帶雙Buck逆變器的DC／DC變換器低頻電流紋波抑制

摘要：兩級式逆變器瞬時(shí)輸出功率中含有兩倍輸出電壓頻率的脈動(dòng)分量，該脈動(dòng)功率以脈動(dòng)電流形式表現在輸入側，對供電電源及變換器自身造成影響。詳細分析了后級為全橋和雙Buck變換器時(shí)兩倍頻脈動(dòng)功率的表現形式和傳輸機理，針對后級為雙Buck變換器的兩級式逆變器提出新的采樣方式，并在控制環(huán)路中引入陷波濾波器來(lái)抑制低頻紋波。在此基礎上，定量分析了不同紋波抑制方法的效果，指出陷波濾波器較平均電流控制在動(dòng)態(tài)性能方面的優(yōu)勢。最后，通過(guò)實(shí)驗進(jìn)行驗證，并給出了紋波抑制前后的系統效率曲線(xiàn)。
關(guān)鍵詞：變換器；低頻紋波；陷波濾波器；動(dòng)態(tài)響應

1 引言
在不間斷電源、光伏和電動(dòng)汽車(chē)等分布式發(fā)電系統中，為獲得負載所需115 V或220 V交流電，系統通常需采用DC／DC+DC／AC兩級式結構。由于逆變器瞬時(shí)功率中含兩倍頻脈動(dòng)量，則前級DC／DC變換器輸入電流將含有低頻脈動(dòng)量，對直流輸入源產(chǎn)生不利影響。相關(guān)標準對輸入電流紋波值給出了明確規定。目前關(guān)于低頻紋波抑制的研究均是針對后級為全橋逆變器的架構，而對于逆變級為雙Buck逆變器的前級DC／ DC變換器輸入電流紋波抑制方法，尚無(wú)文獻進(jìn)行詳細分析。
在此基礎上，這里對后級為雙Buck變換器的兩級式逆變器兩倍頻脈動(dòng)功率進(jìn)行了分析，引入陷波濾波器來(lái)實(shí)現雙Buck逆變器負載時(shí)DC／ DC變換器輸入側低頻紋波抑制，分析了不同紋波抑制方法時(shí)系統的動(dòng)態(tài)響應，并給出系統效率曲線(xiàn)。

2 不同類(lèi)型逆變器時(shí)脈動(dòng)功率分析
2．1 全橋逆變器時(shí)
當后級為全橋變換器時(shí)，兩級式逆變器結構如圖1所示。對于線(xiàn)性負載，其輸出電壓、電流為：

式中：Uo，Io分別為輸出電壓、電流的有效值；ω為輸出電壓的角頻率：φ為輸出阻抗角。

瞬時(shí)輸出功率為：
po(t)=uo(t)io(t)=UoIo[cosφ-cos(2ωt-φ)] (2)
由于母線(xiàn)電壓脈動(dòng)幅值△Ubus占中間母線(xiàn)電壓Ubus的比例很小，假設Ubus為恒定值，若不考慮系統損耗，可得逆變器輸入電流瞬時(shí)值為：
iinv=UoIo[cosφ-cos(2ωt-φ)]／Ubus (3)
而△Ubus是由逆變器輸入電流的充放電引起的，故母線(xiàn)電壓脈動(dòng)頻率為2fo(fo為輸出電壓頻率)，則DC／DC變換器輸入電流為：
iin=UoIo[cosφ-cos(2ωt-φ)]Uin (4)
式中：Uin為DC／DC變換器輸入電壓。
可見(jiàn)，DC／DC變換器輸入電流脈動(dòng)頻率為2fo，電感電流脈動(dòng)頻率亦為2fo。
2．2 雙Buck逆變器時(shí)
后級為雙Buck逆變器時(shí)，兩級式逆變器結構如圖2所示。逆變器正半周期工作時(shí)，Cbus放電，Cbus充電；負半周期工作時(shí)，Cbus1，充電，Cbus2放電。在一個(gè)周期內，Cbus1，Cbus2各完成一次充放電，所以單個(gè)母線(xiàn)電容電壓脈動(dòng)頻率為fo，兩電容電壓之和在一個(gè)周期內完成兩次充放電，則脈動(dòng)頻率為2fo。

雙Buck逆變器無(wú)偏置電流工作時(shí)，由于DC／DC變換器與逆變器相互作用，DC／DC變換器以半周期模式工作，即在逆變器半周期內，DC／ DC變換器輸出電流僅流過(guò)單個(gè)直流濾波電感Ldc1或Ldc2，則單個(gè)電感電流脈動(dòng)頻率為fo，兩直流濾波電感電流之和脈動(dòng)頻率為2fo，DC／DC變換器輸入電流脈動(dòng)頻率為2fo。

3 雙Buck逆變器時(shí)輸入側低頻紋波抑制
3．1 輸入側低頻脈動(dòng)電流抑制方法
對雙環(huán)控制的DC／DC變換器，將電壓控制器的誤差信號作為電流給定。由于采樣的電壓信號中含低頻分量，使電流給定中也含低頻分量，因而使電感電流成為脈動(dòng)的電流，則輸入電流也隨之脈動(dòng)。若電流給定低頻含量小，則輸入電流將變得平直?；诖艘胂莶V波器將電流給定中特定的頻率成分消除或大大衰減，從而抑制低頻紋波。

由上節可知，逆變級為雙Buck變換器時(shí)，DC／DC變換器以半周期模式工作。因此，DC／DC變換器電壓環(huán)采樣母線(xiàn)電壓的一半，電流環(huán)采樣兩電感電流之和，引入的陷波濾波器中心頻率設計為fo。DC／DC變換器控制框圖如圖3所示。