在運(yùn)行狀態(tài)1、運(yùn)行狀態(tài)5、 運(yùn)行狀態(tài)6和運(yùn)行狀態(tài)7之間切換。
[0052] 當(dāng)電流型H橋電路運(yùn)行在工作模式三時(shí)，開(kāi)關(guān)運(yùn)行狀態(tài)在運(yùn)行狀態(tài)3、運(yùn)行狀態(tài)8、 運(yùn)行狀態(tài)9和運(yùn)行狀態(tài)10之間切換。
[0053] 當(dāng)電流型H橋電路運(yùn)行在工作模式四時(shí)，開(kāi)關(guān)運(yùn)行狀態(tài)在運(yùn)行狀態(tài)6、運(yùn)行狀態(tài)8、 運(yùn)行狀態(tài)11和運(yùn)行狀態(tài)12之間切換。
[0054] 圖3是本發(fā)明控制系框圖，控制電路包括相應(yīng)的采樣調(diào)理電路7、控制器8及IGBT 驅(qū)動(dòng)電路9。
[0055] 采樣調(diào)理電路7的左邊部分采樣電路負(fù)責(zé)濾波電容Cf的電壓urf、解耦電容C1的 電壓Uc;1和解耦電容C2的電壓u。2的采樣和調(diào)理，采樣電路7的右邊部分采樣電路負(fù)責(zé)直流 母線電流id。的采樣和調(diào)理?？刂破?負(fù)責(zé)計(jì)算和調(diào)制等重要工作，并把各PWM開(kāi)關(guān)信號(hào)傳 遞給驅(qū)動(dòng)電路9,以下是本發(fā)明中控制方法的詳細(xì)實(shí)施步驟：
[0056] 第一步，采集電壓11。{、11。1、11。2以及電流1 (1。，并通過(guò)鎖相環(huán)提取電網(wǎng)電壓11。{的相位 信息wt。
[0057] 第二步，利用urf的相位信息on，以及交流側(cè)輸入電壓幅值V，忽略濾波電感Lfl 的壓降，得到濾波電容Cf的電壓urf和電流irf表達(dá)式如下：
[0058] ucf=Vcos(wt)(1)
[0059]
(2)
[0060]w是輸入電源電壓的角頻率。
[0061] 若系統(tǒng)功率因數(shù)角度為心則交流側(cè)輸入電流ig為：
[0062] (3)
[0063]其中I是交流側(cè)輸入電流的幅值。
[0064] 根據(jù)式⑵和（3)知，穩(wěn)態(tài)時(shí)電流型H橋變換器需合成的輸入電流表達(dá)式為：
[0065] ig ref= i g-icf⑷
[0066] 第三步，根據(jù)式（1)和式（4)知，變換器輸入端的瞬時(shí)功率表達(dá)式為：
[0067]
[0068] 其中P。是平均值功率，pd是脈動(dòng)功率；
[0069] 為了消除脈動(dòng)功率，那么解耦電容需要吸收的功率為pd，則在穩(wěn)態(tài)下需等效串聯(lián) 接入主電路的電壓為：
[0070]
[0071] 第四步，結(jié)合圖4控制算法框圖中PI控制器的反饋環(huán)節(jié)，對(duì)式（4)和式（6)進(jìn)行 校正：
[0072]
[0073]
[0074]電路運(yùn)行在工作模式一和工作模式四時(shí)，eu等于eul。
[0075]電路運(yùn)行在工作模式二和工作模式三時(shí)，eu等于e也。
[0076] 工作模式一：ig ,ef>0, uAB Mf>0時(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)解耦電容Cl吸收二次脈動(dòng) 功率；
[0077] 工作模式二：igMf>0,uAB 0時(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)解耦電容C2釋放二次脈 動(dòng)功率；
[0078] 工作模式三：ig 0,um,ef>0時(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)解耦電容C2吸收二次脈 動(dòng)功率；
[0079] 工作模式四：ig 彡0,u# 0時(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)解耦電容C1釋放二次 脈動(dòng)功率。
[0080]eul的求解過(guò)程如下：首先，解耦電容C1的電壓11。:經(jīng)過(guò)一階低通濾波器后得到平 均值u。dc;1，參考值與u。dc;1的差值作為PI控制器的輸入，PI控制器的輸出為eul。
[0082]
[0081] ~的求解過(guò)程和eU1類似，它們的具體表達(dá)形式如下：
[0083]
[0084]kp為比例控制系數(shù)，k$積分控制系數(shù)，解耦電容C1和C2電壓的平均值參考均為 U0(s)，丁是時(shí)間常數(shù)，L-1!：：}為反拉普拉斯算子，式（9)和式（10)中比例控制系數(shù)kp、積分 控制系數(shù)匕、時(shí)間常數(shù)t的值相同。
[0085] ei是直流側(cè)電流參考值4與實(shí)際采樣值id。之差經(jīng)過(guò)PI控制器后的輸出，具體表 達(dá)形式如下：
[0086]
[0087]其中kpl為比例控制系數(shù)，kn為積分控制系數(shù)。
[0088]第五步，根據(jù)式（7)和（8)，結(jié)合直流電流的采樣值id。、解耦電容C1的電壓的采樣 值Uc;1和解耦電容C2的電壓的采樣值u。2;計(jì)算占空比：
[0089]
[0090]
[0091]其中4是單相電壓源接入電路運(yùn)行的占空比，dd是解耦電容接入電路運(yùn)行的占空 比。
[0092] 電路運(yùn)行在工作模式1和工作模式4時(shí)，u。等于解耦電容C1的電壓采樣值u。1;
[0093] 電路運(yùn)行在工作模式2和工作模式3時(shí)，u。等于解耦電容C2的電壓采樣值u。2。
[0094]第六步，根據(jù)式（12)和（13)，結(jié)合電路的工作模式，確定FPGA的狀態(tài)機(jī)，首先令：
[0095]
[0096] A d = | l-dd-dr (15)
[0097]根據(jù)式（14)和（15)確定一個(gè)開(kāi)關(guān)周期1；中實(shí)際運(yùn)行中單相電壓源接入到主電 路的運(yùn)行時(shí)間和解耦電容接入主電路的運(yùn)行時(shí)間，詳細(xì)情況見(jiàn)圖5。
[0098] 圖6是電路運(yùn)行過(guò)程中FPGA狀態(tài)機(jī)的描述。狀態(tài)機(jī)中的開(kāi)關(guān)狀態(tài)經(jīng)過(guò)IGBT驅(qū)動(dòng) 電路產(chǎn)生PWM波控制相應(yīng)開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷。
[0099] 實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了所提拓?fù)浜涂刂品椒ǖ恼_性和可行性。輸入電網(wǎng)電壓為 110V/50HZ，輸入濾波電容Cf的電容量為20uF，輸入濾波電抗Lf的電感量為0. 6mH，解耦電 容C1和C2的容量為90uF，直流母線上直流電感Ld。的電感量為5mH，負(fù)載電阻R為8. 7Q，直 流側(cè)電流參考值大小為7A，采樣頻率和開(kāi)關(guān)頻率均為20kHz。圖7為傳統(tǒng)單相電流型AC/DC 變換器和本發(fā)明的拓?fù)洳捎猛瑯拥闹麟娐穮?shù)時(shí)中間直流電流的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)解 耦電容投入電路進(jìn)行功率解耦，隨后解耦電容突然切除，此時(shí)的拓?fù)湎喈?dāng)于傳統(tǒng)的單相電 流型H變換器，可以看出投入解耦電路以后直流電流的脈動(dòng)明顯降低，解耦效果顯著。圖8 和圖9分別為解耦電路投入運(yùn)行時(shí)輸入電流超前輸入電壓10°和滯后10°的實(shí)驗(yàn)波形，可 以看出在非單位功率因數(shù)運(yùn)行狀態(tài)下，本發(fā)明所公開(kāi)的無(wú)需增加額外開(kāi)關(guān)裝置的有源解耦 裝置仍能有效的運(yùn)行。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種無(wú)需增加額外開(kāi)關(guān)器件的有源功率解耦裝置，其特征在于，包括：?jiǎn)蜗噍斎腚?源，輸入濾波器，電流型H橋電路，功率解耦電容，輸出濾波器及直流負(fù)載；電流型H橋電路 通過(guò)所述的輸入濾波器與單相輸入電源相連；兩個(gè)功率解耦電容跨接在所述的電流型H橋 電路之間；電流型H橋電路輸出直流側(cè)通過(guò)直流側(cè)濾波電感和直流負(fù)載相連； 其中，功率解耦電容由兩個(gè)容值相等的解耦電容Cl和C2組成；解耦電容Cl的一端與 電流型H橋電路的IGBT功率器件Sl的集電極相連，另一端與電流型H橋電路的IGBT功率 器件S3的發(fā)射極相連；解耦電容C2的一端與電流型H橋電路的IGBT功率器件S4的集電 極相連，另一端與電流型H橋電路的IGBT功率器件S2的發(fā)射極相連。2. -種無(wú)需增加額外開(kāi)關(guān)器件的有源功率解耦裝置的控制方法，其特征在于，包括以 下步驟： 步驟1 :采集4路信號(hào)，它們分別是電流型H橋電路的輸入濾波電容Cf的電壓u rf、直流 側(cè)電流id。、解耦電容Cl的電壓Uca以及解耦電容C2的電壓u。2，對(duì)信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理 后，將它們傳給DSP處理器； 步驟2 :對(duì)采集的直流側(cè)電流id。、解耦電容Cl和C2的電壓ujP u。2進(jìn)行判斷，若信號(hào) 值達(dá)到過(guò)流保護(hù)值或過(guò)壓保護(hù)值，則對(duì)PWM信號(hào)進(jìn)行封鎖，否則進(jìn)入步驟3 ; 步驟3 :利用單相鎖相環(huán)獲取輸入濾波電容Cf的電壓Urf的相位信息on ; 步驟4 :利用PI控制器對(duì)直流側(cè)電流id。進(jìn)行閉環(huán)控制，其中，直流側(cè)參考電流為給定 值C，直流側(cè)電流的采樣值id。為反饋量； 步驟5 :利用PI控制器對(duì)解耦電容Cl和C2的電壓的平均值UcjWUc^2進(jìn)行閉環(huán)控制， 其中，解耦電容Cl和C2的電壓的平均值參考為給定值，解耦電容Cl和C2的 電壓的米樣值!^和U。2為反饋量； 步驟6 :利用DSP處理器計(jì)算開(kāi)關(guān)信號(hào)的占空比，通過(guò)載波調(diào)制方法和PWM產(chǎn)生電路產(chǎn) 生PWM信號(hào)，將該信號(hào)傳輸給驅(qū)動(dòng)電路以控制開(kāi)關(guān)管的通斷；使得直流側(cè)電流的實(shí)際值id。 跟蹤其給定值4、解耦電容電壓Uc^P u。2的平均值跟蹤上其給定值。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述步驟4具體包括如下步驟： 將直流側(cè)電流的參考值C與其采樣值id。之差作為PI控制器的輸入，PI控制器的輸出 ei與電壓前饋I的和作為解耦電容串聯(lián)接入電路中的等 效電壓指令值uAB ，其表達(dá)式如下：其中，V是交流側(cè)輸入電源電壓的幅值，I是交流側(cè)輸入電源電流的幅值，Φ是輸入電 源電流與輸入電源電壓的相角差，ω是輸入電源電壓的角頻率，uAB 將作為電流型H橋電 路中開(kāi)關(guān)信號(hào)占空比計(jì)算的輸入之一。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述步驟5具體包括如下步驟： 利用一階低通濾波器來(lái)提取解耦電容電壓的采樣值Uc^P u。2的平均值u。dc;1、u。,。2;將 解耦電容Cl的電壓平均值的參考《丨^與Ucjca之差作為PI控制器一的輸入，PI控制器一 的輸出為eul;將解耦電容C2的電壓的平均值的參考值與Uc^2之差作為PI控制器二 的輸入，PI控制器二的輸出為eu2;PI控制器的輸出與輸入電流幅值前饋量2P/V的和乘以 輸入電壓相位信號(hào)的余弦值作為輸入?yún)⒖茧娏鱥g_raf，其表達(dá)式如下：其中，P為交流側(cè)輸入的平均功率；當(dāng)電流型H橋電路運(yùn)行在工作模式一或工作模式四 時(shí)eu等于e ul，運(yùn)行在工作模式二和工作模式三時(shí)eu等于e ^ ig Mf將作為電流型H橋電路 中開(kāi)關(guān)信號(hào)占空比計(jì)算的輸入之一，其中，工作模式一是指ig_ Mf>〇, Uab Mf>0時(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行 狀態(tài)；工作模式二是指ig_Mf>〇, Uab O時(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)；工作模式三是指i g ,ef彡0， Uabj^X)時(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)；工作模式四是指ig_raf< 0, u 彡0時(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種無(wú)需增加額外開(kāi)關(guān)器件的有源功率解耦裝置及控制方法，它是通過(guò)在常規(guī)的單相電流型變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中增加兩個(gè)額外的儲(chǔ)能電容來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在每個(gè)工頻周期里，每個(gè)儲(chǔ)能電容輪流工作來(lái)完成單相電流型變換器中固有二次脈動(dòng)功率的吸收與釋放。與常規(guī)有源解耦裝置相比，它無(wú)需增加額外的開(kāi)關(guān)器件，有利于降低系統(tǒng)成本和提高系統(tǒng)效率。所述的有源解耦裝置中直流電流由解耦電路實(shí)時(shí)校正，解耦電容電壓的平均值由整流級(jí)電路維持恒定。系統(tǒng)控制不依賴于精確的系統(tǒng)參數(shù)，魯棒性強(qiáng)；只需簡(jiǎn)單的PI控制器即可實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)快速無(wú)誤差跟蹤，控制器設(shè)計(jì)容易。
【IPC分類】H02M7/219
【公開(kāi)號(hào)】CN104883083
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510266612
【發(fā)明人】孫堯, 劉永露, 但漢兵, 張關(guān)關(guān), 楊建 , 韓華, 彭濤, 王春生
【申請(qǐng)人】中南大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年9月2日
【申請(qǐng)日】2015年5月22日