一種二次諧波電流補(bǔ)償器及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[OOOU 本發(fā)明設(shè)及一種二次諧波電流補(bǔ)償器，該補(bǔ)償器可W用來(lái)吸收PFC變換器輸出電 流中的二次諧波電流或提供逆變器輸入電流中的二次諧波電流，屬于電力電子變換與控制
技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 單相功率因數(shù)校正（PFC)變換器和單相逆變器被廣泛應(yīng)用于中小功率場(chǎng)合，其中 單相PFC變換器是連接交流輸入源與直流負(fù)載之間的電能變換裝置，而單相逆變器則是連 接直流輸入源與交流負(fù)載或交流電網(wǎng)的重要接口。
[0003] 對(duì)單相PFC變換器而言，其瞬時(shí)輸入功率W二倍輸入電壓頻率脈動(dòng)，由于輸出為 平直的電壓，因而其輸出電流中存在二倍輸出電壓頻率的脈動(dòng)電流，即所謂的二次諧波電 流；而對(duì)單相逆變器來(lái)說(shuō)，其瞬時(shí)輸出功率W二倍輸出電壓頻率脈動(dòng)，由于輸入為平直的電 壓，因而其輸入電流中也存在二次諧波電流。二次諧波電流將對(duì)直流負(fù)載或直流輸入源的 工作性能產(chǎn)生不利的影響。若使用單相PFC變換器驅(qū)動(dòng)LED,則PFC變換器輸出電流中的二 次諧波電流將導(dǎo)致L邸頻閃，進(jìn)而對(duì)人眼造成傷害。若單相逆變器的輸入源為光伏電池，貝U 逆變器輸入電流中的二次諧波電流將導(dǎo)致光伏電池的輸出功率在最大功率點(diǎn)附近振蕩，降 低MPPT的效率，進(jìn)而降低太陽(yáng)能的利用率。若單相逆變器的輸入源為燃料電池或蓄電池， 則逆變器輸入電流中的二次諧波電流將降低電池的能量轉(zhuǎn)換效率，增大電池的發(fā)熱量并縮 短電池的使用壽命。因此，為了降低二次諧波電流對(duì)L邸等直流負(fù)載產(chǎn)生的不利影響，并 提高光伏電池、燃料電池、蓄電池等其他直流輸入源的利用效率，需要抑制甚至是消除單相 PFC變換器和單相逆變器中的二次諧波電流。
[0004] 對(duì)于單級(jí)式單相PFC變換器和單相逆變器，增大直流負(fù)載側(cè)或直流輸入源側(cè)的電 容有利于減小二次諧波電流；對(duì)于兩級(jí)式單相PFC變換器和單相逆變器，還可W通過(guò)增大 中間母線電容的方法來(lái)減小二次諧波電流。然而，由于所需的電容容量通常較大，一般需要 選用儲(chǔ)能密度較高的電解電容。但電解電容的使用壽命只有幾千小時(shí)，而且隨溫度的升高 而縮短，是制約變換器可靠性及使用壽命的主要元件。
[0005] 為了抑制和消除二次諧波電流，還可W在直流負(fù)載偵U、直流輸入源側(cè)或中間直流 母線上并聯(lián)一個(gè)二次諧波電流補(bǔ)償器，利用它來(lái)吸收PFC變換器輸出電流中的二次諧波電 流或提供逆變器輸入電流中的二次諧波電流。盡管二次諧波電流補(bǔ)償器中也需要一個(gè)儲(chǔ)能 電容，但該儲(chǔ)能電容兩端的電壓脈動(dòng)可適當(dāng)增加，從而可W大幅減小儲(chǔ)能電容的容量，進(jìn)而 使用壽命較長(zhǎng)的薄膜電容來(lái)代替電解電容作為儲(chǔ)能電容，由此提高變換器的可靠性和使用 〇
[0006] 根據(jù)PFC變換器和逆變器的功率等級(jí)W及輸入輸出電壓大小，二次諧波電流補(bǔ) 償器可選擇不同的電路拓?fù)洹榱双@得較好的二次諧波電流補(bǔ)償效果，補(bǔ)償器的控制 方法至關(guān)重要。KreinP等在"Minimumenergyandcapacitancerequirementsfor single-phaseinvertersandrectifiersusingarippleport[J].IEEETransactions on Power Electronics, 2012, 27(11) : 4690 - 4698."中使用全橋逆變器作為二次諧波電流 補(bǔ)償器，推導(dǎo)了當(dāng)補(bǔ)償器完全提供逆變器輸入電流中的二次諧波電流時(shí)，輸出儲(chǔ)能電容電 壓的瞬時(shí)表達(dá)式，并將此作為儲(chǔ)能電容電壓的基準(zhǔn)。該樣，只要控制儲(chǔ)能電容電壓跟蹤該電 壓基準(zhǔn)即可獲得較好的二次諧波電流補(bǔ)償效果。然而，該電壓基準(zhǔn)的幅值與逆變器的輸出 功率和儲(chǔ)能電容的容量大小相關(guān)，電壓基準(zhǔn)的相位需與逆變器輸出電壓的相位滿足嚴(yán)格的 數(shù)量關(guān)系，因而獲取該電壓基準(zhǔn)較為復(fù)雜，需要實(shí)時(shí)計(jì)算逆變器的輸出功率，并對(duì)儲(chǔ)能電容 電壓進(jìn)行鎖相控制。與此同時(shí)，儲(chǔ)能電容的容量大小會(huì)隨環(huán)境溫度和電容兩端的耐壓發(fā)生 變化，因而工況的變化會(huì)影響二次諧波電流的補(bǔ)償效果。Wang R和Wang F等在"A hi曲 power density single-phase PWM rectifier with active ripple energy storage[J]. IE邸Transactions on Power Electronics,2011,26巧）：143〇- 1443."中使用工作于 DCM模式的雙向Buck/boost變換器作為二次諧波電流補(bǔ)償器，并推導(dǎo)了開(kāi)關(guān)管的占空比 隨二次諧波電流基準(zhǔn)的變化規(guī)律。該樣，直接控制開(kāi)關(guān)管的占空比按所推導(dǎo)得到的規(guī)律變 化，即可使補(bǔ)償器的輸入電流在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的平均值跟蹤二次諧波電流基準(zhǔn)。然而， 開(kāi)關(guān)管占空比的變化規(guī)律與補(bǔ)償器中輸出濾波電感的感值有關(guān)，而電感的感值會(huì)隨環(huán)境溫 度和負(fù)載電流變化而變化，因而，二次諧波電流的補(bǔ)償效果會(huì)受環(huán)境溫度和負(fù)載大小的影 響。此外，補(bǔ)償器工作于DCM模式，開(kāi)關(guān)管中電流的峰值和有效值均較高，補(bǔ)償器的導(dǎo)通損 耗較大。采用類(lèi)似的控制方法，Cao X和化ongQ等在"化卵1日eliminator to smooth dc-bus voltage and reduce the total capacitance required[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2015, 62(4):2224 - 2235."中使用工作于DCM模式的雙向 Buck-boost變換器作為二次諧波電流補(bǔ)償器，也獲得了較好的二次諧波電流補(bǔ)償效果。但 是二次諧波電流的補(bǔ)償效果同樣受環(huán)境溫度和負(fù)載大小的影響。由于負(fù)載側(cè)和儲(chǔ)能電容側(cè) 是非直接能量傳遞，因而補(bǔ)償器的損耗還會(huì)略有增加。
[0007]因此，需要尋找一種新的無(wú)電解電容的二次諧波補(bǔ)償器，使該補(bǔ)償器具有較好的 二次諧波電流補(bǔ)償效果，而且補(bǔ)償效果不受工況的影響。為了降低補(bǔ)償器對(duì)PFC變換器或 逆變器整機(jī)效率的影響，補(bǔ)償器的損耗還應(yīng)盡可能小。

【發(fā)明內(nèi)容】

[000引本發(fā)明的目的是提出一種采用單周期控制的無(wú)電解電容二次諧波電流補(bǔ)償器，該 補(bǔ)償器可W用來(lái)吸收PFC變換器輸出電流中的二次諧波電流或提供逆變器輸入電流中的 二次諧波電流。
[0009] 本發(fā)明的另一目的是提供一種改進(jìn)型單周期控制方法。
[0010] 一種二次諧波電流補(bǔ)償器，該補(bǔ)償器由主功率電路及其控制電路組成，其中，主功 率電路包括同步整流Buck變換器、輸入電壓采樣電路、輸出電壓采樣電路W及電流采樣電 路，所述同步整流Buck變換器由主管、輔管、濾波電感和儲(chǔ)能電容組成，其特征是：
[0011] 控制電路包括單周期控制器、第一加法器、第二加法器、除法器、乘法器和電壓調(diào) 節(jié)器；所述的單周期控制器包括積分器、反相器、比較器和觸發(fā)器；
[0012] 主功率電路中的輸入電壓采樣電路和輸出電壓采樣電路分別與控制電路中的除 法器和電壓調(diào)節(jié)器相連接，主功率電路中的電流采樣電路與控制電路中的第一加法器相連 接，單周期控制器輸出的主管和輔管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別與同步整流Buck變換器中主管和輔 管的柵極相連接。
[0013] 本發(fā)明的進(jìn)一步設(shè)計(jì)在于：
[0014] 第一加法器由運(yùn)放1#、電阻Ri、R2、R3和R4組成，其中，Ri的一端連接至運(yùn)放1#的 反相輸入端，另一端接地；R2的一端連接至運(yùn)放1#的同相輸入端，另一端連接至主功率電 路中的電流采樣電路；Rs的一端連接至運(yùn)放1#的同相輸入端，另一端連接至控制電路中所 設(shè)定的采樣偏置電壓4跨接于運(yùn)放1#的反相輸入端和輸出端之間；第一加法器的輸 出為單周期控制變量，連接至單周期控制器中積分器的輸入端。
[0015] 第二加法器由運(yùn)放4#，電阻Rg、Ri。、Rii、Ri2和R13組成，其中，R9的一端連接至運(yùn)放 4#的同相輸入端，另一端連接至電壓調(diào)節(jié)器的輸出端；Ri。的一端連接至運(yùn)放4#的同相輸 入端，另一端連接至控制電路中設(shè)定的補(bǔ)償器所需吸收或提供的二次諧波電流基準(zhǔn)isHe;R11 的一端連接至運(yùn)放4#的同相輸入端，另一端連接至乘法器Mul2的輸出端；Ri2的一端連接 至運(yùn)放4#的反相輸入端，另一端接地；Ri3跨接于運(yùn)放4#的反相輸入端和輸出端之間；第二 加法器的輸出為單周期控制變量的基準(zhǔn)，連接至單周期控制器中比較器的輸入端。
[0016] 除法器由運(yùn)放2#，乘法器Mull和Mul3W及電阻Rs和Re組成，其中，Mull的一個(gè)輸 入端與運(yùn)放2#的輸出端相連接，另一個(gè)輸入端連接至主功率電路中的輸入電壓采樣電路， 輸出端與Re串聯(lián)連接，Re的另一端連接于運(yùn)放2#的反相輸入端，R5的一端連接至運(yùn)放2# 的反相輸入端，另一端連接至-IV基準(zhǔn)，