CN112600444B - 开关电源lcl谐振控制方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种开关电源LCL谐振控制方法及装置，该方法应用于由开关电源与LCL滤波器连接构成的开关电源电路中，包括：获取LCL滤波器输入侧的电感电流，并基于电感电流以及预设的电流参考值确定第一开关管控制量；获取LCL滤波器的电容电压，并基于电容电压以及预设的虚拟阻抗确定前馈调节量；基于前馈调节量以及第一开关管控制量确定第二开关管控制量；基于第二开关管控制量对开关电源中的开关管进行控制。本发明提供的开关电源LCL谐振控制方法及装置避免了对开关电源电路的效率产生影响，增加了开关电源电路的控制灵活性，提高了控制精度，能够更好地抑制开关电源的LCL谐振。

Description

开关电源LCL谐振控制方法及装置
技术领域
本发明属于电气控制技术领域，更具体地说，是涉及一种开关电源LCL谐振控制方法及装置。
背景技术
由于LCL滤波器具备良好的高频滤除特性，通常都被选用作为开关电源与电网、开关电源与负载之间的接口，用来提高电流波形质量，但由于LCL滤波器是一个二阶系统，在其谐振频率处，有一个非常大的谐振尖峰，因此严重影响了开关电源电路的稳定性。为抑制开关电源中的LCL谐振，现有技术中常用的一种技术方案为：采用无源阻尼电路，也即在LCL滤波器上增加电阻来达到增加阻尼的效果，此种方法虽可在一定程度上抑制谐振，但其存在以下缺陷：新增电阻会带来额外的发热损耗，导致开关电源电路的效率降低。
因此，如何提供一种控制精度高且不影响开关电源电路效率的开关电源LCL谐振控制方法成为本领域人员的研究课题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种开关电源LCL谐振控制方法及装置，以解决现有技术中存在的新增电阻会带来额外的发热损耗，导致开关电源电路效率降低的技术问题。
本发明实施例的第一方面，提供了一种开关电源LCL谐振控制方法，
所述开关电源LCL谐振控制方法应用于由开关电源与LCL滤波器连接构成的开关电源电路中；
所述开关电源LCL谐振控制方法包括：
获取LCL滤波器输入侧的电感电流，并基于所述电感电流以及预设的电流参考值确定第一开关管控制量；
获取LCL滤波器的电容电压，并基于所述电容电压以及预设的虚拟阻抗确定前馈调节量；其中，所述预设的虚拟阻抗为等效设置在所述LCL滤波器两侧电感之间的虚拟的阻抗模块；
基于所述前馈调节量以及所述第一开关管控制量确定第二开关管控制量；
基于所述第二开关管控制量对所述开关电源中的开关管进行控制。
可选的，所述基于所述电感电流以及预设的电流参考值确定第一开关管控制量，包括：
根据所述电感电流以及预设的电流参考值确定电流误差值；
将所述电流误差值输入至预设的电流环控制器，得到第一开关管控制量。
可选的，所述基于所述电容电压以及预设的虚拟阻抗确定前馈调节量，包括：
基于预设的虚拟阻抗与所述LCL滤波器中滤波电容的相对位置确定所述虚拟阻抗对应的传递函数；
基于所述传递函数以及所述电容电压确定前馈调节量。
可选的，所述基于所述前馈调节量以及所述第一开关管控制量确定第二开关管控制量，包括：
将所述前馈调节量以及所述第一开关管控制量之和作为第二开关管控制量。
可选的，所述基于所述第二开关管控制量对所述开关电源中的开关管进行控制，包括：
获取开关电源对应的母线对地电压，并基于所述母线对地电压对所述第二开关管控制量进行转换，得到第三开关管控制量；
基于所述第三开关管控制量对所述开关电源中的开关管进行控制。
可选的，所述电流参考值的确定方法为：
获取开关电源对应的目标侧电压，并基于所述目标侧电压、以及预设的电压参考值确定电流参考值；
其中，所述目标侧电压为所述开关电源不与所述LCL滤波器连接的一侧的电压。
可选的，所述电流环控制器为比例积分控制器或由比例积分控制器和重复控制器组成的复合控制器。
可选的，所述虚拟阻抗设置在所述LCL滤波器的开关侧电感与所述LCL滤波器的滤波电容之间时，所述虚拟阻抗对应的传递函数为：
Figure BDA0002803633300000031
其中，GC(s)为所述虚拟阻抗对应的传递函数，L2为所述LCL滤波器的开关侧电感的电感值，Cv为所述虚拟阻抗的电容值，Rv为所述虚拟阻抗的电阻值。
可选的，所述母线对地电压包括正母线对地电压和负母线对地电压；
所述第三开关管控制量的确定方法为：
Figure BDA0002803633300000032
其中，d2为所述第二开关管控制量，d3为所述第三开关管控制量，UP为所述正母线对地电压，UN为所述负母线对地电压。
本发明实施例的第二方面，提供了一种开关电源LCL谐振控制装置，所述开关电源LCL谐振控制装置应用于由开关电源与LCL滤波器连接构成的开关电源电路中；
所述开关电源LCL谐振控制装置包括：
第一控制量确定模块，用于获取LCL滤波器输入侧的电感电流，并基于所述电感电流以及预设的电流参考值确定第一开关管控制量；
调节量确定模块，用于获取LCL滤波器的电容电压，并基于所述电容电压以及预设的虚拟阻抗确定前馈调节量；其中，所述预设的虚拟阻抗为等效设置在所述LCL滤波器两侧电感之间的虚拟的阻抗模块；
第二控制量确定模块，用于基于所述前馈调节量以及所述第一开关管控制量确定第二开关管控制量；
控制量输出模块，用于基于所述第二开关管控制量对所述开关电源中的开关管进行控制。
本发明实施例提供的开关电源LCL谐振控制方法及装置的有益效果在于：
区别于现有技术直接在电路中增加电阻的方法，本发明采用的是虚拟阻抗，通过虚拟阻抗来模拟实际电路的阻尼效果，不仅降低了成本，还避免了额外的发热损耗，从而避免了对开关电源电路的效率产生影响，且虚拟阻抗的阻抗值可以根据需求调整，从而大大增加了开关电源电路的控制灵活性。在此基础上，本发明将基于虚拟阻抗确定的前馈调节量引入到了开关管控制量的调节上，提高了开关管控制量的准确性，从而提高控制精度，更好地抑制开关电源的LCL谐振。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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为本发明一实施例提供的开关电源LCL谐振控制方法的流程示意图；
图2为本发明一实施例提供的开关电源LCL谐振控制装置的结构框图；
图3为本发明一实施例提供的开关电源电路的结构示意图；
图4为本发明一实施例提供的开关电源电路中A相的等效控制示意图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参考图1、图3、图4，图1为本发明一实施例提供的开关电源LCL谐振控制方法的流程示意图，图3为本发明一实施例提供的开关电源电路的结构示意图(以开关电源为逆变器为例)，图4为本发明一实施例提供的开关电源电路中A相的等效控制示意图(以开关电源为逆变器为例，图4只给出了A相的控制方法，其他相控制方法相同，此处不再赘述)。
其中，图3中，虚线部分为本发明一实施例提供的虚拟阻抗的连接示意图。
其中，图4中，虚线部分为加入如图3所示的虚拟阻抗后逆变器的数学模型，
Figure BDA0002803633300000051
表示虚拟阻抗的传递函数，图4中的各参数与图3对应。
该开关电源LCL谐振控制方法应用于由开关电源与LCL滤波器连接构成的开关电源电路中，包括：
S101：获取LCL滤波器输入侧的电感电流，并基于电感电流以及预设的电流参考值确定第一开关管控制量。
在本实施例中，可参考图3，LCL滤波器输入侧的电感电流为iLa、iLb、iLc。需要指出的是，图3示出的LCL滤波器输入侧的电感电流为三相电感电流，其中，单相电感电流、两相电感电流均适用于本发明提供的开关电源LCL谐振控制方法，在实际应用时，只需根据本发明提供的开关电源LCL谐振控制方法对各相电感电流进行处理即可。
S102：获取LCL滤波器的电容电压，并基于电容电压以及预设的虚拟阻抗确定前馈调节量。其中，预设的虚拟阻抗为等效设置在LCL滤波器两侧电感之间的虚拟的阻抗模块(对应图3中的虚线框部分)。
在本实施例中，可参考图3，LCL滤波器的电容电压为Uca，Ucb、Ucc。
S103：基于前馈调节量以及第一开关管控制量确定第二开关管控制量。
在本实施例中，可将前馈调节量引入到开关管控制量的确定中，以提高控制精度。
S104：基于第二开关管控制量对开关电源中的开关管进行控制。
在本实施例中，可基于第二开关管控制量对开关电源中的开关管进行控制，以抑制开关电源的LCL谐振，其中，基于第二开关管控制量对开关电源中的开关管进行控制可以详述为：根据第二开关管控制量确定开关电源上各个开关管的驱动脉冲的占空比调节量，根据各个开关管的驱动脉冲的占空比调节量对开关电源上各个开关管的驱动脉冲进行调整，以实现开关电源的闭环控制。
由上可以得出，区别于现有技术直接在电路中增加电阻的方法，本发明采用的是虚拟阻抗，通过虚拟阻抗来模拟实际电路的阻尼效果，不仅降低了成本，还避免了额外的发热损耗，从而避免了对开关电源电路的效率产生影响，且虚拟阻抗的阻抗值可以根据需求调整，从而大大增加了开关电源电路的控制灵活性。在此基础上，本发明将基于虚拟阻抗确定的前馈调节量引入到了开关管控制量的调节上，提高了开关管控制量的准确性，从而提高控制精度，更好地抑制开关电源的LCL谐振。
可选的，请参考图3及图4，作为本发明实施例提供的开关电源LCL谐振控制方法的一种具体实施方式，基于电感电流以及预设的电流参考值确定第一开关管控制量，包括：
根据电感电流以及预设的电流参考值确定电流误差值。
将电流误差值输入至预设的电流环控制器，得到第一开关管控制量。
在本实施例中，电流环控制器可以为比例积分控制器，也可以为由比例积分控制器和重复控制器组成的复合控制器，此处不作限定。
在本实施例中，可将电流环的输出量作为第一开关管控制量。
可选的，请参考图3及图4，作为本发明实施例提供的开关电源LCL谐振控制方法的一种具体实施方式，基于电容电压以及预设的虚拟阻抗确定前馈调节量，包括：
基于预设的虚拟阻抗与LCL滤波器中滤波电容的相对位置确定虚拟阻抗对应的传递函数。
基于传递函数以及电容电压确定前馈调节量。
在本实施例中，虚拟阻抗设置在LCL滤波器的开关侧电感与LCL滤波器的滤波电容之间时，虚拟阻抗对应的传递函数为：
Figure BDA0002803633300000071
其中，GC(s)为虚拟阻抗对应的传递函数，L2为LCL滤波器的开关侧电感的电感值，Cv为虚拟阻抗的电容值，Rv为虚拟阻抗的电阻值。其中开关侧电感指的是靠近开关电源一侧的LCL滤波器的电感。
在本实施例中，虚拟阻抗也可设置在LCL滤波器的非开关侧电感与LCL滤波器的滤波电容之间。其中，非开关侧电感与开关侧电感相对，指的是远离开关电源一侧的LCL滤波器的电感。
在本实施例中，虚拟阻抗中的电容值和电阻值可以根据开关电源电路中的振荡频率计算得出，也可根据工程经验直接确定。
在本实施例中，确定前馈调节量的方法为：
d'＝Uc×GC(s)
其中，d'为前馈调节量，Uc为电容电压(对应图3中的电容电压为Uca、Ucb、Ucc)。
可选的，请参考图4，作为本发明实施例提供的开关电源LCL谐振控制方法的一种具体实施方式，基于前馈调节量以及第一开关管控制量确定第二开关管控制量，包括：
将前馈调节量以及第一开关管控制量之和作为第二开关管控制量。
可选的，作为本发明实施例提供的开关电源LCL谐振控制方法的一种具体实施方式，基于第二开关管控制量对开关电源中的开关管进行控制，包括：
获取开关电源对应的母线对地电压，并基于母线对地电压对第二开关管控制量进行转换，得到第三开关管控制量。
基于第三开关管控制量对开关电源中的开关管进行控制。
在本实施例中，母线对地电压包括正母线对地电压和负母线对地电压。
第三开关管控制量的确定方法为：
Figure BDA0002803633300000081
其中，d2为第二开关管控制量，d3为第三开关管控制量，UP为正母线对地电压，UN为负母线对地电压。
在本实施例中，结合图3和图4可知，将第三开关管控制量输入至开关电源(对应图4中的逆变器)中后，开关电源还会对第三开关管控制量进行转换，进而得到开关电源对应的输出电流(对应Usa、Usb、Usc)。
可选的，作为本发明实施例提供的开关电源LCL谐振控制方法的一种具体实施方式，电流参考值的确定方法为：
获取开关电源对应的目标侧电压，并基于目标侧电压、以及预设的电压参考值确定电流参考值。
其中，目标侧即为开关电源不与LCL滤波器连接的一侧，目标侧电压为开关电源不与LCL滤波器连接的一侧的电压。在本实施例中，基于母线对地电压、以及预设的电压参考值确定电流参考值可以详述为：
基于母线对地电压、以及预设的电压参考值确定电压误差值，将电压误差值输入至预设的外环控制器中，得到电流参考值。
对应于上文实施例的开关电源LCL谐振控制方法，图2为本发明一实施例提供的开关电源LCL谐振控制装置的结构框图。为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。参考图2，该开关电源LCL谐振控制装置20，包括：第一控制量确定模块21、调节量确定模块22、第二控制量确定模块23、控制量输出模块24。
其中，第一控制量确定模块21，用于获取LCL滤波器输入侧的电感电流，并基于电感电流以及预设的电流参考值确定第一开关管控制量。
调节量确定模块22，用于获取LCL滤波器的电容电压，并基于电容电压以及预设的虚拟阻抗确定前馈调节量。其中，预设的虚拟阻抗为等效设置在LCL滤波器两侧电感之间的虚拟的阻抗模块；
第二控制量确定模块23，用于基于前馈调节量以及第一开关管控制量确定第二开关管控制量。
控制量输出模块24，用于基于第二开关管控制量对开关电源中的开关管进行控制。
可选的，作为本发明实施例提供的开关电源LCL谐振控制装置的一种具体实施方式，基于电感电流以及预设的电流参考值确定第一开关管控制量，包括：
根据电感电流以及预设的电流参考值确定电流误差值。
将电流误差值输入至预设的电流环控制器，得到第一开关管控制量。
可选的，作为本发明实施例提供的开关电源LCL谐振控制装置的一种具体实施方式，基于电容电压以及预设的虚拟阻抗确定前馈调节量，包括：
基于预设的虚拟阻抗与LCL滤波器中滤波电容的相对位置确定虚拟阻抗对应的传递函数。
基于传递函数以及电容电压确定前馈调节量。
可选的，作为本发明实施例提供的开关电源LCL谐振控制装置的一种具体实施方式，基于前馈调节量以及第一开关管控制量确定第二开关管控制量，包括：
将前馈调节量以及第一开关管控制量之和作为第二开关管控制量。
可选的，作为本发明实施例提供的开关电源LCL谐振控制装置的一种具体实施方式，基于第二开关管控制量对开关电源中的开关管进行控制，包括：
获取开关电源对应的母线对地电压，并基于母线对地电压对第二开关管控制量进行转换，得到第三开关管控制量。
基于第三开关管控制量对开关电源中的开关管进行控制。
可选的，作为本发明实施例提供的开关电源LCL谐振控制装置的一种具体实施方式，电流参考值的确定方法为：
获取开关电源对应的目标侧电压，并基于目标侧电压、以及预设的电压参考值确定电流参考值。
其中，目标侧电压为开关电源不与LCL滤波器连接的一侧的电压。
可选的，作为本发明实施例提供的开关电源LCL谐振控制装置的一种具体实施方式，电流环控制器为比例积分控制器或由比例积分控制器和重复控制器组成的复合控制器。
可选的，作为本发明实施例提供的开关电源LCL谐振控制装置的一种具体实施方式，虚拟阻抗设置在LCL滤波器的开关侧电感与LCL滤波器的滤波电容之间时，虚拟阻抗对应的传递函数为：
Figure BDA0002803633300000101
其中，GC(s)为虚拟阻抗对应的传递函数，L2为LCL滤波器的开关侧电感的电感值，Cv为虚拟阻抗的电容值，Rv为虚拟阻抗的电阻值。
可选的，作为本发明实施例提供的开关电源LCL谐振控制装置的一种具体实施方式，母线对地电压包括正母线对地电压和负母线对地电压。
第三开关管控制量的确定方法为：
Figure BDA0002803633300000102
其中，d2为第二开关管控制量，d3为第三开关管控制量，UP为正母线对地电压，UN为负母线对地电压。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种开关电源LCL谐振控制方法，其特征在于，所述开关电源LCL谐振控制方法应用于由开关电源与LCL滤波器连接构成的开关电源电路中；
所述开关电源LCL谐振控制方法包括：
获取LCL滤波器输入侧的电感电流，并基于所述电感电流以及预设的电流参考值确定第一开关管控制量；
获取LCL滤波器的电容电压，并基于所述电容电压以及预设的虚拟阻抗确定前馈调节量；其中，所述预设的虚拟阻抗为等效设置在所述LCL滤波器两侧电感之间的虚拟的阻抗模块；
基于所述前馈调节量以及所述第一开关管控制量确定第二开关管控制量；
基于所述第二开关管控制量对所述开关电源中的开关管进行控制；
其中，所述基于所述前馈调节量以及所述第一开关管控制量确定第二开关管控制量，包括：将所述前馈调节量以及所述第一开关管控制量之和作为第二开关管控制量；
其中，所述基于所述电容电压以及预设的虚拟阻抗确定前馈调节量，包括：基于预设的虚拟阻抗与所述LCL滤波器中滤波电容的相对位置确定所述虚拟阻抗对应的传递函数；基于所述传递函数以及所述电容电压确定前馈调节量；
其中，所述虚拟阻抗设置在所述LCL滤波器的开关侧电感与所述LCL滤波器的滤波电容之间时，所述虚拟阻抗对应的传递函数为：
Figure 519464DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 480467DEST_PATH_IMAGE002
为所述虚拟阻抗对应的传递函数，
Figure 385011DEST_PATH_IMAGE003
为所述LCL滤波器的开关侧电感的电感值，
Figure 191293DEST_PATH_IMAGE004
为所述虚拟阻抗的电容值，
Figure 100343DEST_PATH_IMAGE005
为所述虚拟阻抗的电阻值。
2.如权利要求1所述的开关电源LCL谐振控制方法，其特征在于，所述基于所述电感电流以及预设的电流参考值确定第一开关管控制量，包括：
根据所述电感电流以及预设的电流参考值确定电流误差值；
将所述电流误差值输入至预设的电流环控制器，得到第一开关管控制量。
3.如权利要求1所述的开关电源LCL谐振控制方法，其特征在于，所述基于所述第二开关管控制量对所述开关电源中的开关管进行控制，包括：
获取开关电源对应的母线对地电压，并基于所述母线对地电压对所述第二开关管控制量进行转换，得到第三开关管控制量；
基于所述第三开关管控制量对所述开关电源中的开关管进行控制。
4.如权利要求1所述的开关电源LCL谐振控制方法，其特征在于，所述电流参考值的确定方法为：
获取开关电源对应的目标侧电压，并基于所述目标侧电压、以及预设的电压参考值确定电流参考值；
其中，所述目标侧电压为所述开关电源不与所述LCL滤波器连接的一侧的电压。
5.如权利要求2所述的开关电源LCL谐振控制方法，其特征在于，所述电流环控制器为比例积分控制器或由比例积分控制器和重复控制器组成的复合控制器。
6.如权利要求3所述的开关电源LCL谐振控制方法，其特征在于，所述母线对地电压包括正母线对地电压和负母线对地电压；
所述第三开关管控制量的确定方法为：
Figure 576455DEST_PATH_IMAGE006
其中，
Figure 836535DEST_PATH_IMAGE007
为所述第二开关管控制量，
Figure 180928DEST_PATH_IMAGE008
为所述第三开关管控制量，
Figure 819851DEST_PATH_IMAGE009
为所述正母线对地电压，
Figure 857077DEST_PATH_IMAGE010
为所述负母线对地电压。
7.一种开关电源LCL谐振控制装置，其特征在于，所述开关电源LCL谐振控制装置应用于由开关电源与LCL滤波器连接构成的开关电源电路中；
所述开关电源LCL谐振控制装置包括：
第一控制量确定模块，用于获取LCL滤波器输入侧的电感电流，并基于所述电感电流以及预设的电流参考值确定第一开关管控制量；
调节量确定模块，用于获取LCL滤波器的电容电压，并基于所述电容电压以及预设的虚拟阻抗确定前馈调节量；其中，所述基于所述电容电压以及预设的虚拟阻抗确定前馈调节量，包括：基于预设的虚拟阻抗与所述LCL滤波器中滤波电容的相对位置确定所述虚拟阻抗对应的传递函数；基于所述传递函数以及所述电容电压确定前馈调节量；其中，所述预设的虚拟阻抗为等效设置在所述LCL滤波器两侧电感之间的虚拟的阻抗模块；其中，所述虚拟阻抗设置在所述LCL滤波器的开关侧电感与所述LCL滤波器的滤波电容之间时，所述虚拟阻抗对应的传递函数为：
Figure 73295DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 362325DEST_PATH_IMAGE002
为所述虚拟阻抗对应的传递函数，
Figure 980388DEST_PATH_IMAGE003
为所述LCL滤波器的开关侧电感的电感值，
Figure 188516DEST_PATH_IMAGE004
为所述虚拟阻抗的电容值，
Figure 531510DEST_PATH_IMAGE005
为所述虚拟阻抗的电阻值；
第二控制量确定模块，用于基于所述前馈调节量以及所述第一开关管控制量确定第二开关管控制量；其中，所述基于所述前馈调节量以及所述第一开关管控制量确定第二开关管控制量，包括：将所述前馈调节量以及所述第一开关管控制量之和作为第二开关管控制量；
控制量输出模块，用于基于所述第二开关管控制量对所述开关电源中的开关管进行控制。
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