一種兩級變流器的效率尋優控制方法

2023-10-11 20:09:49 2

專利名稱：一種兩級變流器的效率尋優控制方法
技術領域：
本發明涉及一種提高兩級變流器系統工作效率的控制方法，尤其適合於輸入或輸 出電壓寬範圍變化的變流器。
背景技術：
在能源問題極受重視的今天，提高能源的利用效率成為科學研究的重要方向。以 現代電力電子學為基礎的高頻變流器因為比傳統的線性電源具有效率高、體積小的優 點得到了深入廣泛的研究應用。
高頻變流器可以將一種交流或直流電壓轉換成另一種交流或直流電壓。其拓撲形 式多樣，根據其聯結結構劃分，有兩種比較常用 一種是單級變流器結構，它直接將
輸入交流或直流電壓轉換成輸出交流或直流電壓；還有一種則是兩級串聯變流器結抅，
它通常是先將輸入交流或直流電壓Uin經過前級高頻變流器轉換成一個中間直流母線 電壓Ubus,再由後級高頻變流器將該中間直流母線電壓Ubus轉換成輸出交流或直流電
壓U。，如附圖1所示。當然，還有多級及多重聯結等其他結構。
兩級串聯的變流器(簡稱兩級變流器)結構應用很多，如在車載和船載逆變器中，
因為鉛酸蓄電池電壓額定為12VDC或者24VDC,通常就需要用一個高頻隔離升壓電 路(如推挽DC-DC變流器或全橋DC-DC變流器)先將該低壓Uin升高到約400V的 一個直流母線高壓U^,再由後級全橋逆變電路將該直流母線高壓Ubus逆變成220VAC 的交流電壓U。。還有在通信整流模塊中，前級通常是通過一個升壓功率因數校正電路
將輸入巿電電壓Uin抬高成一個400V左右的直流高壓Ubus,再由後級的隔離式高頻變
流器(如正激DC-DC變流器或全橋DC-DC變流器等)將該高壓轉換成48VDC的電 壓U。。這方面的例子很多。
兩級變流器的輸入電壓往往都不是穩定的電壓，如單節鉛酸蓄電池電壓範圍為 10VDC-15VDC，而市電電壓的波動範圍則能寬達176VAC 267VAC。傳統的兩級變
流器的前級變流器設計成將該不穩定的電壓Uin轉換成一個穩定的直流電壓Ubus。而在
這樣寬，甚至更寬的輸入電壓下，前級變流器的設計很難做到效率優化，同時也影響 了整個系統的效率。另外，對於輸出電壓可調的兩級變流器，如果採用固定中間母線 電壓U^的控制方法，則帶來了後級變流器工作點無法優化，降低系統效率。

發明內容
本發明的主要目的是提供一種兩級變流器的效率尋優控制方法，它可以通過提出 的控制方法在電路運行過程中調整中間直流母線電壓Ubus,使系統工作在優化效率工 作點。
本發明的目的是通過如下技術方案實現的
一種兩級變流器的效率尋優控制方法。兩級變流器的前級變流器將輸入電壓Uin 轉換成一個中間直流母線電壓Ubus,後級變流器再將該中間直流母線電壓Ubus轉換成
3預期的輸出電壓U。。檢測電路檢測兩級變流器的電壓電流信號。效率尋優控制算法及 電路接受檢測電路的信號，進行效率調整計算，根據計算結果不斷調整輸出中間母線 電壓參考值Uref,直到系統在一定的中間母線電壓U^允許調節範圍內獲得最佳工作 效率。輸出中間母線電壓參考值l^f用於前級變流器的控制電路，前級變流器的控制 電路應能保證其輸出中間母線電壓Ubus能跟隨參考值Uref而改變。
本發明所述的兩級變流器的前級變流器可以是各種單級的不隔離式或高頻隔離式
DC-DC或AC-DC變流器；該兩級變流器的後級變流器可以是各種單級不隔離式或高 頻隔離式DC-DC或DC-AC變流器。
本發明所述的檢測電路設有兩級變流器輸入電壓Uin、輸入電流ih、輸出電壓U。、
輸出電流i。和中間母線電壓ubus檢測電路。
效率尋優控制算法及其電路接受檢測電路送來的各信號，通過算法後產生新的中
間母線電壓參考值Uw,再將該參考值賦予前級變流器的控制電路，待前級變流器調
整穩定後再檢測處理各信號，如此不斷調整直到在新的中間母線電壓Ubus下系統有最 佳的效率。算法需要根據輸入電壓和輸入電流相乘計算得到輸入功率Pin，根據輸出電 壓和輸出電流相乘得到輸出功率P。ut，再計算系統的效率Tl==P。Ut/Pin。
參見附圖2，本發明的具體的控制流程依次如下步驟
當系統穩定狀態時，根據初始的中間母線電壓參考值U^和測量計算得到相應的
效率Tll,確定擾動量厶U (大於零)。然後將Ureff厶U賦予Uref,作為新的母線電壓參 考值。待母線電壓Ubus穩定到Uef時，測量計算得到新的穩定情況下的效率112。判斷 該效率Tl2是否大於Tl1，並將T12賦予TH,如果效率提高了，則進入流程U);否則就 進入流程(2)。
流程(l)-繼續增加中間母線電壓參考值將Ure汁AU賦予LW,並判斷該新參考 值是否大於了最大參考電壓U^—max。如果yeS,則將Uref-AU賦予Uref作為最終值輸
出並結束；如果no,則待前級f流器控制使得中間母線電壓Ubus穩定到LW後再測量
效率112,判斷效率Tl2是否大於111,並將T12賦予TU。如果效率提升了，則返回到流程 (l)開始的地方；如果效率下降了，則將Uref- AU賦予Uef作為最終值輸出並結束。 流程(2)-減小中間母線電壓的參考值將Uref- AU賦予Uref,並判斷該參考值 是否小於了最小參考電壓Ur(^n。如果yeS，則將Uref+AU賦予Uref作為最終值輸出 並結束；如果IIO，則待前級^流器控制使得中間母線電壓Ubus穩定到Uref後再測量效 率112，判斷效率Tl2是否大於Tl1，並將T]2賦予Tl1。如果效率提升了，則返回到流程(2) 開始的地方；如果效率下降了，則將U^+AU賦予U^作為最終值輸出並結束。
該初始中間母線電壓參考值Uref由系統按照常規方法設置； 該擾動電壓AU可以是大於零的一個變化值。
本發明的技術效果是傳統的兩級變流器的中間直流母線電壓值Ubus設計成固定 的，這使得前級變流器在輸入電壓寬範圍變化時功率管的控制信號佔空比也寬範圍變 化，後者後級變流器在輸出電壓寬範圍變化時功率管的控制信號佔空比也寬範圍變化，這帶來了效率無法優化的問題。而採用本發明的效率尋優控制方法可以通過算法調整 中間直流母線電壓Ubus,也就是調節前後級變流器的佔空比工作點，這使得兩級變流 器在一定的中間直流母線電壓範圍內得到最佳的佔空比工作點，達到在不同工況下獲 得最佳效率的效果。


圖l為傳統兩級變流器系統結構框圖2為效率尋優控制方法的流程圖3為本發明的一個具體實施例；
具體實施例方式
以下結合附圖3的一個具體實施例對本發明做進一步的詳細說明。 參見圖3,其為本發明所述的一個釆用了效率尋優控制方法的車載逆變器。電路 主要由以下幾部分組成1 12VDC鉛酸蓄電池組；2推挽式直流變換器；3全橋逆變 電路；4隔離驅動電路-l; 5隔離驅動電路-2; 6 TMS320C2812處理器；7檢測及轉 換電路；
所述l 12VDC鉛酸蓄電池組電壓Uin允許變化範圍為10VDC 15VDC;
所述2推挽式直流變換器中功率管Qi和Q2釆用了 5個IRF3205並聯，變壓器原 副邊變比為2: 72， 二極體D廣D4採用了 RHRP8120。電感Ls為lmH。電路開關頻率 為30kHz。中間母線電容Cbus為1000uF/500VDC,中間母線電壓的允許變化範圍為 340VDC 480VDC。
所述3全橋逆變電路的功率管Q3 Q6釆用IRG4PC50UD,濾波電感Lf為2mH， 濾波電容Cf為6.8uF。開關頻率為18kHz。額定輸出電壓U。為220VAC。
所述4隔離驅動電路-1的輸入是TMS320C2812處理器產生的PWM1和PMW2 信號，輸出分別驅動推挽式直流變換器中功率管Qi和Q2。
所述5隔離驅動電路-2的輸入是TMS320C2812處理器產生的PWM3， PWM4, PWM5和PWM6信號，輸出分別驅動全橋逆變電路的功率管Q3， Q4, Qs和Qs。
所述7檢測及轉換電路實時檢測輸入電壓Uh,輸入電流iin，中間直流母線電壓ubus, 輸出電壓u。，輸出電流i。和逆變電感電流^的值並轉換輸出給TMS320C2812的8內 置A/D轉換器。
所述6TMS320C2812處理器中主要包含9效率尋優控制算法；10前級變流器 控制算法；12後級變流控制算法。
所述6 TMS320C2812處理器中的8內置A/D轉換器將輸入的各模擬信號轉換成
數字值。其中，數值輸入電壓Uin一d,輸入電流itaj,中間直流母線電壓u^—d,輸出電
壓u。一d，輸出電流i。一d輸出給9效一率尋優控制算法:9效率尋優控制算法計i得到中間
母線一電壓參考值Uref，輸入到IO前級變流器控制算法，IO前級變流器控制算法計算得
到的控制值再輸出到內部的11PWM比較單元-1，經其產生並輸出前級變流器的PWM1 和PWM2信號；數值輸出電壓u。d，輸出電流i。—d和逆變電感電流^一d輸出給12後級變流控制算法，該算法計算得到的控制值再輸出到內部的12PWM比較單元-1，經其 產生並輸出後級變流器的PWM3, PWM4, PWM5和PWM6信號。 所述的9效率尋優控制算法如下
首先將初始的中間母線電壓參考值設定為380VDC。當系統穩定後，測量輸入和 輸出電壓電流，計算系統效率 ，確定參考電壓增量ALN5V。然後將UreffAU賦予 Uref,作為新的母線電壓參考值。待中間母線電壓Ubus穩定到U^時，測量計算得到新
的穩定情況下的效率Tl2。判斷該效率Tl2是否大於 ，並將Tl2賦予Tli,如果效率提高
了，則進入流程(l);否則就進入流程(2)。
流程(l)-繼續增加中間母線電壓參考值將UreffAU賦予Uref,並判斷該新參考
值是否大於了最大參考電壓U《max=480VDC。如果yes，則將Uref- AU賦予Uref作為
最終值輸出並結束；如果IIO, ^待前級變流器控制使得中間母線電壓穩定到Uref後再 測量效率Tl2，判斷效率Tl2是否大於T^,並將Tl2賦予T]i。如果效率提升了 ，則返回到 流程(l)開始的地方；如果效率下降了，則將Uref-AU賦予Uref作為最終值輸出並 結束。
流程(2)-減小中間母線電壓的參考值將Uref- AU賦予Uref,並判斷該參考值
是否小於了最小參考電壓U^—min=340VDC。如果yes,則將Uref + AU賦予LW作為最
終值輸出並結束；如果nO,則待前級變流器控制使得中間母線電壓穩定到Uref後再測
量效率ri2,判斷效率ri2是否大於Tip並將Ti2賦予ru。如果效率提升了，則返回到流
程(2)開始的地方；如果效率下降了，則將Uref+AU賦予Uref作為最終值輸出並結束。
在同樣lkW負載，輸入電壓12VDC條件下，測試比較傳統的將中間直流母線電 壓固定為380VDC的控制方法和本發明所提出的效率尋優控制方法的效率。傳統的方 法測試效率為85.7%;而採用本發明後，中間母線電壓被調整到了 340VDC，效率提 升到86.1%。
本實例揭示的效率尋優控制方法使得兩級變流器可以在穩定工作過程中調整中間 母線電壓，得到更高的效率。
最後應說明的是，以上實施例僅用以說明而非限制本發明的技術方案。
權利要求
1、一種兩級變流器的效率尋優控制方法，其特徵是調整前級變流器輸出電壓的中間母線電壓參考值Uref，並將其作為控制電壓，通過前級變流器控制電路控制前級變流器的輸出電壓Ubus達到中間母線電壓參考值Uref。
2、 根據權利要求l所述的方法，其特徵是按以下步驟設置初始中間母線電壓參考值Uref,待系統穩定後檢測輸入和輸出的電壓電流值，計算出兩級變流器效率ru，確定擾動量AU(X));將Uref+AU賦予Uref,檢測計算出穩定後的兩級變流器效率Tl2;判斷效率T]2是否大於ni，並將Tl2賦予TlP若TlPTll,則進入流程(l),否則進入流程(2 ):流程(1 ):將Uref+AU賦予Uref，並判斷U^是否大於最大母線電壓參考值U《max,如果yeS,則將Uref-AU賦予Uref作為最終值輸出；如果IIO，則再檢測計算出穩定後的效率T]2，判斷效率T!2是否大於Tl1,並將n2賦 予T1P若幣>111,則返回流程(l)開始處；若tl2〈Tl1,則將Uw- AU賦予Uref作為最終值輸出；流粗2 ):將Uref - AU賦予Uref，並判斷Uref是否小於最小母線電壓參考值Uref—min， 如果yes，則將Uref + AU賦予Uref作為最終值輸出；如果IIO,則再檢測計算出穩定後的效率T！2，判斷效率Ti2是否大於ri1,並將化賦 予Tl,，若T^巧，則返回流程(2)開始處；若Tl2〈Tl1,則將Uref+AU賦予LW作為最 終值輸出。
全文摘要
一種兩級變流器的效率尋優控制方法，其特徵是調整前級變流器輸出電壓的中間母線電壓參考值Uref，並將其作為控制電壓，通過前級變流器控制電路控制前級變流器的輸出電壓Ubus達到中間母線電壓參考值Uref；本發明採用效率尋優控制方法，基於初始中間母線電壓Ubus及其參考值Uref和初始效率η1，以將Uref+ΔU(ΔU＞0)賦予Uref的方式來調整中間母線電壓Ubus，檢測判斷調整後效率η2比前次效率η1是增加還是減小，根據效率增加的方向決定下一步是繼續將Uref+ΔU賦予Uref還是將Uref-ΔU賦予Uref以調整母線電壓Ubus，直到兩級變流器在一定的中間直流母線電壓範圍內得到最佳效率，達到在不同工況下獲得最佳效率的效果。
文檔編號H02M3/335GK101626196SQ20091011591
公開日2010年1月13日 申請日期2009年8月5日 優先權日2009年8月5日
發明者袁義生 申請人:華東交通大學