并通過(guò)負(fù)載RJ且值的 變化產(chǎn)生擾動(dòng)，對(duì)輸出電壓V。產(chǎn)生影響。此電路中重要的狀態(tài)變化包括電感電流込和電容 電壓V c。本發(fā)明的說(shuō)明中還將用到電容電流Ic和負(fù)載電流I。這兩個(gè)變量。
[0035] 首先，需要建立圖4所示的直流-交流逆變器的一階離散時(shí)間狀態(tài)空間模型。需 要注意的是，在接下來(lái)的設(shè)計(jì)中，忽略了電容的等效串聯(lián)電阻（ESR)，故輸出電壓V ci可視為 與電容電壓Ve相等。假設(shè)在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期1\內(nèi)，負(fù)載電流I ^只有很小的變化，即負(fù)載電流 的變化量趨近于O(AIcXk)~0)，則在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期?；內(nèi)，輸入變量可假設(shè)為不變?；?以上假設(shè)和分析，直流-交流逆變器的一階離散時(shí)間狀態(tài)空間模型可表示為：
[0036]
[0037]
，為該一階離散時(shí)間狀態(tài)空間模型的狀態(tài)變量，即第k個(gè)開(kāi) 關(guān)周期的變量值，x(k+l)則是第k+Ι個(gè)開(kāi)關(guān)周期的變量值；u (k)為輸出變量，當(dāng)IGBT1導(dǎo)通
3逆變器行為特性可通過(guò)對(duì)離散時(shí)間 狀態(tài)空間的描述進(jìn)行分析。本發(fā)明提出的控制器目標(biāo)就是在下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期使得電感電流 和電容電壓等于開(kāi)關(guān)周期最末時(shí)刻的參考電流和電壓。
[0038] 接著將開(kāi)關(guān)周期?；、電平跳變時(shí)間τ i、