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专利号: 2021111866120
申请人: 中国矿业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 发电、变电或配电
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

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fs的单极性三角载波vtri1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S1ia‑S4ia(i=1,2)和S1ib‑S4ib(i=1,2)工作,产生幅值按输入电压大小变化的准方波vp(t),其表达式为:式中:vp(t)为矩阵变换器输出电压,vCf(t)为AC/DC变换器输入电压,Ts为开关周期;

(2)利用电压控制环输出量δ对频率为fs的单极性三角载波vtri1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Ts的乘积,Ts直接给定,得到移相后的三角载波信号vtri2;

(3)利用调制波信号vm(t)与AC/DC变换器输入电压vcf(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vi,得到调制波信号vm(t);

*

(4)利用步骤(3)得到的调制波信号vm(t)与直流侧电压指令值Vo按下式进行变换,得到调制信号d(t)、1‑d(t);

*

式中:d(t)为调制信号,vm(t)为调制波信号,Vo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vtri2进行比较,生成开关信号驱动AC/DC变换器的直流侧开关管S21工作,并将该开关信号取反后驱动直流侧开关管S22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vtri进行比较,生成开关信号驱动直流侧开关管S24工作,并将该开关信号取反后驱动直流侧开关管S23工作;直流侧全桥变换器输出电压为三电平电压波vq(t);

(6)利用步骤(1)输出的准方波vp(t)和步骤(5)输出的三电平电压波vq(t)之间的相位差即可进行功率的传输,当vp(t)超前vq(t)时,功率从交流侧流向直流侧;当vp(t)滞后vq(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Lf和输出电容Cf串联组成;所述矩阵变换器包含四个四象限开关S11‑S14,每个四象限开关由两个共发射极的功率开关管S1ia、S1ib(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Lt;所述直流侧全桥变换器包含四个二象限开关S21‑S24;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Ct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S1ia‑S4ia(i=1,2)和S1ib‑S4ib(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S11a和S14a,关断开关管S12a与S13a;当开关信号为0时,导通开关管S12a和S13a,关断开关管S11a与S14a;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S11b和S14b,关断开关管S12b与S13b;当开关信号为0时,导通开关管S12b和S13b,关断开关管S11b与S14b。

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,其特征在于:所述步骤(2)中的电压控制环输出量δ为外移相比指令值,所述外移相比指令值采用将*

采集得到的直流侧电压Vo和直接给定的直流侧参考电压Vo作差比较,将作差比较后的结果输入PI控制器得到。

5.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(3)所述的调制信号vm(t)与AC/DC变换器输入电压vcf(t)的数学关系采用以下步骤推导:

(1a)假设直流侧电压值已稳定为Vo,通过对开关管的控制可以得到直流侧全桥变换器输出电压vq,表达式为:

vq=S1·Vo

式中S1为开关函数,Vo为直流侧电压,当S21、S24导通时,S1=1;当S22、S23导通时,S1=‑1;

其余情况时S1=0;根据面积等效原理,有:式中: 为电压vq在半个开关周期的平均值,Ts为开关周期, 为开关函数S1在半个开关周期的平均值,Vo为直流侧电压;

(2a)当调制波信号vm(t)、AC/DC变换器输入电压vcf(t)均大于0,即处于正弦波的正半周时,调制信号d(t)表达式为:

式中:d(t)为调制信号,vm(t)为调制波信号,Vo为直流侧电压;

对于[0,Ts/2],对开关周期求平均等效有:式中:d(t)为调制信号, 为开关函数S1在半个开关周期的平均值;

故有:

式中: 为电压vq在半个开关周期的平均值,vm(t)为调制波信号,Ts为开关周期;

对于[Ts/2,Ts],对开关周期求平均等效有:式中:d(t)为调制信号, 为开关函数S1在半个开关周期的平均值;

故有:

式中: 为电压vq在半个开关周期的平均值,vm(t)为调制波信号,Ts为开关周期;

(3a)调制波信号vm(t)、AC/DC变换器输入电压vcf(t)均小于0,即处于正弦波的负半周时,vq与vm(t)的关系与步骤(2a)结论相同;

(4a)由步骤(2a)及步骤(3a)可以得到一般情况下的直流侧全桥变换器输出电压vq与调制波信号vm(t)间的关系:

式中: 为电压vq在半个开关周期的平均值,vm(t)为调制波信号,Ts为开关周期;

(5a)对于所述变换器所包含的的等效漏感Lt的两端电压恒满足下述关系:vL(t)=vp(t)‑vq(t)式中:vL(t)为变压器等效漏感电压,vp(t)为矩阵变换器输出电压,vq(t)为直流侧全桥变换器输出电压,Ts为开关周期;

(6a)由步骤(4a)及步骤(5a)可以得到AC/DC变换器输入电压vCf(t)与调制信号vm(t)间的关系:

式中:vCf为AC/DC变换器输入电压,vm(t)为调制波信号, 为电感电压vL在半个开关周期的平均值。

6.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(3)中电流控制环输出量的生成过程包括以下步骤:(1b)根据步骤(2)所得到的电压控制环输出量δ和变换器固有参数,按下式计算,得到*

网侧电流d轴分量指令iid;

*

式中:K1为比例系数,iid 为网侧电流d轴分量指令,δ为移相比指令,n为变压器变比,Vi为网侧电压幅值,Lt为变压器等效漏感,fs为开关频率;

*

(2b)对步骤(1b)所得到的网侧电流d轴分量指令iid 和直接给定的网侧电流q轴分量指* *

令iiq进行反park变换,得到网侧电流指令值ii;

*

(3b)采用电流传感器采集网侧电流ii,将步骤(2b)得到的网侧电流指令值ii与网侧电流ii作差比较,将作差比较后的结果输入PR控制器,进而得到电流控制环输出量;所述PR控制器为准比例谐振控制器,所述准比例谐振控制器的传递函数Gpr(s)表达式如下:式中:kp为控制器比例增益,kr为控制器谐振增益,ωc为截止频率,ωi为谐振频率,fi为电网基波频率,s为复频域自变量。