基于调制信号补偿的隔离型AC/DC变换器控制方法技术

本发明专利技术公开了基于调制信号补偿的隔离型AC/DC变换器控制方法，该方法首先将直流电压控制环的输出作为外移相角进行高频载波移相，以控制有功功率的传输大小与方向；其次利用移相比与网侧电流分量的数学关系，得到网侧电流参考值，进一步引入电流控制环补偿调制波信号；最后利用合成调制信号与移相载波信号生成开关管触发脉冲，实现变换器目标电压输出，同时保证较高的网侧电流质量；避免了功率传输时由于电压不匹配而造成网侧电流开关周期的突变，有利于提高变换器的软开关特性并减少导通损耗；有利于传统PWM变换器控制方法的映射与应用，提高系统动态性能，扩大应用范围。扩大应用范围。扩大应用范围。

【技术实现步骤摘要】
基于调制信号补偿的隔离型AC/DC变换器控制方法


[0001]本专利技术涉及一种AC/DC变换器控制方法，特别涉及一种基于调制信号闭环补偿的单相单级式双向隔离型AC/DC变换器控制方法。

技术介绍

[0002]随着电动汽车的市场占有量日益提高，如何高效利用车载电池成为国内外研究热点，以电动汽车储能源向电网馈电为核心的V2G技术应运而生。当电网负荷较高时，利用电动汽车储能源向电网送电；当电网负荷较低时，利用电动汽车存储过剩的发电量。V2G技术可以实现电网与车辆的双向互动，通过削峰填谷改善电网负荷曲线，实现负载均衡以提高电网利用率。实现这一技术的关键环节在于具有体积小巧、功率密度高、电气隔离、工作稳定高效等特性的双向AC/DC变换器的设计与控制。
[0003]目前典型的隔离型双向AC/DC变换器拓扑主要分为两类。一为两级结构，交流侧采用PWM整流器，连接基于半桥结构的DAB变换器到直流源，实现AC/DC/DC的两级能量变换；其控制简单，技术成熟，但中间直流母线需要大电容稳压，可靠性较低的同时，对提高功率密度有一定的限制。二为单级结构，交流侧连接矩阵变换器，再通过高频变压器实现与直流侧全桥结构的能量传递，单级结构减小了变换器的体积和重量，显著地提高了可靠性及功率密度，得到学界的广泛关注。
[0004]单级式隔离型双向AC/DC变换器主要通过控制方波移相以实现传输功率大小和流向的调节，即控制变压器两侧变换器的驱动脉冲，以改变原、副边方波信号的占空比及相位差。该调制方式具有开环功率因数校正、交流侧开关管的零电流关断、直流侧开关管的零电压导通等优点。但开环控制对两侧电压值准确性要求较高，同时对无源器件的参数敏感；当系统电压被扰动时，极可能发生失稳，并为电网注入大量谐波；而且难以抑制电网背景谐波的干扰，电能质量不高；此外，实际应用中通常在网侧安装滤波器以提高电网电能质量，但开环控制无法避免因滤波器对变换器侧输入电压的影响而导致的调制误差，进而引起网侧电流畸变；因此需要设计闭环控制策略实现系统的自我调节，提高系统鲁棒性，扩大应用领域。
[0005]有学者提出一种电压控制策略，基于调制相移与直流母线电流的直流分量之间的数学关系，利用相移量控制直流母线电压。然而单电压环控制速度慢，动态性能不佳，同时由于缺少环节控制网侧电流，电能质量不高，电流总畸变率过高。一些学者则提出了同步旋转坐标系下的电流控制策略，利用虚拟网侧电流正交量实现单相交流电的坐标变换，在dq坐标系下引入相角控制量实现有功功率和无功功率的分别控制。然而在虚拟电流正交量时受电网背景谐波影响大，难以保证网侧电流质量；同时，该电流控制策略下的控制信号输出到变换器的过程为非线性环节，控制变量与驱动信号之间数学关系复杂，增加了控制器计算量，并且不利于稳定性分析。

技术实现思路

[0006]为解决上述技术问题，本专利技术提供一种提高电流质量、降低开关损耗同时稳定可靠、降低计算复杂性的基于调制信号闭环补偿的单相单级式隔离型AC/DC变换器控制方法。
[0007]本专利技术提供基于调制信号补偿的隔离型AC/DC变换器控制方法，具体包括如下步骤：
[0008](1)利用频率为f
s
的单极性三角载波v
tri1
生成50％占空比的开关信号驱动单相单级式隔离型单相双向AC/DC变换器的矩阵变换器开关器件S
1ia
‑
S
4ia(i＝1,2)
和S
1ib
‑
S
4ib(i＝1,2)
工作，产生幅值按输入电压大小变化的准方波v
p
(t)，其表达式为：
[0009][0010]式中：v
p
(t)为矩阵变换器输出电压，v
Cf
(t)为AC/DC变换器输入电压，T
s
为开关周期；
[0011](2)利用电压控制环输出量δ对频率为f
s
的单极性三角载波v
tri1
进行移相，移相时间为电压控制环输出量δ与变换器工作开关周期T
s
的乘积，T
s
直接给定，得到移相后的三角载波信号v
tri2
；
[0012](3)利用调制波信号v
m
(t)与AC/DC变换器输入电压v
cf
(t)的数学关系进行电流控制环设计，利用电流控制环生成的输出量补偿电网电压v
i
，得到调制波信号v
m
(t)；
[0013](4)利用步骤(3)得到的调制波信号v
m
(t)与直流侧电压指令值V
o*
按下式进行变换，得到调制信号d(t)、1
‑
d(t)；
[0014][0015][0016]式中：d(t)为调制信号，v
m
(t)为调制波信号，V
o*
为直流侧参考电压；
[0017](5)将步骤(4)得到的调制信号d(t)与步骤(2)得到的移相后三角载波信号v
tri2
进行比较，生成开关信号驱动AC/DC变换器的直流侧开关管S
21
工作，并将该开关信号取反后驱动直流侧开关管S
22
工作；将步骤(4)得到的调制信号1
‑
d(t)与步骤(2)得到的移相后三角载波信号v
tri
进行比较，生成开关信号驱动直流侧开关管S
24
工作，并将该开关信号取反后驱动直流侧开关管S
23
工作；直流侧全桥变换器输出电压为三电平电压波v
q
(t)；
[0018](6)利用步骤(1)输出的准方波v
p
(t)和步骤(5)输出的三电平电压波v
q
(t)之间的相位差即可进行功率的传输，当v
p
(t)超前v
q
(t)时，功率从交流侧流向直流侧；当v
p
(t)滞后v
q
(t)时，功率从直流侧流向交流侧。
[0019]优选地，所述变换器输入端连接交流电源，输出端连接负载；所述变换器的拓扑结构包括顺序连接的输入滤波器、矩阵变换器、高频隔离变压器、直流侧全桥变换器、输出稳压电容；其中所述输入滤波器为LC结构，由输入电感L
f
和输出电容C
f
串联组成；所述矩阵变换器包含四个四象限开关S
11
‑
S
14
，每个四象限开关由两个共发射极的功率开关管S
1ia
、S
1ib(i＝1,2,3,4)
组成；所述矩阵变换器一侧与输入滤波器相连，另一侧与高频隔离变压器原边
相连；所述高频隔离变压器的变比为1:n，等效漏感为L
t
；所述直流侧全桥变换器包含四个二象限开关S
21
‑
S
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于调制信号补偿的隔离型AC/DC变换器控制方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)利用频率为f
s
的单极性三角载波v
tri1
生成50％占空比的开关信号驱动单相单级式隔离型单相双向AC/DC变换器的矩阵变换器开关器件S
1ia
‑
S
4ia(i＝1,2)
和S
1ib
‑
S
4ib(i＝1,2)
工作，产生幅值按输入电压大小变化的准方波v
p
(t)，其表达式为：式中：v
p
(t)为矩阵变换器输出电压，v
Cf
(t)为AC/DC变换器输入电压，T
s
为开关周期；(2)利用电压控制环输出量δ对频率为f
s
的单极性三角载波v
tri1
进行移相，移相时间为电压控制环输出量δ与变换器工作开关周期T
s
的乘积，T
s
直接给定，得到移相后的三角载波信号v
tri2
；(3)利用调制波信号v
m
(t)与AC/DC变换器输入电压v
cf
(t)的数学关系进行电流控制环设计，利用电流控制环生成的输出量补偿电网电压v
i
，得到调制波信号v
m
(t)；(4)利用步骤(3)得到的调制波信号v
m
(t)与直流侧电压指令值V
o*
按下式进行变换，得到调制信号d(t)、1
‑
d(t)；d(t)；式中：d(t)为调制信号，v
m
(t)为调制波信号，V
o*
为直流侧参考电压；(5)将步骤(4)得到的调制信号d(t)与步骤(2)得到的移相后三角载波信号v
tri2
进行比较，生成开关信号驱动AC/DC变换器的直流侧开关管S
21
工作，并将该开关信号取反后驱动直流侧开关管S
22
工作；将步骤(4)得到的调制信号1
‑
d(t)与步骤(2)得到的移相后三角载波信号v
tri
进行比较，生成开关信号驱动直流侧开关管S
24
工作，并将该开关信号取反后驱动直流侧开关管S
23
工作；直流侧全桥变换器输出电压为三电平电压波v
q
(t)；(6)利用步骤(1)输出的准方波v
p
(t)和步骤(5)输出的三电平电压波v
q
(t)之间的相位差即可进行功率的传输，当v
p
(t)超前v
q
(t)时，功率从交流侧流向直流侧；当v
p
(t)滞后v
q
(t)时，功率从直流侧流向交流侧。2.如权利要求1所述的基于调制信号补偿的隔离型AC/DC变换器控制方法，其特征在于：所述变换器输入端连接交流电源，输出端连接负载；所述变换器的拓扑结构包括顺序连接的输入滤波器、矩阵变换器、高频隔离变压器、直流侧全桥变换器、输出稳压电容；其中所述输入滤波器为LC结构，由输入电感L
f
和输出电容C
f
串联组成；所述矩阵变换器包含四个四象限开关S
11
‑
S
14
，每个四象限开关由两个共发射极的功率开关管S
1ia
、S
1ib(i＝1,2,3,4)
组成；所述矩阵变换器一侧与输入滤波器相连，另一侧与高频隔离变压器原边相连；所述高频隔离变压器的变比为1:n，等效漏感为L
t
；所述直流侧全桥变换器包含四个二象限开关S
21
‑
S
24
；所述直流侧全桥变换器一侧与高频隔离变压器副边相连，另一侧与输出稳压电容C
t
相连。3.如权利要求1所述的基于调制信号补偿的隔离型AC/DC变换器控制方法，其特征在于：所述步骤(1)中S
1ia
‑
S
4ia(i＝1,2)
和S
1ib
‑
S
4ib(i＝1,2)
的驱动信号采用50％占空比的开关信号；
当输入电压为正时，导通所有b组开关管，且对于a组开关管，当开关信号为1时，导通开关管S
11a
和S
14a
，关断开关管S
12a
与S
13a
；当开关信号为0时，导通开关管S
12a
和S
13a
，关断开关管S
11a
与S
14a
；当输入电压为负时，导通全部a组开关管，且对于b组开关管，当开关信号为1时，导通开关管S
11b
和S
14b
，关断开关管S
12b
与S
13b
；当开关信号为0时，导通开关管S
12b
和S
13b
，关断开关管S
11b
与S
14b
。4.如权利要求1所述的基于调制信号补偿的隔离型AC/DC变换器控制方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：李小强，徐荣姬，叶继铭，黄金伟，谢淼，伍小杰，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：