CN110557011B - 一种交直流混合配电网的llc系统谐振参数计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交直流混合配电网的LLC系统谐振参数计算方法，属于配电控制技术领域。所述多LLC并联模块的高压侧采用全控整流桥，高压侧接电容Cin实现稳压，低压侧采用对称全控逆变桥，所述LLC控制电路包括与LLC模块、非线性电源负载连接的电压、电流传感器，所述电压传感器输入端接高压侧直流母线电源侧，输出端通过数模转换器、检测电路与主控CPU连接；所述电流传感器的输入端分别接高压侧直流母线、低压侧非线性电源负载与高压侧谐振电感，输出侧通过数模转换器、检测电路与主控CPU连接，所述主控CPU与驱动电路相连。利用LLC系统精确计算谐振参数的方法，构建精确电路等效模型；确定谐振参数解空间与初始解。

Description

一种交直流混合配电网的LLC系统谐振参数计算方法

技术领域

本发明属于配电控制技术领域。

背景技术

近年来，我国铁路系统的技术升级提出了新需求。铁路配电系统是铁路沿线除牵引外其他负荷的供电电源，传统铁路配电系统通过外部35kV或10kV电力系统取电，由于线路自身原因，向电网注入较多无功和谐波成分，对电网电能质量存在一定的影响。新型铁路智能配电系统在此基础上加入了交直流混合电源系统，LLC变换器作为一种高效的直直变换设备，可以实现系统内直流母线与大功率储能电源的电能转换，逐渐成为工程领域争相研究的热门方案。因此，在LLC的结构及实现方面展开深入研究，对LLC的推广应用有一定的积极意义。

有学者提出一种基波近似的谐振参数分析计算方法，忽略高次谐波，只考虑基波分量构建LLC系统等效模型，并根据工程经验值计算谐振参数与直流增益曲线，这种分析计算方法已经在UPS不间断电源、LED驱动电源等小功率电力电子应用场合得到了广泛应用。这种方法将变压器高压侧开关网络等效为理想交流电源，变压器低压侧开关网络等效为理想阻感负载。在等效的过程中，部分参数对能量传输的影响被忽略，导致计算所得谐振参数的直流增益与理想值有偏差，大大降低了LLC系统的传输电压精度及准确性，增大了LLC系统控制部分的难度，也限制了LLC系统在大功率工业场合的推广应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种交直流混合配电网的LLC系统谐振参数计算方法，它能有效地解决系统内寄生参数对LLC系统等效模型精度计算的技术问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现，一种交直流混合配电网的LLC系统，包括非线性电源负载、多LLC并联模块及其控制电路；所述非线性电源负载采用蓄电池作为储能装置，通过开关K₀、K₁和电阻R₀实现软启动保护；所述多LLC并联模块的高压侧采用全控整流桥，高压侧接电容C_in实现稳压，谐振电路采用谐振电容C₁-C_n、谐振电感L₁-L_n、励磁电感L_m1-L_mn、中高频变压器MFT，低压侧采用对称全控逆变桥，并利用低压侧电容C_o稳压；所述LLC控制电路包括与LLC模块、非线性电源负载连接的电压、电流传感器，所述电压传感器输入端接高压侧直流母线电源侧，输出端通过数模转换器、检测电路与主控CPU连接；所述电流传感器的输入端分别接高压侧直流母线、低压侧非线性电源负载与高压侧谐振电感，输出侧通过数模转换器、检测电路与主控CPU连接，所述主控CPU与驱动电路相连。

所述主控CPU采用FPGA EP4CH14F7。所述主控CPU与驱动电路相连，驱动电路输出开关信号G₁-G₈，与全控整流器和全控逆变器的各个功率开关器件相连。所述一种交直流混合配电网的LLC系统的功能实现需要通过谐振参数计算与控制来实现。

所述的LLC系统谐振参数计算方法，LLC系统的电路结构为交直流混合配电网的LLC系统，其谐振参数计算方法步骤如下：

步骤1：采用电压电流传感器、LCR测量仪采集LLC系统输入侧直流电压、器件自身参数，构建考虑器件自身参数的精确电路等效模型；将单模块LLC系统高压侧的全控整流桥等效为AC电源，低压侧的全控逆变桥等效为两个等效电阻负载R_eqs和R_eq；

步骤2：根据步骤1所述的精确电路等效模型，确定谐振参数解空间R与初始解空间R₁-R₂₀；步骤2.1：精确电路等效模型

将等效电路的输入侧与输出侧的电压相除，得到等效电路的电压增益M，如式(1)中所示：

式(1)中M为电压增益，R_eq为等效储能负载，s为拉普拉斯算子，L₁为谐振电感，R_L1为谐振电感电阻，R_Lm1为励磁电感电阻，L_m1为励磁电感，R_s和R_eqs为等效开关负载，R_C1为谐振电容电阻，C₁为谐振电容，C_s为开关器件寄生电容。

步骤2.2：解空间与初始解空间

解空间R包含谐振电容C₁、谐振电感L₁、励磁电感L_m1、励磁电阻R_Lm1、谐振电容电阻R_C1、谐振电感电阻R_L1、开关器件寄生电容C_s、等效储能负载R_eq、等效开关负载R_s和R_eqs；初始解空间中的谐振电容C₁、谐振电感L₁、励磁电感L_m1由传统计算方法得到，初始解空间的其余参数采用固定参数；计算过程如下：首先计算特征阻抗Z如式(2)所示：

Z＝Q·R_eq (2)

式(2)中Q为LLC系统品质因数，为工程经验常数，通常取0.8左右，其次计算谐振电容C₁、谐振电感L₁、励磁电感L_m1；如式(3)-(5)所示，k始终为电感系数，工程经验取4左右，f_r为开关频率，为系统构建时确定的指标；

L_m1＝k·L₁ (5)

通过上述方法，得到初始解空间R₁-R₂₀；

步骤3：将步骤2中所计算的初始解空间，代入小变量扰动的迭代求解算法；对初始解空间中部分变量进行随机小变量扰动，根据增益优化判据确定扰动后的变化方向，根据增益稳定性判据确定扰动后结果的适用性，迭代多次直至变化方向稳定后输出最终解；将初始解空间代入小变量扰动的迭代求解算法的具体方式为：

步骤3.1：定义小信号扰动的精确谐振参数计算方法中代价函数f_i：

式(6)中，M₁-M₂₀为代入初始解下电压增益，M_ref为电压增益的理想值,i为求解的数量，取20，计算结果为f₁-f₂₀；

步骤3.2：进行一次小信号扰动的迭代求解

通过对解空间R内任意一个变量δ的扰动量

产生新解R’₁-R’₂₀，并计算相应的电压增益M’₁-M’₂₀和代价函数f’₁-f’₂₀:

计算扰动后代价函数f_i’和代价函数差Δf_i：

Δf_i＝f_i’-f_i (8)

步骤3.3：小信号扰动迭代求解判据

将扰动后产生的增益与扰动前产生的增益进行对比，采用增益优化对其进行筛选，当Δf<0时接受新解，反之则以新解与当前解的目标函数差定义接受概率：

其中，P为新解的接受概率，T为某次扰动下的扰动指数，初始为接近无穷大的常数，该变量随求解过程逐渐降低，并决定了算法是否结束，e为自然指数，通常取2.718。

将此时解空间全部参数代入模型中，得到开关频率范围的最小值f_min，与LLC系统第二谐振频率f_m比较，作为增益稳定性判据，确定扰动后结果的适用性：

式(10)中，P’为新解的二次接受概率。

若T>T_ref，T_ref为LLC系统设定的扰动指数参考值，设置为常数0.01，扰动指数较高，迭代算法求解未结束，重复步骤3.2；

若T<T_ref，扰动指数较低，迭代算法结束，CPU对外输出当前谐振参数解。

本发明的有益效果是：一种交直流混合配电网的LLC系统及其谐振参数计算方法，适用于铁路供电技术领域。在传统模型的基础上，建立了考虑电路自身特性的精确电路等效模型，并推导出相应的直流增益函数，提高了模型的精确程度；结合传统谐振参数求解方法，采用小信号扰动法对谐振参数进行精确求解。在提高了负载供电可靠性的同时，也显著提高了系统的输入输出电压的可调范围，从而切实保证了供电质量。

试验证明，本实施例的方法具有如下有益效果：

1)本发明所采用的LLC系统在启动与关断瞬间采用了硬件软启动，能够有效避免负载和LLC模块低压侧启动瞬间的过电压和过电流问题，保证LLC系统的运行稳定性；

2)本发明考虑了电路自身特性与器件寄生参数的问题，使得建立的电路等效模型及直流增益函数更为精确；在传统谐振参数求解方法的基础上，采用小信号扰动法对谐振参数进行精确求解，提高了系统运行的可靠性；

3)本发明在提高了负载供电可靠性的同时，也显著提高了系统的输入输出电压的可调范围，从而切实保证了供电质量。

附图说明

图1是本发明的电路示意图；

图2为本发明的控制系统示意图；

图3是本发明的单模块等效示意图；

图4是本发明谐振参数精确计算方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种交直流混合配电系统的LLC系统的结构，如图1所示，包括由非线性电源负载、多LLC模块并联及其控制电路组成的LLC系统；非线性电源负载采用铅蓄电池储能装置，通过开关K₀、K₁和电阻R₀实现软启动保护；LLC模块高压侧采用基于功率开关的全控整流桥，高压侧接电容C_in实现稳压，谐振电路采用谐振电容C₁-C_n、谐振电感L₁-L_n、励磁电感L_m1-L_mn、中高频变压器MFT，低压侧采用对称全控逆变桥，并利用低压侧电容C_o稳压；所述LLC控制电路包括与LLC模块、非线性电源负载连接的电压、电流传感器，所述电压传感器输入端接高压侧直流母线电源侧，输出端通过数模转换器、检测电路与主控CPU连接；所述电流传感器的输入端分别接高压侧直流母线、低压侧非线性电源负载与高压侧谐振电感，输出侧通过通过数模转换器、检测电路与主控CPU连接，所述主控CPU与驱动电路相连。主控CPU采用FPGA EP4CH14F7。

一种LLC系统谐振参数计算方法，采用一种交直流混合配电系统的LLC系统，其电路结构为：

包括由非线性电源负载、多LLC模块并联及其控制电路组成的LLC系统；非线性电源负载采用铅蓄电池储能装置，通过开关K₀、K₁和电阻R₀实现软启动保护；LLC模块高压侧采用基于功率开关的全控整流桥，高压侧接电容C_in实现稳压，谐振电路采用谐振电容C₁-C_n、谐振电感L₁-L_n、励磁电感L_m1-L_mn、中高频变压器MFT，低压侧采用对称全控逆变桥，并利用低压侧电容C_o稳压；所述LLC控制电路包括与LLC模块、非线性电源负载连接的电压、电流传感器，所述电压传感器输入端接高压侧直流母线电源侧，输出端通过数模转换器、检测电路与主控CPU连接；所述电流传感器的输入端分别接高压侧直流母线、低压侧非线性电源负载与高压侧谐振电感，输出侧通过通过数模转换器、检测电路与主控CPU连接，所述主控CPU与驱动电路相连。主控CPU采用FPGA EP4CH14F7。

具体包括以下步骤：

步骤1：采用电压电流传感器、LCR测量仪采集LLC系统输入侧直流电压、器件自身参数，构建考虑器件自身参数的精确电路等效模型。如图2所示，以单模块LLC为例，高压侧全控整流桥等效为AC电源，低压侧全控逆变桥等效为两个等效电阻负载R_eqs和R_eq；

步骤2：根据步骤1中考虑器件自身参数的精确电路等效模型，确定谐振参数解空间R与初始解R₁-R₂₀，解空间R包含谐振电容C₁、谐振电感L₁、励磁电感L_m1、励磁电阻R_Lm1、谐振电容电阻R_C1、谐振电感电阻R_L1、开关器件寄生电容C_s、等效储能负载R_eq、等效开关负载R_s和R_eqs，初始解由传统计算方法与工程经验得到；

步骤2.1：精确电路等效模型

根据图3，可以得到等效后的单模块LLC等效电路。将等效电路的输入侧与输出侧的电压相除，得到等效电路的电压增益，即精确电路等效模型，如式(1)中所示：

步骤2.2：解空间与初始解

解空间R包含谐振电容C₁、谐振电感L₁、励磁电感L_m1、励磁电阻R_Lm1、谐振电容电阻R_C1、谐振电感电阻R_L1、开关器件寄生电容C_s、等效储能负载R_eq、等效开关负载R_s和R_eqs。解空间R可以表示为式(2)：

R＝{C₁,L₁,L_m1,R_Lm1,R_c1,R_L1,C_s,R_eq,R_s,R_eqs} (2)

初始解空间是解空间R的一个或多个实例，可以表示为式(3):

R_i＝{C₁,L₁,L_m1,R_Lm1,R_c1,R_L1,C_s,R_eq,R_s,R_eqs}i＝1,2,...,20 (3)

其中，初始解空间中谐振电容C₁、谐振电感L₁、励磁电感L_m1由传统计算方法得到，初始解空间其余参数采用由LCR测量仪直接测量得到的电路参数。

初始解空间中谐振电容C₁、谐振电感L₁、励磁电感L_m1的计算过程如下：

首先计算特征阻抗Z如式(2)所示。式(4)中品质因数Q为工程经验得到，通常取0.8左右，R_eq为直接测量得到的等效储能负载，

Z＝Q·R_eq (4)

其次计算谐振电容C₁、谐振电感L₁、励磁电感L_m1，如式(5)-(7)所示，始终k为电感系数，工程经验取4左右，f_r为开关频率，为系统构建时确定的指标，

L_m1＝k·L₁ (7)

通过上述方法，在计算过程中，品质因数Q和电感系数k取不同的工程经验参数，可以得到初始解空间R₁-R₂₀；

步骤3：将步骤2中所计算的初始解空间，代入小变量扰动的迭代求解算法。对初始解中部分变量进行随机小变量扰动，根据增益优化判据确定扰动后的变化方向，根据增益稳定性判据确定扰动后结果的适用性，迭代多次直至变化方向稳定后输出最终解。将初始解代入小变量扰动的迭代求解算法的具体实施方式为：

步骤3.1：定义小信号扰动的精确谐振参数计算方法中代价函数f_i：

式(8)中，M₁-M₂₀为把初始解空间参数代入式(1)求得的电压增益，M_ref为电压增益的理想值，式(8)计算结果为f₁-f₂₀；

步骤3.2：进行一次小信号扰动的迭代求解

通过对解空间内任意一个变量δ扰动

产生新解R’₁-R’₂₀，并代入式(8)计算相应的电压增益M’₁-M’₂₀和代价函数f’₁-f’₂₀。

计算扰动后代价函数f_i’和代价函数差Δf_i：

Δf_i＝f_i’-f_i (10)

步骤3.3：小信号扰动迭代求解判据

将扰动后产生的增益与扰动前产生的增益进行对比，采用增益优化对其进行筛选，当Δf<0时接受新解，反之则以新解与当前解的目标函数差定义接受概率。将20个初始解与20个扰动后的新解采用式(11)中判据进行晒选，根据概率筛选后，保留20组解，淘汰20组解。

其中，T为某次扰动下的扰动指数，初始为接近无穷大的常数，该变量随求解过程逐渐降低，并决定了算法是否结束。

将此时20组解空间的全部参数代入增益模型中，得到开关频率范围的最小值f_min，与系统第二谐振频率f_m比较，作为增益稳定性判据，确定扰动后结果的适用性。

若T>T_ref，T_ref为系统设定的扰动指数参考值，通常设置为0.01，扰动指数较高，迭代算法求解未结束，重复步骤3.2；

若T<T_ref，扰动指数较低，迭代算法结束，CPU对外输出当前谐振参数解。

一种适用于铁路交直流混合配电网的LLC系统及谐振参数计算方法，在传统模型的基础上，建立了考虑电路自身特性的精确电路等效模型，并推导出相应的直流增益函数，提高了模型的精确程度；结合传统谐振参数求解方法，采用小信号扰动法对谐振参数进行精确求解。在提高了负载供电可靠性的同时，也显著提高了系统的输入输出电压的可调范围，从而切实保证了供电质量。

Claims (1)

1.一种交直流混合配电网的LLC系统谐振参数计算方法，包括非线性电源负载、多LLC并联模块及其控制电路；所述非线性电源负载采用蓄电池作为储能装置，通过开关K₀、K₁和电阻R₀实现软启动保护；所述多LLC并联模块的高压侧采用全控整流桥，高压侧接电容C_in实现稳压，谐振电路采用谐振电容C₁-C_n、谐振电感L₁-L_n、励磁电感L_m1-L_mn、中高频变压器MFT，低压侧采用对称全控逆变桥，并利用低压侧电容C_o稳压；所述LLC控制电路包括与LLC模块、非线性电源负载连接的电压、电流传感器，所述电压传感器输入端接高压侧直流母线电源侧，输出端通过数模转换器、检测电路与主控CPU连接；所述电流传感器的输入端分别接高压侧直流母线、低压侧非线性电源负载与高压侧谐振电感，输出侧通过数模转换器、检测电路与主控CPU连接，所述主控CPU与驱动电路相连；其特征在于：所述的LLC系统谐振参数计算方法，具体包括以下步骤：

步骤1：采用电压电流传感器、LCR测量仪采集LLC系统输入侧直流电压、器件自身参数，构建考虑器件自身参数的精确电路等效模型；将单模块LLC系统高压侧的全控整流桥等效为AC电源，低压侧的全控逆变桥等效为两个等效电阻负载R_eqs和R_eq；

步骤2：根据步骤1所述的精确电路等效模型，确定谐振参数解空间R与初始解空间R₁-R₂₀；步骤2.1：精确电路等效模型

将等效电路的输入侧与输出侧的电压相除，得到等效电路的电压增益M，如式(1)中所示：

式(1)中M为电压增益，R_eq为等效储能负载，s为拉普拉斯算子，L₁为谐振电感，R_L1为谐振电感电阻，R_Lm1为励磁电感电阻，L_m1为励磁电感，R_s和R_eqs为等效开关负载，R_C1为谐振电容电阻，C₁为谐振电容，C_s为开关器件寄生电容；

步骤2.2：解空间与初始解空间

解空间R包含谐振电容C₁、谐振电感L₁、励磁电感L_m1、励磁电阻R_Lm1、谐振电容电阻R_C1、谐振电感电阻R_L1、开关器件寄生电容C_s、等效储能负载R_eq、等效开关负载R_s和R_eqs；初始解空间中的谐振电容C₁、谐振电感L₁、励磁电感L_m1由传统计算方法得到，初始解空间的其余参数采用固定参数；计算过程如下，首先计算特征阻抗Z如式(2)所示：

Z＝Q·R_eq (2)

式(2)中Q为LLC系统品质因数，为工程经验常数，通常取0.8左右，其次计算谐振电容C₁、谐振电感L₁、励磁电感L_m1；

L_m1＝k·L₁ (5)

如式(3)-(5)所示，k始终为电感系数，工程经验取4左右，f_r为开关频率，为系统构建时确定的指标：通过上述方法，得到初始解空间R₁-R₂₀；

步骤3：将步骤2中所计算的初始解空间，代入小变量扰动的迭代求解算法；对初始解空间中部分变量进行随机小变量扰动，根据增益优化判据确定扰动后的变化方向，根据增益稳定性判据确定扰动后结果的适用性，迭代多次直至变化方向稳定后输出最终解；将初始解空间代入小变量扰动的迭代求解算法的具体方式为：

步骤3.1：定义小信号扰动的精确谐振参数计算方法中代价函数f_i：

式(6)中，M₁-M₂₀为代入初始解下电压增益，M_ref为电压增益的理想值,i为求解的数量，取20，计算结果为f₁-f₂₀；

步骤3.2：进行一次小信号扰动的迭代求解

通过对解空间R内任意一个变量δ的扰动量

产生新解R’₁-R’₂₀，并计算相应的电压增益M’₁-M’₂₀和代价函数f’₁-f’₂₀:

计算扰动后代价函数f_i’和代价函数差Δf_i：

Δf_i＝f_i'-f_i (8)

步骤3.3：小信号扰动迭代求解判据

将扰动后产生的增益与扰动前产生的增益进行对比，采用增益优化对其进行筛选，当Δf<0时接受新解，反之则以新解与当前解的目标函数差定义接受概率：

其中，P为新解的接受概率，T为某次扰动下的扰动指数，初始为接近无穷大的常数，该变量随求解过程逐渐降低，并决定了算法是否结束，e为自然指数，通常取2.718；

将此时解空间全部参数代入模型中，得到开关频率范围的最小值f_min，与LLC系统第二谐振频率f_m比较，作为增益稳定性判据，确定扰动后结果的适用性：

式(10)中，P’为新解的二次接受概率；

若T>T_ref，T_ref为LLC系统设定的扰动指数参考值，设置为常数0.01，扰动指数较高，迭代算法求解未结束，重复步骤3.2；

若T<T_ref，扰动指数较低，迭代算法结束，CPU对外输出当前谐振参数解。

Images