CN108631603A - 一种基于全桥变换器的直流母线电压振荡抑制的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力电子级联技术领域，具体涉及一种基于全桥变换器的直流母线电压振荡抑制的控制方法。包括以下步骤：根据稳态下直流母线电压、移相全桥负载变换器输出电压和移相全桥高频变压器变比之间的关系，初步确定稳态时，LegA和LegB之间的移相角；再确定桥臂占空比的可调整范围，并近似估计直流母线电压振荡的谐振频率；接着设计高通滤波器；其次确定LC电流参考值信号；再其次设计LC支路电流控制器H_i；进行桥臂占空比的合成；最后对上述设计结果进行验证，若不满足要求可转入相应的步骤对设计参数进行适当调整。通过在全桥功率变换器两个桥臂中点添加LC支路，到达增强直流母线电压阻尼，提高直流母线电压稳定性的目的。

Description

一种基于全桥变换器的直流母线电压振荡抑制的控制方法

技术领域

本发明属于电力电子级联技术领域，具体涉及一种基于全桥变换器的直流母线电压振荡抑制的控制方法。

背景技术

在功率变换器级联系统中，各变换器必须具备快速性以使变换器输出信号能够跟随输入信号，在忽略各类损耗的条件下，变换器应满足输入功率与输出功率的守恒关系，这就会使变换器输入电压升高或降低时，输入电流相应的减少或增加，在这种情况下，若负载侧变换器具有高带宽闭环控制，则其将表现为负阻抗恒功率特性。一旦负载发生突变，负阻抗特性会使变换器脱离原有稳定状态，可能导致级联系统的不稳定。目前，在多个变换器同时存在的级联变换器系统中，一般仅针对单个变换器进行单独的控制系统设计，单个变换器处于独立运行条件时都能保持系统稳定，但组合应用时，模块之间的相互作用和影响不可避免，甚至导致稳定性问题。因此，通过有效的控制手段改善级联侧直流母线电压的动态性能并保障其稳定性是至关重要的。

在功率变换器级联系统中，由于具有负阻抗特性的功率变换器接入，使得直流侧电压出现不稳定振荡，由此而引发的电能质量问题甚至是故障可能会波及整个系统。增大直流侧等效电阻、直流侧滤波电容以及直流母线电压或者减小直流侧等效电感均可增加级联系统的稳定性，但是增大电阻会增加不必要的损耗，增大电容会增加设备体积以及成本，提高直流母线电压会对设备的绝缘、防护提出更高的要求，而减小电感又会使电流谐波增加，不利于电器设备的运行。本发明针对全桥结构的负载变换器，提出在其两个桥臂中点添加LC支路并将其伏安特性控制成电阻特性的方法以改善级联系统稳定性，这种方法的实现不需要改变原有系统参数。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于全桥功率变换器级联系统前端的直流母线电压振荡控制方法。包括：

结合附图3，本发明的目的是这样实现的。

附图3中源变换器采用一个理想电压源v_ds和等效的R_dc，L_dc和C_dc网络来替代，R_dc，L_dc和C_dc网络用于表示实际源变换器的等效输出阻抗参数，代表其非理想特性。实际应用的源变换器可以是任意的一个DC/AC或者AC/DC变换器。

附图3中的负载变换器的基本结构是一个隔离的移相全桥DC/AC变换器，此为通用技术，通过调节图中LegA和LegB之间的移相角可以控制输出电压v_o的幅值。与众不同的是，在原边两个桥臂中点A和B分别连接两个电感L_b1和L_b2，L_b1和L_b2的另一端均与电容C_b的一端连接于图中的C点，C_b的另一端与直流负母线连接。r_b1和r_b2分别为L_b1和L_b2的等效串联电阻。

CS为电流传感器，用于检测LC支路电感的电流i_b。VS1和VS2为电压传感器，其中VS1用于检测级联的直流母线电压v_dc，利用高通滤波器HPF提取v_dc中的高频分量v_hf，再乘以比例系数K得到LC支路电容电流指令信号i_bref，将该指令信号与实际电流i_b的偏差i_e送入电流控制器H_i得到控制信号u_ce，该信号经调制器环节1/V_m后得到LegA和LegB占空比的修正信号Δd，之后Δd再与0.5相加，得到最终的LegA和LegB占空比控制信号d。

图中所示移相全桥负载变换器采用单电压闭环控制，也可为电压电流双闭环控制等，其输出电压v_o由VS2采样，其与电压参考值v_oref的偏差被送入电压控制器H_v，H_v的输出即为LegA和LegB之间的移相角此为通用技术，不再赘述。

本发明的有益效果在于：在全桥结构的负载功率变换器的两个桥臂中点添加LC支路，对其前端直流母线电压稳定性进行暂态补偿。本发明实现了级联系统带恒功率负载和突加负载时，对直流母线电压的振荡进行抑制的功能。其原理是添加的LC支路在特定电流控制器作用下，被控制为近似电阻的伏安特性，在不增加实际电阻的情况，增强了级联系统直流母线对电压振荡的阻尼作用，改善了直流母线电压的稳定性。功率变换器级联系统具有灵活性、扩展性和冗余性等优点，目前在电动汽车动力系统、工业控制、通讯、计算机系统、国际空间站、飞船、大型舰船动力系统和军事等领域都得到了广泛关注和应用。级联系统中前后级模块之间存在着相互作用和不容忽视的稳定性问题。本发明提出一种有效改善级联功率变换器系统直流母线电压稳定性的控制策略，通过在全桥功率变换器两个桥臂中点添加LC支路，根据开关管复用理论，利用全桥变换器桥臂占空比调节和桥臂间移相角调节在一定范围内解耦的特性，将其LC支路的伏安特性控制成近似电阻的伏安系统，到达增强直流母线电压阻尼，提高直流母线电压稳定性的目的。

附图说明

图1是直流母线电压振荡控制系统设计方法的流程图。

图2是直流母线电压振荡电路结构与控制框图。

图3是不添加LC支路时突加负载，级联系统直流母线电压发生振荡的波形图。

图4是不添加LC支路时突加负载，级联系统输出电压发生振荡的波形图。

图5是添加LC支路时突加负载，级联系统直流母线电压稳定的波形图。

图6是添加LC支路时突加负载，级联系统直流母线电压稳定的波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

一种直流母线电压振荡控制方法及其在全桥变换器的应用，其特征是：

通过在全桥功率变换器两个桥臂中点添加LC支路，根据开关管复用理论，利用全桥变换器桥臂占空比调节和桥臂间移相角调节在一定范围内解耦的特性，将其LC支路的伏安特性控制成近似电阻的伏安系统，到达增强直流母线电压阻尼，提高直流母线电压稳定性的目的。具体做法是提取采样得到的级联母线电压高通分量，由此获得LC支路电感电流的参考指令，构成电流闭环，通过合理的电流环调节器设计使得电流闭环的相频特性在直流母线电压谐振频率点附近的相位近似为零，其补偿效果相当于在母线上并联了等效的电阻，从而可增强直流级母线电压的阻尼，改善直流母线电压的稳定性。

本发明提供的是一种适用于全桥功率变换器的级联系统直流母线电压稳定的控制技术。功率变换器级联系统具有灵活性、扩展性和冗余性等优点，目前在电动汽车动力系统、工业控制、通讯、计算机系统、国际空间站、飞船、大型舰船动力系统和军事等领域都得到了广泛关注和应用。级联系统中前后级模块之间存在着相互作用和不容忽视的稳定性问题。本专利提出一种有效改善级联功率变换器系统直流母线电压稳定性的控制策略，通过在全桥功率变换器两个桥臂中点添加LC支路，根据开关管复用理论，利用全桥变换器桥臂占空比调节和桥臂间移相角调节在一定范围内解耦的特性，将其LC支路的伏安特性控制成近似电阻的伏安系统，到达增强直流母线电压阻尼，提高直流母线电压稳定性的目的。

如图3所示，在0.3s时突加负载，直流母线电压和输出电压由原来的稳定状态开始发生持续振荡。

如图4图5所示，在移相全桥变换器超前桥臂中点添加LC支路，同样在0.3s突加负载，直流母线电压和输出电压在0.05s后变稳定。

(1)根据稳态下v_dc、v_o和移相全桥高频变压器变比N之间的关系，初步确定稳态时(输出电压达到额定值状态)，LegA和LegB之间的移相角可按下式估计：

式中，v_o为移相全桥负载变换器输出电压，N为移相全桥高频变压器变比，v_dc为直流母线电压。

(2)根据原边全桥变换器移相角控制与桥臂占空比控制解耦的条件，如下式所示

式中d为LegA和LegB的占空比，本专利中LegA和LegB具有相同的占空比，和确定占空比d的变化范围，将此范围作为占空比d的输出限幅边界值。

(3)近似估计直流母线电压振荡的谐振频率。根据附图2，在负载变换器理想恒功率负载特性下，假设负载变换器具有足够高的控制带宽，可得直流母线电压扰动与负载变换器功率扰动之间的传递函数关系如下式所示

式中

上式中V_d0为直流母线电压额定值，P_s0代表负载功率的稳定值。

可得到直流母线电压的谐振频率近似为

(4)设计高通滤波器HPF用于提取直流母线电压中的波动分量。为了尽量避免滤波器相移对控制的影响，具体实施的时候，采用下式的形式

HPF＝1-LPF

式中，LPF为一个低通滤波器，例如常用的一阶或二阶低通滤波器，其带宽，近似转折频率，应显著低于计算所得的ω_n，以确保获得更准确的v_dc波动分量。

(5)确定电流参考值信号。假设在附图2级联侧引入与负载变换器并联的电阻参数R_p，如图中虚线所示，则在此情况下保证直流母线电压稳定应满足下式的条件

上式中，P_max为引入R_p之前，保证直流母线稳定可以承受的恒功率负载值，P为引入R_p之后系统可接受的恒功率负载值。由上式可见，引入合适数值的R_p可以增加源变换器级联恒功率负载变换器的能力。由于在附图2中，稳态时，桥臂LegA和LegB中点电压约为直流母线电压v_dc的二分之一，故根据功率守恒，将HPF输出的直流母线电压高频分量信号v_hp乘以一个比例系数K＝2/R_p之后作为LC支路电流i_b的指令值，即：

即，附图2中系数K可取为K＝2/R_p。式中，v_dh为HPF输出的直流母线电压高频分量信号，需要强调的是，实际系统中R_p是不存在的。在这里，是以期望存在的电阻R_p建立控制设计所需要的直流母线电压波动与LC支路电流参考值之间的关系。

(6)设计LC支路电流控制器H_i。对于LC支路两个电感，假设L_b1≈L_b2＝L_b，r_b1≈r_b2＝r_b，则占空比到电容电流的传递函数为

选择电流控制器的形式如下式所示：

设计合适的参数K_c，ω_z和ω_p使下式所示的电流闭环系统在直流母线电压谐振频率ω_n附近的相位近似为零，即实际LC电路的电流i_b可以近似无滞后的跟踪与直流母线电压同相位的电流参考值i_bref。电流闭环系统传递函数为：

式中，G_ild为占空比到电容电流的传递函数，H_i为LC支路电流控制器。

(7)占空比信号的合成。对于附图2中作为负载变换器的移相全桥变换器本身而言，若不考虑LC支路的控制，则其所有开关管的占空比均为50％。而在本专利中，将LC支路电流控制器H_i的输出Δd用于对原始占空比0.5进行调整，以改变LegA和LegB桥臂中点电压，从而控制电容C_b充放电，达到平抑直流母线电压振荡的目的。因此最终的桥臂开关管占空比为

d＝0.5+Δd

式中，Δd为LC支路电流控制器H_i的输出占空比。

(8)对上述设计结果进行验证，若不满足要求可转入(2)～(7)相应的步骤对设计参数进行适当调整。

采用专利所述方法，以移相全桥变换器级联系统为例，直流母线电压值为v_dc＝220V，开关频率为f_s＝20kHz。图3所示为在不添加LC支路及其控制策略情况下突加负载时的直流母线电压波形图；图4所示为在不添加LC支路及其控制策略情况下突加负载时的输出电压波形图；图5所示为在添加LC支路及其控制策略情况下突加负载时的直流母线电压波形图；图6所示为在添加LC支路及其控制策略情况下突加负载时的输出电压波形图。

Claims (7)

1.一种基于全桥变换器的直流母线电压振荡抑制的控制方法，其特征在于，其电路结构主要由等效源变换器、负载变换器、输出电压控制环组成，等效源变换器包括有电源变换器和第一电压传感器VS1，电源变换器采用一个理想电压源和等效的R_dc，L_dc和C_dc网络来替代，其中R_dc为电阻、L_dc为电感、C_dc为电容，第一电压传感器VS1用于检测级联的直流母线电压v_dc，第一电压传感器VS1与高通滤波器HPF相连；利用高通滤波器HPF提取直流母线电压v_dc中的高频分量v_hf，再乘以比例系数K得到LC支路电容电流指令信号i_bref，将该指令信号与实际电流i_b的偏差i_e送入电流控制器H_i，该输出信号经调制器环节1/V_m之后再与0.5相加，得到最终的第一桥臂和第二桥臂占空比控制信号d；负载变换器包括隔离的移相全桥DC/AC变换器、电流传感器CS、第二电压传感器VS2以及电感和电容，在原边第一桥臂中点A和第二桥臂中点B分别连接第一电感L_b1和第二电感L_b2，第一电感L_b1和第二电感L_b2的另一端均与电容C_b的一端连接，C_b的另一端与直流负母线连接，输出电压控制环是将所述的VS2采样的输出电压v_o，与电压参考值v_oref的偏差共同送入电压控制器H_v，H_v的输出即为第一桥臂和第二桥臂之间的移相角本方法包括以下步骤：

(1)测量稳态下直流母线电压、移相全桥负载变换器输出电压和移相全桥高频变压器变比，初步确定稳态时，即输出电压达到额定值状态，第一桥臂和第二桥臂之间的移相角

(2)根据原边全桥变换器移相角控制与桥臂占空比控制解耦的条件，确定桥臂占空比d的可调整范围，并近似估计直流母线电压振荡的谐振频率；

(3)根据估计的直流母线电压振荡的谐振频率，设计高通滤波器HPF；

(4)根据所设计的高通滤波器HPF，确定LC电流参考值信号；

(5)根据所确定LC电流参考值信号，设计LC支路电流控制器H_i；

(6)根据所设计LC支路电流控制器H_i，进行桥臂占空比的合成；

(7)对上述设计结果进行验证，若不满足要求则转入(2)～(6)相应的步骤对设计参数进行适当调整。

2.根据权利要求1所述的一种基于全桥变换器的直流母线电压振荡抑制的控制方法，其特征在于，所述第一桥臂和第二桥臂之间的移相角的估计方法按下式进行估计：

式中，v_o为移相全桥负载变换器输出电压，N为移相全桥高频变压器变比，v_dc为直流母线电压。

3.根据权利要求1所述的一种基于全桥变换器的直流母线电压振荡抑制的控制方法，其特征在于，所述占空比d的输出限幅边界值按下式计算：

式中d为第一桥臂和第二桥臂的占空比，本发明中第一桥臂和第二桥臂具有相同的占空比；

直流母线电压的谐振频率近似值按下式进行计算：

式中R_dc为电阻，L_dc为电感，C_dc为电容，代表其非理想特性，式中R₀通过下式进行计算：

式中V_d0为直流母线电压额定值，P_s0代表负载功率的稳定值。

4.根据权利要求1所述的一种基于全桥变换器的直流母线电压振荡抑制的控制方法，其特征在于，所述高通滤波器具体实施的时候，采用下式的形式：

HPF＝1-LPF

式中，LPF为一个低通滤波器，其带宽，近似转折频率，应低于计算所得的ω_n。

5.根据权利要求1所述的一种基于全桥变换器的直流母线电压振荡抑制的控制方法，其特征在于，稳态时，桥臂第一桥臂和第二桥臂中点电压约为直流母线电压v_dc的二分之一，故根据功率守恒，将HPF输出的直流母线电压高频分量信号v_hp乘以一个比例系数K＝2/R_p之后作为LC支路电流i_b的指令值，LC电流参考值信号即：

式中，v_dh为HPF输出的直流母线电压高频分量信号，实际系统中R_p是不存在的，在上式中，是以期望存在的电阻R_p建立控制设计所需要的直流母线电压波动与LC支路电流参考值之间的关系。

6.根据权利要求5所述的一种基于全桥变换器的直流母线电压振荡抑制的控制方法，其特征在于，选择LC支路电流控制器的形式如下式所示：

设计合适的参数K_c，ω_z和ω_p使电流闭环系统在直流母线电压谐振频率ω_n附近的相位近似为零，即实际LC电路的电流i_b可以近似无滞后的跟踪与直流母线电压同相位的电流参考值i_bref，电流闭环系统的传递函数为：

式中，G_ild为占空比到电容电流的传递函数，H_i为LC支路电流控制器。

7.根据权利要求6所述的一种基于全桥变换器的直流母线电压振荡抑制的控制方法，其特征在于，将LC支路电流控制器H_i的输出Δd用于对原始占空比0.5进行调整，以改变第一桥臂和第二桥臂桥臂中点电压，从而控制电容C_b充放电，因此最终的桥臂开关管占空比为：

d＝0.5+Δd

式中，Δd为LC支路电流控制器H_i的输出占空比。