CN108832815A - 一种级联系统直流电压振荡抑制方法 - Google Patents

一种级联系统直流电压振荡抑制方法 Download PDF

Info

Publication number
CN108832815A
CN108832815A CN201810510969.1A CN201810510969A CN108832815A CN 108832815 A CN108832815 A CN 108832815A CN 201810510969 A CN201810510969 A CN 201810510969A CN 108832815 A CN108832815 A CN 108832815A
Authority
CN
China
Prior art keywords
voltage
converter
controller
cascade
control
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201810510969.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108832815B (zh
Inventor
游江
范巍岩
邓梦露
李晓旭
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Harbin Engineering University
Original Assignee
Harbin Engineering University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Harbin Engineering University filed Critical Harbin Engineering University
Priority to CN201810510969.1A priority Critical patent/CN108832815B/zh
Publication of CN108832815A publication Critical patent/CN108832815A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108832815B publication Critical patent/CN108832815B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • H02M1/14Arrangements for reducing ripples from dc input or output
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0067Converter structures employing plural converter units, other than for parallel operation of the units on a single load
    • H02M1/007Plural converter units in cascade

Abstract

本发明提供一种级联系统直流电压振荡抑制方法,通过引入具有微分特性的级联侧直流母线电压补偿,对前级DC/DC变换器的开环传递函数模型进行改造,获得一个带等效正电阻负载的前级变换器开环传递函数,按此开环传递函数进行前级变换器闭环控制器的设计,所获得的控制器可改善级联侧直流母线电压的稳定性,消除了其模型中存在的后级变换器等效负电阻特性的影响,简化了前级变换器带恒功率负载时的控制系统设计问题;有助于获得高性能的级联电力变换器系统,可改善级联变换器级联侧直流母线电压的稳定性和动态性能。

Description

一种级联系统直流电压振荡抑制方法
技术领域
本发明属于电力电子技术领域,具体涉及一种级联系统直流电压振荡抑制方法。
背景技术
级联系统是由前级变换器的输出作为后级变换器的输入而构成的系统。其具有很多传统电源系统所不具备的优越性,如灵活性、扩展性、冗余性等,并且能广泛的应用在电子通讯、工业控制、太空飞船等领域。由于系统中的变换器都是单独设计的,在单独使用时均能够稳定的运行。
但在级联之后,由于前后级变换器的阻抗匹配关系,系统可能会出现动态性能下降甚至失稳的情况。另一个方面,很多学者提出了不同的阻抗判据,但按照现有的判据所设计的变换器具有很大的局限性,无法满足各种复杂的工况。后级是高带宽闭环控制的变换器时,在级联系统中表现为恒功率负载。恒功率负载具有负阻抗的特性,会在系统的传递函数中增加右半平面的极点,从而导致系统不稳定,具体表现为直流母线电压的振荡。另外,在稳定的级联系统中,当负载发生变化时,前后级的阻抗匹配关系可能发生变化,或者说后级变换器的负阻抗特性增强,仍会导致直流母线电压的振荡。因此,在保证系统的功率密度的前提下,在不添加额外的电力电子器件的同时,则需要通过简单有效的控制方法,使得直流母线电压在负载变化时仍可以保持稳定。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种级联系统直流电压振荡抑制方法,该方法可简化前级变换器带恒功率负载时的控制系统设计问题,改善级联变换器级联侧直流母线电压的稳定性和动态性能。
本发明的目的是这样实现的:
一种级联系统直流电压振荡抑制方法,具体的实现步骤如下:
步骤1.在系统上电初始阶段,进行与系统控制相关的软件和硬件初始化工作,将前后级变换器的控制结构中各控制器的输出量初始化(置零操作);
步骤2.在系统启动时设置母线电压参考值vdcr;并将电压传感器VS1实时采样到的母线电压vdc与电压参考值vdcr相减,得到电压偏差值ve1
步骤3.电压偏差值ve通过电压控制器Gv1(s)的调节,输出控制量vc1
步骤4.电压传感器VS1采样到的电压信号vdc同时输入补偿器,经过补偿器Gc(s)的运算,输出信号△v;
步骤5.将电压控制器的输出量vc1与△v做差,得到前级变换器开关管的占空比控制器信号vm1
步骤6.将占空比控制信号vm1作为调制信号,用于PWM调制,PWM调制器采用锯齿波或者三角波作为载波,载波幅值为VM1,vm1被调制后形成占空比为d1的脉冲序列;
步骤7.在没有得到停机指令的情况下重复执行(2)~(6)步骤,否则退出运行状态。
所述的步骤4包括以下步骤:
步骤4.1.获取系统中各部分的参数;
步骤4.2.高带宽的闭环控制后级变换器具有负阻抗特性的负电阻R,由以下公式计算:
式中,Vdc为母线电压稳态值,P为后级变换器的功率;
步骤4.3.确定实际系统框图中的补偿电阻值Rr
式中,Rp为确定补偿之后所等效的正电阻值,R为后级变换器的理想的负电阻;
步骤4.4.在实际控制系统中,补偿系数k由下式确定:
式中,L1为前级输出电感,Vm1为载波幅值,Vin为前级输入电压,Rr为补偿电阻值;
步骤4.5.选取ωc,使补偿器在特殊频率范围内具有微分作用,最终得到补偿器Gc(s):
步骤4.6.前级电压控制器Gv1(s)的设计:经过引入补偿器对前级变换器控制系统的改造,将其等效成带正电阻负载的变换器;对补偿之后的开环传递函数进行控制器设计,采用经典控制理论的设计方法。
所述的前后级的DC/DC变换器均为Buck降压型变换器,采用电压单闭环控制结构,后级变换器的控制器Gv2(s)采用经典控制理论基于占空比到输出电压的传递函数来设计,为高带宽的闭环电压控制。
所述的前级电压控制器的设计需按照补偿之后所获得的等效传递函数模型来设计,控制器设计方法采用经典控制理论设计方法,使校正后的控制系统具有合理的穿越频率、幅值裕度以及相角裕度。
所述的两个Buck变换器组成的级联系统要求母线电压稳定在100V。
本发明的有益效果在于:通过对前级变换器控制模型进行改造后,消除了后级变换器等效负电阻特性的影响,可简化前级变换器带恒功率负载时的控制系统设计问题;有助于获得高性能的级联电力变换器系统,可改善级联变换器级联侧直流母线电压的稳定性和动态性能。
附图说明
图1为直流母线电压稳定控制方法的执行流程图
图2为补偿器与前级电压控制器设计方法流程图
图3为专利所述级联变换器系统主电路及其控制系统示意图。
图4为改造后的前级Buck变换器开环传递函数框图。
图5为引入专利所述控制方法前级联系统直流母线电压振荡波形图。
图6为级联系统引入专利所述控制方法的母线电压波形图。
图7为引入补偿器前后级变换器突加负载时直流母线电压振荡波形图。
图8为在级联系统中引入补偿器后后级变换器突加负载时的电压波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述:
实施例1
本发明具体涉及一种级联系统直流电压振荡抑制方法,通过引入具有微分特性的级联侧直流母线电压补偿,对前级DC/DC变换器的开环传递函数模型进行改造,获得一个带等效正电阻负载的前级变换器开环传递函数,按此开环传递函数进行前级变换器闭环控制器的设计,所获得的控制器可改善级联侧直流母线电压的稳定性。在两级DC/DC级联变换器中,假设后级变换器为具有高带宽的控制系统,则将后级变换器看做是具有理想负电阻特性的恒功率负载。前级DC/DC变换器采用电压单闭环控制,通过在前级变换器控制系统中引入具有微分特性的级联侧直流母线电压补偿,对前级变换器开环传递函数模型进行改造。
如附图3中所示,前后级的DC/DC变换器均为Buck降压型变换器。前级Buck变换器在电压单闭环控制基础上引入本专利所述的补偿方法,后级Buck变换器具有高带宽的闭环电压控制,可近似为理想恒率负阻抗特性的负载。如图3所示,VS1(Voltage Sensor 1)是电压传感器,用来检测前级Buck变换器的输出电压(即直流母线的电压)。vdcr为前级变换器输出电压参考值,参考电压vdcr和VS1采样得到的实际电压值vdc的偏差值为ve1,经过电压控制器Gv1(s)调节之后得到控制信号vc1;附图3中的虚线部分为本专利所述的补偿器,将VS1采样得到直流母线的电压vdc经过补偿器Gc(s)运算之后,可以得到一个补偿量△v,最终占空比调制信号为vm1=vc1-△v。vm1经过PWM环节调制环节Fm1(Fm1=1/Vm1,Vm1为高频载波的幅值)之后,得到前级Buck变换器开关管占空比控制信号d1
前级Buck变换器的输出作为后级Buck变换器的输入。后级Buck变换器设计有足够高带宽的电压控制系统,因而其具有近似理想的恒功率负阻抗特性。附图3中所示后级变换器采用单电压闭环控制结构,其电压控制器为Gv2(s)。按照实际需求设定后级变换器输出电压参考值vor,参考电压vor与VS2采样得到输出电压vo的偏差为ve2,经过电压控制器运算得到控制信号vm2,vm2经过PWM环节Fm2(Fm2=1/Vm2,Vm2为高频载波的幅值)的调制,得到控制输出电压的控制信号d2
具体为:
一种级联系统直流电压振荡抑制方法,具体的实现步骤如下:
步骤1.在系统上电初始阶段,进行与系统控制相关的软件和硬件初始化工作,将前后级变换器的控制结构中各控制器的输出量初始化(置零操作);
步骤2.根据负载变换器实际工作需要或级联系统中其他负载的需要,对直流母线电压期望值进行设置,即在系统启动时需设置母线电压参考值vdcr;并将电压传感器VS1实时采样到的母线电压vdc与电压参考值vdcr相减,得到电压偏差值ve1
步骤3.电压偏差值ve通过电压控制器Gv1(s)的调节,输出控制量vc1
步骤4.电压传感器VS1采样到的电压信号vdc同时输入补偿器,经过补偿器Gc(s)的运算,输出信号△v;
步骤5.将电压控制器的输出量vc1与补偿器的输出信号△v做差,得到前级变换器开关管的占空比控制器信号vm1
步骤6.将占空比控制信号vm1作为调制信号,用于PWM调制,PWM调制器采用锯齿波或者三角波作为载波,载波幅值为VM1,vm1经过调制器环节Fm1(Fm1=1/Vm1,Vm1为高频载波的幅值)之后形成前级Buck变换器开关管占空比控制信号为d1的脉冲序列;
步骤7.在没有得到停机指令的情况下重复执行(2)~(6)步骤,否则退出运行状态。
步骤4具体为:
步骤4.1.获取系统中各部分的参数,如前级输出电感L1、前级输入电压Vin、后级变换器的功率P等;
步骤4.2.高带宽的闭环控制后级变换器具有负阻抗特性的负电阻R,由以下公式计算:
式中,Vdc为母线电压稳态值,P为后级变换器的功率;
步骤4.3.确定实际系统框图中的补偿电阻值Rr,在图4中,为了消除负阻支路①对系统的影响,需要额外增加支路②将负阻补偿成为特定(期望)的正电阻。假设期望的正电阻值为Rp,那么:
由上式可以的到Rr
式中,Rp为确定补偿之后所等效的正电阻值,R为后级变换器的理想的负电阻;
步骤4.4.确定补偿系数k,附图4中由于支路①和②表示Buck变换器内部关系,所以在实际系统中支路②无法实现,通过控制框图的变换技术,将比较点前移至PWM调制环节之前,如图4中支路③,即支路③输出直流母电压控制信号的补偿信号。通过上述计算和框图的变换,最终得到补偿系数k与微分器相乘的环节,其中补偿系数k为:
式中,L1为前级输出电感,Vm1为载波幅值,Vin为前级输入电压,Rr为补偿电阻值;
步骤4.5.选取合适的ωc,使补偿器在特殊频率范围内具有微分作用,最终得到补偿器Gc(s):
如上式所示,补偿器由三部分组成,分别为补偿系数,微分环节和低通滤波器。低通滤波器的作用是抑制微分环节在高频段的增益,削弱高频干扰对控制系统的负面影响。
步骤4.6.前级电压控制器Gv1(s)的设计:经过引入补偿器对前级变换器控制系统的改造,将其等效成带正电阻负载的变换器;对补偿之后的开环传递函数进行控制器设计,采用经典控制理论的设计方法。
所述的前后级的DC/DC变换器均为Buck降压型变换器,采用电压单闭环控制结构,后级变换器的控制器Gv2(s)采用经典控制理论基于占空比到输出电压的传递函数来设计,为高带宽的闭环电压控制,输出电压与其参考值的偏差,经过电压控制器Gv2(s)的运算,输出信号vm2经调制器环节Fm2后得到控制输出电压vo的占空比d2
所述的前级电压控制器的设计需按照补偿之后所获得的等效传递函数模型来设计,控制器设计方法可采用经典控制理论设计方法,使校正后的控制系统具有合理的穿越频率、幅值裕度以及相角裕度。
所述的由两个Buck变换器组成的级联系统要求母线电压稳定在100V。
实施例2
本发明属于电力电子技术领域,例如分布式电源系统中的功率变换器级联系统,具体涉及一种级联系统中的直流母线电压稳定控制方法。
级联系统是由前级变换器的输出作为后级变换器的输入而构成的系统。其具有很多传统电源系统所不具备的优越性,如灵活性、扩展性、冗余性等,并且能广泛的应用在电子通讯、工业控制、太空飞船等领域。由于系统中的变换器都是单独设计的,在单独使用时均能够稳定的运行。但在级联之后,由于前后级变换器的阻抗匹配关系,系统可能会出现动态性能下降甚至失稳的情况。
另一个方面,很多学者提出了不同的阻抗判据,但按照现有的判据所设计的变换器具有很大的局限性,无法满足各种复杂的工况。后级是高带宽闭环控制的变换器时,在级联系统中表现为恒功率负载。恒功率负载具有负阻抗的特性,会在系统的传递函数中增加右半平面的极点,从而导致系统不稳定,具体表现为直流母线电压的振荡。另外,在稳定的级联系统中,当负载发生变化时,前后级的阻抗匹配关系可能发生变化,或者说后级变换器的负阻抗特性增强,仍会导致直流母线电压的振荡。因此,在保证系统的功率密度的前提下,在不添加额外的电力电子器件的同时,则需要通过简单有效的控制方法,使得直流母线电压在负载变化时仍可以保持稳定。
本发明的目的在于提供一种基于前级变换器开环控制模型改造的级联系统直流电压振荡抑制方法,包括:
在两级DC/DC级联变换器中,假设后级变换器为具有高带宽的控制系统,则将后级变换器看做是具有理想负电阻特性的恒功率负载。前级DC/DC变换器采用电压单闭环控制,通过在前级变换器控制系统中引入具有微分特性的级联侧直流母线电压补偿,对前级变换器开环传递函数模型进行改造。通过设计可获得一个带等效正电阻负载的前级变换器开环传递函数,基于此传递函数来设计前级变换器的闭环控制器。所获得的控制器可改善级联侧直流母线电压的稳定性。
本发明的主要贡献和特点在于:通过引入具有微分特性的级联侧直流母线电压补偿,对前级DC/DC变换器的开环传递函数模型进行改造,获得一个带等效正电阻负载的前级变换器开环传递函数,按此开环传递函数进行前级变换器控制器的设计,如此:
(1)通过对前级变换器控制模型进行改造,消除了其模型中存在的后级变换器等效负电阻特性的影响,可简化前级变换器带恒功率负载时的控制系统设计问题。
(2)有助于获得高性能的级联电力变换器系统,可改善级联变换器级联侧直流母线电压的稳定性和动态性能。
结合附图1,本发明的目的是这样实现的(以两个Buck变换器构成的级联变换器为例)。
如附图1中所示,前后级的DC/DC变换器均为Buck降压型变换器。前级Buck变换器在电压单闭环控制基础上引入本专利所述的补偿方法,后级Buck变换器具有高带宽的闭环电压控制,可近似为理想恒率负阻抗特性的负载。如图1所示,VS1(Voltage Sensor 1)是电压传感器,用来检测前级Buck变换器的输出电压(即直流母线的电压)。vdcr为前级变换器输出电压参考值,参考电压vdcr和VS1采样得到的实际电压值vdc的偏差值为ve1,经过电压控制器Gv1(s)调节之后得到控制信号vc1;附图1中的虚线部分为本专利所述的补偿器,将VS1采样得到直流母线的电压vdc经过补偿器Gc(s)运算之后,可以得到一个补偿量△v,最终占空比调制信号为vm1=vc1-△v。vm1经过PWM环节调制环节Fm1(Fm1=1/Vm1,Vm1为高频载波的幅值)之后,得到前级Buck变换器开关管占空比控制信号d1
前级Buck变换器的输出作为后级Buck变换器的输入。后级Buck变换器设计有足够高带宽的电压控制系统,因而其具有近似理想的恒功率负阻抗特性。附图1中所示后级变换器采用单电压闭环控制结构,其电压控制器为Gv2(s)。按照实际需求设定后级变换器输出电压参考值vor,参考电压vor与VS2采样得到输出电压vo的偏差为ve2,经过电压控制器运算得到控制信号vm2,vm2经过PWM环节Fm2(Fm2=1/Vm2,Vm2为高频载波的幅值)的调制,得到控制输出电压的控制信号d2
对专利所述控制方法执行的流程图说明如下。
(1)获取系统中各部分的参数,如前级输出电感L1、前级输入电压Vin、后级变换器的功率P等。
(2)高带宽的闭环控制后级变换器具有负阻抗特性,近似等效成理想的负电阻R,由以下公式计算:
式中,Vdc为母线电压稳态值,P为后级变换器的功率。
(3)根据实际设计需求,确定补偿之后所等效的正电阻值Rp,以此来确定实际系统框图中的补偿电阻值Rr:
(4)在实际控制系统中,补偿系数k由下式确定:
(5)选取合适的ωc,使补偿器在特殊频率范围内具有微分作用,最终得到补偿器Gc(s):
(6)前级电压控制器Gv1(s)的设计:经过引入补偿器对前级变换器控制系统的改造,将其等效成带正电阻负载的变换器。对补偿之后的开环传递函数进行控制器设计,采用经典控制理论的设计方法,控制器的形式不限。
专利所述直流母线电压稳定控制方法的具体执行步骤:
(1)首先在系统上电初始阶段,进行与系统控制相关的软件和硬件初始化工作,例如将附图1所示前后级变换器的控制结构中各控制器的输出量初始化(置零操作)。
(2)根据负载变换器实际工作需要或级联系统中其他负载的需要,对直流母线电压期望值进行设置,即在系统启动时需设置母线电压参考值vdcr。并将VS1实时采样到的母线电压vdc与电压参考值vdcr进行比较,得到电压偏差值ve1
(3)电压偏差值ve通过电压控制器Gv1(s)的调节,输出控制量vc1
(4)VS1采样到的电压信号vdc同时输入补偿器,经过补偿器Gc(s)的运算,输出信号△v。
(5)将电压控制器的输出量vc1与△v做差,得到前级变换器开关管的占空比控制器信号vm1
(6)将占空比控制信号vm1作为调制信号,用于PWM调制,PWM调制器可采用锯齿波或者三角波作为载波,载波幅值为VM1,vm1被调制后形成占空比为d1的脉冲序列,该脉冲序列用于驱动DC/DC变换器的开关管工作。
(7)在没有得到停机指令的情况下重复执行(2)~(6)步骤,否则退出运行状态。
1.对两级Buck变换器级联系统的说明
依据图1进行说明。附图1中为两个Buck变换器构成的级联系统。前级变换器和后级变换器均采用电压单闭环控制结构。后级变换器的控制器Gv2(s)采用经典控制理论基于占空比到输出电压的传递函数来设计,此处不再赘述。输出电压与其参考值的偏差,经过电压控制器Gv2(s)的运算,输出信号vm2经调制器环节Fm2后得到控制输出电压vo的占空比d2
为了改善级联侧直流母线电压的稳定性,前级Buck变换器控制器的设计采用本专利所述的控制系统设计方法。整体控制结构为电压单闭环控制结构。占空比调制信号vm1是由电压控制器的输出信号vc1与补偿器的输出信号△v做差所得,vm1经过调制器环节Fm1(Fm1=1/Vm1,Vm1为高频载波的幅值)之后,得到前级Buck变换器开关管占空比控制信号d1
2.对补偿器模块的说明
本专利在前级变换器模型框图中引入一个补偿器,用于对前级变换器开环传递函数模型进行改造,消除后级变换器负阻抗特性对前级变换器控制模型和控制性能的影响。如此,对前级变换器而言,整体上将具有负阻抗特性的后级变换器等效为一个正电阻性负载。
附图1中的Gc(s)所代表的就是补偿器模块,其表达式如下:
如上式所示,补偿器由三部分组成,分别为补偿系数,微分环节和低通滤波器。低通滤波器的作用是抑制微分环节在高频段的增益,削弱高频干扰对控制系统的负面影响。
对补偿系数k的说明:附图2为Buck变换器的开环传递函数的框图,其中点画线框中显示出补偿系数确定过程。首先,计算理想的后级变换器等效负阻值:
式中,Vdc为母线电压稳态值,P为后级变换器的功率。在图2中,为了消除负阻支路①对系统的影响,需要额外增加支路②将负阻补偿成为特定(期望)的正电阻。假设期望的正电阻值为Rp,那么:
由上式可以的到Rr
由于支路①和②表示Buck变换器内部关系,所以在实际系统中支路②无法实现,通过控制框图的变换技术,将比较点前移至PWM调制环节之前,如图2中支路③,即支路③输出直流母电压控制信号的补偿信号。通过上述计算和框图的变换,最终得到补偿系数k与微分器相乘的环节,其中补偿系数k为:
其中,L1为前级变换器的输出电感;Vm1为载波幅值。通过如此改造,能够消除后级变换器负阻抗特性,将其等效为特定的正电阻负载。在实际系统中,由于纯微分环节不易实现,且微分环节在高频段的增益以及高频干扰对控制系统的影响,还需要选取合适的低通滤波器,以满足实际控制系统的需求。
3.对前级电压控制器的说明
理论上在引入本专利所述直流母线电压补偿之后,前级变换器相当于带有一个特定数值为Rp的正电阻负载。所以,其控制器的设计需按照补偿之后所获得的等效传递函数模型来设计,控制器设计方法可采用经典控制理论设计方法,使校正后的控制系统具有合理的穿越频率、幅值裕度以及相角裕度即可。控制器的形式不限,单零极点控制器,双零极点控制器,PI控制器等均可。
采用专利所述方法,以两个Buck变换器组成的级联系统为例,要求母线电压稳定在100V。图3为引入专利所述控制方法前级联系统直流母线电压振荡波形图。图4为级联系统引入专利所述控制方法的母线电压波形图。图5为引入补偿器前后级变换器突加负载时直流母线电压振荡波形图。图6为在级联系统中引入补偿器后后级变换器突加负载时的电压波形图。
对本专利设计方法的说明
本专利以两级Buck变换器为例来说明所提方法设计和实现步骤。事实上,此方法不仅可用于级联Buck变换器,对其它常见的级联DC/DC变换器均适用,如Boost变换器,Buck-Boost变换器、移相全桥变换器以及它们的组合。

Claims (5)

1.一种级联系统直流电压振荡抑制方法,其特征在于,具体的实现步骤如下:
步骤1.在系统上电初始阶段,进行与系统控制相关的软件和硬件初始化工作,将前后级变换器的控制结构中各控制器的输出量初始化(置零操作);
步骤2.在系统启动时设置母线电压参考值vdcr;并将电压传感器VS1实时采样到的母线电压vdc与电压参考值vdcr相减,得到电压偏差值ve1
步骤3.电压偏差值ve通过电压控制器Gv1(s)的调节,输出控制量vc1
步骤4.电压传感器VS1采样到的电压信号vdc同时输入补偿器,经过补偿器Gc(s)的运算,输出信号△v;
步骤5.将电压控制器的输出量vc1与△v做差,得到前级变换器开关管的占空比控制器信号vm1
步骤6.将占空比控制信号vm1作为调制信号,用于PWM调制,PWM调制器采用锯齿波或者三角波作为载波,载波幅值为VM1,vm1被调制后形成占空比为d1的脉冲序列;
步骤7.在没有得到停机指令的情况下重复执行(2)~(6)步骤,否则退出运行状态。
2.根据权利要求1所述的一种级联系统直流电压振荡抑制方法,其特征在于:步骤4包括以下步骤:
步骤4.1.获取系统中各部分的参数;
步骤4.2.高带宽的闭环控制后级变换器具有负阻抗特性的负电阻R,由以下公式计算:
式中,Vdc为母线电压稳态值,P为后级变换器的功率;
步骤4.3.确定实际系统框图中的补偿电阻值Rr
式中,Rp为确定补偿之后所等效的正电阻值,R为后级变换器的理想的负电阻;
步骤4.4.在实际控制系统中,补偿系数k由下式确定:
式中,L1为前级输出电感,Vm1为载波幅值,Vin为前级输入电压,Rr为补偿电阻值;
步骤4.5.选取ωc,使补偿器在特殊频率范围内具有微分作用,最终得到补偿器Gc(s):
步骤4.6.前级电压控制器Gv1(s)的设计:经过引入补偿器对前级变换器控制系统的改造,将其等效成带正电阻负载的变换器;对补偿之后的开环传递函数进行控制器设计,采用经典控制理论的设计方法。
3.根据权利要求1所述的一种级联系统直流电压振荡抑制方法,其特征在于:前后级的DC/DC变换器均为Buck降压型变换器,采用电压单闭环控制结构,后级变换器的控制器Gv2(s)采用经典控制理论基于占空比到输出电压的传递函数来设计,为高带宽的闭环电压控制。
4.根据权利要求1所述的一种级联系统直流电压振荡抑制方法,其特征在于:前级电压控制器的设计需按照补偿之后所获得的等效传递函数模型来设计,控制器设计方法采用经典控制理论设计方法,使校正后的控制系统具有合理的穿越频率、幅值裕度以及相角裕度。
5.根据权利要求1所述的一种级联系统直流电压振荡抑制方法,其特征在于:由两个Buck变换器组成的级联系统要求母线电压稳定在100V。
CN201810510969.1A 2018-05-25 2018-05-25 一种级联系统直流电压振荡抑制方法 Active CN108832815B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810510969.1A CN108832815B (zh) 2018-05-25 2018-05-25 一种级联系统直流电压振荡抑制方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810510969.1A CN108832815B (zh) 2018-05-25 2018-05-25 一种级联系统直流电压振荡抑制方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108832815A true CN108832815A (zh) 2018-11-16
CN108832815B CN108832815B (zh) 2021-07-13

Family

ID=64145481

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810510969.1A Active CN108832815B (zh) 2018-05-25 2018-05-25 一种级联系统直流电压振荡抑制方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108832815B (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112054681A (zh) * 2020-09-22 2020-12-08 曲阜师范大学 海上风电场柔性直流输电直流变流器拓扑结构及其均流控制方法
CN112987570A (zh) * 2021-02-18 2021-06-18 哈尔滨工程大学 一种确定船舶动力装置机电耦合动力学系统稳定边界的方法
CN113612263A (zh) * 2021-07-15 2021-11-05 国网江苏省电力有限公司电力科学研究院 一种多端口交直流混合配电网的低频振荡抑制方法及系统

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102739086A (zh) * 2012-06-18 2012-10-17 天津工业大学 基于等效电路模型的三重化线电压级联型变换器控制方法
US20140313626A1 (en) * 2013-04-20 2014-10-23 Xiaobao Wang Programmable high voltage energy saving system
CN104638634A (zh) * 2015-03-06 2015-05-20 天津天海源电气技术有限责任公司 主从模式下基于带通滤波器的直流微电网振荡抑制方法
CN105024395A (zh) * 2014-04-23 2015-11-04 南京理工大学 一种抑制光伏并网发电系统输入电流脉动的装置及方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102739086A (zh) * 2012-06-18 2012-10-17 天津工业大学 基于等效电路模型的三重化线电压级联型变换器控制方法
US20140313626A1 (en) * 2013-04-20 2014-10-23 Xiaobao Wang Programmable high voltage energy saving system
CN105024395A (zh) * 2014-04-23 2015-11-04 南京理工大学 一种抑制光伏并网发电系统输入电流脉动的装置及方法
CN104638634A (zh) * 2015-03-06 2015-05-20 天津天海源电气技术有限责任公司 主从模式下基于带通滤波器的直流微电网振荡抑制方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
庞圣钊 等: "一种采用高频电流前馈补偿的Boost变换器系统稳定方法", 《中国电机工程学报》 *
李明等: "采用平均法的含输入滤波器电压型Buck 变换器稳定性分析", 《中国电机工程学报》 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112054681A (zh) * 2020-09-22 2020-12-08 曲阜师范大学 海上风电场柔性直流输电直流变流器拓扑结构及其均流控制方法
CN112987570A (zh) * 2021-02-18 2021-06-18 哈尔滨工程大学 一种确定船舶动力装置机电耦合动力学系统稳定边界的方法
CN113612263A (zh) * 2021-07-15 2021-11-05 国网江苏省电力有限公司电力科学研究院 一种多端口交直流混合配电网的低频振荡抑制方法及系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN108832815B (zh) 2021-07-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108832815A (zh) 一种级联系统直流电压振荡抑制方法
CN103269177A (zh) 一种分布式isop逆变器及其输入均压输出同幅值控制方法
CN102064700A (zh) 一种可实现pfc均流并联的电路及其控制方法
CN108899907A (zh) 基于重复滑模控制的lclcl型有源电力滤波器控制方法
CN201754560U (zh) 一种可实现pfc均流并联的电路
CN109067217B (zh) 三相电压型pwm整流器的线性自抗扰控制器的设计方法
CN106169879A (zh) 修正注入零序分量的vienna整流器调制方法、控制器及系统
CN105141133A (zh) 双管型升降压变换器的mit模型参考自适应控制方法
CN105048466A (zh) 一种并联型混合有源电力滤波器的复合控制方法
CN112532096A (zh) 一种适应弱电网的lcl型逆变器并网装置及方法
CN110429603B (zh) 六开关七电平有源电力滤波器及补偿方法
CN106300961A (zh) Cuk变换器的滑模电流控制器及控制方法
CN112636348A (zh) 一种模块化三相电流型并网逆变器控制方法
CN108712097B (zh) 一种逆变系统多目标实时优化装置和方法
CN107846154B (zh) Z源t型三电平逆变器的无源控制方法
CN114048698B (zh) 考虑动态交互的多机并联直流系统控制参数设计方法
CN107872072B (zh) L型并网逆变器电流控制系统及其有源高频阻尼方法
CN115173693A (zh) 三相有源pfc控制电路、控制信号生成方法及拓扑结构
Jia et al. Research and Implementation of SWISS rectifier based on fuzzy PI control
CN106655862A (zh) 一种抑制纹波的非隔离型逆变器及其控制方法
CN108599596A (zh) 一种双输出整流器控制方法
CN112865521B (zh) 用于Buck变换器恒功率负载系统的有源阻尼控制方法及系统
CN110086197B (zh) 电感电流采样计算方法
CN103441665B (zh) 一种对交错并联型功率因数校正装置进行控制的方法
CN111709202A (zh) 基于谐波稳态值的两级式dc-dc变换器小信号谐波等效电路建模方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant