电力电子变换器的能量平衡控制器及方法
【专利摘要】本发明公开了一种电力电子变换器的能量平衡控制器及方法，所述能量平衡控制器包括检测单元、计算单元以及复位积分模块，所述复位积分模块包括复位积分器、比较器以及RS触发器，所述计算单元和复位积分器的输入端分别与检测单元的输出端连接，所述计算单元的输出端与比较器的一个输入端连接，所述复位积分器的输出端与比较器的另一个输入端连接，所述比较器的输出端与RS触发器的复位端连接，所述RS触发器的端与复位积分器连接，所述RS触发器的Q端用于控制变换器开关器件的开通或关断，所述方法通过能量平衡控制器实现。本发明的能量平衡控制器，其控制原理清晰，易于实现，而且动态响应迅速，对于输入电压及负载电流干扰甚至跳变具有强抑制力。
【专利说明】电力电子变换器的能量平衡控制器及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电力电子变换器的能量平衡控制器及方法，尤其是一种电力电子DC-DC变换器、电力电子DC-AC及AC-DC变换器的能量平衡控制器及方法，属于电力电子变换器的非线性控制领域。
【背景技术】
[0002]随着直流输电、可再生能源接入电网技术在世界范围内的发展，电力电子变换器在电力系统中的应用越来越广泛，而应用场合的不断拓广对变换器的稳态和动态性能提出了更高的要求。传统的线性PID和PI控制因其控制原理不清晰、参数整定繁杂以及动态性能较差的特点已无法满足人们对于变换器快速的动态性能要求，其中传统的线性PID控制存在的问题主要如下:
[0003]I)传统的PID控制的原理即为通过对给定和反馈值的误差进行比例、积分、微分的运算，得到的误差值和三角波相比较，从而得到开关器件的PWM信号，通过在每个周期调节PWM信号的脉冲宽度来调节输出电压值。从而不可避免的产生调制误差，其直接结果是带来较大的波形畸变。另外，数学推导的缺失使得人们无从知道控制过程中PID是如何进行工作的，从而控制原理不清晰，错误的排查不方便。
[0004]2) PID控制器的设计依赖于控制系统精确的数学模型，通常PID参数调节繁杂，且多根据经验进行整定无法保证参数的最优性；另外自整定能力的缺失使得PID参数必须随控制系统参数的改变而不断的重新整定。
[0005]3)效率的提高和动态性能的改善已经成为变换器的发展趋势，同时变换器的强耦合、非线性的特征使得传统的线性反馈控制因受到带宽以及反馈延迟的限制无法获得令人满意的结果，特别是动态响应和鲁棒性。
[0006]同时，在电力电子变换器当中，由于传统的逆变器所具有的桥臂直通、无法升压的缺点，近年来，有些学者对于一种DC-DC组合式逆变器进行研究和实际的应用设计。研究表明，此类新型组合式逆变器，可以实现较高的稳态精度，工作方式更为容易控制，逆变器系统也更加稳定。随着此类逆变器的广泛应用，对DC-DC变换器的性能提高的研究变得更加
有意义。
[0007]在目前已公开的专利文献中，尚未有从控制方式中提高变换器的动态性能的方法。在已公开的期刊和会议文献中，许多学者针对如何改善变换器的动态响应及对输入电压和负载电流干扰甚至跳变的抑制能力进行了广泛的研究，提出不少方法并取得一定成效，但这些方法中仍存在着一定的问题。
[0008]有文献提出用增加补偿电路的方法来改善变换器的动态响应，一定程度上降低了输出压降和缩短了动态响应时间，但是需要增加附加电路，增加了变换器的复杂性；也有文献提出用数字控制方法“静态模型参考”缩短变换器的动态响应时间，然而研究表明，“静态模型参考”更适合于消除稳态误差，在动态过程中效果不是很明显；还有文献通过保持电容电荷充放电平衡来改善变换器动态响应，然而对于电容电荷充放电的计算相对复杂且准确度要求高。另外还有文献提出一种能量脉冲调制模式，通过计算变换器所需要的能量，使电感中储存的能量能够提供变换器所需的能量来达到控制变换器的目的，然而在控制中需要对电感电流连续模式(CCM)和电感电流断续模式(DCM)进行判断，分别进行控制，并且在CCM时由于电感有一定的初始能量而使得控制推导更加繁琐，并且此方法仅适用在Buck-Boost变换器及其组合电路中，用在其他如Buck、Boost电路中时，需要考虑电感的初始能量，控制推导将会非常繁琐。
[0009]此外，还有一些方法是通过在稳态和暂态采用两种不同的控制方式实现在不牺牲稳态精度的同时改善动态性能。虽然这种方式是有效的，但是由于系统中采用两套控制器而不容易实现，这两套控制器之间的平滑过渡是一个巨大的挑战。
[0010]因此，提供一种控制原理清晰，不依赖控制系统的精确数学模型，且具有更强的鲁棒性、更快的动态响应及对输入电压和负载扰动的良好抑制能力的控制方式已经成当前研究的重要课题。
【发明内容】
[0011]本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供一种电力电子变换器的能量平衡控制器，该控制器结构简单、适用范围广，而且动态响应迅速，对于输入电压及负载电流干扰甚至跳变具有强抑制力。
[0012]本发明的另一目的在于提供一种基于上述能量平衡控制器的电力电子变换器的能量平衡控制方法。
[0013]本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到:
[0014]电力电子变换器的能量平衡控制器，其特征在于:包括检测单元、计算单元以及复位积分模块，所述复位积分模块包括复位积分器、比较器以及RS触发器，所述计算单元和复位积分器的输入端分别与检测单元的输出端连接，所述计算单元的输出端与比较器的一个输入端连接，所述复位积分器的输出端与比较器的另一个输入端连接，所述比较器的输出端与RS触发器的复位端连接，所述RS触发器的g端与复位积分器连接，所述RS触发器的Q端用于控制变换器开关器件的开通或关断，其中:
[0015]所述检测单元，用于检测单元检测变换器的电感电流、输入电压以及输出电流，并将电感电流信号和输出电流信号发送给计算单元，将电感电流信号和输入电压信号发送给复位积分器；
[0016]所述计算单元，用于接收检测单元的电感电流信号和输出电流信号，根据电感电流、输出电流以及给定电压计算储存在电感中的能量和输出能量之和，并将计算结果送入比较器的一个输入端；
[0017]所述复位积分器，用于接收检测单元的电感电流信号和输入电压信号，将电感电流和输入电压之间的乘积进行积分，并将积分结果送入比较器的另一个输入端；
[0018]所述比较器，用于对复位积分器的输出与计算单元的输出进行比较判断，将判断结果送到RS触发器的复位端。
[0019]优选的,所述检测单元包括:
[0020]电流传感器，用于检测变换器的电感电流和输出电流；
[0021 ] 以及电压传感器，用于检测变换器的输入电压。[0022]优选的，所述变换器为DC-DC变换器、AC-DC变换器或DC-AC变换器。
[0023]本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到:
[0024]电力电子变换器的能量平衡控制方法，其特征在于包括以下步骤:
[0025]I)检测单元检测变换器的电感电流、输入电压以及输出电流，将电感电流信号和输出电流信号发送给计算单元，将电感电流信号和输入电压信号发送给复位积分器；
[0026]2)计算单元根据能量平衡控制原理，利用电感电流、输出电流以及给定电压，计算储存在电感中的能量和输出能量之和，将计算结果送入比较器的一个输入端，此时复位积分器的输出为零；
[0027]3)当时钟脉冲到来时，触发RS触发器，通过RS触发器的Q端控制变换器的开关器件开通，复位积分器将电感电流和输入电压之间的乘积进行积分，将积分结果送入比较器的另一个输入端；
[0028]4)比较器对复位积分器的输出与计算单元的输出进行比较判断，当复位积分器的输出大于等于计算单元的输出时，将判断结果送到RS触发器的复位端，由RS触发器的g端产生复位脉冲信号使复位积分器复位，此时通过RS触发器的Q端控制变换器的开关器件关断，复位积分器的输出保持为零直到下一个时钟脉冲到来。
[0029]优选的，所述能量平衡控制原理如下式所示:
[0030]Win=WL+W0Ut
[0031]其中，Win为输入到变换器电路中的能量，Wl为储存在电感L中的能量，Wout为变换器电路的输出能量。
[0032]本发明相对于现有技术具有如下的有益效果:
[0033]1、本发明的能量平衡控制器，其控制原理清晰，易于实现，对于DC-DC变换器的电感电流连续模式(CCM)和电感电流断续模式(DCM)均适用，无需增加额外的器件即可实现迅速的动态响应，对于输入电压及负载电流干扰甚至跳变具有强抑制力。
[0034]2、本发明的能量平衡控制器克服了 PI参数整定的繁杂性，并且控制器对于系统参数的改变具有自调整能力。
[0035]3、本发明的能量平衡控制器采用非线性控制，与传统的PI控制相比，不仅在稳态时具有准确的电压调节能力，且对输入电压和负载扰动甚至跳变具有强抑制能力，具有快速的响应能力及快速的给定电压跟踪能力。
[0036]4、本发明的能量平衡控制器的控制方式同样适用于DC-AC变换器及AC-DC变换器的控制，且在用于DC-AC及AC-DC变换器控制时，与传统的PI控制相比，对非线性负载的调节能力更强。
【专利附图】
【附图说明】
[0037]图1a为Buck变换器的工作模式I电路示意图；图1b为Buck变换器的工作模式2电路不意图。
[0038]图2为Buck变换器的能量平衡控制器结构框图。
[0039]图3a为基于能量平衡控制的Buck变换器初始动态响应不意图；图3b为基于单周控制的Buck变换器初始动态响应示意图；图3c为基于PI控制的Buck变换器初始动态响应示意图。[0040]图4a为Buck变换器输入电压25V — 30V — 27V跳变的波形图；图4b为基于能量平衡控制的Buck变换器输入电压跳变时输出电压波形图；图4(:为基于单周控制的Buck变换器输入电压跳变时输出电压波形图；图4d为基于PI控制的Buck变换器输入电压跳变时输出电压波形图。
[0041]图5a为Buck变换器通过改变负载电阻2 Ω — 5 Ω — 2 Ω使负载电流跳变的波形图；图5b为基于能量平衡控制的Buck变换器负载电流跳变时输出电压波形图；图5c基于单周控制的为Buck变换器负载电流跳变时输出电压波形图；图5d为基于PI控制的Buck变换器负载电流跳变时输出电压波形图。
[0042]图6a为Buck变换器给定电压IOV — 15V — 12V跳变的波形图；图6b为基于能量平衡控制的Buck变换器给定电压跳变时输出电压波形图；图6(:为基于单周控制的Buck变换器给定电压跳变时输出电压波形图；图6(1为基于PI控制的Buck变换器给定电压跳变时输出电压波形图。
[0043]图7a为Boost变换器的工作模式I电路示意图；图7b为Boost变换器的工作模式2电路示意图。
[0044]图8a为Boost变换器输入电压20V—17V—21V跳变的波形图；图813为基于能量平衡控制的Boost变换器输入电压跳变时输出电压波形图；图Sc为基于单周控制的Boost变换器输入电压跳变时输出电压波形图；图8d为基于PI控制的Boost变换器输入电压跳变时输出电压波形图。
[0045]图9a为Boost变换器通过改变负载电阻6Ω — 10Ω—6Ω使负载电流跳变的波形图；图％为基于能量平衡控制的Boost变换器负载电流跳变时输出电压波形图；图9(:为基于单周控制的Boost变换器负载电流跳变时输出电压波形图；图9d为基于PI控制的Boost变换器负载电流跳变时输出电压波形图；
[0046]图1Oa为Boost变换器给定电压30V — 34V — 32V跳变的波形图；图1Ob为Boost变换器给定电压跳变时基于能量平衡控制的输出电压波形图；图1Oc为Boost变换器给定电压跳变时基于单周控制的输出电压波形图；图1Od为Boost变换器给定电压跳变时基于PI控制的输出电压波形图。
【具体实施方式】
[0047]实施例1:
[0048]本实施例以Buck变换器为例。
[0049]DC-DC变换器的能量平衡控制原理=DC-DC变换器主要由电感、电容及负载组成，能量平衡控制原理是:在每个开关周期Ts，输入到电路中的能量Win与电路负载消耗的能量(即电路的输出能量)Wtjut、储存在电感L中的能量Wp电容C中的能量W。和电路中各元件中的能量损耗的总和相等。与负载消耗的能量及储存在储能元件中的能量相比，电路中各元件的能量损耗可以忽略，于是能量平衡控制原理可以表示为=Win=WdWJWtjl^ W。由积分式
【权利要求】
1.电力电子变换器的能量平衡控制器，其特征在于:包括检测单元、计算单元以及复位积分模块，所述复位积分模块包括复位积分器、比较器以及RS触发器，所述计算单元和复位积分器的输入端分别与检测单元的输出端连接，所述计算单元的输出端与比较器的一个输入端连接，所述复位积分器的输出端与比较器的另一个输入端连接，所述比较器的输出端与RS触发器的复位端连接，所述RS触发器的与复位积分器连接，所述RS触发器的Q端用于控制变换器开关器件的开通或关断，其中: 所述检测单元，用于检测单元检测变换器的电感电流、输入电压以及输出电流，并将电感电流信号和输出电流信号发送给计算单元，将电感电流信号和输入电压信号发送给复位积分器； 所述计算单元，用于接收检测单元的电感电流信号和输出电流信号，根据电感电流、输出电流以及给定电压计算储存在电感中的能量和输出能量之和，并将计算结果送入比较器的一个输入端； 所述复位积分器，用于接收检测单元的电感电流信号和输入电压信号，将电感电流和输入电压之间的乘积进行积分，并将积分结果送入比较器的另一个输入端； 所述比较器，用于对复位积分器的输出与计算单元的输出进行比较判断，将判断结果送到RS触发器的复位端。
2.根据权利要求1所述的电力电子变换器的能量平衡控制器，其特征在于:所述检测单元包括: 电流传感器，用于检测变换器的电感电流和输出电流； 以及电压传感器，用于检测变换器的输入电压。
3.根据权利要求1或2所述的电力电子变换器的能量平衡控制器，其特征在于:所述变换器为DC-DC变换器、AC-DC变换器或DC-AC变换器。
4.基于权利要求1所述能量平衡控制器的电力电子变换器的能量平衡控制方法，其特征在于包括以下步骤: 1)检测单元检测变换器的电感电流、输入电压以及输出电流，将电感电流信号和输出电流信号发送给计算单元，将电感电流信号和输入电压信号发送给复位积分器； 2)计算单元根据能量平衡控制原理，利用电感电流、输出电流以及给定电压，计算储存在电感中的能量和输出能量之和，将计算结果送入比较器的一个输入端，此时复位积分器的输出为零； 3)当时钟脉冲到来时，触发RS触发器，通过RS触发器的Q端控制变换器的开关器件开通，复位积分器将电感电流和输入电压之间的乘积进行积分，将积分结果送入比较器的另一个输入端； 4)比较器对复位积分器的输出与计算单元的输出进行比较判断，当复位积分器的输出大于等于计算单元的输出时，将判断结果送到RS触发器的复位端，由RS触发器的D端产生复位脉冲信号使复位积分器复位，此时通过Rs触发器的Q端控制变换器的开关器件关断，复位积分器的输出保持为零直到下一个时钟脉冲到来。
5.根据权利要求4所述的电力电子变换器的能量平衡控制方法，其特征在于:所述能量平衡控制原理如下式所示:Win=WL+ff0Ut 其中，Win为输入到变换器 电路中的能量，Wl为储存在电感L中的能量，Wout为变换器电路的输出能量。
【文档编号】H02M1/08GK103546019SQ201310485088
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2013年10月16日 优先权日:2013年10月16日
【发明者】吴青华, 王磊 申请人:华南理工大学