無需增加額外開關(guān)器件的有源功率解耦裝置及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種無需增加額外開關(guān)器件的有源功率解耦裝置及控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 單相變換器包含單相電壓型變換器和單相電流型變換器兩類，目前已廣泛的應(yīng)用 于光伏發(fā)電系統(tǒng)、燃料電池系統(tǒng)、電池能量管理系統(tǒng)、LED燈驅(qū)動等低功率場合。單相變換 器中二次脈動功率固有存在，它不但會對輸入輸出性能造成損害，還會造成電容、電池等元 器件壽命的減少。因此，如何處理好輸入輸出端瞬時功率的不平衡，消除二次脈動功率對系 統(tǒng)的影響成為一個具有現(xiàn)實意義的問題。
[0003] 采用大幅度增加無源器件的容量來緩和系統(tǒng)中的二次脈動功率的無源解耦裝置 雖然簡單，卻增加了系統(tǒng)的成本、降低了系統(tǒng)的功率密度，并且不利于裝置的模塊化設(shè)計； 另一方面，大容量的電解電容的使用還會限制系統(tǒng)的壽命，降低系統(tǒng)可靠性。
[0004] 通過額外開關(guān)裝置將二次脈動功率轉(zhuǎn)移到額外的儲能原件中去的有源解耦裝置 消除了無源解耦裝置功率密度低、使用大容量的電解電容可靠性差等缺點，因而得到廣泛 的關(guān)注和研宄。針對單相電流型變換器，常見的有源解耦方法的思路是增加一個額外的橋 臂和一個解耦電容，并與整流/逆變電路復(fù)用一個開關(guān)橋臂來實現(xiàn)二次脈動功率緩沖。這 類解耦方法仍需要額外增加三分之一的半導(dǎo)體裝置，增加了系統(tǒng)的成本，降低了系統(tǒng)的效 率；且開關(guān)復(fù)用不可避免的增加了系統(tǒng)調(diào)制的復(fù)雜度。基于此，本發(fā)明提供了一種無需增加 額外開關(guān)器件的有源功率解耦裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提供一種無需增加額外開關(guān)器件的有源功率解耦裝置及控制方法，其無需 增加額外的開關(guān)器件；控制方法中直流電流由解耦電路實時校準(zhǔn)以維持恒定，解耦電容電 壓的平均值由整流級電路實時控制以維持恒定。
[0006] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0007] -種無需增加額外開關(guān)器件的有源功率解耦裝置，包括：單相輸入電源，輸入濾波 器，電流型H橋電路，功率解耦電容，輸出濾波器及直流負(fù)載；電流型H橋電路通過所述的輸 入濾波器與單相輸入電源相連；兩個功率解耦電容跨接在所述的電流型H橋電路之間；電 流型H橋電路輸出直流側(cè)通過所述的直流側(cè)濾波電感和直流負(fù)載相連；
[0008] 其中，功率解耦電容由兩個容值相等的解耦電容C1和C2組成；解耦電容C1的一 端與電流型H橋電路的IGBT功率器件S1的集電極相連，另一端與電流型H橋電路的IGBT 功率器件S3的發(fā)射極相連；解耦電容C2的一端與電流型H橋電路的IGBT功率器件S4的 集電極相連，另一端與電流型H橋電路的IGBT功率器件S2的發(fā)射極相連。
[0009] -種無需增加額外開關(guān)器件的有源功率解耦裝置的控制方法，包括以下步驟：
[0010] 步驟1 :采集4路信號，它們分別是電流型H橋電路的輸入濾波電容Cf的電壓urf、 直流側(cè)電流id。、解耦電容Cl的電壓Uc;1以及解耦電容C2的電壓u。2，對信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換處 理后，將它們傳給DSP處理器；
[0011] 步驟2 :對采集的直流側(cè)電流id。、解耦電容C1和C2的電壓ujpU。2進行判斷，若 信號值達到過流保護值或過壓保護值，則對PWM信號進行封鎖，否則進入步驟3;
[0012] 步驟3:利用單相鎖相環(huán)獲取輸入濾波電容Cf的電壓urf的相位信息《t;
[0013] 步驟4:利用PI控制器對直流側(cè)電流id。進行閉環(huán)控制，其中，直流側(cè)參考電流為 給定值4，直流側(cè)電流的采樣值id。為反饋量；
[0014] 步驟5:利用PI控制器對解耦電容C1和C2的電壓的平均值u。del、u。de2進行閉環(huán) 控制，其中，解耦電容C1和C2的電壓的平均值參考<_&1、為給定值，解耦電容C1和 C2的電壓的采樣值1^和u。2為反饋量；
[0015] 步驟6:利用DSP處理器計算開關(guān)信號的占空比，通過載波調(diào)制方法和PWM產(chǎn)生電 路產(chǎn)生PWM信號，將該信號傳輸給驅(qū)動電路以控制開關(guān)管的通斷；使得直流側(cè)電流的實際 值id。跟蹤其給定值4、解耦電容電壓1^和u。2的平均值跟蹤上其給定值W+m、。
[0016] 優(yōu)選地，步驟4具體包括如下步驟：將直流側(cè)電流的參考值C與其采樣值id。之差 作為PI控制器的輸入，PI控制器的輸出ei與電壓前饋1
的和作為解耦電容串聯(lián)接入電路中的等效電壓指令值1^#，其表達式如下：
[0017]
[0018] 其中，V是交流側(cè)輸入電源電壓的幅值，I是交流側(cè)輸入電源電流的幅值，A是輸入 電源電流與輸入電源電壓的相角差，《是輸入電源電壓的角頻率，#將作為電流型H橋 電路中開關(guān)信號占空比計算的輸入之一。
[0019]優(yōu)選地，步驟5具體包括如下步驟：利用一階低通濾波器來提取解耦電容電壓的 采樣值心和u。2的平均值u。dc;1、u。dc;2;將解耦電容C1的電壓平均值的參考與u。dc;1之 差作為PI控制器一的輸入，PI控制器一的輸出為eul;將解耦電容C2的電壓的平均值的參 考值與u。dc;2之差作為PI控制器二的輸入，PI控制器二的輸出為eu2;PI控制器的輸 出與輸入電流幅值前饋量2P/V的和乘以輸入電壓相位信號on的余弦值作為輸入?yún)⒖茧?流igMf，其表達式如下：
[0020]
[0021] 其中，P為交流側(cè)輸入的平均功率；當(dāng)電流型H橋電路運行在工作模式一或工作模 式四時eu等于eul，運行在工作模式二和工作模式三時eu等于eu2,ig 將作為電流型H橋電 路中開關(guān)信號占空比計算的輸入之一。其中，工作模式一是指ig_Mf>〇，uABMf>0時系統(tǒng)的運 行狀態(tài)；工作模式二是指ig #>〇，~#< 0時系統(tǒng)的運行狀態(tài)；工作模式三是指ig 0， UAB_Mf>〇時系統(tǒng)的運行狀態(tài)；工作模式四是指0,Uabj^彡0時系統(tǒng)的運行狀態(tài)。
[0022] 本發(fā)明的有益效果是：
[0023] 本發(fā)明提供了一種無需增加額外開關(guān)器件的有源功率解耦裝置及控制方法，其根 本目的在于減少有源解耦裝置中開關(guān)器件的使用和實現(xiàn)二次脈動功率的完全解耦。本發(fā) 明的無需增加額外開關(guān)裝置的有源解耦裝置拓?fù)浒▎蜗噍斎腚娫?、輸入濾波器、電流型H 橋電路、功率解耦電容、輸出濾波器及直流負(fù)載。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的核心是通過對原來單相電流 型變換器的開關(guān)進行重組，以同時實現(xiàn)功率解耦和變換器整流；該拓?fù)淇刂频暮诵氖菍⒔?耦電容看成一個電壓源，用以維持中間直流濾波電感電流的伏秒平衡，得到恒定的直流電 流，從而實現(xiàn)二次脈動功率的完全解耦；而作為電壓源的解耦電容的電壓由單相電壓源來 提供，并通過反饋校正的方法控制其平均值恒定。
[0024] 本發(fā)明提供的一種無需增加額外開關(guān)器件的有源功率解耦裝置及控制方法無需 增加額外的開關(guān)器件，有利于系統(tǒng)成本的減少和效率的提高；有源解耦裝置中直流電流由 解耦電路的實時反饋控制來維持其恒定，這使得直流側(cè)電流具有快速精確的跟蹤能力，可 以實現(xiàn)完全解耦；解耦電容電壓只需要維持其平均值，控制不再依賴于參數(shù)，控制器的設(shè)計 變得簡單。
【附圖說明】
[0025] 圖1是本發(fā)明實施例有源功率解耦裝置的結(jié)構(gòu)框圖。
[0026] 圖2是本發(fā)明實施例有源功率解親裝置運彳丁狀態(tài)不意圖。
[0027] 圖3是本發(fā)明實施例控制系統(tǒng)DSP控制框圖。
[0028] 圖4是本發(fā)明實施例控制系統(tǒng)的控制算法框圖。
[0029]圖5是本發(fā)明實施例變換器交流側(cè)和解耦電容接入主電路的時間安排示意圖。
[0030] 圖6是本發(fā)明實施例控制系統(tǒng)中FPGA的狀態(tài)機示意圖。
[0031]圖7是傳統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與本發(fā)明變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實驗對比圖。
[0032] 圖8是本發(fā)明實施例有源功率解耦裝置電流超前電壓10°實驗波形。
[0033] 圖9是本發(fā)明實施例有源功率解耦裝置電流滯后電壓10°實驗波形。
【具體實施方式】
[0034] 下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細(xì)說明如下：
[0035] 如圖1所示，本發(fā)明所公開的一種無需增加額外開關(guān)器件的有源功率解耦裝置， 其包括單相輸入電源1、輸入濾波器2、電流型H橋電路3、功率解耦電容4、輸出濾波器5及 直流負(fù)載6;單相輸入電源1直接連接到電網(wǎng)或是連接到單相變壓器的副邊；電流型H橋電 路3通過所述的輸入濾波器2與單相輸入電源1相連；兩個功率解耦電容4跨接在所述的 電流型H橋電路3之間；電流型H橋電路3輸出直流側(cè)通過所述的直流側(cè)濾波電感5和直 流負(fù)載6連接。
[0036] 其中，功率解耦電容4由兩個容值相等的解耦電容C1和C2組成；解耦電容C1的 一端與IGBT功率器件S1的集電極相連，另一端與IGBT功率器件S3的發(fā)射極相連；解耦 電容C2的一端與IGBT功率器件S4的集電極相連，另一端與IGBT功率器件S2的發(fā)射極相 連。
[0037] 圖2是本發(fā)明所公開的一種無需增加額外開關(guān)器件的有源功率解耦裝置的開關(guān) 運行狀態(tài)示意圖；其中括號中的四個數(shù)字從左至右分別對應(yīng)了IGBTS1、IGBTS2、IGBTS3、 IGBTS4的運行狀態(tài)，'0'表示相應(yīng)的開關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)，'1'表示相應(yīng)的開關(guān)處于導(dǎo)通狀 態(tài)；
[0038] 運行狀態(tài)1中IGBTS1和IGBTS4導(dǎo)通，IGBTS2和IGBTS3關(guān)斷；
[0039]運行狀態(tài) 2 中IGBTS4 導(dǎo)通，IGBTSl、IGBTS2 和IGBTS3 關(guān)斷；
[0040] 運行狀態(tài)3中IGBTS1和IGBTS2導(dǎo)通，IGBTS3和IGBTS4關(guān)斷；
[0041]運行狀態(tài) 4 中IGBTS2 導(dǎo)通，IGBTSl、IGBTS3 和IGBTS4 關(guān)斷；
[0042]運行狀態(tài) 5 中IGBTSl、IGBTS2 和IGBTS4 導(dǎo)通，IGBTS3 關(guān)斷；
[0043] 運行狀態(tài)6中IGBTS3和IGBTS4導(dǎo)通，IGBTS1和IGBTS2關(guān)斷；
[0044]運行狀態(tài) 7 中IGBTS2、IGBTS3 和IGBTS4 導(dǎo)通，IGBTS1 關(guān)斷；
[0045] 運行狀態(tài)8中IGBTS2和IGBTS3導(dǎo)通，IGBTS1和IGBTS4關(guān)斷；
[0046]運行狀態(tài) 9 中IGBTS3 導(dǎo)通，IGBTSl、IGBTS2 和IGBTS4 關(guān)斷；
[0047]運行狀態(tài) 10 中IGBTS1 導(dǎo)通，IGBTS2、IGBTS3 和IGBTS4 關(guān)斷；
[0048]運行狀態(tài) 11 中IGBTSl、IGBTS3 和IGBTS4 導(dǎo)通，IGBTS2 關(guān)斷；
[0049]運行狀態(tài) 12 中IGBTSl、IGBTS2 和IGBTS3 導(dǎo)通，IGBTS4 關(guān)斷。
[0050] 當(dāng)電流型H橋電路運行在工作模式一時，開關(guān)運行狀態(tài)在運行狀態(tài)1、運行狀態(tài)2、 運行狀態(tài)3和運行狀態(tài)4之間切換。
[0051] 當(dāng)電流型H橋電路運行在工作模式二時，開關(guān)運行狀態(tài)