CN110829563A - 基于比例谐振控制的复用充电机二次谐波抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于比例谐振控制的复用充电机二次谐波抑制方法，所述复用充电机包括全桥整流电路和Buck电路两级拓扑结构，并采用PI控制器进行全桥整流电路控制，本发明在PI控制器上并联比例谐振调节器，通过设计比例谐振调节器来抑制二次谐波对复用充电机充电质量的影响：比例谐振调节器从正弦内模模型推导而来，本方案选择在整流电压到充电电压的BUCK阶段对充电机进行控制。无需增加任何电路，控制结构简单，节约成本。由于电网电压的频率波动较小，其低次谐波适合采用谐振控制算法进行抑制。本方案采用比例谐振控制方式实现对Buck输出电压的控制和纹波电压的抑制。

Description

基于比例谐振控制的复用充电机二次谐波抑制方法

技术领域

本发明涉及复用充电机，特别涉及一种基于比例谐振控制的复用充电机二 次谐波抑制方法。

背景技术

目前，能源短缺日益成为一个严峻的社会问题。新能源汽车的出现在一定 程度上缓解这一问题。然而，新能源汽车也存在一些缺点，比如：充电便捷的 问题。新能源汽车主要通过非车载充电机或车载充电机进行充电。相对于前一 种充电方式，车载充电机具有使用灵活方便、建设成本低等优点，其应用前景 更为广阔。通过电网给高压电池充电，需将电网电压通过单相电压型PWM整 流电路进行整流，但在整流过程中会产生低次谐波(主要为二次谐波)，使得 在充电过程中存在较大的电压波动，在影响充电质量的同时也易引起电池发热 等问题，进而影响电池寿命，因此对充电过程中产生的二次谐波进行抑制具有 重要意义。

传统的消除二次谐波的方法是在直流母线两端并联一个容量较大的电解 电容或者利用LC谐振电路来滤除直流母线电压中的谐波部分。

通过在直流母线两端并联电解电容的方法所需电容容量十分巨大，使得系 统体积变大，成本上升，功率密度下降。通过直流母线并联LC滤波，虽然可 以一定程度减小电容的容量，然而在单相系统中为了消除二次谐波所用滤波的 电感与电容数值依然较大，尤其是加入电感后成本上升，并且LC滤波电路鲁 棒性不够强，基波信号频率和电感电容的参数容易变化，这就会使得补偿效果 变差。

发明内容

本发明目的是：针对二次谐波产生的电压波动采用传统的PI控制器很难 通过调整PI参数的方式来减小，本方案采用在PI控制器的基础上并联比例谐 振控制器的方法来实现对BUCK侧低次谐波进行控制。

本发明的技术方案是：

基于比例谐振控制的复用充电机二次谐波抑制方法，所述复用充电机包括 全桥整流电路和Buck电路两级拓扑结构，并采用PI控制器进行全桥整流电路 控制，其特征在于，在PI控制器上并联比例谐振调节器，通过设计比例谐振 调节器来抑制二次谐波对复用充电机充电质量的影响：

比例谐振调节器从正弦内模模型推导而来，其传递函数表达式为：

式中：ω为谐振频率；K_p、K_R为谐振调节器参数。

具体的，所述比例谐振调节器的带宽和稳定程度取决于K_p，谐振频率附 近的带宽取决于K_R，在谐振频率点增益无穷大，相位差为0，能够滤除特定频 率的谐波。

优选的，所述Buck电路的传递函数表达式为：

式中,V_g为整流电压，R为输出电阻，L为储能电感，C为输出电容。

具体的，所述全桥整流电路是在期望的功率因数下调节整流电压；Buck 电路是根据期望的充放电电压或电流来控制电池的充放电。

本发明的优点是：

1、充电电压的波动主要是由整流电压的低频波动引起的，大多数研究人 员从电网电压到整流这个阶段进行控制。由于复用充电机中Boost工作模式和 充电机工作模式共用一套电力电子器件，当Boost工作模式切换到充电机模式 时，充电电路中存在BUCK电路，BUCK电路具有一定的滤波作用，为了更大 程度地利用复用充电机的结构，本方案选择在整流电压到充电电压的BUCK 阶段对充电机进行控制。无需增加任何电路，控制结构简单，节约成本。

2、由于电网电压的频率波动较小，其低次谐波适合采用谐振控制算法进 行抑制。本方案采用比例谐振控制方式实现对Buck输出电压的控制和纹波电 压的抑制。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为Boost和充电机复用拓扑结构；

图2为复用充电机原理图结构；

图3为单相整流拓扑结构；

图4为谐振调节器原理图；

图5为比例谐振控制器原理图；

图6为谐振控制器的Bode图。

具体实施方式

如图1所示，为Boost和充电机复用拓扑结构，其中，K₁、K₂为继电器开 关，L₁、L₂、L₃为电感，T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆分别为三个IGBT半桥臂的开 关管，U_g为电网电压，U₁为高压电池端电压，U₂为Boost电路输出电压。当K₁、 K₂闭合，连接电网的抽头悬空，此时工作在Boost模式。控制K₁、K₂断开，连 接电网的抽头接220V市电，此时电路工作于复用充电模式。当电路工作在复 用充电模式时，U_g、L₁、L₂、T₁、T₂、T₃、T₄构成带升压功能的单相全桥整流 电路。L₃、T₅、T₆构成Buck电路。由于单相全桥整流电路有升压能力，Buck 电路有降压能力，理论上，可以对任何电压等级的电池进行充电。其中整流电 压可以在高于市电的电压范围内进行调整，充电电压可以在低于设定的整流电 压下任何电压进行调整。

本发明所提的复用充电机原理图如图2所示。复用充电机具有两级拓扑结 构。第一级是全桥AC/DC变换器，第二级是双向DC/DC变换器。第一级的作 用是在期望的功率因数下调节整流电压；第二级的作用是根据期望的充放电电 压或电流来控制电池的充放电。

复用充电机首先要对电网电压进行整流，其简化的拓扑结构如图3所示。 其中，U为网侧电压，L为网侧电感，R为网侧损耗的等效电阻，i为网侧电流， i_dc为直流侧总电流，C为直流侧电容，U_dc为直流侧电压，I₀为负载电流。

为了方便计算，假设拓扑中的电气元件均为理想元件。假设输入电压、电 流均为正弦波形：

式中，U_eff，I_eff为分别为电压、电流有效值，ω为电网角频率，t为时间。

电感上存储的能量为：

则电感上的功率为：

直流侧瞬时功率为：

式中，P_in为输入功率。

由式(4)可以看出，直流瞬时功率由两部分组成，直流分量P₀以及二次 谐波分量P_har。

则直流母线侧功率为：

其中为U_dc直流电压，I_dc为直流电流，

是直流电压的交流分量。

由式(5)可以看出，在理想状态下直流母线侧功率也不是恒定的，由直 流分量以及一个二次谐波分量组成，因此在复用充电机处于充电过程中，电路 中会产生一个不可避免的二次谐波。但在实际应用过程中需要复用充电机在充 电的过程中充电电压稳定，因此本方案通过设计比例谐振控制器来抑制二次谐 波对复用充电机充电质量的影响。

谐振调节器可以从正弦内模模型推导而来，其传递函数表达式如下：

式中：ω为谐振频率；K_p、K_R为谐振调节器参数。与传统PI控制器相同， 控制器的带宽和稳定程度取决于K_p，谐振频率附近的带宽取决于K_R，谐振调 节器具有在谐振频率点增益无穷大，相位差为0的特点，所以根据控制理论， 谐振控制可以滤除特定频率的谐波。对于式(7)所述的谐振调节器，可采用

图4的结构框图来表示。

由于电网电压频率固定为50Hz，输出充电电压波动频率主要为100Hz。 其控制原理如图5所示。

图5中，G_r模块为比例谐振传递函数，G_buck模块为Buck电路的传递函数， 其传递函数表达式如下：

式中,V_g为整流电压，R为输出电阻，L为储能电感，C为输出电容。其Bode 图如图6所示。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技 术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。 凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护 范围之内。

Claims (4)

1.基于比例谐振控制的复用充电机二次谐波抑制方法，所述复用充电机包括全桥整流电路和Buck电路两级拓扑结构，并采用PI控制器进行全桥整流电路控制，其特征在于，在PI控制器上并联比例谐振调节器，通过设计比例谐振调节器来抑制二次谐波对复用充电机充电质量的影响：

比例谐振调节器从正弦内模模型推导而来，其传递函数表达式为：

式中：ω为谐振频率；K_p、K_R为谐振调节器参数。

2.根据权利要求1所述的基于比例谐振控制的复用充电机二次谐波抑制方法，其特征在于，所述比例谐振调节器的带宽和稳定程度取决于K_p，谐振频率附近的带宽取决于K_R，在谐振频率点增益无穷大，相位差为0，能够滤除特定频率的谐波。

3.根据权利要求2所述的基于比例谐振控制的复用充电机二次谐波抑制方法，其特征在于，所述Buck电路的传递函数表达式为：

式中,V_g为整流电压，R为输出电阻，L为储能电感，C为输出电容。

4.根据权利要求1所述的基于比例谐振控制的复用充电机二次谐波抑制方法，其特征在于，所述全桥整流电路是在期望的功率因数下调节整流电压；Buck电路是根据期望的充放电电压或电流来控制电池的充放电。

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