[發(fā)明專利]電力電子變換器的能量平衡控制器及方法

有效

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• 申請日: 2013-10-16
• 公開（公告）號: CN103546019A
• 公開（公告）日: 2014-01-29
• 發(fā)明（設計）人: 吳青華;王磊
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: H02M1/08
• 分類號: H02M1/08
• 代理公司: 廣州市華學知識產(chǎn)權代理有限公司 44245
• 代理人: 蔡茂略

技術領域

本發(fā)明涉及一種電力電子變換器的能量平衡控制器及方法，尤其是一種電力電子DC-DC變換器、電力電子DC-AC及AC-DC變換器的能量平衡控制器及方法，屬于電力電子變換器的非線性控制領域。

背景技術

隨著直流輸電、可再生能源接入電網(wǎng)技術在世界范圍內(nèi)的發(fā)展，電力電子變換器在電力系統(tǒng)中的應用越來越廣泛，而應用場合的不斷拓廣對變換器的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能提出了更高的要求。傳統(tǒng)的線性PID和PI控制因其控制原理不清晰、參數(shù)整定繁雜以及動態(tài)性能較差的特點已無法滿足人們對于變換器快速的動態(tài)性能要求，其中傳統(tǒng)的線性PID控制存在的問題主要如下：

1)傳統(tǒng)的PID控制的原理即為通過對給定和反饋值的誤差進行比例、積分、微分的運算，得到的誤差值和三角波相比較，從而得到開關器件的PWM信號，通過在每個周期調(diào)節(jié)PWM信號的脈沖寬度來調(diào)節(jié)輸出電壓值。從而不可避免的產(chǎn)生調(diào)制誤差，其直接結果是帶來較大的波形畸變。另外，數(shù)學推導的缺失使得人們無從知道控制過程中PID是如何進行工作的，從而控制原理不清晰，錯誤的排查不方便。

2)PID控制器的設計依賴于控制系統(tǒng)精確的數(shù)學模型，通常PID參數(shù)調(diào)節(jié)繁雜，且多根據(jù)經(jīng)驗進行整定無法保證參數(shù)的最優(yōu)性；另外自整定能力的缺失使得PID參數(shù)必須隨控制系統(tǒng)參數(shù)的改變而不斷的重新整定。

3)效率的提高和動態(tài)性能的改善已經(jīng)成為變換器的發(fā)展趨勢，同時變換器的強耦合、非線性的特征使得傳統(tǒng)的線性反饋控制因受到帶寬以及反饋延遲的限制無法獲得令人滿意的結果，特別是動態(tài)響應和魯棒性。

同時，在電力電子變換器當中，由于傳統(tǒng)的逆變器所具有的橋臂直通、無法升壓的缺點，近年來，有些學者對于一種DC-DC組合式逆變器進行研究和實際的應用設計。研究表明，此類新型組合式逆變器，可以實現(xiàn)較高的穩(wěn)態(tài)精度，工作方式更為容易控制，逆變器系統(tǒng)也更加穩(wěn)定。隨著此類逆變器的廣泛應用，對DC-DC變換器的性能提高的研究變得更加有意義。

在目前已公開的專利文獻中，尚未有從控制方式中提高變換器的動態(tài)性能的方法。在已公開的期刊和會議文獻中，許多學者針對如何改善變換器的動態(tài)響應及對輸入電壓和負載電流干擾甚至跳變的抑制能力進行了廣泛的研究，提出不少方法并取得一定成效，但這些方法中仍存在著一定的問題。

有文獻提出用增加補償電路的方法來改善變換器的動態(tài)響應，一定程度上降低了輸出壓降和縮短了動態(tài)響應時間，但是需要增加附加電路，增加了變換器的復雜性；也有文獻提出用數(shù)字控制方法“靜態(tài)模型參考”縮短變換器的動態(tài)響應時間，然而研究表明，“靜態(tài)模型參考”更適合于消除穩(wěn)態(tài)誤差，在動態(tài)過程中效果不是很明顯；還有文獻通過保持電容電荷充放電平衡來改善變換器動態(tài)響應，然而對于電容電荷充放電的計算相對復雜且準確度要求高。另外還有文獻提出一種能量脈沖調(diào)制模式，通過計算變換器所需要的能量，使電感中儲存的能量能夠提供變換器所需的能量來達到控制變換器的目的，然而在控制中需要對電感電流連續(xù)模式(CCM)和電感電流斷續(xù)模式(DCM)進行判斷，分別進行控制，并且在CCM時由于電感有一定的初始能量而使得控制推導更加繁瑣，并且此方法僅適用在Buck-Boost變換器及其組合電路中，用在其他如Buck、Boost電路中時，需要考慮電感的初始能量，控制推導將會非常繁瑣。

此外，還有一些方法是通過在穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)采用兩種不同的控制方式實現(xiàn)在不犧牲穩(wěn)態(tài)精度的同時改善動態(tài)性能。雖然這種方式是有效的，但是由于系統(tǒng)中采用兩套控制器而不容易實現(xiàn)，這兩套控制器之間的平滑過渡是一個巨大的挑戰(zhàn)。

因此，提供一種控制原理清晰，不依賴控制系統(tǒng)的精確數(shù)學模型，且具有更強的魯棒性、更快的動態(tài)響應及對輸入電壓和負載擾動的良好抑制能力的控制方式已經(jīng)成當前研究的重要課題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了解決上述現(xiàn)有技術的缺陷，提供一種電力電子變換器的能量平衡控制器，該控制器結構簡單、適用范圍廣，而且動態(tài)響應迅速，對于輸入電壓及負載電流干擾甚至跳變具有強抑制力。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種基于上述能量平衡控制器的電力電子變換器的能量平衡控制方法。

本發(fā)明的目的可以通過采取如下技術方案達到：