CN109617401B - 一种电流源型变换器装置、降阶控制装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种电流源型变换器装置、降阶控制装置及降阶控制方法。电流源型变换器装置包括：电流源、电流源型变换器、第一电容、第二电容、第一电感、第二电感和负载；所述电流源与所述电流源型变换器的输入侧相连；所述电流源型变换器的输出侧的第一端与所述第一电容的第一端和所述第一电感的第一端均连接，所述第一电感的第二端与所述第二电感的第一端连接，所述第二电感的第二端与所述第二电容的第一端和所述负载的第一端连接；所述电流源型变换器的输出侧的第二端与所述第一电容的第二端、所述第二电容的第二端和所述负载的第二端均连接。本发明系统设计简单，稳定裕度大，系统输出电压波形质量高。

Description

一种电流源型变换器装置、降阶控制装置和方法
技术领域
本发明涉及变换器领域，特别是涉及一种电流源型变换器装置、降阶控制装置和方法。
背景技术
电流源变换器在特定应用中具有明显的优势，包括良好的短路保护能力，以提高系统可靠性，系统输出端采用电容滤波器，降低电磁干扰。为得到高质量的输出电压，现有技术中公开了一种电压调节器，比例谐振(PR)调节器，实现CSI输出电压的零稳态误差控制；还公开了一种voltage-controlled current modulation(VCCM)数字同步调制技术，通过采用这种改进的调制算法来减小输出电压失真；还公开了一种用于三相单级电流源型逆变器的改进Phasor Pulse Width Modulation(PPWM)方法，实现了电压调节小于5％以及负载电流总谐波畸变率小于5％的目标。以上三种方案实现较为复杂。现有技术中还涉及一种电压调节器设计方法，用于计算系统可实现的最大PI和PR控制器的增益。
根据上述方案可以看出，系统电压控制方案的研究主要是从调制算法和调节器结构方面入手，没有考虑系统输出滤波器的特性，系统参数设计较为复杂。因此，电流源型变换器从电路结构和控制策略上都亟需一种改进的方案，既可以简化系统设计过程，同时保证输出电压波形质量，提高系统性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种电流源型变换器装置、降阶控制装置和方法，以提高输出波形的质量，提高系统性能。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种电流源型变换器装置，包括：电流源、电流源型变换器、第一电容、第二电容、第一电感、第二电感和负载；
所述电流源与所述电流源型变换器的输入侧相连；所述电流源型变换器的输出侧的第一端与所述第一电容的第一端和所述第一电感的第一端均连接，所述第一电感的第二端与所述第二电感的第一端连接，所述第二电感的第二端与所述第二电容的第一端和所述负载的第一端连接；所述电流源型变换器的输出侧的第二端与所述第一电容的第二端、所述第二电容的第二端和所述负载的第二端均连接。
可选的，所述第一电容的容值为kCC，所述第二电容的容值为(1-kC)C，所述第一电感的感值为kLL，所述第二电感的感值为(1-kL)L，其中kC为容值系数，kL为感值系数，所述容值系数kC和感值系数kL满足关系kC＝1-kL。
本发明还提供一种降阶控制装置，包括：电流源、电流源型变换器、第一电容、第二电容、第一电感、第二电感、负载、电压检测装置、调节器和脉冲宽度调制装置；
所述电流源与所述电流源型变换器的输入侧相连；所述电流源型变换器的输出侧的第一端与所述第一电容的第一端和所述第一电感的第一端均连接，所述第一电感的第二端与所述第二电感的第一端连接，所述第二电感的第二端与所述第二电容的第一端和所述负载的第一端连接；所述电流源型变换器的输出侧的第二端与所述第一电容的第二端、所述第二电容的第二端和所述负载的第二端均连接；
所述电压检测装置的第一检测端连接至所述第一电感的第二端与所述第二电感的第一端之间，所述电压检测装置的第二检测端连接至所述第一电容的第二端和所述第二电容的第二端之间；所述电压检测装置的输出端连接至所述调节器的输入端，所述调节器的调制信号输出端与所述脉冲宽度调制装置的输入端连接，所述脉冲宽度调制装置的信号输出端连接至所述电流源变换器的控制端；所述调节器用于根据所述电压检测装置检测的电压信号与参考信号比较，生成调制信号；所述脉冲宽度调制装置用于根据所述调制信号生成所述电流源型变换器的开关驱动信号，对所述电流源型变换器进行调节。
可选的，所述调节器为PID调节器。
可选的，所述调节器采用消除指定次谐波方法生成调制信号。
本发明还提供一种降阶控制方法，所述降阶控制方法应用于上述的降阶控制装置，所述降阶控制方法包括：
获取电压检测装置检测的电压值；
获取参考电压；
根据所述电压检测装置检测的电压值和所述参考电压，计算电压误差量；
根据所述电压误差量生成调制信号；
根据所述调制信号生成电流源型变换器的开关驱动信号；
根据所述开关驱动信号调节所述电流源型变换器的工作状态。
可选的，所述根据所述电压误差量生成调制信号，具体包括：
采用PID调节器根据所述电压误差量生成调制信号，所述PID调节器的传递函数为
Figure BDA0001953381590000031
其中，Kp为比例系数，Ki为积分系数，Kd为微分系数。
可选的，所述根据所述电压误差量生成调制信号，具体包括：
根据所述电压误差量采用消除指定次谐波的方法生成调制信号，传递函数为
Figure BDA0001953381590000032
其中ω0为基波角频率，n为正整数，Kri为谐振系数；通过调节i的取值，消除相应的i次谐波。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明的电流源型变换器装置的输出滤波器为三阶系统，变换器输出电压经过三阶CLLC滤波器衰减，滤波效果更好，在输出电压波形质量一定的情况下，滤波器体积更小。
本发明的降阶控制方法，通过电压反馈控制，将三阶系统降为一阶系统，闭环系统裕度大，设计方便，输出波形质量高。
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一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明电流源型变换器装置的结构示意图；
图2为本发明降阶控制装置的结构示意图；
图3为本发明降阶控制方法的流程示意图。
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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明电流源型变换器装置的结构示意图。如图1所示，电流源型变换器装置包括：电流源、电流源型变换器、第一电容C1、第二电容C2、第一电感L1、第二电感L2以及负载。电流源与电流源型变换器的输入侧相连，电流源型变换器输出侧的第一端与第一电容C1的第一端、第一电感L1的第一端均连接，第一电感L1的第二端与第二电感L2的第一端连接，第二电感L2的第二端与第二电容C2的第一端、负载的第一端均连接，电流源型变换器输出侧的第二端与第一电容C1的第二端、第二电容C2的第二端、负载的第二端均连接。
本发明的电流源型变换器装置中第一电容C1、第二电容C2、第一电感L1、第二电感L2需要满足的以下关系：
设第一电容C1的容值为kCC，第二电容C2的容值为(1-kC)C，第一电感L1的感值为kLL，第二电感L2的感值为(1-kL)L，其中kC为容值系数，kL为感值系数，则容值系数kC和感值系数kL满足关系kC＝1-kL。可见，将滤波器中的电感和电容按比例设定。
本发明还提供一种对上述的电流型变换器装置进行降阶控制的装置，如图2所述，图2为本发明降阶控制装置的结构示意图。在图1所示的电流源型变换器装置的基础上，增加了电压反馈控制。具体的，所述降阶控制装置包括：电流源、电流源型变换器、第一电容C1、第二电容C2、第一电感L1、第二电感L2、负载、电压检测装置、调节器和脉冲宽度调制装置。
电流源与电流源型变换器的输入侧相连，电流源型变换器输出侧的第一端与第一电容C1的第一端、第一电感L1的第一端均连接，第一电感L1的第二端与第二电感L2的第一端连接，第二电感L2的第二端与第二电容C2的第一端、负载的第一端均连接，电流源型变换器输出侧的第二端与第一电容C1的第二端、第二电容C2的第二端、负载的第二端均连接。
本发明降阶控制装置中，将第一电感L1的第二端与第二电感L2的第一端之间相对于电流源型变换器输出侧的第二端的电压VCL作为被控对象，与参考电压比较后产生误差量，再经过调节器Gc后的输出量作为调制信号，经过脉冲宽度调制装置(PWM)产生电流源型变换器的开关驱动信号，对电流源型变换器的工作状态进行调节。具体的，连接关系为：所述电压检测装置(图中未标识)的第一检测端连接至所述第一电感L1的第二端与所述第二电感L2的第一端之间，所述电压检测装置的第二检测端连接至所述第一电容C1的第二端和所述第二电容C2的第二端之间；所述电压检测装置的输出端连接至所述调节器的输入端，所述调节器的调制信号输出端与所述脉冲宽度调制装置的输入端连接，所述脉冲宽度调制装置的信号输出端连接至所述电流源变换器的控制端。
调节器Gc可采用PID调节器，其传递函数为
Figure BDA0001953381590000051
其中，Kp为比例系数，Ki为积分系数，Kd为微分系数。
调节器Gc也可采用消除指定次谐波的方法，其传递函数为
Figure BDA0001953381590000052
其中ω0为基波角频率，n为正整数，Kri为谐振系数；通过调节i的取值，可以消除相应的i次谐波。
采用上述降阶控制装置实现降阶控制的过程如图3所示，图3为本发明降阶控制方法的流程示意图。具体步骤如下：
步骤100：获取电压检测装置检测的电压值；
步骤200：获取参考电压；
步骤300：根据所述电压检测装置检测的电压值和所述参考电压，计算电压误差量；
步骤400：根据所述电压误差量生成调制信号；
步骤500：根据所述调制信号生成电流源型变换器的开关驱动信号；
步骤600：根据所述开关驱动信号调节所述电流源型变换器的工作状态。
结合图3对上述过程进行具体说明：
输出电压Vo与变换器侧输出电流Iinv之间的传递函数为：
Figure BDA0001953381590000061
输出电压Vo与VCL之间的传递函数G12(s)，则有：
VCL与变换器侧输出电流Iinv之间的传递函数为：
Figure BDA0001953381590000063
其中，C1表示第一电容C1的容值，C2表示第二电容C2的容值，L1表示第一电感L1的感值，L2表示第二电感L2的感值。
设第一电容C1的容值C1为kCC，第二电容C2的容值C2为(1-kC)C，第一电感L1的感值L1为kLL，第二电感L2的感值L2为(1-kL)L，
则有：
Figure BDA0001953381590000064
kC＝1-kL
当kC与kL之间满足关系：kC＝1-kL，即时，G2(s)可化简为：
Figure BDA0001953381590000071
可见，将滤波器中的电感和电容按比例选值，同时引入新的电压反馈控制，即将VCL作为反馈量，这样变换器控制系统可以从三阶系统降为一阶系统，开环增益和带宽可以增加，闭环控制系统能够实现更小的稳态误差，降低输出电压的总谐波畸变率。
调节器Gc可采用PID调节器，增加系统的响应速度，减小超调量，Gc传递函数的具体形式为
Figure BDA0001953381590000072
为消除输出电压中指定次的谐波，调节器Gc也可采用
Figure BDA0001953381590000073
的形式，其中ω0为基波角频率，n为正整数，
Figure BDA0001953381590000074
当消除三次谐波时，Gh(s)在3ω0处的增益为趋于无穷大，类似地，Gh(s)在其他次谐波处的增益为无穷大。与传统控制策略相比，本发明的降价控制方法易于实现，滤波器体积小，成本低，稳定裕度大，适用于单相或三相电流源型变换器。
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。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种电流源型变换器装置，其特征在于，包括：电流源、电流源型变换器、第一电容、第二电容、第一电感、第二电感和负载；所述电流源与所述电流源型变换器的输入侧相连；所述电流源型变换器的输出侧的第一端与所述第一电容的第一端和所述第一电感的第一端均连接，所述第一电感的第二端与所述第二电感的第一端连接，所述第二电感的第二端与所述第二电容的第一端和所述负载的第一端连接；所述电流源型变换器的输出侧的第二端与所述第一电容的第二端、所述第二电容的第二端和所述负载的第二端均连接；所述第一电容的容值为kCC，所述第二电容的容值为(1-kC)C，所述第一电感的感值为kLL，所述第二电感的感值为(1-kL)L，其中kC为容值系数，kL为感值系数，所述容值系数kC和感值系数kL满足关系kC＝1-kL。
2.一种降阶控制装置，其特征在于，包括：电流源、电流源型变换器、第一电容、第二电容、第一电感、第二电感、负载、电压检测装置、调节器和脉冲宽度调制装置；
所述电流源与所述电流源型变换器的输入侧相连；所述电流源型变换器的输出侧的第一端与所述第一电容的第一端和所述第一电感的第一端均连接，所述第一电感的第二端与所述第二电感的第一端连接，所述第二电感的第二端与所述第二电容的第一端和所述负载的第一端连接；所述电流源型变换器的输出侧的第二端与所述第一电容的第二端、所述第二电容的第二端和所述负载的第二端均连接；
所述电压检测装置的第一检测端连接至所述第一电感的第二端与所述第二电感的第一端之间，所述电压检测装置的第二检测端连接至所述第一电容的第二端和所述第二电容的第二端之间；所述第一电容的容值为kCC，所述第二电容的容值为(1-kC)C，所述第一电感的感值为kLL，所述第二电感的感值为(1-kL)L，其中kC为容值系数，kL为感值系数，所述容值系数kC和感值系数kL满足关系kC＝1-kL；所述电压检测装置的输出端连接至所述调节器的输入端，所述调节器的调制信号输出端与所述脉冲宽度调制装置的输入端连接，所述脉冲宽度调制装置的信号输出端连接至所述电流源变换器的控制端；所述调节器用于根据所述电压检测装置检测的电压信号与参考信号比较，生成调制信号；所述脉冲宽度调制装置用于根据所述调制信号生成所述电流源型变换器的开关驱动信号，对所述电流源型变换器进行调节。
3.根据权利要求2所述的降阶控制装置，其特征在于，所述调节器为PID调节器。
4.根据权利要求2所述的降阶控制装置，其特征在于，所述调节器采用消除指定次谐波方法生成调制信号。
5.一种降阶控制方法，其特征在于，所述降阶控制方法应用于权利要求2-4任一项所述的降阶控制装置，所述降阶控制方法包括：
获取电压检测装置检测的电压信号；
获取参考信号；
根据所述电压检测装置检测的电压信号和所述参考信号，计算电压误差量；
根据所述电压误差量生成调制信号；
根据所述调制信号生成电流源型变换器的开关驱动信号；
根据所述开关驱动信号调节所述电流源型变换器的工作状态。
6.根据权利要求5所述的降阶控制方法，其特征在于，所述根据所述电压误差量生成调制信号，具体包括：
采用PID调节器根据所述电压误差量生成调制信号，所述PID调节器的传递函数为其中，Kp为比例系数，Ki为积分系数，Kd为微分系数。
7.根据权利要求5所述的降阶控制方法，其特征在于，所述根据所述电压误差量生成调制信号，具体包括：
根据所述电压误差量采用消除指定次谐波的方法生成调制信号，传递函数为
Figure FDA0002169369930000022
其中ω0为基波角频率，n为正整数，Kri为谐振系数；通过调节i的取值，消除相应的i次谐波，Kp为比例系数，Ki为积分系数，Kd为微分系数。
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