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，具體來說是指一種直流-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)、汽車電子以及不間斷電源等領(lǐng)域。此類電源的數(shù)字控制方法是電力電子研究的一個 熱點方向。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 對使用條件不敏感等優(yōu)點而受到研究者更多的關(guān)注。
[0003] 盡管從二十世紀九十年代開始，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。但是，模擬控制器仍然長期處于主要地位，針對直流-交流逆變器， 數(shù)字控制方法市場份額較小。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)計者的青睞。數(shù)字控制方法的研究熱點目前 主要集中于逆變器的自動穩(wěn)定運行、系統(tǒng)級集成、實時有效監(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性控制等方面。
[0004] 直流-交流逆變器一般由開關(guān)周期和高電平時間兩個控制變量控制。如圖1所示， 一個開關(guān)周期內(nèi)兩個控制信號（實線的PWM信號1和虛線的PWM信號2)的變化情況如下： 兩信號占空比相同，即T 1= T2;而兩信號的周期內(nèi)首次電平跳變時間不同，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1驅(qū)動下的增量AVci 大于圖1揭示了一個現(xiàn)象：相同占空比、不同高電平跳變時間的脈沖寬度調(diào)制信號 對電容電壓，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] 針對上述問題，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（d)驅(qū)動，并包括 由電感和電容組成的濾波電路，該方法包括：
[0006] a.將開關(guān)周期（TJ、電平跳變時間（τ D、高電平時間（T1)作為所述控制方法的控 制變量；
[0007] b.將一個開關(guān)周期（Te)分成[0 ; τ J、[ τ 1; τ 1+TJ、[ τ 1+T1;T J三個時間段，列 出每個時間段中電感的電流變化量、電容的電壓變化量的表達式；
[0008] c.將所述三個時間段的每個時間段的電感的電流變化量、電容的電壓變化量分別 加和，得到一個開關(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式；
[0009] d.從步驟c中的表達式推導(dǎo)出電平跳變時間（τ J、高電平時間（T1)關(guān)系式；
[0010] e.從所述關(guān)系式計算出電平跳變時間（^)、高電平時間（T1),從而以開關(guān)周期 CU、電平跳變時間（T1)、高電平時間（T1)進行控制。
[0011] 其中，所述開關(guān)周期CU是脈沖寬度調(diào)制信號（d)的周期，電平跳變時間（τ D是 從開關(guān)周期開始到首次產(chǎn)生電平跳變的時間，高電平時間（T1)是開關(guān)周期內(nèi)首次產(chǎn)生電平 跳變到電平再跳回的時間。
[0012] 其中，一個開關(guān)周期內(nèi)電感的電流變化量通過施加到直流-交流逆變器上的電流 傳感器測得。
[0013] 其中，一個開關(guān)周期內(nèi)電容的電壓變化量通過增加用于存儲兩個相鄰開關(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)制信號的產(chǎn)生模式，將一個開關(guān)周期劃分為 三個部分，由開關(guān)周期、電平跳變時間、高電平時間三個控制變量進行控制，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關(guān)周期和高電平時間兩個控制變量控制的方法， 本發(fā)明由兩個控制變量改為三個控制變量，可以準確的體現(xiàn)出相同占空比不同高電平跳變 時間的脈沖寬度調(diào)制信號對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-交流逆變器在負載突變的情況下響應(yīng)恢復(fù)的時間和幅度，且有效降低輸出 正弦信號的總諧波失真。
【附圖說明】
[0015] 通過閱讀參照以下附圖所作的對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它 特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯：
[0016] 圖1是相同占空比、不同高電平跳變時間對狀態(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)制信號的波形圖；
[0021] 圖6是根據(jù)本發(fā)明的實施例對總諧波失真的仿真圖。附圖中相同或相似的附圖標 記代表相同或相似的部件。
[0022] 圖7是根據(jù)本發(fā)明的實施例對負載瞬態(tài)變化的仿真圖。
【具體實施方式】
[0023] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施 例作詳細描述。
[0024] 下面詳細描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終 相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附 圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。
[0025] 下文的公開提供了許多不同的實施例或例子用來實現(xiàn)本發(fā)明的不同結(jié)構(gòu)。為了簡 化本發(fā)明的公開，下文中對特定例子的部件和設(shè)置進行描述。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)是為了簡化和清楚的目的，其本身不指示所討論各種實施例和/或設(shè)置之間的關(guān)系。
[0026] 下面參考圖2~圖4來說明本發(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d驅(qū)動，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.將開關(guān)周期?；、電平跳變時間τ i、高電平時間T1作為所述控制方法的控制變 量，其中開關(guān)周期?；是脈沖寬度調(diào)制信號d的周期，電平跳變時間τ i是從開關(guān)周期開始到 首次產(chǎn)生電平跳變的時間，高電平時間T1是開關(guān)周期內(nèi)首次產(chǎn)生電平跳變到電平再跳回的 時間；
[0029] b.將開關(guān)周期Te分成[0 ; τ J、[ τ 1; τ 1+!\]、[ τ 1+T1;T J三個時間段，對于其中 每個時間段，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關(guān)周期?；、電平跳 變時間τ i、高電平時間T1、以及與電感L與電容C的電流或電壓來表示；
[0030] c.將所述三個時間段的每個時間段的電感L的電流的變化量、電容C的電壓的變 化量分別加和，得到一個開關(guān)周期內(nèi)電感L的電流的變化量、一個開關(guān)周期內(nèi)電容C的電壓 的變化量用開關(guān)周期?；、電平跳變時間τ i、高電平時間T1、以及與電感L與電容C的電流或 電壓的表不式；
[0031] d.在給定開關(guān)周期?；的情況下，從一個開關(guān)周期內(nèi)電感L的電流的變化量、一個 開關(guān)周期內(nèi)電容C的電壓的變化量的表示式中，推導(dǎo)出電平跳變時間τ i、高電平時間！\用 電感L與電容C的電流或電壓、一個開關(guān)周期內(nèi)電感L的電流的變化量、一個開關(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)系式計算出電平跳變時間T1、高電平時間T1，從而以開關(guān)周期?；、電 平跳變時間T 1、高電平時間T1進行控制。
[0033] 圖3是本發(fā)明的一個實施例中的直流-交流逆變器的控制系統(tǒng)的框圖，接下來，將 結(jié)合一個【具體實施方式】對本發(fā)明提出的方法進行詳細描述。
[0034] 如圖4所示，一個基本的直流-交流逆變器由脈沖寬度調(diào)制信號d驅(qū)動，控制功率 開關(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，并通過負載RJ且值的 變化產(chǎn)生擾動，對輸出電壓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)明的說明中還將用到電容電流Ic和負載電流I。這兩個變量。
[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間狀態(tài)空間模型。需 要注意的是，在接下來的設(shè)計中，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)在一個開關(guān)周期1\內(nèi)，負載電流I ^只有很小的變化，即負載電流 的變化量趨近于O(AIcXk)~0)，則在一個開關(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間狀態(tài)空間模型可表示為：
[0036]
[0037]
，為該一階離散時間狀態(tài)空間模型的狀態(tài)變量，即第k個開 關(guān)周期的變量值，x(k+l)則是第k+Ι個開關(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對離散時間 狀態(tài)空間的描述進行分析。本發(fā)明提出的控制器目標就是在下一個開關(guān)周期使得電感電流 和電容電壓等于開關(guān)周期最末時刻的參考電流和電壓。
[0038] 接著將開關(guān)周期?；、電平跳變時間τ i、