CN114884360B - 一种适用于宽范围场景的无功功率最优双向调制策略 - Google Patents
一种适用于宽范围场景的无功功率最优双向调制策略 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114884360B CN114884360B CN202210439063.1A CN202210439063A CN114884360B CN 114884360 B CN114884360 B CN 114884360B CN 202210439063 A CN202210439063 A CN 202210439063A CN 114884360 B CN114884360 B CN 114884360B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- reactive power
- modulation
- optimal
- power
- modulation angle
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 230000002457 bidirectional effect Effects 0.000 title claims abstract description 16
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 10
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 claims description 6
- 238000010276 construction Methods 0.000 claims description 2
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 claims 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 claims 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 claims 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 abstract description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 9
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 6
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 4
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 4
- 238000011217 control strategy Methods 0.000 description 3
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
- H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
- H02M3/24—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
- H02M3/28—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
- H02M3/325—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
- H02M3/335—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M1/00—Details of apparatus for conversion
- H02M1/44—Circuits or arrangements for compensating for electromagnetic interference in converters or inverters
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
- Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
- Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
- Y02E40/30—Reactive power compensation
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Ac-Ac Conversion (AREA)
Abstract
Description
技术领域
本发明涉及电力电子领域,具体涉及一种适用于宽范围场景的无功功率最优双向调制策略。
背景技术
谐振变换器目前已经被广泛应用于电动汽车、不间断电源、消费电子、航天船舶电源等领域。为了实现宽输出增益,脉冲频率调制策略(Pulse Frequency Modulation,PFM)是谐振变换器通常采用的调制策略。然而,为了实现较宽的增益范围,特别是在负载较轻的情况下,PFM调制的电压增益曲线过于平缓,导致频率变化范围过宽。宽频率范围会造成电磁干扰严重、开关损耗高、环流损耗大和变压器利用率低等问题。
为解决传统谐振变换器采用PFM调制在宽输出应用场景下面临的问题,提出了多种技术手段。这些方法主要分为两大类:
1、改变电路拓扑结构,具体可分为改变谐振参数、修改二次侧整流拓扑和重构一次侧拓扑。其本质是在工作频率变化范围限制的条件下,通过改变电路拓扑结构来实现宽增益范围。其中,改变谐振参数是通过控制开关管来决定谐振元件是否参与谐振,从而增大谐振腔阻抗的变化范围;修改二次侧整流拓扑是通过控制开关管通断使整流拓扑在全桥整流、电压倍频和电压四倍频之间进行切换,从而扩大输出增益范围;重构一次侧拓扑,使一次侧拓扑在全桥和半桥之间进行切换,应用于宽范围输入场景。
2、优化调制和控制策略。如Burst控制可以提高谐振变换器在轻载条件下的效率。还可采用定频调制策略,目前有三种定频移相调制策略,包括传统的移相(Phase-Shift,PS)调制、不对称占空比(Asymmetrical Duty-Cycle Control,ADC)调制和不对称电压消除(Asymmetrical Voltage-Cancellation Control,AVC)调制。其中,AVC调制相比于其他两种定频调制方法,具有更宽的软开关范围,在同等输出和负载条件下实现软开关所需的开关频率更低,从而降低开关损耗和提升效率。
发明内容
针对现有技术中的上述不足,本发明提出了一种适用于宽范围场景的无功功率最优双向调制策略。其中一次侧采用AVC调制,一次侧存在着一个调制角α,一次侧所形成的波形为前半周期为正、占空比随调制角α变大而减小、后半周期固定恒为负,二次侧为固定50%占空比的方波,一次侧波形和二次侧波形存在着一个移相的角度,称为调制角本说明书所提出的无功功率最优双向调制策略具有两个控制变量,调制角α和调制角推导了功率流动和增益范围,分析了一次侧和二次侧的软开关判断条件,采用拉格朗日乘子法和KKT条件分析了在不同功率传输条件下的无功功率最优的调制角组合,所提出的无功功率最优双向调制策略的优点可以概括为:
1、在同等有功功率传输条件下,无功功率最优;
2、满足一次侧和二次侧软开关条件;
3、可以实现宽增益范围输出。
本发明提出的调制策略可以用于所有谐振变换器,本专利以串联谐振变换器为对象进行阐述。
附图说明
图1是串联谐振变换器的结构示意图。
图2是无功功率最优双向调制策略的波形图。
图3是双向功率流动的等效电路图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述,以便于本技术领域的技术人员理解本发明,但应该清楚,本发明不限于具体实施方式的范围,对本技术领域的普通技术人员来讲,只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内,这些变化是显而易见的,一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
本发明提出的调制策略可以应用于所有双向谐振变换器,下面以双向串联谐振变换器为对象进行阐述,如图1所示。当谐振变换器的工作频率与谐振腔的固有频率相近时,可以采用基波分析法来进行理论分析,即只分析波形的基波而忽略其高次谐波。本发明提出的调制策略一次侧采用AVC调制,一次侧存在着一个调制角α,一次侧所形成的波形为前半周期为正、占空比随调制角α变大而减小、后半周期固定恒为负,二次侧为固定50%占空比的方波,一次侧波形和二次侧波形存在着一个移相的角度,称为调制角本说明书分析了所提出的无功功率最优双向调制策略的功率流动、增益范围,采用拉格朗日乘子法和KKT条件分析了在不同功率传输条件下的无功功率最优的调制角组合。
图2为无功功率最优双向调制策略的波形图,其中,Ts为开关周期,TH为开关周期的一半。其中,Vab为一次侧的波形,存在着一个调制角α,Vab1是Vab经过傅里叶分解后的一次基波,是基波Vab1的相位。Vcd为二次侧的波形,Vcd1是Vcd经过傅里叶分解后的一次基波。Vab与Vcd之间存在着一个移相的角度,称为调制角iL为谐振电流。
因而基波Vab1的时域表达式为:
对二次侧方波Vcd基波进行傅里叶级数分解,得到Vcd1的时域表达式为:
图3为双向功率流动的等效电路图,由等效电路图可得到谐振电流iL的时域表达式为:
代入t=0时刻,可判断原边开关管是否实现ZVS,可得到原边ZVS判定条件:
瞬时功率P(t)的表达式为:
瞬时有功功率Po(t)的表达式为:
平均输出功率Po的表达式为:
瞬时无功功率Qr(t)的表达式为:
无功功率Qr的表达式为:
输出增益M的表达式为:
由拉格朗日乘数法和KKT条件,可求得最优值,条件为:
仿真分析结果:仿真参数为:输入Vin=100V,开关频率为116kHz,,谐振电感Lr为27μH,谐振电容Cr为0.1μF,输出电容Co=1mF。输出电压固定为150V,负载电阻R0=16.96Ω,有功功率固定为1.327×103W,保持同等功率下,验证所提出的理论是否可以实现无功功率最优。根据理论可计算得到最优组合为α=0.197,此时功率因数角为0.923。
图4为最优组合为α=0.197,的仿真波形,此时功率因数角为0.923。仿真波形从上至下分别为输出电压Vo与输出电流Iout波形,一次侧方波电压Vab与二次侧方波电压Vcd波形,一次侧方波电压Vab与谐振电流iL波形。
在同功率曲线上任取两点,保持负载和输出增益不变,则有功功率恒定,图5为只有一个调制角的传统双向控制策略的仿真波形图,此时α=0,功率因数角为0.879。仿真波形从上至下分别为输出电压Vo与输出电流Iout波形,一次侧方波电压Vab与二次侧方波电压Vcd波形,一次侧方波电压Vab与谐振电流iL波形。
图6为为同功率曲线任意一点的仿真波形图,此时α=1.73,功率因数角为0.799。仿真波形从上至下分别为输出电压Vo与输出电流Iout波形,一次侧方波电压Vab与二次侧方波电压Vcd波形,一次侧方波电压Vab与谐振电流iL波形。
综上,本发明所提出的改进型的混合定频调制策略的优点可以概括为:
1、开关频率固定在谐振频率附近,避免了传统PFM调制频率变化范围过宽带来的问题;
2、所提出的混合调制可以实现宽输出电压范围,可以运用在宽负载应用场合,特别是在低增益和轻负载条件下具有更高的效率;
3、所提出的混合调制具有较宽的ZVS范围,同等负载和输出增益条件下,实现软开关所需的开关频率较低,谐振电流较小,可以减少开关损耗,提高效率。
显然,本发明的上述实施例仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种适用于宽范围场景的无功功率最优双向调制策略,此策略应用于双向串联谐振变换器当中,其特征在于,包含两个控制变量,调制角α和调制角一次侧采用不对称电压消除调制,一次侧存在着一个调制角α;一次侧所形成的波形Vab为前半周期为正、占空比随调制角α变大而减小、后半周期固定恒为负,二次侧为固定50%占空比的方波Vcd,一次侧波形和二次侧波形存在着一个移相的角度,称为调制角
对一次侧方波Vab分别进行傅里叶级数分解,得到基波Vab1的时域表达式为:
对二次侧方波Vcd基波进行傅里叶级数分解,得到Vcd1的时域表达式为:
一次侧ZVS判定条件:
二次侧ZVS判定条件:
平均输出功率Po:
无功功率为Qr:
输出增益M:
其中上述公式中的符号L为双向串联谐振变换器当中的谐振电感,符号C为串联谐振变换器当中的谐振电容,符号n为串联谐振变换器当中的的变压器变比,符号R为串联谐振变换器的输出端负载电阻;
在软开关条件限制下、在特定有功功率等式约束下进行无功功率最优求解:利用拉格朗日乘数法和KKT条件,构建拉格朗日函数 特定功率等式约束软开关条件不等式约束 和目标函数上述的拉格朗日函数,特定功率等式约束,软开关条件不等式约束与目标函数的表达式为:
调制角α和调制角可以根据所需输出增益M和特定输出功率Ps来确定,从而实现在输出同样有功功率的条件下,实现无功功率最优的目标;为了验证无功功率最优,最优组合可以与同功率曲线上的其他组合点进行对比,可以得到同功率曲线,如下所示。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202210439063.1A CN114884360B (zh) | 2022-04-22 | 2022-04-22 | 一种适用于宽范围场景的无功功率最优双向调制策略 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202210439063.1A CN114884360B (zh) | 2022-04-22 | 2022-04-22 | 一种适用于宽范围场景的无功功率最优双向调制策略 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN114884360A CN114884360A (zh) | 2022-08-09 |
CN114884360B true CN114884360B (zh) | 2023-04-14 |
Family
ID=82671713
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN202210439063.1A Active CN114884360B (zh) | 2022-04-22 | 2022-04-22 | 一种适用于宽范围场景的无功功率最优双向调制策略 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN114884360B (zh) |
Citations (13)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN104868724A (zh) * | 2015-05-15 | 2015-08-26 | 西交利物浦大学 | 一种多相交错双向直流变换器的混合模式调制方法 |
CN104868741A (zh) * | 2015-05-15 | 2015-08-26 | 西交利物浦大学 | 一种基于最小无功功率损耗的直流变换器效率优化方法 |
WO2017045702A1 (en) * | 2015-09-15 | 2017-03-23 | Green Power Technologies, S. L. | System for converting power |
CN109586313A (zh) * | 2018-11-08 | 2019-04-05 | 国电南瑞科技股份有限公司 | 无功优化的高效内点求解方法 |
CN111245247A (zh) * | 2020-01-19 | 2020-06-05 | 天津大学 | 一种隔离型双向谐振软开关dc-dc变换器 |
CN112039225A (zh) * | 2020-09-25 | 2020-12-04 | 华中科技大学 | 一种双向无线电能传输系统的功率传输方法及装置 |
CN112953236A (zh) * | 2021-02-07 | 2021-06-11 | 爱士惟新能源技术(江苏)有限公司 | 一种双向dc/dc变换器的移相控制方法及系统 |
CN113364301A (zh) * | 2021-07-05 | 2021-09-07 | 西安许继电力电子技术有限公司 | 一种隔离型双向dc/dc换流器及其控制方法 |
CN113765393A (zh) * | 2021-08-06 | 2021-12-07 | 南京理工大学 | 一种dab变换器电流模式调制方法 |
CN114006541A (zh) * | 2021-11-30 | 2022-02-01 | 国网四川省电力公司电力科学研究院 | 一种双有源半桥直流变换器的效率优化控制方法 |
CN114050722A (zh) * | 2021-10-28 | 2022-02-15 | 西安理工大学 | 基于dab的直接功率模型预测与pi复合控制方法 |
CN114142757A (zh) * | 2021-12-06 | 2022-03-04 | 福建工程学院 | 一种共直流母线双三电平逆变器的零序电流抑制方法 |
CN114172183A (zh) * | 2021-12-09 | 2022-03-11 | 清华大学 | 电力系统中储能的多目标协同控制方法及装置 |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8977524B2 (en) * | 2012-03-06 | 2015-03-10 | Siemens Aktiengesellschaft | Interior point method for reformulated optimal power flow model |
JP6590911B2 (ja) * | 2014-08-13 | 2019-10-16 | イーエニエーエスセー テック − インスティチュート デ エンゲンハリア デ システマス エ コンピュータドレス テクノロジア エ シエンシアInesc Tec − Instituto De Engenharia De Sistemas E Computadores, Tecnologia E Ciencia | 3層−単層マトリクスコンバータ、フルブリッジac/dcコンバータ及びhf変成器を備えたac/dcコンバータ |
US10680508B2 (en) * | 2017-02-06 | 2020-06-09 | University Of Florida Research Foundation, Incorporated | Control to output dynamic response and extend modulation index range with hybrid selective harmonic current mitigation-PWM and phase-shift PWM for four-quadrant cascaded H-bridge converters |
WO2019199964A1 (en) * | 2018-04-10 | 2019-10-17 | University Of Maryland College Park | Vehicle on-board charger for bi-directional charging of low/high voltage batteries |
-
2022
- 2022-04-22 CN CN202210439063.1A patent/CN114884360B/zh active Active
Patent Citations (13)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN104868724A (zh) * | 2015-05-15 | 2015-08-26 | 西交利物浦大学 | 一种多相交错双向直流变换器的混合模式调制方法 |
CN104868741A (zh) * | 2015-05-15 | 2015-08-26 | 西交利物浦大学 | 一种基于最小无功功率损耗的直流变换器效率优化方法 |
WO2017045702A1 (en) * | 2015-09-15 | 2017-03-23 | Green Power Technologies, S. L. | System for converting power |
CN109586313A (zh) * | 2018-11-08 | 2019-04-05 | 国电南瑞科技股份有限公司 | 无功优化的高效内点求解方法 |
CN111245247A (zh) * | 2020-01-19 | 2020-06-05 | 天津大学 | 一种隔离型双向谐振软开关dc-dc变换器 |
CN112039225A (zh) * | 2020-09-25 | 2020-12-04 | 华中科技大学 | 一种双向无线电能传输系统的功率传输方法及装置 |
CN112953236A (zh) * | 2021-02-07 | 2021-06-11 | 爱士惟新能源技术(江苏)有限公司 | 一种双向dc/dc变换器的移相控制方法及系统 |
CN113364301A (zh) * | 2021-07-05 | 2021-09-07 | 西安许继电力电子技术有限公司 | 一种隔离型双向dc/dc换流器及其控制方法 |
CN113765393A (zh) * | 2021-08-06 | 2021-12-07 | 南京理工大学 | 一种dab变换器电流模式调制方法 |
CN114050722A (zh) * | 2021-10-28 | 2022-02-15 | 西安理工大学 | 基于dab的直接功率模型预测与pi复合控制方法 |
CN114006541A (zh) * | 2021-11-30 | 2022-02-01 | 国网四川省电力公司电力科学研究院 | 一种双有源半桥直流变换器的效率优化控制方法 |
CN114142757A (zh) * | 2021-12-06 | 2022-03-04 | 福建工程学院 | 一种共直流母线双三电平逆变器的零序电流抑制方法 |
CN114172183A (zh) * | 2021-12-09 | 2022-03-11 | 清华大学 | 电力系统中储能的多目标协同控制方法及装置 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN114884360A (zh) | 2022-08-09 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN103516196B (zh) | 开关电源装置 | |
US8923018B2 (en) | DC/DC converter, power converter and control method thereof | |
CN112713780B (zh) | 一种双有源桥变换器不对称电压匹配移相控制方法 | |
CN109861543A (zh) | 一种宽负载宽增益的交错并联型lclc谐振变换器 | |
CN105162333B (zh) | 一种基于高频交流升降压原理的dab‑bdc调制方法 | |
CN105207484B (zh) | 一种新型全桥llc空载及带载时的电压控制方法 | |
CN111864915B (zh) | 宽功率范围内实现zvs的无线充电系统调控方法及系统 | |
Sun et al. | An improved wide input voltage buck-boost+ LLC cascaded converter | |
CN112054693B (zh) | 一种双有源桥非对称占空比优化调制方法 | |
CN106787771A (zh) | 一种谐振变换器 | |
WO2024140352A1 (zh) | 一种谐振变换器的控制方法及系统 | |
CN111756251A (zh) | 一种宽输入电压范围的电子变压器参数设计方法 | |
CN113765393A (zh) | 一种dab变换器电流模式调制方法 | |
CN112910264A (zh) | 双有源桥式dc-dc变换器的五自由度调制方法 | |
CN112953245B (zh) | 双有源桥式变换器全负载范围软开关控制方法 | |
CN113904560A (zh) | 基于三重移相控制的dab变换器多目标统一控制方法 | |
CN109980941A (zh) | Lcc谐振的dcdc变换器的开关控制单元及变换器 | |
CN114884360B (zh) | 一种适用于宽范围场景的无功功率最优双向调制策略 | |
CN111817569A (zh) | 一种谐振腔自适应调节的隔离型软开关llc-sc直流变换器 | |
CN112636605A (zh) | 一种直流变换电路及其宽电压范围下的模式切换控制方法 | |
CN117081403A (zh) | 一种应用于宽输出电压cllc变换器的混合调制方法 | |
CN116613993A (zh) | 一种谐振变换器的控制方法、电路及谐振变换器 | |
McDonald et al. | A ZVD control based 5kW iTCM totem pole PFC for server power | |
CN113726167B (zh) | 一种具有宽输出增益范围的混合定频调制方法 | |
CN114499212A (zh) | 一种双有源全桥dc-dc变换器的电流应力优化扩展移相控制方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |