一种逆变器交流侧输出电流纹波消除装置

1.本发明属于有源滤波技术领域，更为具体地讲，涉及一种逆变器交流侧输出电流纹波消除装置。


背景技术：

2.逆变器又称逆变电源，是一种电源转换装置，可将直流电转换成不同电压和频率的交流电，适用于各类交流负载设备。电压源型脉冲宽度调制(pwm)逆变器被工业界公认为是电力电子逆变器的主流方式，但由于脉冲宽度调制(pwm)的技术特点，pwm逆变器的输出端在接入感性负载下会产生电流纹波，较大的电流纹波会造成输出电能质量下降，严重的情况还可能导致设备的崩溃和损坏。因此，输出电流的纹波值被公认为pwm逆变器最重要的参数之一，其对于电力电子逆变器的设计和实际的输出能力至关重要。
3.为了解决上述问题，需要通过适当的滤波器滤除产生的电流纹波，而滤波器又可以分为无源滤波器、有源滤波器两类。无源滤波器通过增大回路高频阻抗或为高频噪声提供低阻抗回路来实现电流纹波的衰减，大多由分立的共模电感、差模电感和电容等构成，设计相对简单，技术成熟，维护方便，但为了改善低频段的滤波效果，往往需要增大电感和电容，故体积、重量和损耗等都比较大。除此之外，无源元件的寄生参数对高频段的滤波效果也有很大影响，滤波器特性受系统参数影响较大。而有源滤波器基于检测、补偿的有源消去技术，多采用半导体器件和电子电路，不需要靠增大电感和电容值来提高滤波效果，所以体积和重量都比较小，功率密度高，受系统参数影响小。因此，有必要开展对有源滤波器的进一步研究。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种逆变器交流侧输出电流纹波消除装置，通过有源滤波器滤除产生的电流纹波，提升并网电流质量。
5.为实现上述发明目的，本发明一种逆变器交流侧输出电流纹波消除装置，其特征在于，包括：在逆变器交流输出侧的每一相连接有源滤波电路、滤波电感和负载；
6.其中，每一相的有源滤波电路结构相同，具体包括：采样保持电路、无源滤波保持电路、缩比差模电流产生器、反向电流注入功率放大器、以及高压跟随电路；
7.所述滤波电感串联于逆变器交流侧输出端与负载之间，用于采集逆变器交流侧输出电流纹波；
8.所述采样保持电路包括分压电阻r1、r2、r3和运算放大器u1，其中，分压电阻r3作为采样保持电路的输入端，连接于逆变器交流侧输出端；分压电阻r1、r2、r3串联，r1的一端接负载输入端，另一端连接运算放大器u1的正向输入端，运算放大器u1的负向输入端与输出端同时连接至无源滤波保持电路的r4；采样保持电路通过分压电阻r1、r2、r3采集逆变器交流侧输出的电流纹波，再通过运算放大器u1进行跟随并保持住；
9.所述无源滤波保持电路包括无源滤波电路和电压跟随电路；其中，无源滤波电路
采用电容c1、电感l1、电阻r4、r5组成的高通滤波器；电压跟随电路采用运算放大器u2；电阻r4与电容c1依次串联到运算放大器u2的正向输入端，电感l1的一端接负载输入端，另一端连接于电阻r4与电容c1之间；电阻r5的一端接负载输入端，另一端连接于电容c1与运算放大器u2的正向输入端之间，运算放大器u2的负向输入端与输出端同时连接至功率滤波电感拟合阻抗网络z
l
；在无源滤波保持电路中，无源滤波电路滤除电流纹波的低频分量，再通过电压跟随电路进行跟随并保持住；
10.所述缩比差模电流产生器包括拟合的功率滤波电感阻抗网络z
l
、电阻r6和运算放大器u3；电阻r6并联在运算放大器u3的正向输入端与输出端之间，阻抗网络z
l
的一端连接运算放大器u3的正向输入端，运算放大器u3的负向输入端接负载输入端，其输出端连接于二极管d1与d2之间；阻抗网络z
l
另一端作为输入端且不限制z
l
拟合方式，无源滤波保持电路输出的电压信号施加于拟合的功率滤波电感上，从而产生缩比差模电流，差模电流再经过电阻r6变为与之反向的电压信号；
11.所述反向电流注入功率放大器采用推挽式电路结构，由两个互补的pnp晶体管q1和npn晶体管q2组成；其中，两个晶体管的射极由串联的两个等阻值的电阻r9、r10连接，两个晶体管的集电极分别与相同的正、负电源ud1、ud2连接，两个晶体管的基极之间由串联的两个二极管d1、d2顺着电势方向连接；此外，两个晶体管的基极还分别经过等阻值的电阻r7、r8分别与集电极连接的正负电源相连；
12.反向电流注入功率放大器以二极管d1、d2的连接处为输入端，在电阻r9、r10的连接处串联电阻r11后作为输出端，且输出端直接连接到负载输入端，从而对缩比差模电流产生器输出电压的输出能力进行放大；
13.所述高压跟随电路同样采用推挽式电路结构，由两个互补的npn晶体管q3和pnp晶体管q4组成；其中，两个晶体管的射极由串联的两个等阻值的电阻r12、r13连接，两个晶体管的集电极分别与逆变器直流测的两条直流母线相接，两个晶体管的基极之间由串联的两个二极管d3、d4顺着电势方向连接；此外，两个晶体管的基极还分别经过等阻值的电阻r14、r15分别与集电极连接的直流母线相接；
14.高压跟随电路以二极管d3、d4的连接处为输入端，且输入端与负载输入端相连，以电阻r12、r13的连接处作为输出端，且输出端连接到反向电流注入功率放大器的供电电源ud1、ud2的公共端；高压跟随电路为补偿电流提供了流动的路径，将交流侧的差模噪声电流转移到了直流侧。
15.本发明的发明目的是这样实现的：
16.本发明一种逆变器交流侧输出电流纹波消除装置，通过采样保持电路对功率电感噪声电压实时采样，再经过无源滤波保持电路后与缩比差模电流产生器中的zl获得缩比差模电流，缩比差模电流经缩比差模电流产生器中r6产生与差模电流波形相同且反向的电压，该电压经过反向电流注入功率放大器后生成电压幅值不变、输出能力增大电压信号，此电压经负载r11将反向噪声电流注入到负载输入端，高压跟随电路为功率放大器注入的电流提供通路，将噪声电流转换到直流侧。整个过程有源滤波器输入电压与输出补偿电流之比为负的功率电感阻抗。
17.同时，本发明一种逆变器交流侧输出电流纹波消除装置还具有以下有益效果：
18.(1)、逆变器输出通常使用lcl进行滤波，lcl结构控制复杂，在大功率大电流应用
中，该结构占有较大体积，同时为得到小的纹波电流，需要较大的c、l值，这使得体积进一步增大。在系统中加入有源滤波器，可降低滤波对无源滤波器的要求，低阶或低感值和容值的无源滤波器配合有源滤波器共同作用可将逆变输出纹波限制在理想范围。此过程降低了逆变器交流侧无源滤波器阶数，减小控制复杂度，减小开关纹波，提升并网电流质量。此外，相较于无源滤波器的体积重量有源滤波器体积重量较小，因此使用有源滤波器可使得总体滤波器体积重量减小，使得系统功率密度得到提升。
19.(2)、逆变器的损耗主要来自逆变器开关的开关损耗。晶体管的开关损耗与开关频率程正相关，有源滤波器通过较低的开关频率使逆变器输出得到相同的电流质量，因此具有降低开关频率，减少开关损耗的效果。
附图说明
20.图1是本发明抑制逆变器交流侧输出电流纹波的有源滤波器的原理图；
21.图2是本发明具体应用于三相两电平逆变器的电路图；
22.图3是有源滤波器正过常运行程中的补偿电流与纹波电流波形图；
23.图4是电流补偿前后的电流波形对比图。
具体实施方式
24.下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
25.实施例
26.图2是本发明具体应用于三相两电平逆变器的电路图。
27.在本实施例中，如图2所示，本发明一种应用于三相两电平逆变器交流侧输出电流纹波消除装置，包括：在三相两电平逆变器交流输出侧的每一相连接有源滤波电路、滤波电感和负载，滤波电感串联于逆变器交流侧输出端与负载之间，用于采集逆变器交流侧输出电流纹波；
28.在本实施例中，有源滤波电路的原理图如图1所示，图中电感l为逆变器桥臂中点输出功率滤波电感，z
load
为功率滤波电感后连接的逆变器输出端负载，在逆变器电机和电网的应用中通常可以看做一个由电阻和电容组成的阻抗网络，z
load
一端与功率滤波电感相连，另一端为负载中点，vs为每一相的高频噪声源，vs的参考点为三相负载中点电压vn，交流侧产生的噪声电流为i
noise
，采集电感l上高频噪声电压，然后将高频噪声电压施加到拟合电感上，就可以得到需要的用于补偿噪声电流的补偿电流i
comp
，i
comp
与i
noise
大小相等方向相反，将i
comp
注入到电路中，这样流过负载z
load
的高频噪声电流在理想情况下为0，由此就抑制了纹波电流噪声。
29.在本实施例中，以三相两电平逆变器为例，三相两电平逆变器包括3个桥臂，分别记为第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂；其中，第一桥臂包括第一开关管s1、第二开关管s4；第二桥臂包括第一开关管s3、第二开关管s6；第三桥臂包括第一开关管s5、第二开关管s6；
30.直流电压电源vdc与三相两电平逆变器的第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂并联；功率滤波电感包括三个功率滤波电感，分别记为第一功率滤波电感、第二功率滤波电感、第三
功率滤波电感，三个功率滤波电感的一端并分别与所述第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂相连；三相负载包括三个星形连接的负载，分别记为负载一、负载二、负载三，三个负载一端分别于功率滤波电感一、功率滤波电感二、功率滤波电感三的一端连接，三个负载的另一端为星形连接的公共端。
31.在本实施例中，逆变器交流侧输出端的每一相连接一个结构相同的有源滤波电路，我们以其中一相进行分析说明，具体包括：采样保持电路、无源滤波保持电路、缩比差模电流产生器、反向电流注入功率放大器、以及高压跟随电路；
32.采样保持电路包括分压电阻r1、r2、r3和运算放大器u1，电阻r1阻值为10kω、电阻r2阻值为9kω、电阻r3阻值为1kω；分压电阻r3作为采样保持电路的输入端，连接于逆变器交流侧输出端；分压电阻r1、r2、r3串联，r1的一端接负载输入端，另一端连接运算放大器u1的正向输入端，运算放大器u1的负向输入端与输出端同时连接至无源滤波保持电路的r4；
33.采样保持电路通过电阻网络进行分压，以滤波电感负端为参考点，后续的信号缩比放大均以此点为参考点，然后将采样得到的电压信号通过运算放大器u1进行跟随并保持住。此方案避免了采样阶段就需滤出噪声和分离出共模与差模噪声，采样的过程使用高精度的电阻可以得到精确的几乎全频段的信号。
34.在本实施例中，电阻网络中r1两端电压设为vsense，vsense就是运算放大器u1的输入电压，设vdm是逆变器输出功率滤波电感上的差模噪声电压，那么有如下关系式：v
sense
＝nv
dm
。
35.无源滤波保持电路包括无源滤波电路和电压跟随电路；其中，无源滤波电路采用电容c1、电感l1、电阻r4、r5组成的高通滤波器；电压跟随电路采用运算放大器u2；电阻r4与电容c1依次串联到运算放大器u2的正向输入端，电感l1的一端接负载输入端，另一端连接于电阻r4与电容c1之间；电阻r5的一端接负载输入端，另一端连接于电容c1与运算放大器u2的正向输入端之间，运算放大器u2的负向输入端与输出端同时连接至功率滤波电感z
l
；在无源滤波保持电路中，无源滤波电路滤除电流纹波的低频分量，再通过电压跟随电路进行跟随并保持住；
36.缩比差模电流产生器包括拟合的功率滤波电感z
l
、电阻r6和运算放大器u3；电阻r6并联在运算放大器u3的正向输入端与输出端之间，功率滤波电感z
l
的输出端连接运算放大器u3的正向输入端，运算放大器u3的负向输入端接负载输入端，其输出端连接于二极管d1与d2之间；功率滤波电感z
l
作为输入端且不限制拟合方式，无源滤波保持电路输出的电压信号施加于拟合的功率滤波电感上，从而产生缩比差模电流，差模电流再经过电阻r6变为与之反向的电压信号；
37.在本实施例中，将采样得到的电压噪声施加到人工拟合的功率滤波电感z
l
上，还原出滤波电感上电流噪声，此过程中需要拟合滤波电感要求在一定频段内与滤波电感特性一致，需要通过阻抗拟合的方式获得拟合滤波电感，以良好的还原噪声电流。
38.反向电流注入功率放大器采用推挽式电路结构，由两个互补的pnp晶体管q1和npn晶体管q2组成；其中，两个晶体管的射极由串联的两个等阻值的电阻r9、r10连接，两个晶体管的集电极分别与相同的正、负电源ud1、ud2连接，两个晶体管的基极之间由串联的两个二极管d1、d2顺着电势方向连接；此外，两个晶体管的基极还分别经过等阻值的电阻r7、r8分
别与集电极连接的正负电源相连；
39.反向电流注入功率放大器以二极管d1、d2的连接处为输入端，在电阻r9、r10的连接处串联电阻r11后作为输出端，且输出端直接连接到负载输入端，从而对缩比差模电流产生器输出电压的输出能力进行放大，进而能够补偿较大的电流纹波。
40.高压跟随电路同样采用推挽式电路结构，由两个互补的npn晶体管q3和pnp晶体管q4组成；其中，两个晶体管的射极由串联的两个等阻值的电阻r12、r13连接，两个晶体管的集电极分别与逆变器直流测的两条直流母线相接，两个晶体管的基极之间由串联的两个二极管d3、d4顺着电势方向连接；此外，两个晶体管的基极还分别经过等阻值的电阻r14、r15分别与集电极连接的直流母线相接；
41.高压跟随电路以二极管d3、d4的连接处为输入端，且输入端与负载输入端相连，以电阻r12、r13的连接处作为输出端，且输出端连接到反向电流注入功率放大器的供电电源ud1、ud2的公共端；高压跟随电路为补偿电流提供了流动的路径，将交流侧的差模噪声电流转移到了直流侧。
42.图3有源滤波器正常运行过程中的补偿电流与纹波电流波形图。图3中第一幅为功率电流纹波，第二幅为有源滤波器输出补偿电流。两幅图横坐标为时间，单位为秒，纵坐标为电流，单位为安培，波形处于相同的时间范围，可进行比较。从图中可知，功率电流纹波与补偿电流除方向反向外波形几乎一致，说明补偿电流能够比较好的反向补偿功率电路中的电流纹波，达到比较好的纹波消除效果。
43.图4有源滤波器对功率纹波电流补偿效果。图4中第一幅为加入有源滤波器前的功率电流，第二幅为加入有源滤波器后的功率电流。两幅图横坐标为时间，单位为秒，纵坐标为电流，单位为安培，波形处于相同的时间范围，同时纵坐标具有相同的电流分度，便于进行比较。由图4知，经有源滤波器对纹波电流补偿进行补偿后，使滤波前幅值接近1a的差模纹波电流几乎完全衰减，有源滤波效果显著。但由于在信号采样、处理阶段和补偿电流注入的过程中模拟器件和有源滤波器接线的寄生参数和功率电路对有源滤波器的补偿可能带来噪声干扰，使得实际效果与仿真可能存在一些差距。
44.尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

技术特征：
1.一种逆变器交流侧输出电流纹波消除装置，其特征在于，包括：在逆变器交流输出侧的每一相连接有源滤波电路、滤波电感和负载；其中，每一相的有源滤波电路结构相同，具体包括：采样保持电路、无源滤波保持电路、缩比差模电流产生器、反向电流注入功率放大器、以及高压跟随电路；所述滤波电感串联于逆变器交流侧输出端与负载之间，用于采集逆变器交流侧输出电流纹波；所述采样保持电路包括分压电阻r1、r2、r3和运算放大器u1，其中，分压电阻r3作为采样保持电路的输入端，连接于逆变器交流侧输出端；分压电阻r1、r2、r3串联，r1的一端接负载输入端，另一端连接运算放大器u1的正向输入端，运算放大器u1的负向输入端与输出端同时连接至无源滤波保持电路的r4；采样保持电路通过分压电阻r1、r2、r3采集逆变器交流侧输出的电流纹波，再通过运算放大器u1进行跟随并保持住；所述无源滤波保持电路包括无源滤波电路和电压跟随电路；其中，无源滤波电路采用电容c1、电感l1、电阻r4、r5组成的高通滤波器；电压跟随电路采用运算放大器u2；电阻r4与电容c1依次串联到运算放大器u2的正向输入端，电感l1的一端接负载输入端，另一端连接于电阻r4与电容c1之间；电阻r5的一端接负载输入端，另一端连接于电容c1与运算放大器u2的正向输入端之间，运算放大器u2的负向输入端与输出端同时连接至功率滤波电感z
l
；在无源滤波保持电路中，无源滤波电路滤除电流纹波的低频分量，再通过电压跟随电路进行跟随并保持住；所述缩比差模电流产生器包括拟合的功率滤波电感z
l
、电阻r6和运算放大器u3；电阻r6并联在运算放大器u3的正向输入端与输出端之间，功率滤波电感z
l
的输出端连接运算放大器u3的正向输入端，运算放大器u3的负向输入端接负载输入端，其输出端连接于二极管d1与d2之间；功率滤波电感z
l
作为输入端且不限制拟合方式，无源滤波保持电路输出的电压信号施加于拟合的功率滤波电感上，从而产生缩比差模电流，差模电流再经过电阻r6变为与之反向的电压信号；所述反向电流注入功率放大器采用推挽式电路结构，由两个互补的pnp晶体管q1和npn晶体管q2组成；其中，两个晶体管的射极由串联的两个等阻值的电阻r9、r10连接，两个晶体管的集电极分别与相同的正、负电源ud1、ud2连接，两个晶体管的基极之间由串联的两个二极管d1、d2顺着电势方向连接；此外，两个晶体管的基极还分别经过等阻值的电阻r7、r8分别与集电极连接的正负电源相连；反向电流注入功率放大器以二极管d1、d2的连接处为输入端，在电阻r9、r10的连接处串联电阻r11后作为输出端，且输出端直接连接到负载输入端，从而对缩比差模电流产生器输出电压的输出能力进行放大；所述高压跟随电路同样采用推挽式电路结构，由两个互补的npn晶体管q3和pnp晶体管q4组成；其中，两个晶体管的射极由串联的两个等阻值的电阻r12、r13连接，两个晶体管的集电极分别与逆变器直流测的两条直流母线相接，两个晶体管的基极之间由串联的两个二极管d3、d4顺着电势方向连接；此外，两个晶体管的基极还分别经过等阻值的电阻r14、r15分别与集电极连接的直流母线相接；高压跟随电路以二极管d3、d4的连接处为输入端，且输入端与负载输入端相连，以电阻r12、r13的连接处作为输出端，且输出端连接到反向电流注入功率放大器的供电电源ud1、
ud2的公共端，高压跟随电路为补偿电流提供了流动的路径，将交流侧的差模噪声电流转移到了直流侧。

技术总结
本发明公开了一种逆变器交流侧输出电流纹波消除装置，通过采样保持电路对功率电感噪声电压实时采样，再经过无源滤波保持电路后与缩比差模电流产生器中的ZL获得缩比差模电流，缩比差模电流经缩比差模电流产生器中R6产生与差模电流波形相同且反向的电压，该电压经过反向电流注入功率放大器后生成电压幅值不变、输出能力增大电压信号，此电压经负载R11将反向噪声电流注入到负载输入端，高压跟随电路为功率放大器注入的电流提供通路，将噪声电流转换到直流侧。整个过程有源滤波器输入电压与输出补偿电流之比为负的功率电感阻抗。出补偿电流之比为负的功率电感阻抗。


技术研发人员：沈泽微 王代鑫 熊浚龙 周德洪 邹见效 魏航
受保护的技术使用者：电子科技大学（深圳）高等研究院
技术研发日：2023.05.08
技术公布日：2023/8/1