一种二次谐波电流补偿器及其控制方法技术

本发明专利技术提出一种二次谐波电流补偿器及其控制方法。二次谐波补偿器由主功率电路及其控制电路组成，其中，主功率电路由同步整流Buck变换器、输入电压采样电路、输出电压采样电路以及电流采样电路组成，控制电路包括单周期控制器、第一加法器、第二加法器、除法器、乘法器、电压调节器。二次谐波电流补偿器采用所提出的改进型单周期控制方法进行控制，该控制方法以同步整流Buck变换器的主管电流采样信号和采样偏置电压之和作为单周期控制变量，以补偿器所需吸收或提供的二次谐波电流、电压调节器的输出以及基准偏置电压之和作为单周期控制变量的基准，可以使补偿器稳定可靠地工作，具有很好的二次谐波电流补偿效果，且补偿效果不受工况影响。

【技术实现步骤摘要】
一种二次谐波电流补偿器及其控制方法
本专利技术涉及一种二次谐波电流补偿器，该补偿器可以用来吸收PFC变换器输出电流中的二次谐波电流或提供逆变器输入电流中的二次谐波电流，属于电力电子变换与控制

技术介绍
单相功率因数校正(PFC)变换器和单相逆变器被广泛应用于中小功率场合，其中单相PFC变换器是连接交流输入源与直流负载之间的电能变换装置，而单相逆变器则是连接直流输入源与交流负载或交流电网的重要接口。对单相PFC变换器而言，其瞬时输入功率以二倍输入电压频率脉动，由于输出为平直的电压，因而其输出电流中存在二倍输出电压频率的脉动电流，即所谓的二次谐波电流；而对单相逆变器来说，其瞬时输出功率以二倍输出电压频率脉动，由于输入为平直的电压，因而其输入电流中也存在二次谐波电流。二次谐波电流将对直流负载或直流输入源的工作性能产生不利的影响。若使用单相PFC变换器驱动LED，则PFC变换器输出电流中的二次谐波电流将导致LED频闪，进而对人眼造成伤害。若单相逆变器的输入源为光伏电池，则逆变器输入电流中的二次谐波电流将导致光伏电池的输出功率在最大功率点附近振荡，降低MPPT的效率，进而降低太阳能的利用率。若单相逆变器的输入源为燃料电池或蓄电池，则逆变器输入电流中的二次谐波电流将降低电池的能量转换效率，增大电池的发热量并缩短电池的使用寿命。因此，为了降低二次谐波电流对LED等直流负载产生的不利影响，并提高光伏电池、燃料电池、蓄电池等其他直流输入源的利用效率，需要抑制甚至是消除单相PFC变换器和单相逆变器中的二次谐波电流。对于单级式单相PFC变换器和单相逆变器，增大直流负载侧或直流输入源侧的电容有利于减小二次谐波电流；对于两级式单相PFC变换器和单相逆变器，还可以通过增大中间母线电容的方法来减小二次谐波电流。然而，由于所需的电容容量通常较大，一般需要选用储能密度较高的电解电容。但电解电容的使用寿命只有几千小时，而且随温度的升高而缩短，是制约变换器可靠性及使用寿命的主要元件。为了抑制和消除二次谐波电流，还可以在直流负载侧、直流输入源侧或中间直流母线上并联一个二次谐波电流补偿器，利用它来吸收PFC变换器输出电流中的二次谐波电流或提供逆变器输入电流中的二次谐波电流。尽管二次谐波电流补偿器中也需要一个储能电容，但该储能电容两端的电压脉动可适当增加，从而可以大幅减小储能电容的容量，进而使用寿命较长的薄膜电容来代替电解电容作为储能电容，由此提高变换器的可靠性和使用寿命。根据PFC变换器和逆变器的功率等级以及输入输出电压大小，二次谐波电流补偿器可选择不同的电路拓扑。为了获得较好的二次谐波电流补偿效果，补偿器的控制方法至关重要。KreinP等在“Minimumenergyandcapacitancerequirementsforsingle-phaseinvertersandrectifiersusingarippleport[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2012,27(11):4690–4698.”中使用全桥逆变器作为二次谐波电流补偿器，推导了当补偿器完全提供逆变器输入电流中的二次谐波电流时，输出储能电容电压的瞬时表达式，并将此作为储能电容电压的基准。这样，只要控制储能电容电压跟踪该电压基准即可获得较好的二次谐波电流补偿效果。然而，该电压基准的幅值与逆变器的输出功率和储能电容的容量大小相关，电压基准的相位需与逆变器输出电压的相位满足严格的数量关系，因而获取该电压基准较为复杂，需要实时计算逆变器的输出功率，并对储能电容电压进行锁相控制。与此同时，储能电容的容量大小会随环境温度和电容两端的耐压发生变化，因而工况的变化会影响二次谐波电流的补偿效果。WangR和WangF等在“Ahighpowerdensitysingle-phasePWMrectifierwithactiverippleenergystorage[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2011,26(5):1430–1443.”中使用工作于DCM模式的双向Buck/boost变换器作为二次谐波电流补偿器，并推导了开关管的占空比随二次谐波电流基准的变化规律。这样，直接控制开关管的占空比按所推导得到的规律变化，即可使补偿器的输入电流在一个开关周期内的平均值跟踪二次谐波电流基准。然而，开关管占空比的变化规律与补偿器中输出滤波电感的感值有关，而电感的感值会随环境温度和负载电流变化而变化，因而，二次谐波电流的补偿效果会受环境温度和负载大小的影响。此外，补偿器工作于DCM模式，开关管中电流的峰值和有效值均较高，补偿器的导通损耗较大。采用类似的控制方法，CaoX和ZhongQ等在“Rippleeliminatortosmoothdc-busvoltageandreducethetotalcapacitancerequired[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2015,62(4):2224–2235.”中使用工作于DCM模式的双向Buck-boost变换器作为二次谐波电流补偿器，也获得了较好的二次谐波电流补偿效果。但是二次谐波电流的补偿效果同样受环境温度和负载大小的影响。由于负载侧和储能电容侧是非直接能量传递，因而补偿器的损耗还会略有增加。因此，需要寻找一种新的无电解电容的二次谐波补偿器，使该补偿器具有较好的二次谐波电流补偿效果，而且补偿效果不受工况的影响。为了降低补偿器对PFC变换器或逆变器整机效率的影响，补偿器的损耗还应尽可能小。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种采用单周期控制的无电解电容二次谐波电流补偿器，该补偿器可以用来吸收PFC变换器输出电流中的二次谐波电流或提供逆变器输入电流中的二次谐波电流。本专利技术的另一目的是提供一种单周期控制方法。一种二次谐波电流补偿器，该补偿器由主功率电路及其控制电路组成，其中，主功率电路包括同步整流Buck变换器、输入电压采样电路、输出电压采样电路以及电流采样电路，所述同步整流Buck变换器由主管、辅管、滤波电感和储能电容组成，其特征是：控制电路包括单周期控制器、第一加法器、第二加法器、除法器、乘法器和电压调节器；所述的单周期控制器包括积分器、反相器、比较器和触发器；主功率电路中的输入电压采样电路和输出电压采样电路分别与控制电路中的除法器和电压调节器相连接，主功率电路中的电流采样电路与控制电路中的第一加法器相连接，单周期控制器输出的主管和辅管的驱动信号分别与同步整流Buck变换器中主管和辅管的栅极相连接。本专利技术的进一步设计在于：第一加法器由运放1#、电阻R1、R2、R3和R4组成，其中，R1的一端连接至运放1#的反相输入端，另一端接地；R2的一端连接至运放1#的同相输入端，另一端连接至主功率电路中的电流采样电路；R3的一端连接至运放1#的同相输入端，另一端连接至控制电路中所设定的采样偏置电压isbais；R4跨接于运放1#的反相输入端和输出端之间；第一加法器的输出为单周期控制变量，连接至单周期控制器中积分器的输入端。第二加法器由运放4#，电阻R9、R10、R11、R12和R13组成，其中，R9的一端连接至本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种二次谐波电流补偿器，该补偿器由主功率电路及其控制电路组成，其中，主功率电路包括同步整流Buck变换器、输入电压采样电路、输出电压采样电路以及电流采样电路，所述同步整流Buck变换器由主管、辅管、滤波电感和储能电容组成，其特征是：控制电路包括单周期控制器、第一加法器、第二加法器、除法器、乘法器和电压调节器；所述的单周期控制器包括积分器、反相器、比较器和触发器；主功率电路中的输入电压采样电路和输出电压采样电路分别与控制电路中的除法器和电压调节器相连接，主功率电路中的电流采样电路与控制电路中的第一加法器相连接，单周期控制器输出的主管和辅管的驱动信号分别与同步整流Buck变换器中主管和辅管的栅极相连接。

【技术特征摘要】
1.一种二次谐波电流补偿器，该补偿器由主功率电路及其控制电路组成，其中，主功率电路包括同步整流Buck变换器、输入电压采样电路、输出电压采样电路以及电流采样电路，所述同步整流Buck变换器由主管、辅管、滤波电感和储能电容组成，其特征是：控制电路包括单周期控制器、第一加法器、第二加法器、除法器、乘法器Mul2和电压调节器；所述的单周期控制器包括积分器、反相器、比较器和触发器；其中，第一加法器的两个输入端分别连接主功率电路中的电流采样电路和控制电路中所设定的采样偏置电压isbias，第一加法器的输出连接单周期控制器中的积分器的输入端；第二加法器的三个输入端分别连接乘法器Mul2的输出端、电压调节器的输出端和二次谐波电流基准iSHC，第二加法器的输出端连接单周期控制器中的比较器的输入端；除法器的两个输入端分别连接主功率电路中的输入电压采样电路和输出电压采样电路，输出端连接乘法器Mul2的输入端；乘法器Mul2的两个输入端分别连接除法器的输出端和采样偏置电压isbias；电压调节器的输入端连接输出电压采样电路，输出端连接第二加法器的其中一个输入端；主功率电路中的电流采样电路与控制电路中的第一加法器相连接，单周期控制器输出的主管和辅管的驱动信号分别与同步整流Buck变换器中主管和辅管的栅极相连接。2.根据权利要求1所述二次谐波电流补偿器，其特征是：第一加法器由运放1#、电阻R1、R2、R3和R4组成，其中，R1的一端连接至运放1#的反相输入端，另一端接地；R2的一端连接至运放1#的同相输入端，另一端连接至主功率电路中的电流采样电路；R3的一端连接至运放1#的同相输入端，另一端连接至控制电路中所设定的采样偏置电压isbais；R4跨接于运放1#的反相输入端和输出端之间；第一加法器的输出为单周期控制变量，连接至单周期控制器中积分器的输入端。3.根据权利要求1或2所述二次谐波电流补偿器，其特征是：第二加法器由运放4#，电阻R9、R10、R11、R12和R13组成，其中，R9的一端连接至运放4#的同相输入端，另一端连接至电压调节器的输出端；R10的一端连接至运放4#的同相输入端，另一端连接至控制电路中设定的补偿器所需吸收或提供的二次谐波电流基准iSHC；R11的一端连接至运放4#的同相输入端，另一端连接至乘法器Mul2的输出端；R12的一端连接至运放4#的反相输入端，另一端接地；R13跨接于运放4#的反相输入端和输出端之间；第二加法器的输出为单周期控制变量的基准，连接至单周期控制器中比较器的输入端。4.根据权利要求3所述二次谐波电流补偿器，其特征是：除法器由运放2#，乘法器Mul1和Mul3以及电阻R5和R6组成，其中，Mul1的一个输入端与运放2#的输出端相连接，另一个输入端连接至主功率电路中的输入电压采样电路，输出端与R6串联连接，R6的另一端连接于运放2#的反相输入端，R5的一端连接至运放2#的反相输入端，另一端连接至-1V基准，Mul3的一个输入端连接至运放2#的输出端，另一个输入端连接至主功率电路中的输出电压采样电路，输出信号接入乘法器Mul2的一个输入端，Mul2的另一个输入端连接至第一加法器中的R3，输出基准偏置电压irbais连接至第二加法器的电阻R11的另一端。5.根据权利要求3所述二次谐波电流补偿器，其特征是：电压调节器由运放3#，电阻R7和R8以及电容C1组成，其中R7的右端连接至运放3#的反相输入端，左端连接至主功率电路中的输出电压采样电路，电阻R8和电容C1串联后并接于运放3#的反相输入端和输出端之间，运放3#的同相输入端与...

【专利技术属性】
技术研发人员：张力，阮新波，任小永，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32