CN103312136B - 一种工频纹波电流的抑制方法及其装置 - Google Patents

一种工频纹波电流的抑制方法及其装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种工频纹波电流的抑制方法及其装置。包括供能电源，双向DC/DC变换器，滤波电容C3，能量缓冲电容C4及其电压采样的低通滤波电路,供能电源电流检测单元及其低通滤波电路，C4的电压基准值Vref，电流纹波抑制误差放大器EA1，能量缓冲电容C4的电压控制环路误差放大器EA2，误差放大器EA1与误差放大器EA2的求和电路，负载。本发明实现了单点电流采样的方式下对供能电源工频纹波电流的抑制，克服了使用大容量电容无法有效滤除工频纹波的缺点，在降低系统成本的同时减小采样损耗提高系统的效率。

Description

一种工频纹波电流的抑制方法及其装置
技术领域
本发明涉及开关电源变换器领域，尤其涉及供能电源工频纹波电流的抑制，隔离和非隔离式开关变换装置及其控制方法。
背景技术
能源是现代文明社会发展的主要基础之一，随着传统矿物能源，如石油、煤等的日益消耗，能源问题成为人类社会普遍关注的焦点和必须解决的重大课题。为解决目前能源短缺问题，世界各国为开发和利用新能源投入了大量的人力、物力进行研究。太阳能，不仅可再生，且清洁无污染或低污染，蕴藏量巨大。燃料电池是一种将持续供给的燃料和氧化剂中的化学能连续不断地转化为电能的电化学装置。燃料电池发电最大的优势是高效、洁净、无污染、噪声低、不受卡诺循环限制,能量转换效率高,其效率可达40%～65%。国内外在新能源开发和利用方面，将风力发电、太阳能电池和燃料电池等作为当前电气工程重要的研究领域和发展方向，但新能源的应用存在许多问题需要研究和解决。如太阳能光伏发电的最大功率跟踪可提高太阳能的利用率，但是负载工频纹波耦合到太阳能光伏发电系统，将影响其最大功率跟踪精度，导致太阳能的利用率下降；燃料电池由于是机械装置控制燃料气体供应，导致燃料电池输出瞬态特性差，负载的功率波动会导致燃料电池输出功率的波动，影响其发电效率，严重时会缩短燃料电池的寿命，所以开关电源变换装置上如何抑制供能电源的工频纹波电流是需要解决的问题。人们在这方面作了努力，但存在着以下不足：
1、燃料电池的辅助储能控制装置[200710069091.4]，采样负载电流，通过电流高通滤波器，得到交流信息。控制双向变换器的电流跟踪此交流信息，大小相等，方向相反，与负载电流之和趋于恒值，从而实现消除供能电源上的工频电流纹波。该发明采用了多点电流采样，电流采样提高系统的造价的同时，对效率也有影响。
2、负载设计为两级功率结构，第一功率变换输出接有储能电容，通过控制储能电容上电压的波动满足输出功率的波动，使得输入源的电流趋于恒值。
发明内容
鉴于现有技术的以上不足，本发明的目的是公开了一种工频纹波电流的抑制装置，使之克服现有技术的以上缺点。为达到发明目的，采用的手段为：
一种工频纹波电流的抑制装置，采用双向DC/DC变换器在能量缓冲电容上存储和释放能量来解耦含有工频或者低频纹波的负载对供能电源的影响。包括：燃料电池1，供电电源电流采样电路2，负载3，双向DC/DC4，能量缓冲电容5，滤波电路6，误差放大器EA17，环路补偿电路8，误差放大器EA29，高频滤波电容10，滤波11;其中，燃料电池1与供电电源电流采样电路2串联后与高频滤波电容10以及负载3并联，然后与双向DC/DC4的一个功率端口相连；所述双向DC/DC4的另一个功率端口与能量缓冲电容5相连；能量缓冲电容(5)的正端与滤波11的输入端相连；误差放大器EA29的正输入端接Vref，其负输入端与滤波11的输出相连；供电电源电流采样电路2的输出端与误差放大器7的正输入端以及滤波电路6的输入端相连；滤波电路6的输出端与误差放大器EA17的负输入端相连，环路补偿电路8的两个输入端分别与误差放大器EA29以及误差放大器EA17的输出相连，环路补偿电路8的输出端与双向DC/DC4的控制端口相连。
本发明的目的还在于，在以上的装置基础上获得相应的工频纹波电流的抑制方法。
工频纹波电流的抑制方法，通过单点电流采样，控制双向功率变换器的功率流向，双向功率变换器从供能电源获取富余能量给能量缓冲电容充电，以及从能量缓冲电容获取不足能量给负载供电，进而消除供能电源的工（低）频纹波电流；所述工频纹波电流的抑制方法包括如下步骤：供能电源电流检测单元检测供能电源电流，转换为第一电压信号；第一电压信号通过低通滤波电路转换为第二电压信号；根据所述第一电压信号和第二电压信号接第一误差放大器的同相和反向输入端，第一误差放大器的输出控制双向DC/DC变换器的PWM占空比及能量的传递方向；第一电压信号高于第二电压信号时，能量缓冲电容通过双向DC/DC转换器为负载供能，抑制供能电源电流的增大；第一电压信号小于第二电压信号时，双向DC/DC转换器为能量缓冲电容储能，抑制供能电源电流的减小。
本发明供能电源，包括但不限于太阳能光伏电源、质子膜燃料电池等供电电源。
本发明所述的双向DC/DC变换器，其特征在于，包含双端口且能量可以双向传递，第一端口接供能电源，第二端口接能量缓冲电容；包含但不限于隔离和非隔离功率变换电路、电压模控制和电流模控制等。
本发明所述的负载，包括但不限于直流直流功率变换器，直流交流功率变换器，或者它们的组合，其输入功率含有工频或者低频功率分量。
本发明所述误差放大器EA1、误差放大器EA2，包括但不限于运算放大器、跨导放大器、或者数字PID；所述误差放大器EA1与误差放大器EA2的求和电路的实现方式包括但不限于运放加权求和或者数字实现方式。
采用本发明的方法和装置，与现有技术相比，具有的有益效果是：
1、减小负载工频功率波动耦合到供能电源的电流纹波，有利于供能电源的优化控制，提高发电效率。
2、本发明实现了单点电流采样的方式下对供能电源工频纹波电流的抑制，克服了使用大容量电容无法有效滤除工频纹波的缺点，在降低系统成本的同时减小采样损耗提高系统的效率。
附图说明
图1为本发明的系统结构框图。
图2为本发明实施案例一，采用非隔离结构的双向DC/DC变换器，Boost工作模式下为能量缓冲电容储能，Buck工作模式下能量缓冲电容对负载供电；
图3为本发明实施例一的一种应用电路的仿真波形。仿真条件：燃料电池输出电流为30A时输出电压为35V；负载为直流直流变换器后接逆变器并网发电，并网功率1kVA，220Vac/50Hz网压；采用非隔离结构的双向DC/DC变换器，Boost工作模式下为能量缓冲电容储能，Buck工作模式下能量缓冲电容对负载供电，控制方式为电压模控制。
图3为稳态情况下，部分关键电流的波形，I1燃料电池输出电流，I2为双向DC/DC变换器连接燃料电池端口的输入电流，I3为负载直流直流变换器的输入电流，可见由于双向变换器能量缓冲电容上能量的储存和释放，I2与I3存在二倍工频纹波电流，I2与负载输入电流I3之和即燃料电池输入电流I1，燃料电池实现了恒流输出。
图4为稳态情况下，部分关键控制点电压波形，V1为燃料电池输出电压波形，V2为双向变换器PWM占空比控制电压波形，V3为能量缓冲电容电压波形，可见在V2的控制下，能量缓冲电容上出现了二倍于工频的纹波电压，电压平均值150V，根据电容储能原理，采用较小容值的电容即实现了对供能电源工频纹波电流的抑制。
具体实施方式
实施例一
图2示出，本发明的一种具体实施方式，一种纹波电流的抑制方法及其装置，在燃料电池并网逆变上的应用，采用非隔离结构的双向DC/DC变换器，Boost工作模式下为能量缓冲电容储能，Buck工作模式下能量缓冲电容对负载供电，其具体作法是：
1为燃料电池；2为供电电源电流采样电路；3为负载，即，包括直流直流升压变换器、滤波电容、桥式并网逆变电路等构成的并网逆变器；4为双向DC/DC，此例中采用非隔离双向DC/DC变换器，包括电压模PWM控制器、功率开关Q1、功率开关Q2、电感L1等。根据PWM控制器的电平信号，调整Q1与Q2的开关信号，控制能量缓冲电容上电能的存储与释放；5为双向DC/DC变换的能量缓冲电容；6为供电电源电流采样低通的滤波电路，包括电阻R1、电容C1；7为误差放大器EA1，当输入电流采样的瞬时值大于平均值时，从能量缓冲电容释放能量到负载，抑制燃料电池电流的增加，当输入电流采样的瞬时值低于平均值时，富余能量为能量缓冲电容储能，抑制燃料电池电流的减少；8为环路补偿电路，包括电阻R2、电容C2；9为误差放大器EA2，使能量缓冲电容电压的稳态值跟踪设定值Vref，EA2与EA1的输出叠加后作为双向DC/DC变换器的控制信号；10为并接到燃料电池输出的高频滤波电容。

Claims (2)

1.一种工频纹波电流的抑制装置，采用双向DC/DC变换器在能量缓冲电容上存储和释放能量来解耦含有工频纹波的负载对供能电源的影响，其特征在于，包括：供能电源(1)，供能电源电流采样电路(2)，负载(3)，双向DC/DC变换器(4)，能量缓冲电容(5)，第一低通滤波电路(6)，误差放大器EA1(7)，环路补偿电路(8)，误差放大器EA2(9)，高频滤波电容(10)，第二低通滤波电路(11)；所述供能电源(1)为燃料电池；
其中，供能电源(1)与供能电源电流采样电路(2)串联后与高频滤波电容(10)以及负载(3)并联，然后与双向DC/DC变换器(4)的一个功率端口相连；双向DC/DC变换器(4)的另一个功率端口与能量缓冲电容(5)相连；能量缓冲电容(5)的正端与第二低通滤波电路(11)的输入端相连；误差放大器EA2(9)的同向输入端接能量缓冲电容电压给定值Vref，其反向输入端与第二低通滤波电路(11)的输出端相连；供能电源电流采样电路(2)的输出端与误差放大器EA1(7)的同向输入端以及第一低通滤波电路(6)的输入端相连；第一低通滤波电路(6)的输出端与误差放大器EA1(7)的反向输入端相连，环路补偿电路(8)的两个输入端分别与误差放大器EA2(9)的输出端以及误差放大器EA1(7)的输出端相连，环路补偿电路(8)的输出端与双向DC/DC变换器(4)的控制端口相连；
所述负载包括直流直流功率变换器，直流交流功率变换器，或者它们的组合；所述负载含有工频功率分量；
所述双向DC/DC变换器包含双端口且能量可以双向传递；所述双向DC/DC变换器包含隔离或非隔离功率变换电路、电压模控制电路和电流模控制电路；通过单点电流采样，控制双向DC/DC变换器的功率流向，双向DC/DC变换器在供能电源能量富余时从供能电源获取能量给能量缓冲电容充电，或者在供能电源能量不足时从能量缓冲电容获取能量给负载供电，进而消除供能电源的工频纹波电流；
所述工频纹波电流的抑制装置的工作过程包括：供能电源电流采样电路检测供能电源的电流后将其转换为第一电压信号；第一电压信号经低通滤波后转换为第二电压信号；所述第一电压信号接误差放大器EA1的同相输入端，所述第二电压信号接误差放大器EA1的反向输入端，误差放大器EA1的输出控制双向DC/DC变换器的PWM占空比及能量的传递方向；当第一电压信号高于第二电压信号时，能量缓冲电容通过双向DC/DC变换器为负载供能，抑制供能电源电流的增大；当第一电压信号小于第二电压信号时，双向DC/DC变换器为能量缓冲电容储能，抑制供能电源电流的减小。
2.根据权利要求1所述的工频纹波电流的抑制装置，其特征在于，所述工频纹波电流的抑制装置的工作过程还包括；所述能量缓冲电容的正端电压经过低通滤波后的电压信号接误差放大器EA2的反相输入端，能量缓冲电容电压给定值Vref接误差放大器EA2的同向输入端，将误差放大器EA2的输出加权后与误差放大器EA1的输出叠加；当经低通滤波后的能量缓冲电容的电压信号高于能量缓冲电容电压给定值Vref，误差放大器EA2的输出控制能量缓冲电容通过双向DC/DC变换器释放能量到负载；当经低通滤波后的能量缓冲电容的电压信号低于能量缓冲电容电压给定值Vref，误差放大器EA2的输出控制双向DC/DC变换器为能量缓冲电容储能。
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