一种实现级联系统稳定的控制方法

本发明涉及电力电子变换器控制领域，具体涉及一种实现级联系统稳定的控制方法。

背景技术：

1、随着电力电子技术的发展，两级式级联系统(包括前级子系统和后级子系统)因为具有组合灵活性、高效率、大功率变换能力等优点，已经广泛应用于空间站、飞机、船舶、混动汽车、新能源系统等领域，但因为前后级系统的阻抗相互影响，可能会导致级联系统的不稳定。

2、现有的级联系统稳定的方法包括两种。第一种方法是通过设计lc滤波器的参数，即通过增加母线电压的容值或者减小电感的感值的方法，降低前级dc/dc变换器的输出阻抗，从而保证级联系统的稳定性，但是这种方法会增加级联系统的成本并降低功率密度，因此第一种方目前已经少有研究。第二种方法是通过控制的方法来提高级联系统的稳定性。通过控制保证级联系统稳定的方法根据控制对象的不同又可以分为两类：第一类是控制后级变换器，具体方法是改变后级变换器在前级dc/dc变换器输出阻抗谐振频率处的输入阻抗或者相位来保证级联系统的稳定。然而通过改变后级变换器在谐振频率附近相位的方法有输出功率限制，当输出功率超出限定值时，系统仍会不稳定。通过改变后级变换器在谐振频率处阻抗的方法适用的功率范围更大，但是会影响后级变换器的原有的控制性能。此外，这类方法需要采集母线电压及电流，增加了系统的成本。第二类是控制前级dc/dc变换器保证级联系统的稳定，通过降低前级dc/dc变换器在谐振频率处的输出阻抗保证系统的稳定，此方法不会影响后级变换器的控制性能，但是此类方法目前鲜有涉及。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，本发明提供一种实现级联系统稳定的控制方法，能够方便、快捷地对变换器中多个器件参数同时进行在线辨识，且无需增加额外电路和传感器，仅依靠原本闭环控制中所需的电气量就可以实现参数的在线辨识，成本较低，为储能元件的寿命预测、变换器的状态监测以及控制回路参数的优化提供了研究基础。

2、本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案是：

3、一种实现级联系统稳定的控制方法，应用在两级式级联系统，所述两级式级联系统包括前级子系统和后级子系统；所述前级子系统包括前级变换器，所述前级变换器为dc/dc变换器；所述后级子系统包括后级变换器，所述后级变换器为dc/dc变换器或dc/ac变换器，其输出功率恒定，包括恒功率负载；所述控制方法具体包括：

4、s101，将后级变换器的闭环输入阻抗等效为一个负电阻，后级变换器输入阻抗zin表示如下：

5、

6、其中，uo为后级变换器的输出电压，如果为交流电压，uo代表有效值，r为后级变换器的负载，后级变换器的闭环输入阻抗的相位为-180°，在低频范围内，后级变换器的闭环输入阻抗可以看作为恒定值；

7、s102，将前级变换器的母线电压ubus通过前馈回路进行前馈控制，改变前级变换器的闭环输出阻抗，使得前级变换器的输出阻抗小于后级变换器的输入阻抗。

8、优选的，所述前馈回路的误差error表示如下：

9、error＝ur-ubus+unkscbuskr(s)＝ur-ubus+(ur-ubus)kscbuskr(s)

10、其中，ur表示参考电压；un表示参考电压ur与母线电压ubus的差；kscbus表示第一传递函数h1(s)，k表示比例系数，cbus表示母线电容的容值；kr(s)表示带通滤波器，kscbuskr(s)表示第二传递函数h2(s)。

11、优选的，所述带通滤波器kr(s)表示如下：

12、

13、其中，fb表示带通滤波器的带宽，fc表示带通滤波器的谐振频率。

14、优选的，带通滤波器的谐振频率fc等于前级变换器闭环输出阻抗的谐振频率。

15、优选的，第二传递函数h2(s)表示如下：

16、

17、优选的，所述前馈回路包括一pi控制器，所述误差error输入所述pi控制器，所述pi控制器的传递函数gv(s)表示如下：

18、

19、其中，kp为压控制器的比例系数，ki为电压控制的积分系数。

20、优选的，将误差error与pi控制器的传递函数gv(s)的乘积与三角载波进行比较，得到pwm波形，再将pwm波形通过驱动电路控制前级变换器的占空比，以控制前级变换器的母线电压ubus。

21、优选的，前级变换器改变后的输出阻抗表示如下：

22、

23、其中，zo表示输出阻抗，l为前级变换器的滤波电感感值，cbus表示母线电容的容值，k表示比例系数，kr(s)表示带通滤波器。

24、本发明的有益效果为：

25、(1)本发明一种实现级联系统稳定的控制方法，通过前馈回路进行前馈控制，改变前级变换器的闭环输出阻抗，使得前级变换器的输出阻抗小于后级变换器的输入阻抗，保证了级联系统的稳定，此外，本发明不需要添加额外的电子器件(如不需要增加母线电压的容值或者减小电感的感值)，增加了系统的功率密度，降低了成本；

26、(2)本发明一种实现级联系统稳定的控制方法，仅需采集母线电压，不需要采集母线电流即可完成反馈控制，因此控制方法简单；因为前级变换器原有的电压闭环控制方法也需采集母线电压，因为本方法不需要添加额外的电流传感器，极大的降低了系统的成本；

27、(3)本发明一种实现级联系统稳定的控制方法，带通滤波器的谐振频率fc为前级变换器闭环输出阻抗的谐振频率，因此本方法仅仅改变前级变换器闭环输出阻抗谐振频率附近的阻抗，其它频率的输出阻抗不受影响，保证了前级变换器原有的控制性能。

技术特征：

1.一种实现级联系统稳定的控制方法，其特征在于，应用在两级式级联系统，所述两级式级联系统包括前级子系统和后级子系统；所述前级子系统包括前级变换器，所述前级变换器为dc/dc变换器；所述后级子系统包括后级变换器，所述后级变换器为dc/dc变换器或dc/ac变换器，其输出功率恒定，包括恒功率负载；所述控制方法具体包括：

2.根据权利要求1所述的实现级联系统稳定的控制方法，其特征在于，所述前馈回路的误差error表示如下：

3.根据权利要求2所述的实现级联系统稳定的控制方法，其特征在于，所述带通滤波器kr(s)表示如下：

4.根据权利要求3所述的实现级联系统稳定的控制方法，其特征在于，带通滤波器的谐振频率fc等于前级变换器闭环输出阻抗的谐振频率。

5.根据权利要求3所述的实现级联系统稳定的控制方法，其特征在于，第二传递函数h2(s)表示如下：

6.根据权利要求2所述的实现级联系统稳定的控制方法，其特征在于，所述前馈回路包括一pi控制器，所述误差error输入所述pi控制器，所述pi控制器的传递函数gv(s)表示如下：

7.根据权利要求6所述的实现级联系统稳定的控制方法，其特征在于，将误差error与pi控制器的传递函数gv(s)的乘积与三角载波进行比较，得到pwm波形，再将pwm波形通过驱动电路控制前级变换器的占空比，以控制前级变换器的母线电压ubus。

8.根据权利要求1所述的实现级联系统稳定的控制方法，其特征在于，前级变换器改变后的输出阻抗表示如下：

技术总结
本发明公开了一种实现级联系统稳定的控制方法，应用在两级式级联系统，所述两级式级联系统包括前级子系统和后级子系统；所述前级子系统包括前级变换器，所述前级变换器为DC/DC变换器；所述后级子系统包括后级变换器，所述后级变换器为DC/DC变换器或DC/AC变换器，其输出功率恒定，包括恒功率负载；所述控制方法具体包括：将后级变换器的闭环输入阻抗等效为一个负电阻；将前级变换器的母线电压通过前馈回路进行前馈控制，改变前级变换器的闭环输出阻抗，使得前级变换器的输出阻抗小于后级变换器的输入阻抗。本发明在不添加任何器件的前提下，可以保证级联系统的稳定性，降低了级联系统的成本且提高了级联系统的功率密度。

技术研发人员：何良宗,周鸿彦,陈一逢,曾涛,张景瑞,罗华耿
受保护的技术使用者：厦门大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12