基于DSP控制的三相交错式...向DC_DC变流器控制系统_汪俊奇.pdf

收稿日期：基金项目：中央高校基本科研业务费资助项目（）；河北省高等教育学会课题（）作者简介：汪俊奇（），男，安徽滁州人，华北科技学院在读硕士研究生，研究方向为安全科学与工程。：.移动扫码阅读：.汪俊奇，邓永红，徐海超，等.基于 控制的三相交错式双向 变流器控制系统.华北科技学院学报，（）：，.，（）：基于 控制的三相交错式双向 变流器控制系统汪俊奇，邓永红，徐海超，张腾召，汤礼凤（华北科技学院 信息与控制技术研究所，北京 东燕郊）摘 要：随着储能系统的发展，对双向 变流器的研究逐步深入。为满足兼顾稳定性的同时提高变换效率的要求，设计出具有高稳定性、输出电流频率高、脉动小等优势的多相多重变流器。同时，利用 代替传统的 等开关功率器件，减小变流器体积，同时有效减小整流损耗，提高电源效率。针对由 组成的双向 变流器，为控制其输出上下互补的驱动波形，完成同步整流功能。本文利用 控制输出三相交错式 波驱动双向 变流器输出上下桥互补 波，验证了其控制系统的可行性。关键词：；双向 变流器；调节中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，）：，.，.，.，.第 卷第 期 年 月华北科技学院学报 .：；引言随着经济发展，我国对储能系统愈发重视，为解决电力系统电能供需矛盾、改善供电质量、提高电网安全和稳定性以及实现电网可持续发展，采用化学电池电力储能系统成为全新途径。为了保证储能系统的安全性、持久性、稳定性，采用双向 变流器保证输出电压电流的质量。双向 变流器能够实现直流电能的双向流动。在储能系统中，需要通过双向 变流器对短时能量的冲击进行缓冲，并对直流电能进行双向斩波。同时双向变流器可使储能系统中的电池与超级电容配合工作，实时调节变流器直流母线电压，提高电源整体效率。伴随着对 变流器的深入研究，对双向 变流器电路的要求也在逐步提高，要求该电路在兼顾稳定性的条件下满足较高的变换效率。因此多相多重 变换电路因其具有高稳定性、输出电流频率高、脉动小等特点，在要求高效率、低电压、大电流等场合得到广泛应用。但是伴随着电流的增大，其整流损耗也会逐渐增大，由于在低电压、大电流的应用环境中，整流损耗已经成为变流器主要的损耗，为降低整流损耗，可采用 管代替二极管完成整流工作，同时可以降低整流损耗，提高电源效率。本文针对三相交错式双向 储能变流器控制系统进行设计，将传统的整流二极管替换成，降低损耗的同时，利用碳化硅器件具有宽禁带、高临界雪崩击穿电场强度、高热导率、小介电常数、高饱和漂移速度等突出优点，进一步提高电源效率，同时利用电压外环电流内环的双 调节加快对输出电压的动态响应、改善均流效果等优势，对 进行软件编程，输出互差 三相交错式 波，驱动三相交错式双向 变换电路，得到单桥输出互补的 波形。总体方案.系统组成三相交错式双向 储能变流器控制系统如图 所示，斩波电路、驱动电路、控制电路组成。其中，以 为控制核心，通过对 斩波电路的输入输出电压、输入输出电流以及单相输入电感电流进行检测，对检测的输入电压电流值进行电压外环电流内环的双 调节，控制输出 路驱动 管的 波。其工作原理为：当蓄电池 端电压升高，为了使蓄电池端电压维持在安全范围内，此时系统进入充电状态。此时系统需要恒流限压充电，变流器低端的电流、电压传感器将采集到的数值通过闭环控制系统反馈给电流调节器和电压调节器，通过比较计算后将控制量传递给 控制器以改变开关管的占空比，从而达到控制电压、电流的目的。当系统处于放电状态，使电能流向电网时，由于需要稳定的电压输出，因此要通过闭环控制系统使双向 变流器工作在恒压限流放电状态下。.斩波电路三相交错式双向 变流器的 斩波电路利用 功率器件，将单相的三个完全相同的单相双向 变流器并联，实现同步整流功能，降低整流损耗，提高电能转换效率。如图 所示，主电路由六个 组成，形成三相桥式结构。当变流器工作在 电路时，三个上 管（，）交替导通，三个下 管（，）不需要关断，利用下 管代替传统变流器中的续流二极管；当变流器工作在 电路时，三个下 管（，）交替导通，三个上 管（，）无需关断，代替续流二极管起续流作用。其六种工作时序图如图，所示：其中、为滤波电容，、为输入电感。第 期汪俊奇等：基于 控制的三相交错式双向 变流器控制系统图 三相交错式双向 储能变流器控制系统框图图 三相交错式变流器主电路图华北科技学院学报 年第 期图 三相交错式 时序图图 三相交错式 时序图.电流内环电压外环的双 控制算法原理 如图 所示，为基于 调节的电压外环电流内环双 调节控制算法框图，如图（）所示为 算法框图，采用恒压限流的方式，通过硬件电路中 采样模块对采样电阻上的输出电压进行采样，同时将电网的反馈电压作为给定参考电压，将得到的采样电压与给定参考电压做比较，通过电压 调节得到电压补偿输出，为保证闭环控制将其做限幅处理，同时作为电流给定信号 输出。通过采样负载的电流反馈信号，将其与给定信号做比较，经过电流 调节后，将其进行限幅处理，同时控制占空比，输出 管的 信号。该控制方法为电压外环电流内环的双 控制算法。如图（）所示为 算法框图，因其是降压为蓄电池充电，因此需满足恒流限压输出，通过对采样电阻的输出电流采样，同时将蓄电池端的电流作为给定值，与其作比较，通过电流 调节得到电流补偿输出并做限幅处理，同时作为电压给定信号 输出与电网反馈电压值作比较，通过电压 调节后做限幅处理，控制占空比输出 管的 信号。该控制算法为电流外环电压内环的双 调节控制算法。采用该算法的优势为：振荡电路输出的锯齿波幅值较大，在进行脉冲宽度调节时具有较好的 第 期汪俊奇等：基于 控制的三相交错式双向 变流器控制系统抗噪声能力；驱动信号的占空比调节不受限制；具有良好的响应特性；在多路输出的开关变换器中，若每路输出都独自采用自己的，则各路输出之间的相互影响非常小；多个变换器并联运行时，能改善均流效果；加快对输出电压的动态响应。图 电流内环电压外环的双 控制算法 其积分调节的微分方程为：（）（）（）（）为使式（）适用于模拟调节系统，需对 算法实现数字化。因此在模拟系统中，算法的表达式为：（）（）（）|（）式中，（）调节器的输出信号；（）为偏差信号；为比例系数；调节器的积分时间。由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差来计算控制量。因此，必须对式（）进行离散化处理，用数字形式的差分方程式代替连续系统的微分方程，此时积分项和微分项可用求和及增量式表示：（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）将式（）和式（）代入式（）可得离散的 表达式：（）（）（）（）式中，为采样周期，必须使 足够小，才能保证系统精度；（）为第 次采样时的偏差值；（）为第 次采样的偏差值；为采样序号；（）为第 次采样时调节器的输出。再根据递推原理，将 次的 输出表达式求出：（）（）（）（）将式（）减去式（）可得：（）（）（）（）（）（）式中，为积分系数。.控制系统实现本文设计的控制系统核心为，其具备 的高速处理能力，路的 输出，其中有 路为更高精度的 输出（），位 通道。可以为驱动电路提供高精度的 波同时 位 通道 也保证系统能够采样足够的采样信号。如图（）所示为利用 实现控制三相交错式双向 变流器控制系统，电压外环电流内环的双 调节闭环软件流程图电压外环电流内环的双 调节软件流程图。华北科技学院学报 年第 期图 程序流程框图 该控制系统主要由四个部分组成：（）基于 的外部输入量及输出量采样系统，通过采样电网的输出电压、系统的输入电压、输入电流，完成系统给定量的设定以及对系统电压电流的实时监测。（）保护电路，通过判断电压电流信号是否过压过流或者欠压欠流对控制系统进行保护。（）输出电路，将采集到的电压、电流信号通过双 控制算法进行调节，输出驱动 管的 信号，因从 得到的矩形脉冲经传输后往往发生波形畸变，可能会出现波形的上升沿将明显变缓或波形的上升沿和下降沿产生振荡现象，因此需要通过用施密特反相触发器整形而得到比较理想的矩形脉冲波形。（）驱动电路，将 发出的 波转化为可控制 的驱动信号。实验结果分析为验证基于 控制的三相交错式变流器控制系统的可行性，利用以 为控制核心的三相交错式双向 控制底板输出三相交错式脉冲波形。利用示波器对三路 上下桥测进行测试。由图 所示为三相交错式变流器控制系统实验平台。图 三相交错式双向 变流器控制系统实验平台如图 所示为 控制底板输出三相交错 第 期汪俊奇等：基于 控制的三相交错式双向 变流器控制系统式 波，由图可以看出三相波形互差，驱动开关管依次导通。通过 控制底板输出的三相交错式 波驱动双向 变流器，得到上下桥互补输出的 波形，如图 所示，该波形分别在频率 ，占空比为、的情况下，对单路上下桥驱动波形进行检测得到的波形图。通过分析波形可知，当电路处于 模式时，管下桥导通，驱动电平为高电平，而上桥不关断，上桥 管代替原本的续流二极管继续导通，波形与下桥驱动波形互补输出，死区时间为，实现了同步整流功能，减小了整流损耗，从而提高电源效率，同时可以看出在该系统可控制输出 管驱动波形工作在 的高频环境中。图 三相交错式 波图 交错式互补 波形图 如图 所示为该控制系统带载实验输入及输出电压波形，该系统输入 直流电压，通过控制系统将其升压成直流 电压以及降压成直流 电压，从波形图中可以看出该系统能够稳定实现升压以及降压功能。结论（）本文设计的基于 控制的三相交错式双向 变流器控制系统利用 代替传统的 等开关器件，实现了同步整流功能，有效降低了整流损耗，提高了电源效率。（）在高频的工作环境中，能够提供稳定的驱动信号来驱动三相交错式双向 变流器，达到准确的开通及关断，稳定实现直流电压升压以及降压功能，具有市场应用价值。华北科技学院学报 年第 期图 带载实验输入及输出电压波形图参考文献：渠展展，李卫国，闫涛，等.三相交错式双向 储能变流器的研究.电力电子技术，（）：，.易韵岚.双向 斩波器的控制与仿真研究.城市建设理论研究（电子版），（）：.孙运全，刘恩杰，罗青松.电动汽车用双向 变换器最优效率控制研究.电子器件，（）：.巫付专，霍国平，彭圣，等.非理想三相三重变换电路效率分析.电力系统保护与控制，（）：.申培.基于 控制的 同步整流变换器研究.湘潭大学，.代志强，陈尚，赵鑫，等.基于三相交错变流器的直流微网稳压技术研究 .电力电子技术，（）：，.邓永红，张杨.矿用动力锂离子电池充电器的研究.华北科技学院学报，（）：.张全柱，敬昌国，邓永红.矿用 充电器驱动电路的设计 .华北科技学院学报，（）：，.武晓春，田玖婷，王贞.三相电压型 整流器的双闭环控制系统仿真.兰州交通大学学报，（）：.（上接第 页）茅献彪，缪协兴，钱鸣高.采动覆岩中关键层的破断规律研究.中国矿业大学学报，（）：.李凯，李晓龙.基于改进型突水系数法治理底板奥灰水害技术.煤田地质与勘探，（）：.王经明，董书宁，吕玲，等.采矿对断层的扰动及水文地质效应.煤炭学报，（）：.王经明.承压水沿底板递进导升机理的模拟与观测.岩土工程学报，（）：.王经明.承压水沿底板递进导升机理的物理方法研究.煤田地质与勘探，（）：.王进尚，姚多喜，黄浩.煤矿隐伏断层递进导升突水的临界判据及研究.煤炭学报，（）：.第 期汪俊奇等：基于 控制的三相交错式双向 变流器控制系统