CN112910242B - 一种应用于h桥的解耦电压占空比补偿策略 - 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H桥的解耦电压占空比补偿策略。包括：在H桥拓扑中增加由解耦电感Ldp与解耦电容Cdp串联构成的解耦LC支路，以连接解耦LC支路的桥臂B作为PFC‑解耦复用桥臂，另一个桥臂A作为PFC桥臂；由统一的控制器执行控制策略，分别对电网电压正负半周解耦电压占空比分别进行死区补偿，以保证解耦电压正负半周对称，提高解耦性能。本发明兼顾了功率解耦和功率因数校正功能，重点关注非理想情况下死区换流问题。可以快速响应参考信号的变化，快速进行占空比修正。不影响原本AC/DC电路双向工作的性能，可以实现能量的双向流动。本发明能够有效提高解耦性能，在LED驱动、光伏发电、不间断电源UPS以及V2G等场合有较强的实用性。

Description

一种应用于H桥的解耦电压占空比补偿策略
技术领域
本发明属于电力工业领域，涉及一种应用于H桥的解耦电压占空比补偿策略，特别涉及了针对该电路中解耦电压正负半周不对称的问题提出一种占空比换流补偿策略，适用于功率解耦、能量流动、输入输出的电能质量控制等多个应用场合。
背景技术
单相H桥变换器被广泛应用于光伏发电、不间断电源UPS以及V2G(Vehicle-to-grid)等场合。但是单相变流器交流侧功率含有较大的二倍工频分量，会引起直流侧母线电压低频振荡，因此需要对直流母线侧的储能电容进行功率脉动抑制。母线侧大容量电解电容的存在，不仅限制了系统成本的降低和功率密度的提高，同时电解电容作为影响寿命的主要元件，对V2G变换器的可靠性有着极为关键的影响。如何在减小母线电解电容的同时获得更好的解耦效果，国内外学者均展开一系列相关研究，并提出了诸多解耦拓扑及控制策略。
就单相H桥变换器而言，常用的解耦拓扑是在原来拓扑的基础上外加一个额外的桥臂，与解耦支路的电容或者电感相连做二倍频纹波转移或者谐波注入，来消除二次脉动功率的不利影响。若不希望增加额外桥臂，通常需要复用桥臂实现脉动纹波的转移，在这种情况下通常直流电压利用率小于0.5。在这种复用桥臂调制策略下，需要解耦电压是完美的二倍频输出叠加一个直流分量(通常会取母线电压的一半)。然而由于正负半周死区换流时电感电流方向不一致，会出现解耦电压正负半周不对称的问题。这种现象在解耦电压开环控制时更为明显，缺失闭环反馈将会影响解耦效果，引起直流侧电容电压低频振荡，导致V2G电池端出现负载过热等现象。
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H桥的解耦电压占空比补偿策略。其目的是解决功率解耦H桥拓扑中，复用桥臂在死区时间内换流方向不同导致的解耦电压不对称的技术难题，有效提高解耦控制性能。
为解决技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种应用于H桥的解耦电压占空比补偿策略，包括：
(1)在H桥拓扑中增加由解耦电感Ldp与解耦电容Cdp串联构成的解耦LC支路，其一端连接网侧电压Vg的阴极和H桥中某一桥臂B的中点，另一端连接在H桥中两桥臂A、B的共同端部；以连接解耦LC支路的桥臂B作为PFC-解耦复用桥臂，另一个桥臂A作为PFC桥臂；
(2)由统一的控制器执行控制策略，分别对电网电压正负半周解耦电压占空比分别进行死区补偿，以保证解耦电压正负半周对称，提高解耦性能；
所述控制策略具体包括下述步骤：
(2.1)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；控制器检测自身的输入电压Vg、内电感电流IL1以及母线电压Vbus，控制环路由母线电压外环和电网电流内环组成，并向H桥中的PFC桥臂提供PWM控制信号，保证该电路稳定运行在正常PFC工作状态，双环均采用经典PI控制；同时采用基于拓扑复用的调制策略，复用H桥中的PFC-解耦复用桥臂的某个开关管，将母线电压上的二次纹波转移到解耦电容上；
(2.2)控制器采用基于外电压环纹波抑制的解耦策略，检测母线电压Vbus上的纹波，经过计算得到相应的解耦电压参考；通过控制PFC-解耦复用桥臂中的开关管的动作，将母线侧承受的纹波转移到解耦电容上；
(2.3)由于解耦支路无任何外加传感器和检测电路，在电网电压正负半周解耦电压会出现不对称(该不对称性在开环控制下尤为明显)，需要分别对正负半周的解耦电压占空比进行死区补偿；
通过修正外电压环纹波，在时域中引入母线电压波动值与网侧锁相环输出相位相乘，得到解耦电压相位参考计算单元，将其作为解耦电压交流项基准去修正解耦电压交流参考，最终得到复用桥臂B的解耦支路占空比：
Figure BDA0002920058290000021
其中，L1是PFC电路中的升压电感；iL1是内电感电流；Vg是电网的输入电压；Vbus是母线电压；Ldp是解耦电路中的解耦电感；iLdp是解耦支路中的解耦电感电流；Vdp是解耦电容Cdp上的电压；Vdc是直流母线电压；d1和d2分别为每一个开关周期内的PFC占空比和解耦支路占空比；为实现拓扑复用，d1和d2的分配需满足d1+d2＜1；
(4)对解耦支路占空比d2输出的解耦复用桥臂的PWM输出信号在正负电网周期内分别进行占空比死区补偿：
假设给定的解耦桥臂上某开关管的开通占空比为doutput，桥臂中点电压vab＝0时，实际解耦占空比即为给定占空比，d2＝doutput；当vab＝Vbus时，实际解耦占空比d2为计算给定占空比与死区占空比Ddeadtime之和，即d2＝doutput+Ddeadtime；由于电感电流不能突变，其电流流向不同，会影响中点电平vab的波动也不同，进而影响解耦实际占空比d2；
(5)对于解耦实际占空比d2进行数字补偿：
当处于电网电压正半周期电网电流为正，假设电流和电压同向，那么解耦电压占空比赋值为
Figure BDA0002920058290000031
电网电流为负时，电流和电压反向，解耦电压占空比赋值为
Figure BDA0002920058290000032
本发明中，步骤(2.1)中所述基于拓扑复用的调制策略是指：通过互换桥臂中点电压为零的两种工作模态，复用半周期中不工作的两个开关管，以将功率纹波转移到解耦支路上；在每一个控制周期内，PFC控制与解耦控制同时进行，互相独立且互相牵制。
本发明中，步骤(2.2)中所述基于外电压环纹波抑制的解耦策略是指，通过在时域中引入外电压环纹波与网侧锁相输出乘积项修正解耦电压交流参考。
本发明中，步骤(5)中所述解耦电压占空比赋值仅用于上下管换流时的死区过程，此时PFC-解耦复用桥臂中的开关管都应处于关断状态；选取
Figure BDA0002920058290000033
作为解耦电压补偿和差，以保证PFC-解耦复用桥臂的上下管PWM信号正好相差一个PI计算周期，同时不改变其修正解耦电压交流参考的大小。
本发明进一步提供了用于实现前述解耦电压占空比补偿策略的H桥有源功率解耦电路，包括控制器、母线电容Cbus和图腾柱式H桥；升压电感L1、网侧电容C1和网侧电感Lg共同组成LCL滤波器，且连接在网侧电压Vg的阳极与H桥某一桥臂A的中点之间；该电路还包括由解耦电感Ldp与解耦电容Cdp串联构成的解耦LC支路，其一端连接网侧电压Vg的阴极和H桥的另一桥臂B中点，另一端连接在H桥的两桥臂A、B的共同端部；该电路以桥臂A为PFC桥臂，桥臂B为PFC和解耦复用桥臂。
本发明中，所述H桥是由四个开关管Q1～4组成的无桥Boost PFC拓扑，其中两个开关管Q1～2串联组成桥臂A，两个开关管Q3～4串联组成桥臂B。
本发明中，所述控制器中内置采样单元、锁相单元和乘法单元，其中，
采样单元，用于对来自电网的输入电压Vg、内电感电流IL1以及母线电压Vbus进行采样；
锁相单元，用于对输入电压进行锁相，从而得到网侧电压Vg的相位ωt；
乘法单元，用于将母线电压波动值与锁相单元所得正弦结果相乘，得到解耦电压相位参考计算单元。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
(1)本发明的控制方法兼顾了功率解耦和功率因数校正功能，重点关注非理想情况下死区换流问题。
(2)无论是对于通信传输得到的外部参考信号，还是对于控制器内部预设的参考信号，本发明的控制方法均可以快速响应参考信号的变化，快速进行占空比修正。
(3)本发明的控制方法同样适用于该拓扑的逆变模式，即不影响原本AC/DC电路双向工作的性能(正向用作功率因素校正，反向用作并网逆变)，可以实现能量的双向流动。
(4)本发明解决了功率解耦H桥拓扑中由于死区时间内换流方向不同导致的解耦电压不对称的技术难题，能够有效提高解耦性能，在LED驱动、光伏发电、不间断电源UPS以及V2G(Vehicle-to-grid)等场合有较强的实用性。
附图说明
图1是本发明中所提及的H桥拓扑，以及在正半周换流时电感电流流向示意图(电网正半周Vg＞0)。
图2是本发明中所提及的H桥拓扑，以及在负半周换流时电感电流流向示意图(电网负半周Vg＜0)。
具体实施方式
本发明针对H桥功率解耦拓扑中由于死区时间内换流方向不同导致的解耦电压不对称的缺陷，提供了一种解耦电压占空比补偿策略。该补充策略涉及单相H桥外加解耦电感和电容组成的串联支路组成的有源功率解耦电路，是通过实时检测正负半周电压对解耦电压占空比进行死区补偿。本发明适用于解耦H桥拓扑，保证解耦电压在无外加解耦检测电路的情况下正负半周对称，进一步提高解耦性能。
本发明所述的有源功率解耦电压占空比补偿策略是基于单相H桥电路外加LC串联支路及其控制器实现的。该变换器和控制器的示意图如图1、2所示，其中H桥拓扑由升压电感L1、开关管Q1～4和母线电容Cbus组成，外加LC串联解耦支路，而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。通过针对无外加解耦支路检测下的纹波转移策略，分别对电网电压正负半周解耦电压占空比分别进行死区补偿，保证解耦电压在无外加解耦检测电路的情况下正负半周对称，进一步提高解耦能。
功率解耦电路的拓扑由图腾柱式H桥拓扑外加解耦电容和电感组成的串联LC支路构成，包括并联连接的桥臂A、桥臂B、一个解耦电感Ldp和电容Cdp串联构成的解耦LC支路，解耦支路连接在网侧电压Vg的阴极与桥臂B的中点之间，串联的开关管Q3～4组成桥臂B作为PFC和解耦复用桥臂；A桥臂中串联组成的Q1～2充当PFC桥臂，高频工作在开关频率，L1是逆变器侧升压电感，与网侧电感Lg、网侧电容C1组成LCL滤波器；
所述控制器中内置采样单元、锁相单元和乘法单元，其中，采样单元，用于对来自电网的输入电压Vg、内电感电流IL1以及母线电压Vbus进行采样；锁相单元，用于对输入电压进行锁相，从而得到网侧电压Vg的相位ωt；乘法单元，用于将母线电压波动值与锁相单元所得正弦结果相乘，得到解耦电压相位参考计算单元。
在图中：Vg和Ig分别是网侧交流电压和电流，Vbus和Vdp分别是母线电容Cbus和解耦支路电容Cdp上的电压。开关管Q1～4组成无桥Boost PFC拓扑，其中A桥臂的Q1～2充当PFC桥臂，高频工作在开关频率实现PFC功能，L1是PFC电路中的升压电感；B桥臂的Q3～4原本为工频管，在此作高频管与在网侧电压vg的阴极和整机地之间的LC串联支路构成Buck电路，其开关动作将原本母线电容承受的电压纹波转移到解耦电容Cdp之上，Ldp作能量缓冲。网侧Lg、C1与L1组成LCL滤波器，网侧电感利用电网的线路电感Lg代替。外部传输的参考信号由通信设备从外部传输到控制器。
本发明所述方法可以用解耦H桥拓扑上，可以在保证解耦电压在无外加解耦检测电路的情况下正负半周对称，进一步提高解耦性能。其控制策略步骤如下：
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，如图所示。控制器检测自身的输入电压Vg、内电感电流IL1以及母线电压Vbus，控制环路主要由母线电压外环和电网电流内环组成，并给A桥臂PWM控制信号，保证该电路稳定运行在正常PFC工作状态，双环均采用经典PI控制。同时采用基于拓扑复用的调制策略，复用B桥臂的两个开关管，将母线电压上的二次纹波转移到解耦电容上。
所述基于拓扑复用的调制策略是指：通过互换桥臂中点电压为零的两种工作模态，复用半周期中不工作的两个开关管，以将功率纹波转移到解耦支路上；在每一个控制周期内，PFC控制与解耦控制同时进行，互相独立且互相牵制。这样既保证了原有PFC功能，又能在不添加有源器件和传感器的基础上减小母线电容容值，可以在合理的成本下有效解决单相ACDC拓扑电解电容带来的寿命限制问题。
步骤2：在网侧电压阴极和地之间加一条LC串联解耦支路，采用基于外电压环纹波抑制的解耦策略，控制器检测母线电压Vbus上的纹波，经过计算得到相应的解耦电压参考来控制桥臂B的开关管动作，将母线侧承受的纹波转移到解耦电容上。由于解耦支路无任何外加传感器和检测电路，在电网电压正负半周解耦电压会出现不对称，该不对称性在开环控制下尤为明显，因此需要分别对正负半周的解耦电压占空比进行死区补偿。
所述基于外电压环纹波抑制的解耦策略是指，通过在时域中引入外电压环纹波与网侧锁相输出乘积项修正解耦电压交流参考。使得解耦控制无需检测解耦支路的信息，即能保证系统在功率波动、双向模式切换时的动态响应性能。
步骤3：由于解耦支路无任何外加传感器和检测电路，在电网电压正负半周解耦电压会出现不对称(该不对称性在开环控制下尤为明显)，需要分别对正负半周的解耦电压占空比进行死区补偿；
在每一个开关周期内，PFC占空比和解耦支路占空比分别为d1和d2，并按照算式
Figure BDA0002920058290000061
计算给定桥臂A和桥臂B的PWM输出信号，得到
Figure BDA0002920058290000062
为实现拓扑复用，d1和d2的分配需满足d1+d2＜1。其中，d2是通过修正外电压环纹波，在时域中引入外电压环纹波与网侧锁相输出乘积项修正解耦电压交流参考得到的解耦占空比。
步骤4：对解耦支路占空比d2输出的解耦复用桥臂的PWM输出信号在正负电网周期内分别进行占空比死区补偿。假设控制器中给定的解耦桥臂上管Q3开通占空比为doutput，桥臂中点电压vab＝0时，实际解耦占空比即为给定占空比，d2＝doutput；当vab＝Vbus时，实际解耦占空比为计算给定占空比与死区占空比Ddeadtime之和，即d2＝doutput+Ddeadtime。由于电感电流不能突变，其电流流向不同，会影响中点电平νab的波动也不同，进而影响解耦实际占空比d2。
步骤5：对于步骤4给出的解耦实际占空比d2进行数字补偿。
当处于电网电压正半周期电网电流为正，假设电流和电压同向，那么解耦电压占空比赋值为
Figure BDA0002920058290000071
电网电流为负，此时电流和电压反向，解耦电压占空比赋值为
Figure BDA0002920058290000072
该步骤中所述解耦电压占空比赋值仅用于上下管换流时的死区过程，此时PFC-解耦复用桥臂中的开关管都应处于关断状态；选取
Figure BDA0002920058290000073
作为解耦电压补偿和差，以保证PFC-解耦复用桥臂的上下管PWM信号正好相差一个PI计算周期，同时不改变其修正解耦电压交流参考的大小以提高解耦性能。
在采用上述技术方案的基础上，本发明还可以采用或者组合采用以下进一步的技术方案：
(1)所述的电路拓扑包含且不限于单级式和双级式双向AC/DC变换器。相较于单级式结构，双级式结构虽然器件数量较多，但弥补了单级式结构控制复杂、隔离困难、电池连接处电容大等的缺点，是现在主流的拓扑结构；
(2)所述的外部传输或内部预设的参考信号包含且不限于对网侧输入电压和电流、母线侧输出电压以及参考解耦电压波动状态的目标值进行修改；
(3)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；
(4)所述的外部传输的参考信号所涉及的通信方式，包含且不限于以下通信方式：(a)CAN通信、光纤通信、以太网通信等有线通信方式；(b)WiFi、ZigBee、蓝牙、红外等无线通信方式。

Claims (7)

1.一种应用于H桥的解耦电压占空比补偿方法，其特征在于，包括：
(1)在H桥拓扑中增加由解耦电感Ldp与解耦电容Cdp串联构成的解耦LC支路，其一端连接网侧电压Vg的阴极和H桥中某一桥臂B的中点，另一端连接在H桥中两桥臂A、B的共同端部；以连接解耦LC支路的桥臂B作为PFC-解耦复用桥臂，另一个桥臂A作为PFC桥臂；
(2)由统一的控制器执行控制策略，分别对电网电压正负半周解耦电压占空比分别进行死区补偿，以保证解耦电压正负半周对称，提高解耦性能；
所述控制策略具体包括下述步骤：
(2.1)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；控制器检测自身的输入电压Vg、内电感电流IL1以及母线电压Vbus，控制环路由母线电压外环和电网电流内环组成，并向H桥中的PFC桥臂提供PWM控制信号，保证该电路稳定运行在正常PFC工作状态，双环均采用经典PI控制；同时采用基于拓扑复用的调制策略，复用H桥中的PFC-解耦复用桥臂的某个开关管，将母线电压上的二次纹波转移到解耦电容上；
(2.2)控制器采用基于外电压环纹波抑制的解耦策略，检测母线电压Vbus上的纹波，经过计算得到相应的解耦电压参考；通过控制PFC-解耦复用桥臂中的开关管的动作，将母线侧承受的纹波转移到解耦电容上；
(2.3)通过修正外电压环纹波，在时域中引入母线电压波动值与网侧锁相环输出相位相乘，得到解耦电压相位参考计算单元，将其作为解耦电压交流项基准去修正解耦电压交流参考，最终得到复用桥臂B的解耦支路占空比：
Figure FDA0003373394430000011
其中，L1是PFC电路中的升压电感；iL1是内电感电流；Vg是电网的输入电压；Vbus是母线电压；Ldp是解耦电路中的解耦电感；iLdp是解耦支路中的解耦电感电流；Vdp是解耦电容Cdp上的电压；Vdc是直流母线电压；d1和d2分别为每一个开关周期内的PFC占空比和解耦支路占空比；为实现拓扑复用，d1和d2的分配需满足d1+d2＜1；
(4)对解耦支路占空比d2输出的解耦复用桥臂的PWM输出信号在正负电网周期内分别进行占空比死区补偿：
假设给定的解耦桥臂上某开关管的开通占空比为doutput，桥臂中点电压vab＝0时，实际解耦占空比即为给定占空比，d2＝doutput；当vab＝Vbus时，实际解耦占空比d2为计算给定占空比与死区占空比Ddeadtime之和，即d2＝doutput+Ddeadtime；由于电感电流不能突变，其电流流向不同，会影响中点电平vab的波动也不同，进而影响解耦实际占空比d2；
(5)对于解耦实际占空比d2进行数字补偿：
当处于电网电压正半周期电网电流为正，假设电流和电压同向，那么解耦电压占空比赋值为
Figure FDA0003373394430000021
电网电流为负时，电流和电压反向，解耦电压占空比赋值为
Figure FDA0003373394430000022
2.根据权利要求1所述的补偿方法，其特征在于，步骤(2.1)中所述基于拓扑复用的调制策略是指：通过互换桥臂中点电压为零的两种工作模态，复用半周期中不工作的两个开关管，以将功率纹波转移到解耦支路上；在每一个控制周期内，PFC控制与解耦控制同时进行，互相独立且互相牵制。
3.根据权利要求1所述的补偿方法，其特征在于，步骤(2.2)中所述基于外电压环纹波抑制的解耦策略是指，通过在时域中引入外电压环纹波与网侧锁相输出乘积项修正解耦电压交流参考。
4.根据权利要求1所述的补偿方法，其特征在于，步骤(5)中所述解耦电压占空比赋值仅用于上下管换流时的死区过程，此时PFC-解耦复用桥臂中的开关管都应处于关断状态；选取
Figure FDA0003373394430000023
作为解耦电压补偿和差，以保证PFC-解耦复用桥臂的上下管PWM信号正好相差一个PI计算周期，同时不改变其修正解耦电压交流参考的大小。
5.一种用于实现权利要求1所述解耦电压占空比补偿方法的H桥有源功率解耦电路，包括控制器、母线电容Cbus和图腾柱式H桥；升压电感L1、网侧电容C1和网侧电感Lg共同组成LCL滤波器，且连接在网侧电压Vg的阳极与H桥某一桥臂A的中点之间；其特征在于，该电路还包括由解耦电感Ldp与解耦电容Cdp串联构成的解耦LC支路，其一端连接网侧电压Vg的阴极和H桥的另一桥臂B中点，另一端连接在H桥的两桥臂A、B的共同端部；该电路以桥臂A为PFC桥臂，桥臂B为PFC和解耦复用桥臂。
6.根据权利要求5所述的解耦电路，其特征在于，所述H桥是由四个开关管Q1～Q4组成的无桥Boost PFC拓扑，其中两个开关管Q1～Q2串联组成桥臂A，两个开关管Q3～Q4串联组成桥臂B。
7.根据权利要求5所述的解耦电路，其特征在于，所述控制器中内置采样单元、锁相单元和乘法单元，其中，
采样单元，用于对来自电网的输入电压Vg、内电感电流IL1以及母线电压Vbus进行采样；
锁相单元，用于对输入电压进行锁相，从而得到网侧电压Vg的相位ωt；
乘法单元，用于将母线电压波动值与锁相单元所得正弦结果相乘，得到解耦电压相位参考计算单元。
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