无需增加额外开关器件的有源功率解耦装置及控制方法

无需增加额外开关器件的有源功率解耦装置及控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种无需增加额外开关器件的有源功率解耦装置及控制方法。
【背景技术】
[0002] 单相变换器包含单相电压型变换器和单相电流型变换器两类，目前已广泛的应用 于光伏发电系统、燃料电池系统、电池能量管理系统、LED灯驱动等低功率场合。单相变换 器中二次脉动功率固有存在，它不但会对输入输出性能造成损害，还会造成电容、电池等元 器件寿命的减少。因此，如何处理好输入输出端瞬时功率的不平衡，消除二次脉动功率对系 统的影响成为一个具有现实意义的问题。
[0003] 采用大幅度增加无源器件的容量来缓和系统中的二次脉动功率的无源解耦装置 虽然简单，却增加了系统的成本、降低了系统的功率密度，并且不利于装置的模块化设计； 另一方面，大容量的电解电容的使用还会限制系统的寿命，降低系统可靠性。
[0004] 通过额外开关装置将二次脉动功率转移到额外的储能原件中去的有源解耦装置 消除了无源解耦装置功率密度低、使用大容量的电解电容可靠性差等缺点，因而得到广泛 的关注和研宄。针对单相电流型变换器，常见的有源解耦方法的思路是增加一个额外的桥 臂和一个解耦电容，并与整流/逆变电路复用一个开关桥臂来实现二次脉动功率缓冲。这 类解耦方法仍需要额外增加三分之一的半导体装置，增加了系统的成本，降低了系统的效 率；且开关复用不可避免的增加了系统调制的复杂度。基于此，本发明提供了一种无需增加 额外开关器件的有源功率解耦装置。

【发明内容】

[0005] 本发明提供一种无需增加额外开关器件的有源功率解耦装置及控制方法，其无需 增加额外的开关器件；控制方法中直流电流由解耦电路实时校准以维持恒定，解耦电容电 压的平均值由整流级电路实时控制以维持恒定。
[0006] 为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
[0007] -种无需增加额外开关器件的有源功率解耦装置，包括：单相输入电源，输入滤波 器，电流型H桥电路，功率解耦电容，输出滤波器及直流负载；电流型H桥电路通过所述的输 入滤波器与单相输入电源相连；两个功率解耦电容跨接在所述的电流型H桥电路之间；电 流型H桥电路输出直流侧通过所述的直流侧滤波电感和直流负载相连；
[0008] 其中，功率解耦电容由两个容值相等的解耦电容C1和C2组成；解耦电容C1的一 端与电流型H桥电路的IGBT功率器件S1的集电极相连，另一端与电流型H桥电路的IGBT 功率器件S3的发射极相连；解耦电容C2的一端与电流型H桥电路的IGBT功率器件S4的 集电极相连，另一端与电流型H桥电路的IGBT功率器件S2的发射极相连。
[0009] -种无需增加额外开关器件的有源功率解耦装置的控制方法，包括以下步骤：
[0010] 步骤1 :采集4路信号，它们分别是电流型H桥电路的输入滤波电容Cf的电压urf、 直流侧电流id。、解耦电容Cl的电压Uc;1以及解耦电容C2的电压u。2，对信号进行模数转换处 理后，将它们传给DSP处理器；
[0011] 步骤2 :对采集的直流侧电流id。、解耦电容C1和C2的电压ujpU。2进行判断，若 信号值达到过流保护值或过压保护值，则对PWM信号进行封锁，否则进入步骤3;
[0012] 步骤3:利用单相锁相环获取输入滤波电容Cf的电压urf的相位信息《t;
[0013] 步骤4:利用PI控制器对直流侧电流id。进行闭环控制，其中，直流侧参考电流为 给定值4，直流侧电流的采样值id。为反馈量；
[0014] 步骤5:利用PI控制器对解耦电容C1和C2的电压的平均值u。del、u。de2进行闭环 控制，其中，解耦电容C1和C2的电压的平均值参考<_&1、为给定值，解耦电容C1和 C2的电压的采样值1^和u。2为反馈量；
[0015] 步骤6:利用DSP处理器计算开关信号的占空比，通过载波调制方法和PWM产生电 路产生PWM信号，将该信号传输给驱动电路以控制开关管的通断；使得直流侧电流的实际 值id。跟踪其给定值4、解耦电容电压1^和u。2的平均值跟踪上其给定值W+m、。
[0016] 优选地，步骤4具体包括如下步骤：将直流侧电流的参考值C与其采样值id。之差 作为PI控制器的输入，PI控制器的输出ei与电压前馈1
的和作为解耦电容串联接入电路中的等效电压指令值1^#，其表达式如下：
[0017]
[0018] 其中，V是交流侧输入电源电压的幅值，I是交流侧输入电源电流的幅值，A是输入 电源电流与输入电源电压的相角差，《是输入电源电压的角频率，#将作为电流型H桥 电路中开关信号占空比计算的输入之一。
[0019]优选地，步骤5具体包括如下步骤：利用一阶低通滤波器来提取解耦电容电压的 采样值心和u。2的平均值u。dc;1、u。dc;2;将解耦电容C1的电压平均值的参考与u。dc;1之 差作为PI控制器一的输入，PI控制器一的输出为eul;将解耦电容C2的电压的平均值的参 考值与u。dc;2之差作为PI控制器二的输入，PI控制器二的输出为eu2;PI控制器的输 出与输入电流幅值前馈量2P/V的和乘以输入电压相位信号on的余弦值作为输入参考电 流igMf，其表达式如下：
[0020]
[0021] 其中，P为交流侧输入的平均功率；当电流型H桥电路运行在工作模式一或工作模 式四时eu等于eul，运行在工作模式二和工作模式三时eu等于eu2,ig 将作为电流型H桥电 路中开关信号占空比计算的输入之一。其中，工作模式一是指ig_Mf>〇，uABMf>0时系统的运 行状态；工作模式二是指ig #>〇，~#< 0时系统的运行状态；工作模式三是指ig 0， UAB_Mf>〇时系统的运行状态；工作模式四是指0,Uabj^彡0时系统的运行状态。
[0022] 本发明的有益效果是：
[0023] 本发明提供了一种无需增加额外开关器件的有源功率解耦装置及控制方法，其根 本目的在于减少有源解耦装置中开关器件的使用和实现二次脉动功率的完全解耦。本发 明的无需增加额外开关装置的有源解耦装置拓扑包括单相输入电源、输入滤波器、电流型H 桥电路、功率解耦电容、输出滤波器及直流负载。该拓扑结构的核心是通过对原来单相电流 型变换器的开关进行重组，以同时实现功率解耦和变换器整流；该拓扑控制的核心是将解 耦电容看成一个电压源，用以维持中间直流滤波电感电流的伏秒平衡，得到恒定的直流电 流，从而实现二次脉动功率的完全解耦；而作为电压源的解耦电容的电压由单相电压源来 提供，并通过反馈校正的方法控制其平均值恒定。
[0024] 本发明提供的一种无需增加额外开关器件的有源功率解耦装置及控制方法无需 增加额外的开关器件，有利于系统成本的减少和效率的提高；有源解耦装置中直流电流由 解耦电路的实时反馈控制来维持其恒定，这使得直流侧电流具有快速精确的跟踪能力，可 以实现完全解耦；解耦电容电压只需要维持其平均值，控制不再依赖于参数，控制器的设计 变得简单。
【附图说明】
[0025] 图1是本发明实施例有源功率解耦装置的结构框图。
[0026] 图2是本发明实施例有源功率解親装置运彳丁状态不意图。
[0027] 图3是本发明实施例控制系统DSP控制框图。
[0028] 图4是本发明实施例控制系统的控制算法框图。
[0029]图5是本发明实施例变换器交流侧和解耦电容接入主电路的时间安排示意图。
[0030] 图6是本发明实施例控制系统中FPGA的状态机示意图。
[0031]图7是传统拓扑结构与本发明变换器拓扑结构实验对比图。
[0032] 图8是本发明实施例有源功率解耦装置电流超前电压10°实验波形。
[0033] 图9是本发明实施例有源功率解耦装置电流滞后电压10°实验波形。
【具体实施方式】
[0034] 下面将结合附图对本发明进行详细说明如下：
[0035] 如图1所示，本发明所公开的一种无需增加额外开关器件的有源功率解耦装置， 其包括单相输入电源1、输入滤波器2、电流型H桥电路3、功率解耦电容4、输出滤波器5及 直流负载6;单相输入电源1直接连接到电网或是连接到单相变压器的副边；电流型H桥电 路3通过所述的输入滤波器2与单相输入电源1相连；两个功率解耦电容4跨接在所述的 电流型H桥电路3之间；电流型H桥电路3输出直流侧通过所述的直流侧滤波电感5和直 流负载6连接。
[0036] 其中，功率解耦电容4由两个容值相等的解耦电容C1和C2组成；解耦电容C1的 一端与IGBT功率器件S1的集电极相连，另一端与IGBT功率器件S3的发射极相连；解耦 电容C2的一端与IGBT功率器件S4的集电极相连，另一端与IGBT功率器件S2的发射极相 连。
[0037] 图2是本发明所公开的一种无需增加额外开关器件的有源功率解耦装置的开关 运行状态示意图；其中括号中的四个数字从左至右分别对应了IGBTS1、IGBTS2、IGBTS3、 IGBTS4的运行状态，'0'表示相应的开关处于关断状态，'1'表示相应的开关处于导通状 态；
[0038] 运行状态1中IGBTS1和IGBTS4导通，IGBTS2和IGBTS3关断；
[0039]运行状态 2 中IGBTS4 导通，IGBTSl、IGBTS2 和IGBTS3 关断；
[0040] 运行状态3中IGBTS1和IGBTS2导通，IGBTS3和IGBTS4关断；
[0041]运行状态 4 中IGBTS2 导通，IGBTSl、IGBTS3 和IGBTS4 关断；
[0042]运行状态 5 中IGBTSl、IGBTS2 和IGBTS4 导通，IGBTS3 关断；
[0043] 运行状态6中IGBTS3和IGBTS4导通，IGBTS1和IGBTS2关断；
[0044]运行状态 7 中IGBTS2、IGBTS3 和IGBTS4 导通，IGBTS1 关断；
[0045] 运行状态8中IGBTS2和IGBTS3导通，IGBTS1和IGBTS4关断；
[0046]运行状态 9 中IGBTS3 导通，IGBTSl、IGBTS2 和IGBTS4 关断；
[0047]运行状态 10 中IGBTS1 导通，IGBTS2、IGBTS3 和IGBTS4 关断；
[0048]运行状态 11 中IGBTSl、IGBTS3 和IGBTS4 导通，IGBTS2 关断；
[0049]运行状态 12 中IGBTSl、IGBTS2 和IGBTS3 导通，IGBTS4 关断。
[0050] 当电流型H桥电路运行在工作模式一时，开关运行状态在运行状态1、运行状态2、 运行状态3和运行状态4之间切换。
[0051] 当电流型H桥电路运行在工作模式二时，开关运行状态