CN112821375A - 基于复合控制的充电机输出电压谐波抑制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于复合控制的充电机输出电压谐波抑制方法及系统，所述方法包括以下步骤：判断充电机预充电后是否满足软起要求，若是则进入软起；所述充电机软起结束后，判断是否满足运行要求，若是则判断所述充电机的运行状态；根据所述运行状态运行P I控制；判断复合控制标志位是否为1，若是则切换复合控制器进行复合控制，若否则继续运行所述P I控制。通过本申请，基于准比例谐振与重复控制抑制充电机输出电压、电流低频纹波，实现对输出电压、电流的控制和周期性电压、电流纹波的抑制。

Description

基于复合控制的充电机输出电压谐波抑制方法及系统

技术领域

本发明涉及充电机控制技术领域。更具体的说，本发明涉及一种基于复合控制的充电机输出电压谐波抑制方法及系统。

背景技术

充电机常用于高铁、动车及用到蓄电池供电的相关设施，是重要的供电设备，充电机通常包括输入电路、全桥逆变电路、输出电路及控制电路等充电电路。列车充电机用于为整车直流负载供电，并为蓄电池充电。充电机根据列车工况的不同主要有恒压、充电限流和总电流限流三种工作模式。

如今，现有的移相全桥充电机系统中移相全桥变换器的前端无滤波电抗器，无直流母线支撑电容，导致移相全桥变换器的直流输入电压中存在以频率300Hz为主的纹波分量，因此在充电机在运行时，电路中各位置低频波动较大。充电机三种工作模式通常采用传统PI控制策略，但是因为PI控制器的频域模型只包括常数模型和阶跃信号模型，所以抑制纹波的效果有限，且无法做到无静差跟踪低频频信号，使得充电机输出电压、输出总电流、蓄电池充电电流中纹波占比高，均存大量低频纹波，易引起蓄电池发热等问题，在影响充电的质量的同时也会影响充电机内部磁性元件的寿命。因此对充电过程中产生的低频纹波进行抑制具有重要意义。

传统的消除低频方法是在直流母线两端并联一个容量较大的电解电容，但所需电容容量十分巨大，且需要配套预充电电路与输入电抗器等电气元件，使得系统体积变大，成本上升，充电机功率密度下降，尚未有一种稳定的控制方法能够抑制充电机输出电压、电流中的低频纹波。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种基于复合控制的充电机输出电压谐波抑制方法，所述方法包括以下步骤：

软起判断步骤：判断充电机预充电后是否满足软起要求，若是则进入软起；

运行要求判断步骤：所述充电机软起结束后，判断是否满足运行要求，若是则判断所述充电机的运行状态；

PI控制运行步骤：根据所述运行状态运行PI控制；

复合控制步骤：判断复合控制标志位是否为1，若是则切换复合控制器进行复合控制，若否则继续运行所述PI控制。

作为本发明的进一步改进，所述运行状态包括恒压运行模式、总电流限流运行模式、充电限流运行模式，所述充电机可根据模式切换条件平滑切换至不同所述运行状态。

作为本发明的进一步改进，所述复合控制步骤具体包括以下步骤：

准比例谐振控制器构建步骤：构建准比例谐振控制器；

重复控制器构建步骤：构建重复控制器；

复合控制器组成步骤：将PI控制器、所述准比例谐振控制器、所述重复控制器并联组成所述复合控制器。

作为本发明的进一步改进，通过所述准比例谐振控制器提取误差信号中的交流量信号，将提取出的所述交流量信号输入所述重复控制器进行补偿。

作为本发明的进一步改进，所述重复控制器的占空比的调节范围为所述PI控制器输出的3％。

作为本发明的进一步改进，所述复合控制步骤中还包括设置复合控制时间变量，根据所述复合控制时间变量对所述复合控制标志位进行赋值，实现在所述PI控制和所述复合控制间的平滑切换。

基于相同发明思想，本发明还基于任一项发明创造所揭示的基于复合控制的充电机输出电压谐波抑制方法，揭示了一种基于复合控制的充电机输出电压谐波抑制系统，

所述基于复合控制的充电机输出电压谐波抑制系统包括：

软起判断模块，判断充电机预充电后是否满足软起要求，若是则进入软起；

运行要求判断模块，所述充电机软起结束后，判断是否满足运行要求，若是则判断所述充电机的运行状态；

PI控制运行模块，根据所述运行状态运行PI控制；

复合控制模块，判断复合控制标志位是否为1，若是则切换复合控制器进行复合控制，若否则继续运行所述PI控制。

作为本发明的进一步改进，所述复合控制模块具体包括：

准比例谐振控制器构建单元，构建准比例谐振控制器；

重复控制器构建单元，构建重复控制器；

复合控制器组成单元，将PI控制器、所述准比例谐振控制器、所述重复控制器并联组成所述复合控制器。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、提出了一种基于复合控制的充电机输出电压谐波抑制方法，基于准比例谐振与重复控制抑制充电机输出电压、电流低频纹波，实现了对输出电压、电流的控制和周期性电压、电流纹波的抑制；

2、选取在移相全桥阶段通过改变输出占空比对充电机进行控制，无需增加任何电路，控制结构简单，节约成本且运行稳定；

3、显著降低动车组充电机因缺少电抗器、支撑电容而存在的电压波动；

4、在充电机三种工作模式下均起到了降低充电机输出纹波的效果，且三种工作模式切换平滑；

5、控制系统升级为复合控制算法后，充电机输出电压、电流的纹波显著降低，提高了充电质量、延长了蓄电池与充电机内部磁性元件的使用寿命，充电机长时间运行稳定无波动，可应对复杂工况；

6、削减由输入电压脉动引起低频纹波波动较大这一问题，对于后续的充电机产品，可以去掉充电机内部支撑电容、预充电电路与输入电抗器，缩小充电机体积，增加功率密度，做到小型化、轻量化。

本申请的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本申请的其他特征、目的和优点更加简明易懂。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是本发明实施例提供的一种基于复合控制的充电机输出电压谐波抑制方法整体流程图；

图2是本实施例所揭示的控制算法流程图；

图3是图1所揭示的步骤S4整体流程图；

图4是本实施例所提供的重复控制器的系统框图；

图5是本实施例所提供的复合控制器的系统框图；

图6是本实施例所提供的PI控制下直流耦合模式下的输出电压波形；

图7是本实施例所提供的PI控制下交流耦合模式下的输出电压波形；

图8是本实施例所提供的复合控制下直流耦合模式下的输出电压波形；

图9是本实施例所提供的复合控制下交流耦合模式下的输出电压波形；

图10是本实施例所提供的PI控制下变压器副边电压电流(低频)波形；

图11是本实施例所提供的复合控制下变压器副边电压电流(低频)波形；

图12是本实施例所提供的复合控制下恒压环切总电流限流环充电机输出电压波形；

图13是本实施例所提供的复合控制下充电限流环切恒压环充电机输出电压波形。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行描述和说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请提供的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在详细阐述本发明各个实施例之前，对本发明的核心发明思想予以概述，并通过下述若干实施例予以详细阐述。

本发明可基于复合控制对充电机输出电压谐波进行抑制，基于准比例谐振与重复控制抑制充电机输出电压、电流低频纹波。

实施例一：

参照图1至图13所示，本实例揭示了一种基于复合控制的充电机输出电压谐波抑制方法(以下简称“方法”)的具体实施方式。

具体而言，参照图1和图2所示，本实施例所揭示的方法包括以下步骤：

步骤S1、判断充电机预充电后是否满足软起要求，若是则进入软起。

具体而言，在其中一些实施例中，系统首先进行预充电，预充电结束后判断是否满足软起要求，若是则进入软起动，若未满足软起要求则进行等待。

然后执行步骤S2、所述充电机软起结束后，判断是否满足运行要求，若是则判断所述充电机的运行状态。

具体而言，在其中一些实施例中，充电机软起结束后，当满足运行要求时，根据当前运行工况，判断当前充电机的运行状态，所述运行状态包括恒压运行模式、总电流限流运行模式、充电限流运行模式，所述充电机可根据模式切换条件平滑切换至不同所述运行状态。

具体而言，模式切换条件如下：

当

且

时，平滑切换为恒压运行模式；

当

且

时，平滑切换为总电流限流运行模式；

当

且

时，平滑切换为充电限流运行模式；

其中，V_out为总输出电压值，V_out-ref为总输出电压限压值，I_out为总输出电流值，I_out-ref为总输出电流限流值，I_bat为充电电流值，I_bat-ref为充电电流限流值，V_ref为总输出电压设定参考值。

然后执行步骤S3、根据所述运行状态运行PI控制。

具体而言，在其中一些实施例中，判断完运行状态后，首先采用PI控制，此时复合控制标志位reg_fhkz为0。

然后执行步骤S4、判断复合控制标志位是否为1，若是则切换复合控制器进行复合控制，若否则继续运行所述PI控制。

具体而言，在其中一些实施例中，参照图3所示，所述步骤S4具体包括以下步骤：

S41、构建准比例谐振控制器；

S42、构建重复控制器；

S43、将PI控制器、所述准比例谐振控制器、所述重复控制器并联组成所述复合控制器。

具体而言，传统的比例谐振控制器仅在特定频率信号进行放大，带宽窄抗干扰能力较差，相对于传统比例谐振控制器，本实施例所揭示的准比例谐振控制器在其基础上进行了改进，让谐振带宽可控，增加了此算法的抗干扰能力。

所述准谐振控制器的传递函数为:

其中，K_p为比例系数，K_in为谐振系数，ξ为谐振带宽，ω_n为谐振频率。充电机输入电压可以设定为300Hz，准比例谐振中增加了参数ξ，使得带宽可以调节，并且可以控制谐振点处的变量增益。

具体而言，车组辅变设备受车上工况的影响会引起输出电压频率的波动，为了防止辅变动设备输出频率不稳及电压畸变对充电机造成的影响，新型复合控制器在重复控制前级加入了准比例谐振控制器，提取误差信号中比如300Hz的交流量，将提取出的信号送入重复控制器进行补偿。新型复合控制器中重复控制前加入准比例谐振控制，可以提升充电机对输入电压频率波动造成的影响。

具体而言，步骤S42中重复控制器的系统框图如图4所示，重复控制器环节的传递函数为：

其中，d(k)为等效的周期性扰动信号，Z^-N为周期延迟环节，C(z)为重复控制补偿器，P(z)为被控对象，r(k)为参考信号，e(k)误差信号。N为一个基波周期的采样次数，例如CRH5型车动车组充电机中，功率器件的开关频率为25kHz，低频纹波信号的频率为300Hz，N＝25000/300≈83。

具体而言，Q(z)一般为低通滤波器，也可以是一个略小于1的常数，可增强系统的稳定性。C(z)＝krz^k为重复控制的补偿器，用来控制加入补偿量的强度。Kr为重复控制器增益，减小Kr，误差收敛速度变慢，稳态误差有所上升，但系统稳定性会增强，一般设定为小于等于1的正常数。Z^k为超前环节，作为相位补偿，用以补偿P(z)所引入的相位滞后，从而使C(z)P(z)在低频段近似零相移，本实施例中的重复控制器没有S(z)环节。

具体而言，步骤S43中在PI控制的基础上引入准比例谐振控制器与重复控制器，对充电机采用复合控制。PI控制器起主要的调节作用，准比例谐振控制器与重复控制主要针对充电机输出电压、电流中的周期性低频纹波，及输入电压频率不稳和电压畸变对系统造成的影响，减少系统补偿误差，提高系统补偿性能，将三种控制器并联组成复合控制器，如图5所示，既可以具备良好的动态特性，减小了输入电压畸变对系统造成的影响，也可以提高系统抑制周期性纹波的能力，除了对输出电压的纹波进行抑制外，还对充电机总电流限流模式、充电限流模式下的输出电流的周期性低频纹波进行抑制。

具体而言，图5中为V_out-ref给定的信号(可以有输出电压参考值、总输出电流参考值、充电电流参考值)，V_out为电压采集装置、电流采集装置采集回来的信号(可以有实际输出电压、实际总输出电流、实际充电电流)，Gp(z)为被控对象，e为偏差信号，两路控制器的输出并联相加后给到被控对象。

具体而言，在复合控制算法中，PI控制为主，重复控制的占空比的调节范围为PI控制输出的3％。

具体而言，为了在PI控制和复合控制两种控制算法之间平滑切换，在CCS中设置复合控制的标志位rep_fhkz，复合控制标志位为0时，运行PI控制，复合控制标志位为1时，充电机输出电压达到额定值，运行复合控制，抑制充电电流与输出电压、电流中周期性的低频纹波。

具体而言，开关频率可以为25kHz,一个开关周期的时间可以为40μs。设置复合控制时间变量，根据所述复合控制时间变量对所述复合控制标志位进行赋值。例如具体设置两个时间变量μs、ms，每进入一次运算，令变量μs从0开始计数，当μs>12500(即12500*40μs＝500ms)时，令ms加1，当ms>20(即20*500ms＝10s)时，将1赋值给变量reg_fhkz。当重复控制的标志位reg_fhkz为0时，PI控制；当reg_fhkz为1时，切换为复合控制。

采用本发明控制系统及控制方法对充电机进行控制模拟实验，采用示波器观察输出波形，得到图6至图13，图10和图11中CH2为副边与中心抽头的电压，CH3为变压器副边电流，CH4为副边与中心抽头的电压。

具体而言，对比图7和图9，发现叠加准比例谐振与重复控制后的新型复合控制器可以显著降低动车组充电机因缺少电抗器、支撑电容而存在的电压波动，从原来的5V降为1.34V，减少了73.2％；图10、图11为两种控制算法下充电机内部磁性元件的电压电流波形对比；由图12和图13可以得知新型复合控制器在三种工作模式下均起到了降低充电机输出纹波的效果，且三种工作模式切换平滑；由以上试验结果可以得知控制系统升级为复合控制算法后，充电机输出电压、电流的纹波显著降低，提高了充电质量、延长了蓄电池与充电机内部磁性元件的使用寿命，充电机长时间运行稳定无波动，可应对复杂工况。

通过本申请实施例所揭示的一种基于复合控制的充电机输出电压谐波抑制方法，基于准比例谐振与重复控制抑制充电机输出电压、电流低频纹波，实现了对输出电压、电流的控制和周期性电压、电流纹波的抑制；选取在移相全桥阶段通过改变输出占空比对充电机进行控制，无需增加任何电路，控制结构简单，节约成本且运行稳定；显著降低动车组充电机因缺少电抗器、支撑电容而存在的电压波动；在充电机三种工作模式下均起到了降低充电机输出纹波的效果，且三种工作模式切换平滑；控制系统升级为复合控制算法后，充电机输出电压、电流的纹波显著降低，提高了充电质量、延长了蓄电池与充电机内部磁性元件的使用寿命，充电机长时间运行稳定无波动，可应对复杂工况；削减由输入电压脉动引起低频纹波波动较大这一问题，对于后续的充电机产品，可以去掉充电机内部支撑电容、预充电电路与输入电抗器，缩小充电机体积，增加功率密度，做到小型化、轻量化。

本申请的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本申请的其他特征、目的和优点更加简明易懂。

实施例二：

结合实施例一所揭示的一种基于复合控制的充电机输出电压谐波抑制方法，本实施例揭示了一种基于复合控制的充电机输出电压谐波抑制系统(以下简称“系统”)的具体实施示例。

所述系统包括：

软起判断模块，判断充电机预充电后是否满足软起要求，若是则进入软起；

运行要求判断模块，所述充电机软起结束后，判断是否满足运行要求，若是则判断所述充电机的运行状态；

PI控制运行模块，根据所述运行状态运行PI控制；

复合控制模块，判断复合控制标志位是否为1，若是则切换复合控制器进行复合控制，若否则继续运行所述PI控制。

具体而言，在其中一些实施例中，所述复合控制模块具体包括：

准比例谐振控制器构建单元，构建准比例谐振控制器；

重复控制器构建单元，构建重复控制器；

复合控制器组成单元，将PI控制器、所述准比例谐振控制器、所述重复控制器并联组成所述复合控制器。

本实施例所揭示的一种基于复合控制的充电机输出电压谐波抑制系统与实施例一所揭示的一种基于复合控制的充电机输出电压谐波抑制方法中其余相同部分的技术方案，请参考实施例一所述，在此不再赘述。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种基于复合控制的充电机输出电压谐波抑制方法，其特征在于,包括如下步骤：

软起判断步骤：判断充电机预充电后是否满足软起要求，若是则进入软起；

运行要求判断步骤：所述充电机软起结束后，判断是否满足运行要求，若是则判断所述充电机的运行状态；

PI控制运行步骤：根据所述运行状态运行PI控制；

复合控制步骤：判断复合控制标志位是否为1，若是则切换复合控制器进行复合控制，若否则继续运行所述PI控制。

2.如权利要求1所述的基于复合控制的充电机输出电压谐波抑制方法，其特征在于，所述运行状态包括恒压运行模式、总电流限流运行模式、充电限流运行模式，所述充电机可根据模式切换条件平滑切换至不同所述运行状态。

3.如权利要求1所述的基于复合控制的充电机输出电压谐波抑制方法，其特征在于，所述复合控制步骤具体包括以下步骤：

准比例谐振控制器构建步骤：构建准比例谐振控制器；

重复控制器构建步骤：构建重复控制器；

复合控制器组成步骤：将PI控制器、所述准比例谐振控制器、所述重复控制器并联组成所述复合控制器。

4.如权利要求3所述的基于复合控制的充电机输出电压谐波抑制方法，其特征在于，通过所述准比例谐振控制器提取误差信号中的交流量信号，将提取出的所述交流量信号输入所述重复控制器进行补偿。

5.如权利要求4所述的基于复合控制的充电机输出电压谐波抑制方法，其特征在于，所述重复控制器的占空比的调节范围为所述PI控制器输出的3％。

6.如权利要求1所述的基于复合控制的充电机输出电压谐波抑制方法，其特征在于，所述复合控制步骤中还包括设置复合控制时间变量，根据所述复合控制时间变量对所述复合控制标志位进行赋值，实现在所述PI控制和所述复合控制间的平滑切换。

7.一种基于复合控制的充电机输出电压谐波抑制系统，其特征在于,包括：

软起判断模块，判断充电机预充电后是否满足软起要求，若是则进入软起；

运行要求判断模块，所述充电机软起结束后，判断是否满足运行要求，若是则判断所述充电机的运行状态；

PI控制运行模块，根据所述运行状态运行PI控制；

复合控制模块，判断复合控制标志位是否为1，若是则切换复合控制器进行复合控制，若否则继续运行所述PI控制。

8.如权利要求7所述的基于复合控制的充电机输出电压谐波抑制系统，其特征在于，所述复合控制模块具体包括：

准比例谐振控制器构建单元，构建准比例谐振控制器；

重复控制器构建单元，构建重复控制器；

复合控制器组成单元，将PI控制器、所述准比例谐振控制器、所述重复控制器并联组成所述复合控制器。

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