[發明專利]一種基于直流母線電壓檢測的二次脈動功率解耦方法

有效

• 申請號: 202011637115.3
• 申請日: 2020-12-31
• 公開（公告）號: CN112865528B
• 公開（公告）日: 2022-02-11
• 發明（設計）人: 陳杰;袁德強;劉志剛;況陽;沈來來;沈迪;章予曦;陳天宇;苗逸飛;吳楠;邱瑞昌
• 申請（專利權）人: 北京交通大學;中車長春軌道客車股份有限公司
• 主分類號: H02M3/158
• 分類號: H02M3/158;H02M7/219;H02M1/34;H02M1/088
• 代理公司: 北京衛平智業專利代理事務所(普通合伙) 11392
• 代理人: 張新利;謝建玲

1.一種基于直流母線電壓檢測的二次脈動功率解耦方法，應用有源功率解耦電路，其特征在于，所述有源功率解耦電路包括：交流側電源、交流側電感、單相四象限變流器橋臂、Buck型雙向DC/DC變流器橋臂、直流母線電容和負載；

所述交流側電源的一端與交流側電感的一端連接，交流側電感的另一端與單相四象限變流器橋臂中的一支橋臂的中點連接，交流側電源的另一端與單相四象限變流器橋臂中的另一支橋臂的中點連接，

Buck型雙向DC/DC變流器橋臂包括：半橋臂、濾波電感和解耦電容，半橋臂的中點與濾波電感的一端連接，濾波電感的另一端與解耦電容的一端連接，解耦電容的另一端與半橋臂的下端連接；

所述單相四象限變流器橋臂的上輸出端與半橋臂的上端連接，所述單相四象限變流器橋臂的下輸出端與半橋臂的下端連接，半橋臂的上下兩端與直流母線電容和負載并聯連接；

所述二次脈動功率解耦方法，包括以下步驟：

S1、單相四象限變流器橋臂輸入至Buck型雙向DC/DC變流器橋臂的功率p_in，具體表達式如下所示：

其中，V_g和I_g分別為交流側電源的電壓和電流幅值，是交流側電源的電壓和電流的相位角，L_g為交流側電感的電感值，ω為交流側基波角頻率，牽引網交流電頻率為50Hz；p_in中包含提供給負載的直流功率P_d和變化頻率為100Hz的二次脈動功率p_2-ripple，具體表達式如下所示：

其中，P_2-peak為二次脈動功率p_2-ripple的幅值，α為三角變換相位角，θ為二次脈動功率的相位角，t為時間；

S2、假設流經Buck型雙向DC/DC變流器橋臂中的濾波電感的電流為i_cs，具體表達式如下所示：

i_cs＝I_cs sin(200πt+β)

其中，I_cs為濾波電感的電流幅值，β為濾波電感的電流相位角；

則解耦電容上的電壓u_cs的表達式具體如下所示：

其中，U_cs為解耦電容的直流偏置，C_cs為解耦電容的電容值，

S3、忽略開關紋波以及電路損耗，那么流經濾波電感和解耦電容串聯支路的功率為p_cs，具體表達式如下所示：

其中，u_in為濾波電感和解耦電容串聯支路的電壓，L_cs為濾波電感的電感值；

令p_cs中的二次脈動功率等于p_in中的二次脈動功率p_2-ripple，表達式具體如下所示：

I_csU_cssin(200πt+β)＝P_2-peaksin(200πt+θ)

Buck型雙向DC/DC變流器橋臂能夠實現解耦二次脈動功率，但相應的會引入四次脈動功率，引起直流母線產生的脈動電壓為v_d，具體表達式如下所示：

其中，U_d為直流母線電壓直流量，C_d為直流母線電容的電容值；

S4、對直流母線電壓u_d進行在線滑窗傅里葉分析，實時得到直流母線電容上的二次脈動電壓u_d100的幅值U_d100和相角θ₁₀₀，表達式具體如下所示：

u_d100＝U_d100 sin(200πt+θ₁₀₀)

直流母線電容在100Hz的交流阻抗遠小于負載的阻抗，因此大部分的二次脈動功率都在直流母線電容流動從而引起脈動電壓，直流母線電容上的二次脈動功率為p₁₀₀，表達式具體如下所示：

p₁₀₀＝200πC_dU_d100sin(200πt+θ₁₀₀-0.5π)U_d

其中，C_d為直流母線電容的電容值，U_d為直流母線電壓直流量；

S5、利用直流母線電容上的二次脈動功率p₁₀₀和上一控制周期計算得到的直流母線電容上的二次脈動功率的指令值p₁′_00ref，計算得到本次控制周期直流母線電容上的二次脈動功率的指令值p_100ref，表達式具體如下所示：

p_100ref＝m₁₀₀p₁₀₀+p₁′_00ref＝P_100ref sin(200πt+θ₁₀₀)

其中，m₁₀₀為小于1.0的系數，通過調整m₁₀₀保證牽引傳動系統良好的動穩態性能，P_100ref為本次控制周期直流母線電容上的二次脈動功率的指令值的幅值；

由此，計算得到解耦電容的電壓指令表達式具體如下所示：

S6、采用電壓電流PI雙閉環控制策略，對解耦電容的電壓指令進行控制；當檢測到直流母線電壓u_d存在二次脈動時，直流母線電容上的二次脈動功率的指令值得到更新，從而使得解耦電容上電壓指令發生變化，解耦直流母線電容上殘余的二次脈動功率，直至直流母線電壓u_d不存在二次脈動電壓。