單相ac-dc變換器儲能控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種單相AC-DC變換器儲能控制系統(tǒng)，包括控制電路和配套的功率電路，其中，控制電路完成對功率電路中升壓電感和電解電容的直接能量控制；配套的功率電路為單相AC-DC變換電路，實現(xiàn)由單相交流電壓到一路直流電壓的功率轉(zhuǎn)換，并獲得網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)。所述控制電路包括四只平方單元、一只電壓平方外環(huán)單元、一只電流平方內(nèi)環(huán)單元、兩只限幅單元、一只載波單元、一只驅(qū)動單元、一只補償單元、一只PLL單元、兩只減法單元、一只加法單元、一只乘法單元、一只比較單元和一只基波電壓單元。本發(fā)明支持最大輸出功率5kW、網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)0.99以上的單相AC-DC變換，具有響應(yīng)速度快、運行可靠平穩(wěn)的優(yōu)點。
【專利說明】單相AC-DC變換器儲能控制系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
本發(fā)明涉及單相AC-DC變換器領(lǐng)域的一種高功率因數(shù)控制電路，具體地，涉及一種單相AC-DC變換器儲能控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
單相有源功率因數(shù)校正器(APFC)是一種采用二極管不控整流橋的單相AC-DC變換器，它的使用目的是:獲得單位網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)，符合諧波電流的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，降低網(wǎng)側(cè)諧波電流的危害。單相有源功率因數(shù)校正技術(shù)具有多種控制策略，如傳統(tǒng)的雙閉環(huán)控制、跟隨控制和單周期控制，都獲得很好的校正效果。采用雙閉環(huán)控制的單相有源PFC，功率因數(shù)校正效果好，但是動態(tài)響應(yīng)慢，魯棒性較差。在原理上，雙閉環(huán)控制需要采用慢速的電壓外環(huán)，以此來穩(wěn)定輸出直流電壓。傳統(tǒng)電壓外環(huán)一般采用電壓誤差放大器，而不采用PID調(diào)節(jié)器。電壓誤差放大器的慣性較大，影響了雙閉環(huán)控制的動態(tài)響應(yīng)速度，不適用快速負(fù)載變化的應(yīng)用場合。
現(xiàn)有的單相有源功率因數(shù)校正技術(shù)大體上都是采用外環(huán)電壓反饋控制、內(nèi)環(huán)電流反饋控制。有些控制策略，如單周期控制，電流內(nèi)環(huán)采用單周期控制。雖然現(xiàn)有控制策略均能獲得良好的控制效果，但是屬于常規(guī)控制，如外環(huán)電壓和內(nèi)環(huán)電流，具有動態(tài)響應(yīng)慢等不足，為此可以設(shè)計新型控制策略。
經(jīng)過對有源功率因數(shù)校正器現(xiàn)有技術(shù)的檢索，發(fā)現(xiàn)主要有以下代表性文獻:
[0001]李東和阮新波.《高效率的BOOST型功率因數(shù)校正預(yù)調(diào)節(jié)器》.中國電機工程學(xué)報.V24，N0.10,2004.10:153-156，其主要技術(shù)特征如下:采用UC3854BN模擬控制器，電壓誤差放大器作為電壓外環(huán)，響應(yīng)速度受到影響。
[0002]何志遠和韋巍.《基于虛擬磁鏈的PWM整流器定向功率控制研究》.浙江大學(xué)學(xué)報.V38，N0.12,2004.11:1619-1622，其主要技術(shù)特征如下:三相整流器，響應(yīng)速度快，但是由于采用砰砰控制，帶來開關(guān)頻率突變而是接收擾動和噪聲，降低系統(tǒng)的可靠性，甚至使得系統(tǒng)的性能發(fā)生惡化。
綜合以上，對有源功率因數(shù)校正器現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，所有控制策略均為常規(guī)控制，具有各自的問題，本申請的目的在于設(shè)計出非常規(guī)控制。
【發(fā)明內(nèi)容】
針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種單相AC-DC變換器儲能控制系統(tǒng)，實現(xiàn)單相AC-DC變換器的功率因數(shù)校正，具有控制簡單和響應(yīng)快速等優(yōu)點。
本發(fā)明提供一種單相AC-DC變換器儲能控制系統(tǒng)，包括控制電路和配套的功率電路，其中:控制電路完成對功率電路中升壓電感和電解電容的直接能量控制，配套的功率電路實現(xiàn)由單相交流電壓到一路直流電壓的功率轉(zhuǎn)換，完成功率因數(shù)校正。
所述控制電路包括18個電路單元，四只平方單元、一只電壓平方外環(huán)單元、一只電流平方內(nèi)環(huán)單元、兩只限幅單元、一只載波單元、一只驅(qū)動單元、一只補償單元、一只PLL (鎖相環(huán))單元、兩只減法單元、一只加法單元、一只乘法單元、一只比較單元和一只基波電壓單元，其中:
所述第一平方單元Ul接收輸出直流電壓檢測信號U。，進行平方運算，得到輸出直流電壓檢測信號的平方值u2。，傳給第一減法單元U3的第二輸入端；
所述第二平方單元U2接收輸出參考電壓信號進行平方運算，得到輸出參考電壓信號的平方值u\，傳給第一減法單元U3的第一輸入端；
所述第一減法單元U3接收參考電壓信號的平方值u\、直流電壓檢測信號的平方值u2。，進行減法運算(u\-u2。)，得到電壓平方差，傳給電壓平方外環(huán)單元U4的輸入端；
所述電壓平方外環(huán)單元U4接收電壓平方差(u\-u2。)，進行PID調(diào)節(jié)或其他控制算法，得到電壓平方控制量，傳給第一限幅單元U5的輸入端；
所述第一限幅單元U5接收電壓平方控制量，進行限幅，得到限幅后電壓平方控制量，傳給乘法單元U9的第二輸入端；
所述PLL單元U6接收輸入交流電壓檢測信號的絕對值Iui I，進行鎖相環(huán)(PLL)運算，得到與電網(wǎng)電壓同步的正弦半波電壓，傳給基波電壓單元U7的輸入端；
所述基波電壓單元U7接收與電網(wǎng)電壓同步的正弦半波電壓，經(jīng)過歸一化運算，得到單位幅值的正弦半波電壓，傳給第三平方單元U8的輸入端；
所述第三平方單元U8接收單位幅值的正弦半波電壓，進行平方運算，得到單位幅值的正弦半波電壓的平方值，傳給乘法單元U9的第一輸入端；
所述乘法單元U9接收限幅后電壓平方控制量、單位幅值正弦半波電壓的平方值，進行乘法運算，得到電壓平方積，傳給第二減法單元Ull的第一輸入端；
所述第四平方單元UlO接收升壓電感電流檢測值iK1，進行平方運算，得到升壓電感電流檢測值的平方值i2K1，傳給第二減法單元Ull的第二輸入端；
所述第二減法單元Ull接收電壓平方積、升壓電感電流檢測值的平方值，進行減法運算，前者減去后者，得到電流平方差，傳給電流平方內(nèi)環(huán)單元U12的輸入端；
所述電流平方內(nèi)環(huán)單元U12接收電流平方差，進行PID調(diào)節(jié)或其他控制算法，得到電流平方控制量，傳給第二限幅單元U13的輸入端；
所述第二限幅單元U13接收電流平方控制量，得到限幅后電流平方控制量，傳給加法單元Ul5的第二輸入端；
所述補償單元U14得到補償脈沖，補償脈沖與電網(wǎng)電壓過零同步，傳給加法單元U15的第一輸入端；
所述載波單元U16得到鋸齒載波，傳給比較單元U17的第二輸入端；
所述加法單元U15接收限幅后電流平方控制量、補償脈沖，進行加法運算，得到最終控制量，傳給比較單元U17的第一輸入端；
所述比較單元U17接收最終控制量、鋸齒載波，進行比較運算，得到原始脈沖信號，傳給驅(qū)動單元U18的輸入端；
所述驅(qū)動單元U18接收原始脈沖信號，進行電平轉(zhuǎn)移和功率放大，得到驅(qū)動脈沖，作為功率電路中IGBT SI的驅(qū)動脈沖，從而完成控制電路控制功率電路的目標(biāo)，實現(xiàn)無源器件的直接儲能控制；
所述功率電路為單相功率因數(shù)校正電路，包括五只二極管、一只IGBT、一只升壓電感、一只電解電容、五只電阻、一只交流電容，其中:所述第一~第四二極管構(gòu)成不控整流橋，其中，第一二極管與第三二極管共陰極相連后形成不控整流橋的正極，第二二極管與第四二極管共陽極相連后形成不控整流橋的負(fù)極，第一二極管陽極與第二二極管陰極相連后形成第一橋臂，第一橋臂中點與交流電源火線和第一交流電容的一端相連，第三二極管陽極與第四二極管陰極相連后形成第二橋臂，第二橋臂中點與交流電源零線和第一交流電容的另一端相連；
所述不控整流橋正極與第一升壓電感的一端、第二電阻的一端相連；
所述不控整流橋負(fù)極與第一電阻的一端、第三電阻的一端相連，輸出升壓電感電流
所述第二電阻的另一端、第三電阻的另一端相連，得到整流后網(wǎng)壓信號Ui的絕對值
所述第一升壓電感的另一端與第五二極管的陽極、IGBT的集電極相連；
所述第五二極管的陰極與第一電解電容的正極、第四電阻的一端相連，形成功率電路的輸出正極；
所述第一電阻的另一端與IGBT的發(fā)射極、第一電解電容的負(fù)極、第五電阻的一端相連，形成功率電路的輸出負(fù)極；
所述第四電阻的另一端、第五電阻的另一端相連，得到直流輸出電壓信號U。。
本發(fā)明的工作原理是采用控制電路`I和功率電路2，其中控制電路I完成對功率電路2中升壓電感LI和電解電容El的直接儲能控制；配套的功率電路2實現(xiàn)由單相交流電壓到一路直流電壓的功率轉(zhuǎn)換，同時完成功率因數(shù)校正。
(1)所述控制電路I中，電壓平方外環(huán)單元U4對接收的輸出電壓平方U2。、給定電壓平方<的平方差(u\-u2。)，進行PID調(diào)節(jié)或其它調(diào)節(jié)，得到外環(huán)電壓平方控制量，并經(jīng)由第一限幅單元U5限幅；
(2)所述基波電壓單元U7，對接收的PLL后網(wǎng)側(cè)交流電壓的絕對值IuiI進行幅值調(diào)整，得到單位幅值的網(wǎng)側(cè)交流電壓，并經(jīng)過第三平方單元U8后，得到基準(zhǔn)的網(wǎng)側(cè)交流電壓的平方電壓；
(3)所述乘法單元U9，對接收的基準(zhǔn)網(wǎng)側(cè)交流電壓的平方電壓、限幅后外環(huán)電壓平方控制量求取乘積，得到內(nèi)環(huán)電流平方給定量；
(4)所述電流平方內(nèi)環(huán)單元U12，對內(nèi)環(huán)電流平方給定量進行PID調(diào)節(jié)或其它控制調(diào)節(jié)，得到內(nèi)環(huán)電流平方控制量，并經(jīng)由第二限幅單元U13限幅；
(5)在網(wǎng)壓過零附近，由于限幅后的內(nèi)環(huán)電流平方控制量的導(dǎo)數(shù)較低，會引起控制不敏感，不利于電流波形正弦化；因此所述補償單元U14提供補償，該補償為與網(wǎng)壓過零后開始的、同步的、低幅值的窄脈沖序列，幅值處于0.1~0.25之間，用于改善過零附近電流波形正弦度(說明:除了過零以外的其它位置，內(nèi)環(huán)電流平方控制量的導(dǎo)數(shù)較高，非常有利于電流波形正弦化);
(6)所述比較單元U17，將增加補償后的內(nèi)環(huán)電流平方控制量，即最終控制量，與載波單元U16輸出的三角載波進行比較，并經(jīng)過驅(qū)動單元U18后得到驅(qū)動脈沖，用于驅(qū)動功率電路2 中 IGBT SI ；
(7)所述功率電路2中，IGBTSI接受驅(qū)動脈沖，進行通斷工作，改變電路結(jié)構(gòu)，使升壓電感儲能和釋放能量，供電解電容和后級負(fù)載使用，并維持電解電容電壓即輸出電壓恒定，同時使得升壓電感LI電流呈現(xiàn)正弦半波形狀，反射到網(wǎng)側(cè)經(jīng)過第一交流電容Cl的濾波作用，得到與網(wǎng)壓同步的正弦電流，功率因數(shù)接近I。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:
(I)控制電路設(shè)計采用升壓電感、電解電容的直接儲能控制，增加了功率電路中升壓電感電流、電解電容電壓的動態(tài)響應(yīng)速度；(2)為了進一步改善網(wǎng)壓過零附件的電流波形，增加了與網(wǎng)壓過零后開始的、同步的、低幅值的窄脈沖序列，改善了限幅后的內(nèi)環(huán)電流平方控制量，獲得更好的控制效果；(3)本發(fā)明申請的物理含義已經(jīng)不是常規(guī)電壓或電流控制、也不是電壓與電路乘積(即功率)的控制，而是升壓電感LI儲能和電解電容El直接儲能的控制，因此可以進行推廣，升壓電感LI電流和電解電容El電壓η次方的控制，理論上η≥O，可以為正整數(shù)，也可以為正的非整數(shù)。
【專利附圖】
【附圖說明】
通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯:
圖1為本發(fā)明原理圖。
【具體實施方式】
下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。
如圖1所示，本實施例提供一種單相AC-DC變換器儲能控制系統(tǒng)，包括控制電路I和功率電路2，其中控制電路I完成對功率電路2的直接能量控制；配套的功率電路2實現(xiàn)由單相交流電壓到一路直流電壓的功率轉(zhuǎn)換，同時完成網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)校正。
具體地:
所述控制電路包括18個電路單元，四只平方單元、一只電壓平方外環(huán)單元、一只電流平方內(nèi)環(huán)單元、兩只限幅單元、一只載波單元、一只驅(qū)動單元、一只補償單元、一只PLL (鎖相環(huán))單元、兩只減法單元、一只加法單元、一只乘法單元、一只比較單元和一只基波電壓單元，其中:
所述第一平方單元Ul接收輸出直流電壓檢測信號u。，進行平方運算，得到輸出直流電壓檢測信號的平方值u2。，傳給第一減法單元U3的第二輸入端2 ；
所述第二平方單元U2接收輸出參考電壓信號進行平方運算，得到輸出參考電壓信號的平方值u\，傳給第一減法單元U3的第一輸入端I ;
所述第一減法單元U3接收輸出參考電壓信號的平方值u\、輸出直流電壓檢測信號的平方值u2。，進行減法運算(u\-u2。)，得到電壓平方差，傳給電壓平方外環(huán)單元U4的輸入端；
所述電壓平方外環(huán)單元U4接收電壓平方差(u\-u2。)，進行PID調(diào)節(jié)或其他控制算法，得到電壓平方控制量，傳給第一限幅單元U5的輸入端；
所述第一限幅單元U5接收電壓平方控制量，進行限幅，得到限幅后電壓平方控制量，傳給乘法單元U9的第二輸入端2 ； 所述PLL單元U6接收輸入交流電壓檢測信號的絕對值I Ui I，進行鎖相環(huán)(PLL)運算，得到與電網(wǎng)電壓同步的正弦半波電壓，傳給基波電壓單元U7的輸入端；
所述基波電壓單元U7接收與電網(wǎng)電壓同步的正弦半波電壓，經(jīng)過歸一化運算，得到單位幅值的正弦半波電壓，傳給第三平方單元U8的輸入端；
所述第三平方單元U8接收單位幅值的正弦半波電壓，進行平方運算，得到單位幅值的正弦半波電壓的平方值，傳給乘法單元U9的第一輸入端I ;
所述乘法單元U9接收限幅后電壓平方控制量、單位幅值正弦半波電壓的平方值，進行乘法運算，得到電壓平方積，傳給第二減法單元Ull的第一輸入端I ;
所述第四平方單元UlO接收升壓電感電流檢測值iK1，進行平方運算，得到升壓電感電流檢測值的平方值i2K1，傳給第二減法單元Ull的第二輸入端2 ；
所述第二減法單元Ull接收電壓平方積、升壓電感電流檢測值的平方值，進行減法運算，前者減去后者，得到電流平方差，傳給電流平方內(nèi)環(huán)單元U12的輸入端；
所述電流平方內(nèi)環(huán)單元U12接收電流平方差，進行PID調(diào)節(jié)或其他控制算法，得到電流平方控制量，傳給第二限幅單元U13的輸入端；
所述第二限幅單元U13接收電流平方控制量，得到限幅后電流平方控制量，傳給加法單元Ul5的第二輸入端2 ；
所述補償單元U14得到補償脈沖，補償脈沖與電網(wǎng)電壓過零同步，傳給加法單元U15的第一輸入端I ;
所述載波單元U16得到鋸齒載波，傳給比較單元U17的第二輸入端2 ；
所述加法單元U15接收限幅后電流平方控制量、補償脈沖，進行加法運算，得到最終控制量，傳給比較單元U17的第一輸入端I ;
所述比較單元U17接收最終控制量、鋸齒載波，進行比較運算，得到原始脈沖信號，傳給驅(qū)動單元U18的輸入端；
所述驅(qū)動單元U18接收原始脈沖信號，進行電平轉(zhuǎn)移和功率放大，得到驅(qū)動脈沖，作為功率電路2中IGBT SI的驅(qū)動脈沖，從而完成控制電路I控制功率電路2的目標(biāo)，實現(xiàn)無源器件的直接儲能控制；
說明:升壓電感LI儲能公式為Wu=0.SL1Ili2,電解電容El儲能公式為Wei=0.5Ε1%12。所述功率電路2為典型的單相功率因數(shù)校正電路，包括五只二極管、一只IGBT、一只升壓電感、一只電解電容、五只電阻、一只交流電容，其中:
所述第一?第四二極管構(gòu)成不控整流橋，其中，第一二極管與第三二極管共陰極相連后形成不控整流橋的正極，第二二極管與第四二極管共陽極相連后形成不控整流橋的負(fù)極，第一二極管陽極與第二二極管陰極相連后形成第一橋臂，第一橋臂中點與交流電源火線和第一交流電容的一端相連，第三二極管陽極與第四二極管陰極相連后形成第二橋臂，第二橋臂中點與交流電源零線和第一交流電容的另一端相連；
所述不控整流橋正極與第一升壓電感的一端、第二電阻的一端相連；
所述不控整流橋負(fù)極與第一電阻的一端、第三電阻的一端相連；
所述第二電阻的另一端、第三電阻的另一端相連，得到整流后網(wǎng)壓信號；
所述第一升壓電感的另一端與第五二極管的陽極、IGBT的集電極相連；
所述第五二極管的陰極與第一電解電容的正極、第四電阻的一端相連，形成功率電路2的輸出正極；
所述第一電阻的另一端與IGBT的發(fā)射極、第一電解電容的負(fù)極、第五電阻的一端相連，形成功率電路2的輸出負(fù)極；
所述第四電阻的另一端、第五電阻的另一端相連，得到直流輸出電壓信號。
本實例中:交流輸入電壓寬范圍，220V土 15%，工頻50Hz或60Hz，額定輸出電壓平均值為330V，網(wǎng)側(cè)功率為5kW。
IGBT斬波頻率:35kHz ；
IGBT S1:快速，600V，75A/100°C ；
電解電容El:400V, 7x680 μ F，7只并聯(lián)；
二極管不控整流橋 Dl - D4:600V, 35A/100°C ；
升壓電感L1:750μΗ，30Α，硅鋼；
電阻 Rl:10mQ ,7.5W，無感；
電阻 R2、R4:300k Ω , 1/4W ；
電阻 R3、R4:lkQ , l/4ff0
本實施例的工作原理:控制電路I完成對功率電路2中升壓電感LI和電解電容El的直接儲能控制；配套的功率電路2實現(xiàn)由單相交流電壓到一路直流電壓的功率轉(zhuǎn)換，同時完成功率因數(shù)校正:` (1)電壓平方外環(huán)控制環(huán)節(jié)，即電解電容El儲能控制，由第一平方單元U1、第二平方單元U2、第一減法單元U3、電壓平方外環(huán)單元U4、第一限幅單元U5構(gòu)成，接收輸出電壓瞬時值U0和輸出電壓參考值W，先后經(jīng)過平方運算、減法運算、電壓平方外環(huán)控制運算以及限幅，得到限幅后的輸出電壓平方的控制量，該控制量負(fù)責(zé)維持功率電路2的電解電容El的儲能不變，即輸出電壓保持不變，達到單相AC-DC變換器輸出電壓穩(wěn)定不變的目的；
(2)電感電流平方參考環(huán)節(jié)，由PLL單元U6、基波電壓單元U7、第三平方單元(U8)、乘法單元U9構(gòu)成，接收輸入交流電壓檢測信號的絕對值|ui|，先后經(jīng)過PLL (鎖相環(huán))運算、基波電壓運算、平方運算和乘法運算，得到電感電流平方參考量；
(3)電流平方內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)，即升壓電感LI儲能控制，由第四平方單元U10、第二減法單元U11、電流平方內(nèi)環(huán)單元U12、第二限幅單元U13、補償單元U14、加法單元U15構(gòu)成，接收電感電流平方參考量、升壓電感電流瞬時值iK1、補償控制量，先后經(jīng)過平方運算、減法運算、電流平方內(nèi)環(huán)控制運算、限幅以及加法運算，得到最終輸入電流平方的控制量，該控制量負(fù)責(zé)控制功率電路2的升壓電感LI的儲能按照輸入電壓平方波形變化，即升壓電感LI的電流為正弦半波波形，在經(jīng)過交流電容Cl的濾波后，在網(wǎng)側(cè)得到正弦電流波形，且與網(wǎng)側(cè)電壓波形同步，達到單相AC-DC變換器輸入電流波形正弦校正的目的；
電壓平方外環(huán)控制環(huán)節(jié)與電流平方內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)為兩個核心環(huán)節(jié)，電感電流平方參考環(huán)節(jié)為輔助環(huán)節(jié)。此外，考慮到在網(wǎng)壓過零附近，由于限幅后的電流平方內(nèi)環(huán)控制量的導(dǎo)數(shù)較低，會引起控制的不敏感，不利于網(wǎng)側(cè)電流波形正弦化，因此采用補償單元U14在網(wǎng)壓過零之后提供脈沖補償，補償脈沖幅值處于0.1~0.25之間，用于改善過零附近電流波形正弦度。
本發(fā)明技術(shù)方案的物理含義已經(jīng)突破常規(guī)電壓或電流控制或功率控制，采用升壓電感、電解電容的直接儲能控制，相當(dāng)于增大了比例環(huán)節(jié)，因而能夠提高升壓電感電流、電解電容電壓的動態(tài)響應(yīng)速度；(2)可以推廣應(yīng)用到:升壓電感L1電流和電解電容El電壓n次方的控制，理論上n≥O，可以為正整數(shù)，也可以為正的非整數(shù)。
以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。
【權(quán)利要求】
1.一種單相AC-DC變換器儲能控制系統(tǒng)，包括控制電路和配套的功率電路，所述控制電路完成對功率電路中升壓電感和電解電容的直接儲能控制；配套的功率電路為單相AC-DC變換電路，實現(xiàn)由單相交流電壓到一路直流電壓的功率轉(zhuǎn)換，并獲得網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)； 所述控制電路包括四只平方單元、一只電壓平方外環(huán)單元、一只電流平方內(nèi)環(huán)單元、兩只限幅單元、一只載波單元、一只驅(qū)動單元、一只補償單元、一只PLL單元、兩只減法單元、一只加法單元、一只乘法單元、一只比較單元和一只基波電壓單元，其中: 所述第一平方單元(Ul)接收直流電壓檢測信號u。，進行平方運算，得到輸出直流電壓檢測信號的平方值u2。，傳給第一減法單元(U3)的第二輸入端； 所述第二平方單元(U2)接收輸出參考電壓信號W，進行平方運算，得到輸出參考電壓信號的平方值u\，傳給第一減法單元(U3)的第一輸入端； 所述第一減法單元(U3)接收參考電壓信號的平方值u\、直流電壓檢測信號的平方值u2。，進行減法運算(u\-u2。)，得到電壓平方差，傳給電壓平方外環(huán)單元(U4)的輸入端； 所述電壓平方外環(huán)單元(U4)接收電壓平方差(u\-u2。)，進行PID調(diào)節(jié)或采用控制算法，得到電壓平方控制量，傳給第一限幅單元(U5)的輸入端； 所述第一限幅單元(U5)接收電壓平方控制量，進行限幅，得到限幅后電壓平方控制量，傳給乘法單元(U9)的第 二輸入端； 所述PLL單元(U6)接收輸入交流電壓檢測信號的絕對值I Ui I，進行鎖相環(huán)運算，得到與電網(wǎng)電壓同步的正弦半波電壓，傳給基波電壓單元(U7)的輸入端； 所述基波電壓單元(U7)接收與電網(wǎng)電壓同步的正弦半波電壓，經(jīng)過歸一化運算，得到單位幅值的正弦半波電壓，傳給第三平方單元(U8)的輸入端； 所述第三平方單元(U8)接收單位幅值的正弦半波電壓，進行平方運算，得到單位幅值的正弦半波電壓的平方值，傳給乘法單元(U9)的第一輸入端I ; 所述乘法單元(U9)接收限幅后電壓平方控制量、單位幅值正弦半波電壓的平方值，進行乘法運算，得到電壓平方積，傳給第二減法單元(Ull)的第一輸入端； 所述第四平方單元(UlO)接收升壓電感電流檢測值iK1，進行平方運算，得到升壓電感電流檢測值的平方值i2K1，傳給第二減法單元Ull的第二輸入端； 所述第二減法單元(Ull)接收電壓平方積、升壓電感電流檢測值的平方值，進行減法運算，前者減去后者，得到電流平方差，傳給電流平方內(nèi)環(huán)單元(U12)的輸入端； 所述電流平方內(nèi)環(huán)單元(U12)接收電流平方差，進行PID調(diào)節(jié)或采用控制算法，得到電流平方控制量，傳給第二限幅單元(U13)的輸入端； 所述第二限幅單元(U13)接收電流平方控制量，得到限幅后電流平方控制量，傳給加法單元(U15)的第二輸入端； 所述補償單元(U14)得到補償脈沖，補償脈沖與電網(wǎng)電壓過零同步，傳給加法單元(U15)的第一輸入端； 所述載波單元(U16)得到鋸齒載波，傳給比較單元(U17)的第二輸入端； 所述加法單元(U15)接收限幅后電流平方控制量、補償脈沖，進行加法運算，得到最終控制量，傳給比較單元(U17)的第一輸入端； 所述比較單元(U17)接收最終控制量、鋸齒載波，進行比較運算，得到原始脈沖信號，傳給驅(qū)動單元(U18)的輸入端； 所述驅(qū)動單元(U18)接收原始脈沖信號，進行電平轉(zhuǎn)移和功率放大，得到驅(qū)動脈沖，作為功率電路⑵中IGBT的驅(qū)動脈沖，從而完成控制電路(I)控制功率電路(2)的目標(biāo)，實現(xiàn)無源器件的直接儲能控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單相AC-DC變換器儲能控制系統(tǒng)，其特征在于:所述功率電路為單相功率因數(shù)校正電路，包括五只二極管、一只IGBT、一只升壓電感、一只電解電容、五只電阻、一只交流電容，其中: 所述第一~第四二極管構(gòu)成不控整流橋，其中:第一二極管與第三二極管共陰極相連后形成不控整流橋的正極，第二二極管與第四二極管共陽極相連后形成不控整流橋的負(fù)極，第一二極管陽極與第二二極管陰極相連后形成第一橋臂，第一橋臂中點與交流電源火線和第一交流電容的一端相連，第三二極管陽極與第四二極管陰極相連后形成第二橋臂，第二橋臂中點與交流電源零線和第一交流電容的另一端相連； 所述不控整流橋正極與第一升壓電感的一端、第二電阻的一端相連； 所述不控整流橋負(fù)極與第一電阻的一端、第三電阻的一端相連，輸出升壓電感電流Iri ? 所述第二電阻的另一端、第三電阻的另一端相連，得到整流后網(wǎng)壓信號Ui的絕對值Ui ; 所述第一升壓電感的另一端與第五二極管的陽極、IGBT的集電極相連； 所述第五二極管的陰極與第一電解電容的正極、第四電阻的一端相連，形成功率電路的輸出正極； 所述第一電阻的另一端與IGBT的發(fā)射極、第一電解電容的負(fù)極、第五電阻的一端相連，形成功率電路的輸出負(fù)極； 所述第四電阻的另一端、第五電阻的另一端相連，得到直流輸出電壓信號U。。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的單相AC-DC變換器儲能控制系統(tǒng)，其特征在于:所述第一平方單元(Ul)、第二平方單元(U2)、第一減法單元(U3)、電壓平方外環(huán)單元(U4)、第一限幅單元(U5)構(gòu)成電壓平方外環(huán)控制環(huán)節(jié)即電解電容(El)儲能控制，接收輸出電壓瞬時值U0和輸出電壓參考值W，先后經(jīng)過平方運算、減法運算、電壓平方外環(huán)控制運算以及限幅，得到限幅后的輸出電壓平方的控制量，該控制量負(fù)責(zé)維持功率電路的電解電容(El)的儲能不變，即輸出電壓保持不變，達到單相AC-DC變換器輸出電壓穩(wěn)定不變的目的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的單相AC-DC變換器儲能控制系統(tǒng)，其特征在于:所述PLL單元(U6)、基波電壓單元(U7)、第三平方單元(U8)、乘法單元(U9)構(gòu)成電感電流平方參考環(huán)節(jié)，接收輸入交流電壓檢測信號的絕對值Iui |，先后經(jīng)過PLL運算、基波電壓運算、平方運算和乘法運算，得到電感電流平方參考量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的單相AC-DC變換器儲能控制系統(tǒng)，其特征在于:所述第四平方單元(UlO)、第二減法單元(Ull)、電流平方內(nèi)環(huán)單元(U12)、第二限幅單元(U13)、補償單元(U14)、加法單元(U15)構(gòu)成電流平方內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)即升壓電感(LI)儲能控制，接收電感電流平方參考量、升壓電感電流瞬時值iK1、補償控制量，先后經(jīng)過平方運算、減法運算、電流平方內(nèi)環(huán)控制運算、限幅以及加法運算，得到最終輸入電流平方的控制量，該控制量負(fù)責(zé)控制功率電路的升壓電感(LI)的儲能按照輸入電壓平方波形變化，即升壓電感(LI)的電流為正弦半波波形，在經(jīng)過交流電容(Cl)的濾波后，在網(wǎng)側(cè)得到正弦電流波形，且與網(wǎng)側(cè)電壓波形同步，達到單相AC-DC變換器輸入電流波形正弦校正的目的。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的單相AC-DC變換器儲能控制系統(tǒng)，其特征在于:所述補償單元(U14)在網(wǎng)壓過零之后提供脈沖補償，補償脈沖幅值處于0.1~0.25之間，用于改善過零附近電流波形正弦度。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的單相AC-DC變換器儲能控制系統(tǒng)，其特征在于:所述功率電路中，IGBT (SI)接受驅(qū)動脈沖，進 行通斷工作，改變電路結(jié)構(gòu)，使升壓電感儲能和釋放能量，供電解電容和后級負(fù)載使用，并維持電解電容電壓即輸出電壓恒定，同時使得升壓電感(LI)電流呈現(xiàn)正弦半波形狀，反射到網(wǎng)側(cè)經(jīng)過第一交流電容(Cl)的濾波作用，得到與網(wǎng)壓同步的正弦電流，功率因數(shù)接近I。
【文檔編號】H02M7/06GK103746572SQ201410003007
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2014年1月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月3日
【發(fā)明者】趙維娜, 楊喜軍 申請人:上海交通大學(xué)