CN111245264B - 一种应用于双向全桥变换器拓扑的过零点畸变抑制策略 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电力工业领域，旨在提供一种应用于双向全桥变换器拓扑的过零点畸变抑制策略。本发明是在每一个控制周期内，控制器检测当前电路状态，并根据电路状态和外部传输或内部预设的参考信号产生电路控制信号；每个开关周期进行一次计算；通过对工作于工频开关管的切换时间进行精确控制，从而严格地使得电网电压正负半周的电路能够无缝衔接起来，进而消除电网电流在过零点处的畸变问题。本发明仅通过软件方法实现，无需添加额外器件抑制过零点畸变，且改善后的控制策略无需大量计算，不会占用过多控制器资源。本发明可用于双向全桥拓扑中，对于该拓扑的整流及逆变模式同样适用。
Description
技术领域
本发明属于电力工业领域，涉及图腾柱式全桥变换器拓扑的运行模式控制，具体涉及应用于单极性调制的双向全桥AC/DC变换器拓扑过零点畸变抑制控制方法。本发明针对该电路单极性调制策略本身导致过零点电流畸变提出了相应的优化策略，适用于拓扑运行模式、能量双向流动、输入输出电能质量控制等多个应用场合。
背景技术
大量电动汽车接入电网，不仅使得配套充电设施建设提上日程，也让如何合理利用汽车与电网之间的互动、实现最优充电方式成为研究热点。近年来，智能电网技术在我国高速发展，二者之间的互动和协调必将成为智能电网建设的一个重要环节。因此，研究和最终实现电动汽车V2G技术在我国具有重要的现实意义。为实现电网和电动汽车间的电能流动，连接电网和电动汽车的必须是一个双向AC/DC变换器。双向AC/DC变换器是电网和电动汽车的重要接口，其拓扑和控制方法已经成为电源技术研究的一个热点。
单极性调制方式是双向AC/DC变换器的一种主流调制策略，具有共模噪声小，效率高的特点，但过零点畸变现象是该调制方式的一个突出的缺陷。由于其在过零点附近涉及到工频管切换，因此会导致过零点有畸变的产生。产生过零点畸变的原因主要归结于以下两点：第一是由于传统PI调制存在交流稳态误差，导致实际电流输出较电流参考值存在一定的相位滞后。这个相位滞后大小与开环增益、开环截止频率有关。通常开环截止频率越高，闭环带宽越高，对于频率较高的航空电源而言(360Hz～800Hz)，要求开环截至频率大于8kHz，而对于工频正弦而言，开环截止频率一般大于1kHz即可。第二是由于电网电压对环路设计产生的影响。电网电压通过PI环路会产生一个90°的电流相位超前分量，尤其在轻载状况下，相位超前情况十分明显上述电网电压和电流的相移，会导致电网电流在电网电压过零点产生畸变，影响电能质量。
使用前馈的方式补偿电网电压对电网电流造成的干扰是目前主流解决过零点畸变的手段。使用电网电压前馈的方法能补偿掉电网电压对输出电流的影响，但是却不能抵消掉参考电流经PI控制后到输出电流的相位偏移，且过零点畸变不仅与截止频率有关，还与电感量的大小有关。若电感值大会使得电流在过零点附近的上升率降低，不能跟踪参考正弦电流，使用多电平技术能有效减小电感感量，从而提高电流跟踪速度，减小畸变量。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种应用于双向全桥变换器拓扑的过零点畸变抑制策略。
为解决技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种应用于双向全桥变换器拓扑的过零点畸变抑制策略，包括以下步骤：
(1)在每一个控制周期内，控制器检测当前电路状态，并根据电路状态和外部传输或内部预设的参考信号产生电路控制信号；该拓扑采用平均电流控制给A桥臂SPWM控制信号，保证该AC/DC电路稳定运行在正常PFC工作状态；每个开关周期进行一次计算，计算回路主要由母线电压外环和电网电流内环组成，双环均采用经典PI控制；
(2)对电网电压进行PLL锁相，对锁相值进行检测，当电网电压的相位为0°±5°范围内时，判断内环PI是否小于0；当电网电压为180°±5°范围内时，判断内环PI是否大于1；
(3)当电网电压的相位为0°±5°范围内时，如果内环PI在第N个开关周期小于0，则切换工频开关管，并对内环PI赋值此时的PI值加1；当电网电压相位为180°±5°范围内时，如果内环PI在第N个开关周期大于1，则切换工频开关管，并对内环PI赋值此时的PI值减1；
(4)如果电网电压相位穿越5°时，且内环PI大于0，则此时强制切换工频开关管，且对内环PI赋加1；如果电网电压相位穿越185°，且PI小于1，则此时强制切换工频开关管，且对内环PI赋值减1；
本发明中，若在电网电压过零点±5°范围内，即电网电压0°±5°范围内或者在电网电压180°±5°范围内，检测不到PI满足切换工频管条件，则进行强制PI赋值，保证系统在正负半周切换时刻能够稳定运行。
本发明中，控制器通过下述任意一种方式获取外部传输的参考信号：CAN、光纤或以太网的有线通信方式；或者是WiFi、ZigBee、蓝牙、红外的无线通信方式。
发明原理描述：
在现有的工作于单极性调制方式的全桥逆变器或者工作于图腾柱式的PFC电路中，由于其在电网电压过零点附近涉及到工作于50Hz工频开关管的切换问题导致过零点电流有畸变的产生。本发明从参考电流经PI控制后到输出电流的相位偏移问题角度出发，提出一种更为优越的过零点畸变抑制策略，该方案的创新点在于对工作于工频开关管的切换时间进行精确控制，从而严格地使得电网电压正负半周的电路能够无缝衔接起来，进而消除电网电流在过零点处的畸变问题。
现有全桥逆变器或者工作于图腾柱式的PFC电路无论是工作在并网逆变模式还是整流PFC模式，电网电压过零点附近涉及到工频开关管的切换问题都会导致过零点有畸变的产生。本发明所述控制方法对于该双向全桥变换器拓扑的整流及逆变模式同样适用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明能够无缝衔接电网电压正负半周的电路，进而改善电网电流在过零点处的畸变问题。
2、本发明仅通过软件方法实现，无需添加额外器件抑制过零点畸变，且改善后的控制策略无需大量计算，不会占用过多控制器资源。
3、本发明所述方法可以用于双向全桥拓扑中，无论是工作在并网逆变模式还是整流PFC模式，电网电压过零点附近涉及到工频开关管的切换问题都会导致过零点有畸变的产生，而所述控制方法对于该拓扑的整流及逆变模式同样适用。
附图说明
图1是本发明中应用于单极性调制的双向全桥变换器拓扑过零点畸变抑制控制策略及其控制器示意图。
图2是本发明中双向全桥变换器拓扑算法切换示意图。
具体实施方式
下面结合具体示例，对本发明的实现方式进行详细描述。
如图1所示，开关管Q1～4组成全桥拓扑，其中A桥臂的Q3～4高频工作在开关频率实现PFC功能，B桥臂的Q1～2为工频管，工作在电网频率50Hz。L1是PFC电路中的升压电感，Lg是网侧滤波电感，C1是网侧滤波电容，Lg、C1、L1共同组成网侧LCL滤波器。母线电容Cbus用于吸收母线电压纹波。外部传输的参考信号由通信设备从外部传输到控制器；采用经典平均电流控制，即直流母线电压外环控制和电感电流内环控制。
其中，控制器包括：采样单元，用于对来自电网的输入电压、输入电流以及母线电压进行采样；锁相单元，用于对网侧电压进行锁相，从而得到所述网侧电压的相位；乘法单元，用于将母线电压波动值与所述锁相单元所得正弦结果相乘，以及判断过零点单元。
基于上述示例的双向全桥变换器，本发明的过零点畸变抑制方法主要包括：(1)该全桥电路采用单极性调制方式，其中一个桥臂工作于工频状态，另外一个桥臂工作于高频开关SPWM状态；(2)该AC/DC装置由数字信号进行控制，控制主回路采用经典的电压外环和电流内环双环控制策略；(3)电路系统由统一的控制器根据电路状态和外部传输或内部预设的参考信号产生电路控制信号进行控制。
该控制方法具体包括以下步骤：
(1)在每一个控制周期内，控制器检测当前电路状态，并根据电路状态和外部传输或内部预设的参考信号产生电路控制信号；每个开关周期进行一次计算，计算回路主要由母线电压外环和电网电流内环组成，双环均采用经典PI控制；
(2)对电网电压进行PLL锁相，对锁相值进行检测，当电网电压的相位为0°±5°范围内时，判断内环PIout是否小于0；当电网电压为180°±5°范围内时，判断内环PIout是否大于1；
(3)当电网电压的相位为0°±5°范围内时，如果内环PIout在第N个开关周期小于0，则切换工频开关管，并对内环PIout赋值此时的PI值加1；当电网电压相位为180°±5°范围内时，如果内环PIout在第N个开关周期大于1，则切换工频开关管，并对内环PI赋值此时的PIout值减1；
(4)如果电网电压相位穿越5°时，且内环PIout大于0，则此时强制切换工频开关管，且对内环PIout赋加1；如果电网电压相位穿越185°，且PIout小于1，则此时强制切换工频开关管，且对内环PIout赋值减1；
若在电网电压过零点±5°范围内，即电网电压0°±5°范围内或者在电网电压180°±5°范围内，检测不到PIout满足切换工频管条件，则进行强制PIout赋值，保证系统在正负半周切换时刻能够稳定运行。
本发明中，并非在电网电压0°或者180°相位进行工频开关管的切换，而是在电网电压0°±5°范围内，根据内电流环PIout是否小于0进行工频开关管切换；或者在电网电压180°±5°范围内，根据内电流环PIout是否大于1进行工频开关管切换。在工频开关管切换的同时，强制进行PIout值的跳变：在电网电压0°±5°范围内过零时，其内电流环值强制加1；在电网电压180°±5°范围内过零时，其内电流环PIout值强制减1。
下面结合图1、2对本发明所述方法的具体应用示例进行描述：
应用于单极性调制的双向全桥变换器如图1所示，包括无桥PFC电路和控制器；其中，无桥PFC电路由网侧滤波电感Lg、网侧滤波电容C1、升压电感L1、开关管Q1～4和母线电容Cbus组成；控制器分别连接开关管Q1～4和网侧电压Vg、升压电感L1、母线电容Cbus；控制器用于根据电路状态和外部传输或内部预设的参考信号产生电路控制信号以控制开关管Q1～4；控制主回路采用经典的电压外环和电流内环双环控制策略。由采样单元对来自电网的输入电压Vg,、输入电流IL1以及母线电压Vdc进行采样，Hg、Hi和Hv分别对应输入电压Vg,、输入电流IL1以及母线电压Vdc的采样系数；Vref是外电压环给定值，与母线电压采样值作差，再与锁相单元得到的网侧电压的相位相乘，经外环PI控制调节器Gcv得到内电流环给定值Iref；该Iref与输入电流采样值作差，经内环PI控制调节器Gci得到参考信号，产生电路控制信号以控制开关管Q1～4。
由图2所示，内电流环PIout到参考电压基准存在着相位偏移。当电网电压Vg过零时，调制波电压并没有过零，该相位偏移量与硬件参数及PI参数有关，实际操作中难以精确计算。本发明提出的优化策略并非通过消除该相位偏移抑制畸变，而是对工作于工频开关管的切换时间进行精确控制，从而严格地使得电网电压正负半周的电路能够无缝衔接起来，进而消除电网电流在过零点处的畸变问题。
步骤1：对电网电压进行PLL锁相，对锁相值进行检测，当电网电压的相位为0°±5°范围内，判断内环PIout是否小于0。当电网电压为180°±5°范围内，判断内环PIout是否大于1。
步骤2：当电网电压的相位为0°±5°范围内时，如果内环PIout在第N个开关周期小于0，则切换工频开关管，并对内环PIout赋值，此时的PIout值加1。当电网电压相位为180°±5°范围内时，如果内环PIout在第N个开关周期大于1，则切换工频开关管，并对内环PIout赋值，此时的PIout值减1。本发明并非在电网电压0°或者180°相位进行工频开关管的切换，而是在电网电压0°±5°范围内，根据内电流环PIout是否小于0进行工频开关管切换；或者在电网电压180°±5°范围内，根据内电流环PI是否大于1进行工频开关管切换。该步骤对工作于工频开关管的切换时间进行精确控制，从而严格地使得电网电压正负半周的电路能够无缝衔接起来。
步骤3：如果电网电压相位穿越5°时，且内环PIout值大于0，则此时强制切换工频开关管，且对内环PIout赋值加1。如果电网电压相位穿越185°，且PIout值小于1，则此时强制切换工频开关管，且对内环PIout赋值减1。该步骤是为了保证系统在正负半周切换时刻能够稳定运行。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以引入SOGI控制模式，由于电网中含有谐波，可以通过SOGI精确锁定电网基波频率，从而引入正弦度更高的正弦参考。具体组合实施方式，因属本领域技术人员掌握的技能，本发明不再赘述。
Claims (3)
1.一种应用于双向全桥变换器拓扑的过零点畸变抑制策略，其特征在于，包括以下步骤：
（1）在每一个控制周期内，控制器检测当前电路状态，并根据电路状态和外部传输或内部预设的参考信号产生电路控制信号；该拓扑采用平均电流控制给A桥臂SPWM控制信号，保证该双向全桥变换器稳定运行在正常PFC工作状态；每个开关周期进行一次计算，计算回路主要由母线电压外环和电网电流内环组成，双环均采用经典PI控制；
（2）对电网电压进行PLL锁相，对锁相值进行检测，当电网电压的相位为0°±5°范围内时，判断内环PI是否小于0；当电网电压为180°±5°范围内时，判断内环PI是否大于1；
（3）当电网电压的相位为0°±5°范围内时，如果内环PI在第N个开关周期小于0，则切换工频开关管，并对内环PI赋值此时的PI值加1；当电网电压相位为180°±5°范围内时，如果内环PI在第N个开关周期大于1，则切换工频开关管，并对内环PI赋值此时的PI值减1；
（4）如果电网电压相位穿越5°时，且内环PI大于0，则此时强制切换工频开关管，且对内环PI赋值加1；如果电网电压相位穿越185°，且内环PI小于1，则此时强制切换工频开关管，且对内环PI赋值减1。
2.根据权利要求1所述的过零点畸变抑制策略，其特征在于，若在电网电压过零点±5°范围内，即电网电压0°±5°范围内或者在电网电压180°±5°范围内，检测不到PI满足切换工频管条件，则进行强制PI赋值，保证系统在正负半周切换时刻能够稳定运行。
3.根据权利要求1所述的过零点畸变抑制策略，其特征在于，控制器通过下述任意一种方式获取外部传输的参考信号：CAN、光纤或以太网的有线通信方式；或者是WiFi、ZigBee、蓝牙、红外的无线通信方式。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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