抑制二次纹波电流并改善动态特性的控制方法及系统.pdf

本发明公开了一种抑制二次纹波电流并改善动态特性的控制方法和系统，对前级直流变换器采用电压电流双闭环控制，通过大幅降低电压环截止频率来抑制其中的二次纹波电流，同时在双闭环控制基础上引入负载电流前馈，在前馈支路中加入陷波器以滤除前馈信号中的两倍频分量，从而抑制前级直流变换器中的二次纹波电流，并同时改善其在负载跳变时的动态特性，提高直流变换器的效率。

权利要求书抑制二次纹波电流并改善动态特性的控制方法，具体为：(1)采集中间母线电压反馈信号VCf_s、直流变换器滤波电感电流反馈信号iLf_s和直流变换器负载电流反馈信号iinv_s；(2)根据中间母线电压反馈信号VCf_s及其基准信号Vref计算得到电压误差信号e1=Vref‑VCf_s，对电压误差信号e1进行处理得到电压环电感电流指令iv；(3)直流变换器负载电流反馈信号iinv_s经过低通滤波，并滤除两倍频分量后得到直流变换器的负载电流前馈信号iff；(4)将电压环电感电流指令iv和负载电流前馈信号iff叠加得到电感电流给定信号iref1=iv+iff；(5)对电感电流给定信号iref1进行限幅处理得到实际的电感电流给定信号iref2=iref1iref1≤imaximaxiref1≥imax,]]>imax为限幅阈值；(6)将实际的电感电流给定iref2减去采样得到的电感电流反馈信号iLf_s，得到电流误差信号e2＝iref2‑iLf_s，对电流误差信号e2进行处理得到调制信号；(7)利用调制信号进行脉宽调制，输出占空比信号驱动直流变换器开关管。实现权利要求1所述的控制方法的控制系统，包括电压传感器、逆变器输入电流传感器、电感电流传感器、第一加法器、第二加法器、第三加法器、电压调节器、低通滤波器、陷波器、电感电流限幅器、电流调节器、脉宽调制器和直流变换器开关网络；第一加法器的两输入端分别电压传感器的输出端和电压基准信号，第一加法器的输出端连接电压调节器的输入端；第二加法器的两输入端分别连接电压调节器的输出端和陷波器的输出端，陷波器的输入端通过低通滤波器连接逆变器输入电流传感器的输出端，第二加法器的输出端连接限幅器的输入端；第三加法器的两输入端分别连接限幅器的输出端和电感电流传感器的输出端；第三加法器的输出端通过电流调节器连接脉宽调制器的输入端，脉宽调制器的输出端连接直流变换器开关网络的控制端。

说明书抑制二次纹波电流并改善动态特性的控制方法及系统
技术领域
本发明属于电力电子装置控制领域，更具体地，涉及的是一种两级式逆变器中前级直流变换器的控制方法，该方法既可以应用于两级式单相逆变器，也可应用于不平衡运行时的两级式三相逆变器，能有效抑制直流变换器中的二次纹波电流，同时大幅改善直流变换器在负载跳变时的动态特性。
背景技术
两级式逆变器广泛应用于燃料电池供电系统，太阳能光伏发电系统和不间断供电电源UPS等输入输出电压不匹配的场合中。其中，前级直流变换器实现电压匹配和电气隔离，后级逆变器将前级得到的直流电变换为交流电。对于单相逆变器而言，其瞬时输出功率以两倍输出电压频率脉动，这将使前级DC/DC变换器和输入源中产生两倍输出电压频率的脉动电流，即所谓的二次纹波电流。在两级式三相逆变器中，当负载或电网电压不平衡时，前级DC/DC变换器也将产生二次纹波电流。二次纹波电流的存在将降低直流变换器的效率，增大输入侧的电流脉动，增加输入源的功率损耗和容量，从而增加系统成本，降低系统效率。
图1为两级式单相逆变器的电路原理图。两级式单相逆变器包括直流源、直流变换器开关网络、LC滤波器、单相逆变器和输出负载。其中，单相逆变器既可以是独立运行，也可以是并网运行。图2给出了正常工作时单相逆变器的瞬时输出电压vo、瞬时输出电流io、瞬时输出功率po、中间母线电压vCf和逆变器输入电流中滤除开关纹波的部分iinv的波形，其中为负载功率因数角。假设逆变器的输出电压vo为理想的正弦波，即vo=Vosin(ωot)，式中Vo和ωo分别为逆变器输出电压的幅值和角频率。则对于线性负载，逆变器的输出电流io为理想的正弦电流，式中Io为逆变器输出电流幅值。根据电压电流表达式可得逆变器的瞬时输出功率为可见，单相逆变器的瞬时输出功率包含两部分，一部分为恒定值，一部分以两倍的输出电压频率变化。假设逆变器的变换效率为100%，则其瞬时输入功率pin等于瞬时输出功率po。一般来说，中间直流母线电压VCf脉动较小，则逆变器输入电流iinv为(忽略高频分量)令则单相逆变器可以等效为并联的直流电流源Idc和二次纹波电流源i2nd，如图3所示。
图3中的二次纹波电流源i2nd将通过主电路和控制回路传导到直流变换器的滤波电感和输入直流源中，降低直流变换器的效率，危害直流输入源的正常工作，因此希望尽可能的减小电感Lfdc中的二次纹波电流，使其尽可能的从中间母线电容Cfdc流过。为此有研究者提出采用电压电流双闭环控制并大幅降低电压外环截止频率来抑制电感中的二次纹波电流（C.Liu,and J.S.Lai,“Low frequency current ripple reduction technique with active control in a fuel cell power system with inverter load,”IEEE Trans.Power Electron.,vol.22,no.4,pp.1429–1436,Jul.2007），其电路与控制结构图如图4所示。采样得到的中间母线电压与电压给定Vref作差后经过电压调节器Gv(s)生成电感电流指令值iref(其中的限幅环节用于限制电感电流最大值)，与采样后的电感电流作差后经过电流调节器Gi(s)后产生调制信号，然后经过调制器和驱动来控制直流变换器。为抑制电感中的二次纹波电流，需要大幅降低电压外环的截止频率，从而减小电感电流指令iref中的二次纹波分量，如图5所示。然而，过低的电压环截止频率将恶化变换器在负载跳变时的动态特性。在突加负载时，直流母线电压将出现较大的跌落，如图6所示，甚至低于逆变器正常工作所需的最低直流电压，从而影响逆变器的正常工作；在突减负载时，直流母线电压将出现较大的过冲，增加逆变器开关管的电压应力。
将采样得到的直流变换器负载电流iff(即后级逆变器输入电流)叠加到电压调节器的输出中，从而产生新的电感电流指令值iref，可以有效改善变换器在负载跳变时的动态特性，这就是负载电流前馈控制，其控制结构图如图7所示。然而，由于前馈信号iff中含有全部的二次纹波信息，将导致电感电流指令iref中也含有全部的二次纹波信息，从而增大电感中的二次纹波电流。
发明内容
为了既抑制前级直流变换器中的二次纹波电流，同时改善其在负载跳变时动态特性，本发明对现有电压电流双闭环控制进行改进，提出一种抑制直流变换器二次纹波电流并改善动态特性的控制方法。
本发明的另一目的在于提供一种实现所述控制方法的控制系统。
抑制二次纹波电流并改善动态特性的控制方法，具体为：
(1)采集中间母线电压反馈信号VCf_s、直流变换器滤波电感电流反馈信号iLf_s和直流变换器负载电流反馈信号iinv_s；
(2)根据中间母线电压反馈信号VCf_s及其基准信号Vref计算得到电压误差信号e1=Vref‑VCf_s，对电压误差信号e1进行处理得到电压环电感电流指令iv；
(3)直流变换器负载电流反馈信号iinv_s经过低通滤波，并滤除两倍频分量后得到直流变换器的负载电流前馈信号iff；
(4)将电压环电感电流指令iv和负载电流前馈信号iff叠加得到电感电流给定信号iref1=iv+iff；
(5)对电感电流给定信号iref1进行限幅处理得到实际的电感电流给定信号