一种抑制逆变电源输出电压瞬态波动的装置及方法

摘要

本发明公开了一种抑制逆变电源输出电压瞬态波动的装置及方法，包括发动机、永磁发电机、整流变化模块、LC滤波电路和控制器，发动机连接永磁发电机，产生交流电，永磁发电机连接整流变化模块，控制器设有PWM输出模块、A/D转换模块，所述PWM输出模块通过驱动电路连接功率变换电路，通过控制其开通和关断得到恒频恒压的输出电压，该电压经过LC滤波电路后给负载供电，A/D转换模块连接有交流电源频率检测和直流母线电压检测电路分别检测发电机的交流电源电压状态、滤波电路滤波后的直流母线电压状态。本发明能够明显抑制输出电压脉动，提高逆变装置的瞬态性能。

说明书

技术领域

本发明涉及一种抑制逆变电源输出电压瞬态波动的装置及方法。

背景技术

在一些应急供电场合，移动式发电系统得到广泛的应用。该系统一般采用燃气或燃油发动机驱动交流发电机输出交流电源，然后通过整流逆变装置来输出恒频恒压的交流电源。在实际应用过程中由于输出侧负载的突然变化会引起输出电压的瞬态波动。如果瞬态波动太大，轻则影响后续用电装置的稳定性，重则损坏用电设备。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种抑制逆变电源输出电压瞬态波动的装置及方法，该方法通过检测输入侧交流电压频率变化，通过模糊逻辑规则实时控制SPWM的调制深度来抑制输出电压波动，具有计算方法简单，使用方便，系统动态响应速度快的优点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种抑制逆变电源输出电压瞬态波动的装置，包括发动机、永磁发电机、整流变化模块、LC滤波电路和控制器，其中：

发动机连接永磁发电机，产生交流电，永磁发电机连接整流变化模块，整流变化模块通过LC滤波电路连接负载，控制器驱动整流变化模块和LC滤波电路；

所述整流变化模块，包括整流模块、滤波电路和功率变换电路，整流模块将交流电转换为直流电后，滤波电路对其进行滤波，滤波电路连接功率变换电路；

所述控制器设有PWM输出模块、A/D转换模块，所述PWM输出模块通过驱动电路连接功率变换电路，得到恒频恒压的输出电压，该电压经过LC滤波电路后给负载供电，A/D转换模块接收发电机的交流电源电压状态、滤波电路滤波后的直流母线电压状态。

所述A/D转换模块通过隔离放大电路连接电流互感器，电流互感器连接LC滤波电路后端。

所述A/D转换模块通过隔离放大电路连接电压互感器，电压互感器连接负载输入端。

所述滤波电路连接有DC/DC变换器，DC/DC变换器连接驱动电路。

所述控制器设有功率驱动保护中断模块，接收过热保护信号、过流保护信号和过压保护信号。

所述控制器为嵌入式控制器或数字信号处理器(DSP)、电子控制器(ECU)。

基于上述系统的控制方法，包括以下步骤：

(1)将外部采样电路获得输入侧发电机的交流电源频率和自身输出侧的电压有效值转换为对应的数字量输入控制器；

(2)控制器根据设定速度参考值与实际速度采样值通过数学运算构成转速误差和电压误差，定义转速误差的隶属度函数和转速误差变化率隶属度函数，构建模糊逻辑规则表；

(3)根据预制的模糊逻辑规则表的方式来实时改变产生正弦脉宽调制的调制深度来降低输出电压的瞬态波动。

所述步骤(2)中，对于转速误差E_S的模糊集及其论域定义如下：

E_S的模糊集为:{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}；

E_S的论域为:{-150,-100,-80,-60，-40，-20，0,20,40,60,80,100,150}；

根据转速误差E_S的模糊集及其论域确定模糊变量的隶属度函数，来确定论域内元素对模糊语言变量的隶属度，得到转速误差E_S的隶属度。

所述步骤(2)中，对于转速误差变化率EC_S的模糊集及其论域定义如下：

EC_S的模糊集为:{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}；

EC_S的论域为:{-150,-90,-70,-50，-30，-10，0,10,30,50,70,90,150}；

根据转速误差变化率EC_S的模糊集及其论域确定模糊变量的隶属度函数，来确定论域内元素对模糊语言变量的隶属度，得到转速误差变化率EC_S的隶属度。

所述步骤(2)中，对于调制深度系数K_M的模糊集及其论域定义如下：

K_M的模糊集为:{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}；

K_M的论域为:{0.1,0.2,0.3,0.4，0.6，0.8,1.0,1.2,1.4,1.6,1.8,2.0,2.5}；

根据调制深度系数K_M的模糊集及其论域确定模糊变量的隶属度函数，来确定论域内元素对模糊语言变量的隶属度，得到调制深度K_M的隶属度。

所述步骤(2)中，对转速误差E_S、转速误差变化率EC_S、调制深度系数K_M的模糊集、论域及隶属度的定义根据经验进行调整；根据设定，通过实际的调试经验确定调制深度系数K_M的控制规则表。

所述步骤(2)中，K_M的控制规则表为：

。

本发明的有益效果为：

(1)方法简单，使用方便，系统动态响应速度快；

(2)能够明显抑制输出电压脉动，提高逆变装置的瞬态性能。

附图说明

图1为应急供电系统用逆变装置的示意图；

图2为负载突然变化时转速、直流母线和输出电压有效值变化示意图；

图3为不同调制深度时输出电压波形比较图；

图4为E_S隶属度函数图；

图5为EC_S隶属度函数图；

图6为K_M的隶属度函数图。

其中，1.柴油或汽油发动机、2.永磁发电机、3.整流模块、4.滤波电路、5.功率变换电路、6.LC滤波电路、7.负载、8.嵌入式控制器。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示：应急供电系统用逆变装置的示意图，该逆变装置主要包括柴油或汽油发动机1、永磁发电机2、整流模块3、滤波电路4、功率变换电路5、LC滤波电路6、负载7、嵌入式控制器8、输入侧交流电源检测电路、直流母线电压检测、驱动电路、输出电流检测电路、输出电压检测电路等部分。

逆变装置的工作原理如下：柴油或汽油发电机与永磁发电机产生的交流电源经过逆变装置中的整理和滤波电路形成直流电压，嵌入式控制器硬件和软件程序形成SPWM控制信号通过驱动电路控制功率变换电路的开通和关断得到恒频恒压的输出电压，该电压经过LC滤波电路后给负载供电。直流母线电压检测结合控制器对交流电压状态进行判断。输入侧交流电源检测电路为本方法转速信号的检测电路。输出电压、电流检测电路实现对输出状态的检测。

图2为负载突然变化时转速、直流母线和输出电压有效值变化示意图。如图1所示，负载7突然增加部分为测试的输出负载由空载突变到100％额定负载情况时发电机转速、直流母线电压突然降低和输出电压有效值波动情况。负载7突然减小部分为测试的输出负载由100％额定负载突变到空载时发电机转速、直流母线电压突然增加和输出电压有效值波动情况。

图3为不同调制深度时输出电压波形比较。示意图中上图为SPWM调制深度为M₁时的SPWM波形及等效的正弦波，下图为SPWM调制深度为M₂时的SPWM波形及等效的正弦波，这时M₁＜M₂。从图示中可见调节调制深度的大小可以调节输出正弦波的数值。

图4为转速误差E_S的隶属度函数对于转速误差E_S的模糊集及其论域定义如下：

E_S的模糊集为:{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}；

E_S的论域为:{-150,-100,-80,-60，-40，-20，0,20,40,60,80,100,150}；

根据转速误差E_S的模糊集及其论域确定模糊变量的隶属度函数，来确定论域内元素对模糊语言变量的隶属度，得到图4中转速误差E_S的隶属度。

图5为转速误差变化率EC_S隶属度函数对于转速误差变化率EC_S的模糊集及其论域定义如下：

EC_S的模糊集为:{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}；

EC_S的论域为:{-150,-90,-70,-50，-30，-10，0,10,30,50,70,90,150}；

根据转速误差变化率EC_S的模糊集及其论域确定模糊变量的隶属度函数，来确定论域内元素对模糊语言变量的隶属度，得到图5中转速误差变化率EC_S的隶属度。

图6为调制深度系数K_M的隶属度函数对于调制深度系数K_M的模糊集及其论域定义如下：

K_M的模糊集为:{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}；

K_M的论域为:{0.1,0.2,0.3,0.4，0.6，0.8,1.0,1.2,1.4,1.6,1.8,2.0,2.5}；

根据调制深度系数K_M的模糊集及其论域确定模糊变量的隶属度函数，来确定论域内元素对模糊语言变量的隶属度，得到图6中调制深度K_M的隶属度。

上述对转速误差E_S、转速误差变化率EC_S、调制深度系数K_M的模糊集、论域及隶属度的定义都不是最优值，实际应用时可以根据经验进行调整。根据上述的设定，通过实际的调试经验确定调制深度系数K_M的控制规则表，如表1所示，控制规则表里面的内容也可以根据不同的应用场合来调整。

表1调制深度系数K_M控制规则表

。

根据表1，调制深度系数K_M取值举例如下：

1)如果转速误差E_S＞150，则E_S＝PB；转速误差变化率EC_S＞150，则EC_S＝PB；查表得K_M＝NB，调制深度系数K_M取0.1。

2)如果转速误差E_S＜-150，则E_S＝NB；转速误差变化率EC_S＜-150，则EC_S＝NB；查表得K_M＝PB，调制深度系数K_M取2.5。

通过实际应用证明发明中抑制逆变电源输出电压瞬态波动的装置及方法能够明显抑制输出电压脉动，提高逆变装置的瞬态性能。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。