CN102255529B - 大功率高效用能型高频开关电源的综合控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大功率高效用能型高频开关电源的综合控制方法，大功率高效用能型高频开关电源包括三相电流型逆变器，还包括由单相全桥逆变器、高频耦合变压器和低压整流器依次串联组成的高频DC/DC变换器，三相电流型逆变器的输入端接一组三相Y型连接的电容，并通过三相电感L与电网相连，三相电流型逆变器与高频DC/DC变换器的单相全桥逆变器相连，本发明的方法实现了系统的快速响应，迅速地跟踪负载的变化，实现了系统的高效用电，减少了系统的电压电流畸变率。

Description

大功率高效用能型高频开关电源的综合控制方法

技术领域

本发明涉及开关电源的控制方法，具体是一种大功率高效用能型高频开关电源的综合控制方法。

背景技术

在电力电子技术的应用及各种电源系统中，开关电源技术均处于核心地位。在电动汽车，变频传动和电解电镀行业中，更是离不开开关电源技术，通过开关电源改变用电频率，从而达到近于理想的负载匹配和驱动控制。传统的晶闸管或者二极管整流电路非常庞大且笨重，如果采用高顿开关电源技术，其体积和重量都会大幅度下降，而且可极大提高电源利用效率、节省材料、降低成本，实现高效率用电和高品质用电相结合。

针对大型电解电镀电源，传统电镀电解直流电源采用晶闸管相控整流模式，所以当可控硅导通角小时功率因数低，产生谐波含量大，直接导致配备电力变压器、连接导线、开关等损耗增加，一般容量大的可控硅整流器还需要增加额外的谐波治理和功率因数补偿装置，使得用户总投资成本大大增加。

为此，本发明采用一种三相电流型逆变器进行高效PWM整流，相对于电压型逆变器，电流型逆变器提供的是恒定的直流电流，其直流电压可调，并且低于电源电压。另外，电流型逆变器具有动态响应快，便于四象限运行，限流能力强，短路保护可靠性高，能在宽范围内精确控制等优点。利用高频PWM调制技术，控制电流型逆变器开关管的开通与关断时间，来实现直流侧调流的目的，它的功率因数非常高，一般可以达到0.95以上，谐波含量很小，具有控制精度高，输出波形好，节能省电等特点。高频开关电源的DC/DC变换侧采用一种由单相逆变器，高频耦合变压器和低压全波整流器构成的拓扑结构，它能将直流电逆变成高频交流电，然后通过高频耦合变压器和低压全波整流器转换为期望的电压电流信号，因此它可以实现能量的高效传输，大大提高开关电源的效率。此外，高频开关电源对电网容量要求也更小，同样大的电源，所需的电网容量可以降低20-30％。因此，高频开关电源控制以其速度快、稳压/稳流精度高、功率因素及效率高、纹波系数低，对电镀电源质量更有优势，成为开关电源的重要选择。

发明内容

本发明的目的是针对大功率高频开关电源的两个重要组成部分三相电流型逆变器和高频DC/DC变换器，提出了一种基于负载功率前馈的闭环控制方法和基于虚拟电阻的电流电压双环控制方法，实现系统的快速响应，迅速跟踪负载的变化。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种大功率高效用能型高频开关电源的综合控制方法，大功率高效用能型高频开关电源包括三相电流型逆变器，还包括由单相全桥逆变器、高频耦合变压器和低压整流器依次串联组成的高频DC/DC变换器，三相电流型逆变器的输入端接一组三相Y型连接的电容，并通过三相电感L与电网相连，三相电流型逆变器于高频DC/DC变换器相连，该方法包括以下步骤：

1)由负载功率计算得出三相电流型逆变器交流侧期望输入电流的幅值A和相角

2)检测电网电流i_Sa，通过相角检测器检测电网电流相角θ，检测结果与期望0值相减，经过PI控制器和限幅环节，得到三相电流型逆变器输出电流的相角控制输出

3)将相角控制输出

与三相电流型逆变器交流侧期望输出电流的相角

相加，得到相角的指令控制信号；

4)检测三相电流型逆变器直流侧电流，检测结果I_dc与给定值I_ref相减，经过PI控制器和限幅环节，得到三相电流型逆变器输出电流的幅值控制输出ΔA；

5)将逆变器输出电流的幅值控制输出ΔA与三相电流型逆变器交流侧期望输出电流的幅值A相加，得到幅值的指令控制信号；

6)合成相角和幅值的指令控制信号，得到三相电流型逆变器的调制波信号：

7)将三相调制信号进行高频PWM(脉冲宽度调制)调制，得到三相电流型逆变器开关器件的控制信号，驱动开关管得到期望的输出电压电流信号。

对所述高频DC/DC变换器采用的基于虚拟阻抗的电流电压双环控制方法的步骤为：

1)检测负载直流侧电流i_o，检测结果与给定值I_r相减，经过PI控制器和限幅环节，得到直流电流外环电压控制输出u；

2)将外环控制电压输出信号u与虚拟阻抗的电压反馈信号Ki_o相减，得到电压内环的电压参考信号

3)检测负载直流侧电压V_o，检测结果与参考值

相减，经过PI控制器和限幅环节，得到电压内环控制输出，即为全桥逆变器的占空比信号d_o；

4)通过高频PWM调制，得到单相全桥逆变器开关器件的控制信号，驱动开关管得到期望的输出电压电流信号。

所述三相电流型逆变器直流侧与高频DC/DC变换器的单相全桥逆变器之间并联有反向续流二极管和电容，反向续流二极管和电容之间串联了一个大电感。

以下对本发明作进一步说明：

三相交流电经过三相电流型逆变器进行PWM整流后，得到直流电压电流。通过单相逆变器将直流电逆变成高频交流电，然后经高频耦合变压器变换到次级，再经低压全波整流器整流滤波得到需要的电压电流量。本方案包括三相电流型逆变器，单相逆变器，高频耦合变压器和低压全波整流器。其中，三相电流型逆变器交流侧并接电容，通过电感连接到电网。三相电流型逆变器的直流侧反向并联一个续流二极管，之后串联大电感，抑制直流侧电流的脉动。

三相电流型逆变器通过采用高功率因数的PWM整流方式，实现电能的高效利用，并减小系统的电压电流畸变率，从而大大提高开关电源工作效率。针对由单相逆变器，高频耦合变压器和低压全波整流器构成的高频DC/DC变换器，通过采用一种基于虚拟电阻的电流电压双环控制方法，实现高频DC/DC变换器的恒压恒流输出，并具有抑制扰动的能力，提高装置的可靠性。通过基于虚拟电阻的电压反馈方法，使高频DC/DC变换器在控制上具有相同的输出特性，不受其物理输出特性的影响，可以实现多台逆变器并联的自均流控制。

本发明的有益效果是：大功率高频开关电源采用高频PWM整流和高频逆变技术，与二极管整流器相比，具有控制精度高，输出波形好，节能省电，功率因数高、谐波含量低，隔离性强，模块化结构等特点；三相电流型逆变器采用一种负载功率前馈的高功率因数PWM整流方式实现系统的快速响应，迅速跟踪负载的变化，通过闭环控制达到系统功率为1的目的，实现系统的高效用电，减少系统的电压电流畸变率；高频DC/DC变换器采用基于虚拟电阻的电流电压双环控制方法，实现输出直流电流电压的稳定；通过采用虚拟电阻的电压反馈方法，从控制上改变高频DC/DC变换器的输出特性，实现多台并联高频DC/DC变换器的自均流控制，从而省去了复杂的通讯系统，降低了成本，大大提高开关电源可靠性。

附图说明

图1为大功率高频开关电源的综合控制方法框图；

图2为三相电流型逆变器的单相等效模型；

图3为三相电流型逆变器的负载功率前馈控制框图；

图4为高频DC/DC变换器的等效模型；(a)为单台高频DC/DC变换器的等效模型；(b)为两台高频DC/DC变换器并联的等效模型；

图5为高频DC/DC逆变器的基于虚拟电阻的电流电压双环控制框图。

其中：

1：三相电流型逆变器；2：单相全桥逆变器；3：高频耦合变压器；4：全波整流器。

具体实施方式

参见图1，为大功率高频开关电源的综合控制框图。其中，大功率高频开关电源整体上由两部分构成，一部分为三相电流型逆变器1，将三相交流电变换为直流电；另一部分为由单相全桥逆变器2，高频耦合变压器3和低压整流器4构成的高频DC/DC变换器，通过单相逆变器将直流电转换为高频交流电，然后通过高频耦合变压器将能量输送到低压侧，之后通过低压整流器将高频交流电源转变为直流电，经过滤波电路后，输出稳定的直流电压电流，这样实现能量的高效传输。

大功率高频开关电源的综合控制方法也是由两部分组成，一是三相电流型逆变器1的基于负载功率前馈的控制方法，实现三相电流型逆变器1的快速、高效整流，跟踪负载的变化；二是高频DC/DC变换器的基于虚拟电阻的电流电压双环控制，保证高频DC/DC变换器稳定的电压电流输出，通过虚拟电阻的电压反馈方式实现多台并联高频DC/DC变换器的自均流控制。具体的描述见下文。

参见图2所示，为三相电流型逆变器的单相等效模型。图中，U_S为电网电压相量，L为电网阻抗，C为三相电流型逆变器交流侧并接电容值。根据电流型逆变器的特性，逆变器交流侧输出可等效为一受控电流源I_CS。I_S和I_C分别为交流侧电网和电容电流相量。根据基尔霍夫的电路叠加原理，则有如下的等式：

$I_S=U_S/(\mathrm{jwL}+\frac{1}{\mathrm{jwC}})-\frac{I_{\mathrm{CS}}}{\mathrm{jwC}}/(\mathrm{jwL}+\frac{1}{\mathrm{jwC}})---\left(1\right)$

其中，w为电网基波角频率。由此可以推得：

I_CS＝U_S*jwC-I_S(1-w²LC)    (2)

假设，U_S＝U∠0°且期望的电网电流I_S＝I_S∠θ。其中，电网电流的有功和无功分量为：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{SP}}=I_S\cos \mathrm{\θ}\\ I_{\mathrm{SQ}}=I_S\sin \mathrm{\θ}\end{array}\right.---\left(3\right)$

则可以计算出其中有：

假设通过三相电流型逆变器进行高功率因数的PWM整流方式给直流侧负载供电，可以大大减小系统电压电流的畸变率，实现能量的高效传输。理想情况下，认为系统的开关损耗为0，则根据能量平衡的原理有下式：

3UI cosθ/2＝P_D    (5)

其中U，I，θ和P_D分别为电网侧相电压相电流幅值，功率因数角和直流侧负载功率。在系统稳定运行后，通过高功率因数的PWM整流方式，可以实现系统的功率因数为1。此时系统的功率因数角θ为0，则期望的电网电流相量为：

将上式代入式(4)，可以计算出电流型逆变器期望输出电流的幅值和相角：

参见图3，为电流型逆变器的负载功率前馈控制方法。为了实现大功率高频开关电源的高效用能，本发明提出了一种基于负载功率前馈的闭环控制方法。首先，通过检测负载功率可以计算出电流型逆变器期望输出电流的幅值和相角，这样可以实现负载功率的前馈控制，迅速跟踪负载功率的变化。通过采用电网电流功率因数角的闭环控制方法，实现稳态时系统功率因数为1的目的，实现系统的高效用能；通过采用直流侧电流的闭环控制方法，实现直流侧电流的稳定，提高装置的静态性能。

图中，I_ref为流过逆变器直流侧电感L_d电流的给定值，I_dc为流过逆变器直流侧电感L_d电流的实际值，A和

可以由式(7)得到。

这种基于负载功率前馈的控制方式具体步骤如下：

1)通过公式(7)，由负载功率计算得出三相电流型逆变器交流侧期望输入电流的幅值A和相角

2)检测电网电流i_Sa，通过相角检测器检测电网电流相角θ，检测结果与期望0值相减，经过PI控制器和限幅环节，得到三相电流型逆变器输出电流的相角控制输出

这样就可以通过系统功率因数角的闭环控制，达到系统稳态功率因数为1的目的，实现系统的高效用能；

3)将相角控制输出

与三相电流型逆变器交流侧期望输出电流的相角

相加，得到相角的指令控制信号；

4)检测三相电流型逆变器直流侧电流，检测结果I_dc与给定值I_ref相减，经过PI控制器和限幅环节，得到三相电流型逆变器输出电流的幅值控制输出ΔA。这样就可以通过直流侧电流的闭环控制，实现直流侧电流的稳定，减小系统的输出电压电流的畸变，提高装置的稳定性能和补偿性能；

5)将逆变器输出电流的幅值控制输出ΔA与三相电流型逆变器交流侧期望输出电流的幅值A相加，得到幅值的指令控制信号；

6)将相角和幅值的指令控制信号进行合成，得到三相电流型逆变器的调制波信号：

7)通过高频PWM调制，得到三相电流型逆变器开关器件的控制信号，驱动开关管得到期望的输出电压电流信号。

限幅环节是将输出信号的幅度限定在一定的范围内，即当输入信号超过或者低于某一参考值后，输出电压将被限制在某一阈值，且不随输入电压变化。

为了实现大功率高频开关电源的高效高品质用能，本发明提出了一种基于负载功率前馈的闭环控制方法。采用一种负载功率前馈的高功率因数PWM整流方法，迅速跟踪负载功率的变化，提高了装置的动态补偿性能。通过采用功率因数角和直流侧电流的闭环控制方法，可以实现系统的高功率因数运行和直流侧电流的稳定，提高系统的效率和稳定性。最后，通过采用高效PWM整流方法，实现电能的高效利用，减少系统输出电压电流的畸变。

参见图4，为高频DC/DC变换器的等效模型。(a)为单台高频DC/DC变换器的等效模型，(b)为两台高频DC/DC变换器并联的等效模型。其中，高频DC/DC变换器是由单相全桥逆变器，高频耦合变压器和低压全波整流器构成。目的是将直流电逆变成高频交流电，再经高频耦合变压器和低压全波整流器得到需要的直流电压电流信号。通过高频逆变方式，实现能量的高效传输。

图(a)中，E为直流电源；u为高频DC/DC变换器的输出电压；i_o为高频DC/DC变换器的输出电流；R_o为高频DC/DC变换器的内阻；V_o和R_L分别为公共连接端的电压和负载。

根据电路原理，有如下的电压电流关系：

V_o＝u-R_oi_o    (9)

从上式可以看到，高频DC/DC变换器的输出能力受到其内阻的影响，内阻越小，其输出能力越强。不同的高频DC/DC变换器的内阻一般不同，当要把多个高频DC/DC变换器进行并联时，要采用合适均流控制方法实现各高频DC/DC变换器的均流运行。

图(b)中，E为直流电源；u₁和u₂为高频DC/DC变换器的输出电压；i₁和i₂为高频DC/DC变换器的输出电流；R₁和R₂为高频DC/DC变换器的内阻；V_o和R_L分别为公共连接端的电压和负载。

根据电路原理，有如下的电压电流关系：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_1=(u_1-V_o)/R_1\\ i_2=(u_2-V_o)/R_2\end{array}\right.---\left(10\right)$

从上式可以看到，由于两个模块输出特性的差别，会导致两模块在输出相同的电压情况下，输出的电流不相等。如果高频DC/DC变换器的输出电压控制上不合理，将会导致电流分配上不相等，进而产生很大环流。环流表达式如下：

i_H＝|i₁-i₂|/2    (11)

这种环流不仅影响高频逆变器的工作性能，进一步可能损坏高频开关电源。针对冶金、电镀等行业，它要求电源输出的电压电流是恒定均流的，如果输出出现偏差，将会严重影响生产产品的质量，造成巨大的经济损失。

参见图5，为高频DC/DC变换器的基于虚拟阻抗的电流电压双环控制方法。为了实现高频DC/DC变换器恒压恒流的稳定输出，本发明提出了一种基于虚拟阻抗的电流电压双环控制方法，具体步骤如下：

1)检测负载直流侧电流i_o，检测结果与给定值I_r相减，经过PI控制器和限幅环节，得到直流电流外环控制输出u；

2)将外环控制输出信号u与虚拟阻抗的反馈电压信号K*i_o相减，得到电压内环的参考值信号

有：

$V_o^{*}=u-K*i_o---\left(12\right)$

这样，将高频DC/DC变换器从控制上虚拟成一个内阻为K的可变电源。通过合理的选择K值(一般要远远大于其内阻)，使高频开关电源的输出特性在控制上不受其物理内阻的限制，从控制上改变系统的输出特性，提高装置的抗扰性能。尤其，当多台高频DC/DC变换器并联时，同时共用一个K值，这样它们在控制上具有相同的输出特性，通过闭环控制方法可以实现多台并联高频DC/DC变换器的自均流控制。

3)检测负载直流侧电压V_o，检测结果与给定值

相减，经过PI控制器和限幅环节，得到电压内环控制输出，即为全桥逆变器的占空比信号d_o；

4)通过高频PWM调制，得到单相全桥逆变器开关器件的控制信号，驱动开关管得到期望的输出电压电流信号。

为了提高高频开关电源的输出电压电流的稳态性能，本发明提出了一种电流电压的双环控制方法，确保系统输出电流电压稳定。通过采用基于虚拟电阻的电压反馈方法，将高频DC/DC变换器从控制上虚拟成一个具有内阻为K的可变电源，这样高频开关电源控制上不受其物理内阻的限制，具有可控的输出特性和输出能力，大大提高了装置的适应能力，并且通过虚拟阻抗电压的反馈，可以提高装置的抗扰性和稳定性。当多台开关电源并联时，采用一个相同的K值，使各台开关电源在控制上具有的输出特性，通过闭环控制方法可以实现多台并联高频开关电源的自均流控制，这样不需要复杂的信号交互系统进行均流信息通讯，减少装置的成本，大大提高装置的可靠性能。

Claims (2)

1.一种大功率高效用能型高频开关电源的综合控制方法，大功率高效用能型高频开关电源包括三相电流型逆变器，还包括由单相全桥逆变器、高频耦合变压器和低压整流器依次串联组成的高频DC/DC变换器，三相电流型逆变器的输入端接一组三相Y型连接的电容，并通过三相电感L与电网相连，三相电流型逆变器与高频DC/DC变换器的单相全桥逆变器相连，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)由负载功率计算得出三相电流型逆变器交流侧期望输入电流的幅值A和相角

2)检测电网电流i_Sa，通过相角检测器检测电网电流相角θ，检测结果与期望值0相减，经过PI控制器和限幅环节，得到三相电流型逆变器输出电流的相角控制输出

3)将相角控制输出

与三相电流型逆变器交流侧期望输出电流的相角相加，得到相角的指令控制信号；

4)检测三相电流型逆变器直流侧电流，检测结果I_dc与给定值I_ref相减，经过PI控制器和限幅环节，得到三相电流型逆变器输出电流的幅值控制输出ΔA；

5)将逆变器输出电流的幅值控制输出ΔA与三相电流型逆变器交流侧期望输出电流的幅值A相加，得到幅值的指令控制信号；

6)合成相角和幅值的指令控制信号，得到三相电流型逆变器的调制波信号：

7)将三相调制信号进行高频PWM调制，得到三相电流型逆变器开关器件的控制信号，驱动开关管得到期望的输出电压电流信号；

所述高频DC/DC变换器采用基于虚拟阻抗的电流电压双环控制方法的步骤为：

1)检测负载直流侧电流i_o，检测结果与给定值I_r相减，经过PI控制器和限幅环节，得到直流电流外环电压控制输出u；

2)将直流电流外环电压控制输出u与虚拟阻抗的电压反馈信号Ki_o相减，得到电压内环的电压参考信号

3)检测负载直流侧电压V_o，检测结果与参考值

相减，经过PI控制器和限幅环节，得到电压内环控制输出，即为全桥逆变器的占空比信号d_o；

4)通过高频PWM调制，得到单相全桥逆变器开关器件的控制信号，驱动开关管得到期望的输出电压电流信号。

2.根据权利要求1所述的大功率高效用能型高频开关电源的综合控制方法，其特征在于，所述三相电流型逆变器直流侧与高频DC/DC变换器的单相全桥逆变器之间并联有反向续流二极管和电容，反向续流二极管和电容之间串联了一个大电感。

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