CN111800006A - 用于非接触式供电系统中dc-dc变换单元的控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于非接触式供电系统中DC‑DC变换单元的控制方法，各DC‑DC变换器的电流控制环节采用前馈控制环节与误差反馈环节相结合；前馈控制环节中将DC‑DC变换器中的实际输出电流与期望电流进行前馈PI控制，得到前馈输出量；误差反馈环节将实际输出电流与期望电流的差值与零进行反馈PI控制，产生补偿信号对前馈输出量进行修正。本发明还公开了一种控制系统，包括前馈控制环节与误差反馈环节；前馈控制环节用于将DC‑DC变换器中的实际输出电流与期望电流进行前馈PI控制，得到前馈输出量；误差反馈环节用于将DC‑DC变换器的实际输出电流与期望电流的差值与零进行反馈PI控制，产生补偿信号对前馈输出量进行修正。本发明的方法及系统均具有输出稳定可靠等优点。
Description
技术领域
本发明主要涉及轨道交通技术领域，特指一种用于非接触式供电系统中DC-DC变换单元的控制方法及系统。
背景技术
与采用接触网、第三轨供电的城市轨道交通车辆相比，采用非接触供电方式的城市轨道交通车辆具有环境实用性好，不容易发生漏电、触电、电弧等安全隐患等优点，降低了运行成本，减小了对供电线路的维护工作。
非接触供电的城市轨道交通车辆采用少数地面线圈对应多个车上副边线圈(也称拾取线圈)的结构，在地面采取闭环控制的方式配合车辆位置检测装置能够很好的自适应控制发射线圈的投切。但是由于车辆是运动的，在运动的过程中，车辆在不同的位置，不同的副边线圈(拾取线圈)与原边(发射线圈)之间的耦合程度不同，由此导致了副边多路并联在直流母线上的DC-DC电路的输入电压不尽相同并且时刻变化，同时对于多个DC-DC变换器，其运行过程中也存在着电流不均衡，功率冲击大等特点。
如图1所示，为一节非接触供电车辆及其下方一段发射线圈的结构简图，从图中可以看出，在车辆运行的过程中，车上的副边线圈与地面的发射线圈之间的位置是不断变化的。非接触供电的电能传输有赖于原、副边线圈(发射线圈与拾取线圈)之间的耦合关系，由于车辆的位置不断发生改变，拾取与发射线圈间的耦合关系也无法保持一个稳定的状态，由原副边线圈的电压与互感(M)的关系：
上式中，U1表示原边线圈(发射线圈)上的电压，U2为副边线圈(拾取线圈)上的电压，R1、R2为原、副边绕组的电阻，I1、I2为原、副边绕组中的电流，Ψ1、Ψ2分别为原、副边绕磁链；它们的表达式即与互感M的关系如下：
式中，L1、L2分别为原、副边线圈的电感值。
由于拾取与发射线圈之间的气隙越小，它们的互感M就越大，气隙越大互感M就越小，结合上式可以知道，随着气隙的变化，互感M发生变化，原副边线圈上的电压也随之发生变化。
如图2所示，为非接触供电车辆上的一路拾取及其后面的电路结构。从上一节的分析可知，随着副边拾取电压u0发生变化，二极管整流电路由于不可控，其输出的直流电压udc1也发生变化，导致了其后的DC-DC变换器的输入不稳定，间接影响了直流母线电压。另外，对于非接触供电有轨电车，其直流母线上不仅直挂了DC-DC变换器，还有负载、储能设备等，由此其直流电压的稳定对于车辆的稳定运行，车上设备的正常工作具有很重要的意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种输出精准、抗扰动性强的用于非接触式供电系统中DC-DC变换单元的控制方法，并相应提供一种结构简单的控制系统。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种用于非接触式供电系统中DC-DC变换单元的控制方法，非接触式供电系统中DC-DC变换单元中的各DC-DC变换器的电流控制环节，采用前馈控制环节与误差反馈环节相结合；所述前馈控制环节中将DC-DC变换器中的实际输出电流与期望电流进行前馈PI控制，得到前馈输出量；所述误差反馈环节将DC-DC变换器的实际输出电流与期望电流的差值与零进行反馈PI控制，产生补偿信号对前馈输出量进行修正。
作为上述方案的进一步改进，各DC-DC变换器的期望电流由DC-DC变换单元的总期望电流均分得到。
作为上述方案的进一步改进，所述DC-DC变换单元的总期望电流由电压下垂控制环节得到，所述电压下垂控制环节将udc_ref与kPdc进行总PI控制，得到所述DC-DC变换单元的总期望电流；其中udc_ref为DC-DC变换单元实际输出的直流母线电压；Pdc为DC-DC变换单元实际输出的功率；k为下垂控制系数。
作为上述方案的进一步改进，将kPdc引入惯性环节后，再与udc_ref进行总PI控制。
作为上述方案的进一步改进，所述惯性环节为
其中TJ表示时间常数、kD表示阻尼系数。
作为上述方案的进一步改进，在非接触式供电系统的拾取线圈获得电能，DC-DC变换单元启动时，采用电压下垂控制环节进行总期望电流的控制。
作为上述方案的进一步改进，所述DC-DC变换单元中的各DC-DC变换器采用载波移相的方式，相邻DC-DC变换器的三相载波之间的相位平移360/n度，其中n为DC-DC变换器的数量。
本发明还公开了一种用于非接触式供电系统中DC-DC变换单元的控制系统，非接触式供电系统中DC-DC变换单元中的各DC-DC变换器的电流控制环节包括前馈控制环节与误差反馈环节；所述前馈控制环节用于将DC-DC变换器中的实际输出电流与期望电流进行前馈PI控制，得到前馈输出量；所述误差反馈环节用于将DC-DC变换器的实际输出电流与期望电流的差值与零进行反馈PI控制，产生补偿信号对前馈输出量进行修正。
作为上述方案的进一步改进，还包括电压下垂控制环节，用于得到所述DC-DC变换单元的总期望电流。
作为上述方案的进一步改进，所述电压下垂控制环节通过将udc_ref与kPdc进行总PI控制，得到所述DC-DC变换单元的总期望电流；其中udc_ref为DC-DC变换单元实际输出的直流母线电压；Pdc为DC-DC变换单元实际输出的功率；k为下垂控制系数。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的用于非接触式供电系统中DC-DC变换单元的控制方法，采用前馈控制环节与误差反馈环节相结合的控制方式对各DC-DC变换器的电流进行控制，其中误差反馈环节实时对前馈控制环节的前馈输出量进行修正，通过修正后的前馈输出量产生精准的触发脉冲，使得各DC-DC变换器的实际输出电流精准的跟踪期望电流。
本发明的用于非接触式供电系统中DC-DC变换单元的控制方法，各DC-DC变换器的期望电流一致，实现各DC-DC变换器的均流控制，对于环流和涌流能够起到很好的抑制作用。各DC-DC变换器采用载波移相的方式，能够减少直流母线输出电压的谐波。
本发明的用于非接触式供电系统中DC-DC变换单元的控制方法，采用上述电压下垂控制环节和电流控制环节相结合的方式，使得整体DC-DC变换单元具有很好的抗扰动能力，在拾取端电压不断变化的过程中能够较好的维持直流母线电压的稳定性。
本发明的用于非接触式供电系统中DC-DC变换单元的控制系统，同样具有如上方法所述的优点，而且整体电路结构简单。
附图说明
图1为现有技术中非接触式供电车辆的线圈布置结构图。
图2为现有技术中拾取线圈及后端电路的电路图。
图3为本发明的控制结构框图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
如图3所示，本实施例的用于非接触式供电系统中DC-DC变换单元的控制方法，具体为：非接触式供电系统中DC-DC变换单元(DC-DC变换单元包括多路并列设置的DC-DC变换器)中的各DC-DC变换器的电流控制环节，采用前馈控制环节与误差反馈环节相结合；其中前馈控制环节中将DC-DC变换器中的实际输出电流与期望电流进行前馈PI控制，得到前馈输出量；其中误差反馈环节将DC-DC变换器的实际输出电流与期望电流的差值与零进行反馈PI控制，产生补偿信号对前馈输出量进行修正，通过修正后的前馈输出量产生精准的触发脉冲，使得各DC-DC变换器的实际输出电流精准的跟踪期望电流。
本实施例中，各DC-DC变换器的期望电流由DC-DC变换单元的总期望电流均分得到，各DC-DC变换器的期望电流一致，实现各DC-DC变换器的均流控制，对于环流和涌流能够起到很好的抑制作用。
进一步地，各DC-DC变换器采用载波移相的方式，相邻DC-DC变换器的三相载波之间的相位平移360/n度，其中n为DC-DC变换器的数量。由于多路DC-DC变换器、负载以及储能设备均连接在直流母线上，为了保证直流母线的电压符合标准，减少直流母线输出电压的谐波，采用载波移相的控制方式，即相邻两个DC-DC变换器的三角载波(参与触发脉冲调制)之间的相位平移360°/n，通过与修正后的前馈输出量的比较，产生精准的触发脉冲。
本实施例中，DC-DC变换单元的总期望电流由电压下垂控制环节得到，电压下垂控制环节将udc_ref与kPdc进行总PI控制，得到DC-DC变换单元的总期望电流；其中udc_ref为DC-DC变换单元实际输出的直流母线电压；Pdc为DC-DC变换单元实际输出的功率；k为下垂控制系数。另外，为了保持输出稳定，在总PI控制之前，将kPdc引入惯性环节后，再与udc_ref进行总PI控制，惯性环节为
其中TJ表示时间常数、kD表示阻尼系数。通过以上的电压下垂控制环节的控制，能够解决列车启动之初DC-DC变换器输出端可能出现的过电压和过电流。
本发明的用于非接触式供电系统中DC-DC变换单元的控制方法，采用上述电压下垂控制环节和电流控制环节相结合的方式，使得整体DC-DC变换单元具有很好的抗扰动能力，在拾取端电压不断变化的过程中能够较好的维持直流母线电压的稳定性。
本发明还相应公开了一种用于非接触式供电系统中DC-DC变换单元的控制系统，其中非接触式供电系统中DC-DC变换单元中的各DC-DC变换器的电流控制环节包括前馈控制环节与误差反馈环节；其中前馈控制环节用于将DC-DC变换器中的实际输出电流与期望电流进行前馈PI控制，得到前馈输出量；其中误差反馈环节用于将DC-DC变换器的实际输出电流与期望电流的差值与零进行反馈PI控制，产生补偿信号对前馈输出量进行修正。
本实施例中，还包括电压下垂控制环节，用于得到所述DC-DC变换单元的总期望电流；具体地，电压下垂控制环节通过将udc_ref与kPdc进行总PI控制，得到所述DC-DC变换单元的总期望电流；其中udc_ref为DC-DC变换单元实际输出的直流母线电压；Pdc为DC-DC变换单元实际输出的功率；k为下垂控制系数。另外，本发明的用于非接触式供电系统中DC-DC变换单元的控制系统执行上述控制方法，同样具有如上方法所述的优点，而且整体结构简单。
下面结合将控制系统与控制方法结合后做进一步说明：
如图3所示，由于在副边线圈获得电能，DC-DC变换器启动之初，会对直流母线电压造成一定程度的暂态冲击，在对电压的控制上采取一种频率-电压的下垂控制方式，通过借鉴同步电动机调频、调压的动态性能，再配合PI控制进行调节来输出期望的直流母线电流idc_ref。具体地，模仿逆变器下垂控制中的P-f/Q-V的关系，对DC-DC变换器的直流母线的电压与其输出的直流功率Pdc有如下的关系：
udc＝udc_ref-kPdc (4)
上式中，k为DC-DC变流器下垂控制中的下垂控制系数；udc、udc_ref分别表示实际的直流母线电压与期望的直流母线电压。
如图3所示，电压下垂控制环节中，首先通过udc和idc得到输出的直流功率Pdc，乘以下垂控制系数k，得到kPdc；
为了使udc与udc_ref在PI控制器中能够更为稳定，引入同步电机中的惯性环节，如下所示：
上式中，TJ、kD表示同步机中的时间常数与阻尼系数；
然后将kPdc经惯性环节后的值与udc_ref做差后，引入PI控制器，输出系统期望的整体的期望直流母线电流。
在对整体输出的直流母线电压进行控制，输出的即为整体的期望直流母线电流。为了使多个并联的DC-DC电路(DC-DC变流器)能够达到电流均衡的效果，需要对期望的直流母线电流做均流处理，即整体的期望直流母线电流除以n(n表示并联的DC-DC变换器的个数)，得到单个DC-DC变换器的期望电流。
为了达到输出稳定的效果，对于作用于各个DC-DC变流器的电流平坦控制环节，其前馈部分采用PI控制，即各个DC-DC变换器的输出端实际电流与均流后的期望电流做差后得到Δidc，进行PI控制，得到前馈的输出量。另外，加入误差反馈环节，将实际电流与均流后的期望电流的差值Δidc与0做差后，再进行PI控制，其产生的补偿信号与前馈的输出量相加，实现对前馈的输出量的修正与调整，使得输出的控制量可以更为精确的跟踪规划的轨迹(期望值)。
需要说明的是：在如图3所示的控制框图中，kup、kui表示电压下垂控制环节中的比例参数、积分参数；kip、kii表示电流控制环节中前馈电流控制环节里的比例参数、积分参数，kfp、kfi表示误差反馈环节中的比例参数、积分参数。
如图2所示，根据DC-DC变换器的拓扑，结合其数学模型，选取输出电压udc2、输出电流idc2为输出向量(x)，输入向量(u)为DC-DC变换器输入端电压udc1，状态向量选取电感电流iL与输出电压udc2。根据数学模型可以得到用输出向量表示的输入向量与状态向量的形式：
式中，A1、A2、B1、B2、C1、C2为DC-DC电路参数矩阵，其数值取决于电路的电感、电容、电阻参数，d为开关函数，d、d`关系为：d`＝1–d，它的存在决定了系统的非线性特点。
从以上关系可知，对于DC-DC变换器存在用一组输出向量来表达输出、状态向量的关系，故其满足微分平坦条件能够对其构造微分平坦的控制器。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。
Claims (10)
1.一种用于非接触式供电系统中DC-DC变换单元的控制方法，其特征在于，非接触式供电系统中DC-DC变换单元中的各DC-DC变换器的电流控制环节，采用前馈控制环节与误差反馈环节相结合；所述前馈控制环节中将DC-DC变换器中的实际输出电流与期望电流进行前馈PI控制，得到前馈输出量；所述误差反馈环节将DC-DC变换器的实际输出电流与期望电流的差值与零进行反馈PI控制，产生补偿信号对前馈输出量进行修正。
2.根据权利要求1所述的用于非接触式供电系统中DC-DC变换单元的控制方法，其特征在于，各DC-DC变换器的期望电流由DC-DC变换单元的总期望电流均分得到。
3.根据权利要求2所述的用于非接触式供电系统中DC-DC变换单元的控制方法，其特征在于，所述DC-DC变换单元的总期望电流由电压下垂控制环节得到，所述电压下垂控制环节将udc_ref与kPdc进行总PI控制，得到所述DC-DC变换单元的总期望电流；其中udc_ref为DC-DC变换单元实际输出的直流母线电压；Pdc为DC-DC变换单元实际输出的功率；k为下垂控制系数。
4.根据权利要求3所述的用于非接触式供电系统中DC-DC变换单元的控制方法，其特征在于，将kPdc引入惯性环节后，再与udc_ref进行总PI控制。
5.根据权利要求4所述的用于非接触式供电系统中DC-DC变换单元的控制方法，其特征在于，所述惯性环节为
其中TJ表示时间常数、kD表示阻尼系数。
6.根据权利要求3或4或5所述的用于非接触式供电系统中DC-DC变换单元的控制方法，其特征在于，在非接触式供电系统的拾取线圈获得电能，DC-DC变换单元启动时，采用电压下垂控制环节进行总期望电流的控制。
7.根据权利要求1至5中任意一项所述的用于非接触式供电系统中DC-DC变换单元的控制方法，其特征在于，所述DC-DC变换单元中的各DC-DC变换器采用载波移相的方式，相邻DC-DC变换器的三相载波之间的相位平移360/n度，其中n为DC-DC变换器的数量。
8.一种用于非接触式供电系统中DC-DC变换单元的控制系统，其特征在于，非接触式供电系统中DC-DC变换单元中的各DC-DC变换器的电流控制环节包括前馈控制环节与误差反馈环节；所述前馈控制环节用于将DC-DC变换器中的实际输出电流与期望电流进行前馈PI控制，得到前馈输出量；所述误差反馈环节用于将DC-DC变换器的实际输出电流与期望电流的差值与零进行反馈PI控制，产生补偿信号对前馈输出量进行修正。
9.根据权利要求8所述的用于非接触式供电系统中DC-DC变换单元的控制系统，其特征在于，还包括电压下垂控制环节，用于得到所述DC-DC变换单元的总期望电流。
10.根据权利要求9所述的用于非接触式供电系统中DC-DC变换单元的控制系统，其特征在于，所述电压下垂控制环节通过将udc_ref与kPdc进行总PI控制，得到所述DC-DC变换单元的总期望电流；其中udc_ref为DC-DC变换单元实际输出的直流母线电压；Pdc为DC-DC变换单元实际输出的功率；k为下垂控制系数。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111800006B (zh) | 2023-12-29 |
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