CN108631404A - 一种用于充电桩ac-dc变换器的控制方法及系统 - Google Patents

一种用于充电桩ac-dc变换器的控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于充电桩AC‑DC变换器的控制方法及系统，采用直接电流控制中的电流电压的双环控制及其改进，外环为PI控制的电压外环，内环为改进PI控制的准PR控制的电流内环。通过采用改进的准PR电流环的设计方法，使对电流的追踪的准确度得到了大大的提高，加强了系统本身的电流追踪能力以及对不同工作环境适应性强的特点，具有很强的实用性。

Description

一种用于充电桩AC-DC变换器的控制方法及系统
技术领域
本发明涉及充电桩技术领域，更具体的说是涉及一种用于充电桩AC-DC变换器的控制方法及系统。
背景技术
目前，普遍使用的充电桩控制技术是以直流电流控制技术为基础的控制方法，但是它在实现能量的双向流动的同时，仍存在着对于电网的二次谐波污染的缺点，不仅不会对电网移峰填谷有所帮助，还会使电网本身的谐波增加。
针对这方面的不足目前有多种解决方案，其中效率最高的是基于瞬时电流的控制技术。瞬时电流控制的应用是外环原理通过检测直流侧输出的电压值与初始指令值进行对比然后通过PI调节器从而保持输出的直流电压的稳定。通过锁相环检测到的交流输出电压的频率和相位信号来确定指令电流的初始值的相位和频率，其幅值是由PI调节器的输出来限定的，再通过乘法运算来最终确定输入电流的初始值。内环控制就是让交流侧的实际输入电流值与指令输入电流的初始值快速响应，最后由给电压初始值和网侧电压作用得到调制波，由SPWM算法得到了PWM输出波形控制主电路的功率元器件完成对系统的的直接控制能够实现对于逆变状态下的AC/DC变换器具有稳定的输出电压波形，以及良好的非线性负载适应性。但是由于瞬时电流控制本身的缺陷，不能在逆变过程中无差的检测与跟踪到交流侧的电流信号在过零点的时候电流会出现畸变，进而使得在给电网馈电时输出的电流产生大量的二次谐波污染电网。
因此，能否提供一种动态响应特性更好，可靠性更高的控制方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种用于充电桩AC-DC变换器的控制方法，动态响应特性好，对电网的调节速度快，输出波形变化小并且精准度高，有效降低了输出波形中的谐波的出现，
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于充电桩AC-DC变换器的控制方法，包括以下步骤：
1)根据电池所能提供的电压设定PI调节器的参考电压；
2)将检测到的电池所提供的直流电压与所述PI调节器的参考电压进行做差比较；
3)将比较结果反馈输入给所述PI调节器使电池输出的直流电压保持稳定；
4)通过锁相环检测到的电网的电压的频率和相位来确定参考电流的初始值的相位和频率；
5)将经过所述PI调节器输出的直流电压的幅值与经所述锁相环处理后的交流电流相乘最终确定参考电流的全部信息，包括：相位、频率和幅值；
6)将经LCL电路滤波后输出的电流与参考电流做差比较，并将结果输入准PR调节器；
7)所述准PR调节器根据比较结果输出待调节的电压，并与电网的电压进行比较；
8)根据所述准PR调节器与电网的电压的比较结果对SPWM产生器的信号占空比进行调解，从而完成对AC-DC变换器的调节。
通过运用PI调节器和PR调节器形成电压外环和电流内环的控制结构，实现了消除误差实，并对交流电流信号的无差跟踪与控制的效果。
进一步的，所述准PR调节器的传递函数为：
式中为Kp比例项系数，ω为谐振频率，ωc为谐振截止频率，Kr为谐振项系数。
进一步的，所述准PR调节器的传递函数中的三个未知数Kp、ωc以及Kr的值分别为Kp＝5，ωc＝3.77和Kr＝100。
采用上述进一步方案的有益效果是：对模拟和数字系统的元器件的参数精度要求较低，可有效抑制电网频率产生偏移时产生的谐波。
本发明还提供了一种用于充电桩AC-DC变换器的控制系统，包括：
第一比较器，所述第一比较器将电池所提供的直流电压与参考电压进行做差比较；
PI调节器，将比较结果输入PI调节器使电池输出的直流电压保持稳定；
PLL锁相环，所述PLL锁相环根据电网的电压的频率和相位来确定参考电流的初始值的相位和频率；
乘法器，所述乘法器将经过PI调节器输出的直流电压的幅值与经锁相环处理后的交流电流信号相乘；
第二比较器，所述第二比较器将经LCL电路滤波后输出的电流信号与参考电流做差比较，并将结果输入准PR调节器；
准PR调节器，所述准PR调节器根据所述第二比较器的比较结果输出需要调节的电压；
第三比较器，所述第三比较器将所述准PR调节器输出的需要调节的电压与电网的电压进行比较；
SPWM产生器，所述SPWM产生器根据所述第三比较器的结果对脉冲宽度进行调节。
本控制系统可以实现对于电网出现扰动的情况下系统本身稳定性对电网不造成谐波污染，实现了对于电流跟踪的无差性。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种用于充电桩AC-DC变换器的控制方法及系统，动态响应特性好，在电网出现的波动调节速度快，输出波形变化小而且精准高，有效降低了输出波形中的谐波率；对模拟和数字电路的器件参数精度要求较低，易于实现。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的充电桩中AC-DC变换器的结构示意图；
图2附图为本发明提供的AC-DC变换器的控制框图；
图3附图为本发明提供的PR调节器与准PR调节器的频域特性对比图；
图4附图为本发明提供的准PR调节器增益的Bode图；
图5附图为本发明提供的充电桩AC-DC变换器的控制系统的主程序流程图；
图6附图为本发明提供的充电桩AC-DC变换器的控制系统的中断程序流程图。
附图中各标号所表示的部件为：
1、第一比较器，2、PI调节器，3、乘法器，4、第二比较器，5、准PR调节器，6、PLL锁相环，7、第三比较器，8、SPWM产生器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种用于充电桩AC-DC变换器的控制方法及系统，参照图1所示，基于V2G技术中的电动汽车充电桩中双向AC-DC变换器的电路选用了电能可回馈的单相全桥电路。由于变换器是采用的全控性开关元器件进行脉宽的调制与控制，可以使得系统具有更好的动态响应能力和对并网的电流波形进行控制。由于单相全桥的拓扑结构具有良好的控制性，加入控制策略能够通过控制交流侧的电流和功率因数，达到交、直流侧的能力的双向流动的效果。
V2G技术的双向AC-DC变换器，它最主要的功能就是实现电能的双向流动，即在充电桩从网侧吸收电能时，AC-DC变换器处于整流的状态，可实现单位功率因数可控，改变电能质量，为后级DC-DC变换器提供稳定的电压为电动汽车充电。当电动汽车通过充电桩为电网反馈电能时后级DC-DC变换器抬升电压，前级AC-DC变换器处于逆变的工作状态，开关管T1-T4进行脉宽调制保证直流侧输出的电压稳定，交流侧通过SPWM脉宽调试得到的输出交流电压可以忽略其中的谐波就可以将其看做可控交流电压源，因此控制输出电压的相位和幅值就可以得到所需的交流侧进网电流，电流经过电感L1的滤波使得交流侧电流的谐波降低，同时使得直流侧电压稳定在所需的值。
参照图2所示，本发明采用的是直接电流控制中的电流电压的双环控制，外环为PI控制的电压外环，内环为改进PI控制的准PR控制的电流内环，本发明提供的用于充电桩AC-DC变换器的控制方法，包括以下步骤：
1)根据电池所能提供的电压设定PI调节器的参考电压；
2)将检测到的电池所提供的直流电压与PI调节器的参考电压进行做差比较；
3)将比较结果反馈输入给PI调节器使电池输出的直流电压保持稳定；
4)通过锁相环检测到的电网的电压的频率和相位来确定参考电流的初始值的相位和频率；
5)将经过PI调节器输出的直流电压的幅值与经所述锁相环处理后的交流电流相乘最终确定参考电流的全部信息，包括：相位、频率和幅值；
6)将经LCL电路滤波后输出的电流与参考电流做差比较，并将结果输入准PR调节器；
7)准PR调节器根据比较结果输出待调节的电压，并与电网的电压进行比较；
8)根据准PR调节器与电网的电压的比较结果对SPWM产生器的信号占空比进行调解，从而完成对AC-DC变换器的调节。
其中，PR调节器的传递函数为：
式中为Kp比例项系数，ω为谐振频率，ωc为谐振截止频率，Kr为谐振项系数。准PR调节器的传递函数中的三个未知数Kp、ωc以及Kr的值分别为Kp＝5，ωc＝3.77和Kr＝100。
在基波处的增益趋近余无穷大，可以使得系统在跟踪电网这一固定频率下的正弦信号能够实现无差稳定跟踪，具有良好的抗电网扰动的特性，本身的相角裕值大，带宽具有一定的宽度，当电网频率发生偏移时候，可以更好地抑制电网谐波，不会造成系统的大规模的震荡完成对电网馈电的稳定输出和减少了输出谐波的值。
电流环准PR调节器的未知参数共有3个未知参数要设计Kp、ωc和Kr设计的基本要求为根据调节器的带宽和增益来选择ωc和Kr。选择值来实现系统稳定性和抗干扰性最优。为了更加清楚的分析各个变量对系统性能的影响，通过只改变一个参数，其他参数不变的然后确定准PR调节器的最佳参数。
本发明还提供了一种用于充电桩AC-DC变换器的控制系统，包括：
第一比较器1，第一比较器1将电池所提供的直流电压与参考电压进行做差比较；
PI调节器2，将比较结果输入PI调节器2使电池输出的直流电压保持稳定；
PLL锁相环6，PLL锁相环6根据电网的电压的频率和相位来确定参考电流的初始值的相位和频率；
乘法器3，乘法器3将经过PI调节器2输出的直流电压的幅值与经锁相环处理后的交流电流信号相乘；
第二比较器4，第二比较器4将经LCL电路滤波后输出的电流信号与参考电流做差比较，并将结果输入准PR调节器5；
准PR调节器5，准PR调节器5根据第二比较器4的比较结果输出需要调节的电压；
第三比较器7，第三比较器7将准PR调节器5输出的需要调节的电压与电网的电压进行比较；
SPWM产生器8，SPWM产生器8根据第三比较器7的结果对脉冲宽度进行调节。
参照图3所示，PR调节器与准PR调节器5的频域特性对比，可以看出PR调节器与准PR调节器5有基本相似的频域特性，都在工频50Hz处相位等于0。因此可以很好地消除稳态误差，虽然在50Hz处的准PR调节器比PR调节器的增益小了很多，但是在其附近的增益却比PR调节器大的很多，可以很好的响应电网的频率波动。可以保证放电过程中的动态响应和消除电网的波动造成的谐波。
参照图4所示，准PR调节器的Bode图，在50Hz频率下系统有很高的增益，而且在其附近都具有较高的增益可以很好地的响应电网的频率波动。可以保证放电过程中的动态响应和消除电网的波动造成的谐波。由于准PR调节器5本身具有的跟踪特性完成了无差电流跟踪的功能。
参照图5和图6，在本发明的一具体实施例中，运用DSP2812作为控制芯片，在CCS3.3软件平台上，实现了目前国际上采用得比较广泛的数字化控制。主程序主要对系统实现初始化，初始化后开中断，主要完成接受控制参数并且进行判断，接受的数据参数主要为了设置系统的工作方式即为启动或停止，充电(整流)，放电(逆变)的运行状态的设定，系统接受的数据主要是接受各采集模块传给DSP的信号，来完成响应和或执行。
双向AC-DC变换器运行于整流还是逆变状态是在中断服务程序里实现的，控制芯片DSP2812进入中断服务程序，进行充放电控制。中断程序主要实现数据采集、坐标变换、算法实现。同时考虑到故障情况发生时，系统能实现过流过压保护。
相比传统的瞬时电流控制，本发明采用了改进型准PR电流环的设计，改进电流的追踪的准确度大大的加强了系统本身的电流追踪能力以及对不同工作环境适应性强的特点，具有很强的实用性。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种用于充电桩AC-DC变换器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据电池所能提供的电压设定PI调节器的参考电压；
2)将检测到的电池所提供的直流电压与所述PI调节器的参考电压进行做差比较；
3)将比较结果反馈输入给所述PI调节器使电池输出的直流电压保持稳定；
4)通过锁相环检测到的电网的电压的频率和相位来确定参考电流的初始值的相位和频率；
5)将经过所述PI调节器输出的直流电压的幅值与经所述锁相环处理后的交流电流相乘最终确定参考电流的全部信息，包括：相位、频率和幅值；
6)将经LCL电路滤波后输出的电流与参考电流做差比较，并将结果输入准PR调节器；
7)所述准PR调节器根据比较结果输出待调节的电压，并与电网的电压进行比较；
8)根据所述准PR调节器与电网的电压的比较结果对SPWM产生器的信号占空比进行调解，从而完成对AC-DC变换器的调节。
2.根据权利要求1所述的一种用于充电桩AC-DC变换器的控制方法，其特征在于，所述准PR调节器的传递函数为：
式中为Kp比例项系数，ω为谐振频率，ωc为谐振截止频率，Kr为谐振项系数。
3.根据权利要求2所述的一种用于充电桩AC-DC变换器的控制方法，其特征在于，所述准PR调节器的传递函数中的三个未知数Kp、ωc以及Kr的值分别为Kp＝5，ωc＝3.77和Kr＝100。
4.根据权利要求1至3任一项所述的一种用于充电桩AC-DC变换器的控制方法所制成的一种用于充电桩AC-DC变换器的控制系统，其特征在于，包括：
第一比较器，所述第一比较器将电池所提供的直流电压与参考电压进行做差比较；
PI调节器，将比较结果输入PI调节器使电池输出的直流电压保持稳定；
PLL锁相环，所述PLL锁相环根据电网的电压的频率和相位来确定参考电流的初始值的相位和频率；
乘法器，所述乘法器将经过PI调节器输出的直流电压的幅值与经锁相环处理后的交流电流信号相乘；
第二比较器，所述第二比较器将经LCL电路滤波后输出的电流信号与参考电流做差比较，并将结果输入准PR调节器；
准PR调节器，所述准PR调节器根据所述第二比较器的比较结果输出需要调节的电压；
第三比较器，所述第三比较器将所述准PR调节器输出的需要调节的电压与电网的电压进行比较；
SPWM产生器，所述SPWM产生器根据所述第三比较器的结果对脉冲宽度进行调节。
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