一種LLC諧振變換器的直流端二次紋波抑制方法

1、一種LLC諧振變換器的直流端二次紋波抑制方法1.引言全球電動汽車產業(yè)飛速發(fā)展，電池儲能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)的應用也日益廣泛，這使得電池 充電裝置成為研究熱點1。兩級式AC-DC-DC變換器具有控制靈活，能同時兼顧電池充電 性能和電網電能質量的優(yōu)點，廣泛應用于電池充電場合2，其系統(tǒng)結構如圖1 所示。如圖1所示，單相AC-DC變換器的瞬時輸出功率中含有兩倍電網頻率的交流分量3， 這個脈動頻率會對DC-DC變換器的輸出造成影響4。文獻基于DC-DC變換器線性交流 小信號模型研究了低頻紋波的產生及傳遞機理。文獻6在文獻5的基礎上，提出了一種基 于電流反向增益?zhèn)鬟f函數的方法來分析電流低頻紋波問題。電池對充電電

2、壓精度要求很高7。因此，在前級為單相的兩級式AC-DC-DC變換系統(tǒng) 中，必須對二倍頻紋波進行抑制，以保證輸出電壓的高精度和低紋波。文獻6總結了對兩 級式AC-DC-DC變換器進行協調控制抑制二倍頻功率波動的方法，包括：(1)由第三方儲能 裝置提供二倍頻脈動功率8，這種方法增加了變換器和電路端口，使電路本身和控制均較 為復雜，也增加了系統(tǒng)的體積和成本。 (2)由電池提供，文獻9通過約束燃料電池輸出阻抗 來滿足較嚴格的紋波限制，實際應用有一定局限性。 (3)允許該脈動功率出現在中間直流母 線，由儲能元件提供。方式(3)可分為無源和有源兩類，文獻10中采用較大的電解電容來平 滑母線電壓波動，增加了

3、系統(tǒng)體積和重量。文獻11在電路中插入LC諧振網絡，用于平衡 脈動功率，可以有效減小中間母線電容值，但由于加入了額外電感，系統(tǒng)體積和重量仍會受 限。文獻中采用平均電流控制對DC末端電流二次紋波進行了抑制，但紋波抑制效果依 賴于變換器控制帶寬的設計6。本文基于信號調制解調的思想，以LLC諧振變換器為研究對象，分析了二次紋波電壓 在DC-DC變換器中的傳遞機理。采用了 PI+PR控制器對LLC諧振變換器輸出電壓的二次 紋波進行了抑制，使輸出電壓整體紋波幅值減小，從而能夠在不增加直流母線電容的前提下， 改善了電池充電電壓質量。2.LLC 諧振變換器中二次紋波的傳遞全橋LLC諧振變換的電路結構如圖2所示

4、。其中，vdc為直流母線電壓，v2為直流母 線上的二次紋波，vo為輸出電壓。Lr和Cr分別為諧振電感和諧振電容。T為降壓變壓器， 其變比為np: ns1: ns2,其中ns1= ns2, Lm是變壓器勵磁電感。S1， S2, S3和S4為開關管， D1 和 D2 為輸出整流二極管。 Co 為輸出濾波電容。 Ro 為電阻負載。1.1 開關網絡對二次紋波的影響設LLC諧振變換器的直流母線上二次紋波電壓的表達式為：v:(r) = V、siii2r梵中坯為二次紋波誦值，成示電網角頻率Q 輸入匕（f）經過開關電路，可等效為個頻率為LLC諧按變換器開關頻率人幅值為1的正負方波信 號$0）對巾（F）逬行采樣

5、“方波信號s（）的喪達式為二1S1S=-12Z-/i變成r(2fc+7)ft)52(iB根據以上分析.開關網絡對100Hz的低頻信號進 行J高頻調制，二次紋波分雖被調制到了開關頻率及 更高頻段。1.2諧振網絡對二次紋波的影響LLC諧振變換器有兩個諧振頻率，-個是由諧振 電感厶與諧振電容G構成的諧振頻率忌-個是由i皆 振電感厶和勵磁電感Zm之和與諧振電容G構成的諧 振頻率九，顯然有K苗LLX諧掠變換器通常工作 在高于名的高頻段,隨若開關頻率云的增加，變換器 的増益逐漸下降，起到調壓的作用。根據LLC諧扳網絡的阻抗分壓關系，可得到其傳 遞函數為=q(s =門1比白丄點乜&十ZJ十込乂2其幅頻特性為

6、：|g(j)| =f |g(j)| =f 譏(人 +(1一l 丿其中n=n7:地1二二刀p：仏根據LLC諧撮變換器幅頻 持性可胸出其工作頻段的諧振網絡增益頻率特性曲 線，如圖3所示。圏5 LLC諧撿網路增益-頻率特枚曲線根據諧振網絡的增益-頻率持性，當諧振網絡輸入 信號的預率很高時，諧振網絡對其增益很小。Y“（f）是諧振網絡的輸入，它所含有的信號頻率為 （肚+Dc込土加I，kQo當1時，（2HJ）2高于諧振頻率3倍及 以上，諧振網絡對它熠益可近似看為S當用=0時，（2AH）s23i = d 2切，可以認為 諧振網絡對頻率為処2gj的信號的增益為丄）,因 為LLC：諧掘變換器的開關頻率很高 土

7、2 （100Hz） 的偏移影響不大。因此，諧振網絡端口輸出電M滄的衣達式為： 必（Z）冬二cos（ -cos（ 斗2）7（7）可見，諧撮網絡對輸入信號起到濾波和調用的 作用.濾除了遠離諧振點頻率的高頻信號，對于諧振 點頻率附近的信號，能夠根據其頻率調整其電壓増益1.3整流電路和輸出濾波電容對二次紋波的影響 諧振網絡的輸出2足變壓簽和整流網絡的輸 入a變壓器的變比M=p: wsi=p:雄c LLC諧振變換 器的整流網絡中.二極管導通和關斷的時序與開關網 絡妊-致的I刃此滄經過開關電路.也可等效為 個頻率為變換器開關頻率云，幅值為1的正負方波信 號s(r)對其進行采樣。由此可得到整流網絡端口輸出電

8、壓勸的衣達式 為：= 竺$)兀 sill 2 珂r(9)njv可見輸出濾波電容的作用類似于信號解調，還原 了二次紋波。由以上的分析可知.二次紋波在全橋LLC諧振變 換器中的傳遞類似于個信號調制和無調的過程。二 倍頻紋波首先被開關網絡調制到島頻段.經過諧振網 絡調壓后,整流網絡又對其進行調制.最后崗頻信號 彼輸出濾波電容吸收，原有的二倍頻信號被還原。開 關網絡，整流網絡和輸岀濾波電容對輸入信號起到r 頻率搬移的作用。3.基于PRPR控制的二次紋波抑制不考慮控制的影響.根據(9式進行it算，若血 詭母線上含有10V的二次紋波時.當丿似)最大.即為 1時，輸出電圧上的二次紋波幅值計算值為：(10)

9、n?？梢婎澞腹{上的一次紋波會對輸出電壓造成較大訥J。電也對充電電壓榷度和紋渋妾來較高J媲電翹 為例，均曲充電終止電壓誤差俗會牛致壽命變化1/山容量變化聊7,這就對充電裝這的輸出電壓楕妾和紋液 提出了絞高要求./抑制輸出電壓上的二次紋波.控制器應能夠較好地撫亙流酚上二次紋波的找動.這就要求控制器對二 汶紋波電足夠的増益.P：控制無法很好地襯二諛紋波進行抑制，本文采月在煩電PI茫制器基礎上加入P宓制的 方法來抑制輸出則二次紋液.I I I I Illi I I I II Illi I I Illi 一-I+14Hll444+l 略 -H II1111 rmLJJ TITTrttt milI I H

10、ill4C10Cmi L i丄Lili iIII/!rTi-ninI I I I Illi I I I II Illi I I Illi 一-I+14Hll444+l 略 -H II1111 rmLJJ TITTrttt milI I Hill4C10Cmi L i丄Lili iIII/!rTi-nin11 miI Illi nnr i iiiiri II III 4-+4+I+I i min T-rtmti i iiiin TTTTriTl i i 111 illIDIIII -UJU 7JIII I Illi ri-mn一丁 rrm i i 11111T1io3I I I Hill 4-4

11、-4+H4 I I I Hill TFTtrrI I HillII Hill 丄LUI Hill 44H4I Hill nnu liiii iTm iiii10m 5所示為諧扳頻申300Hz的PR推制器的幅頻 恃性曲線。PR捽J器在諧振頻冷處增益很烏.而在非 諧扳處增益很小可利用此恃性捉舄100Hz處的博益.加強對輸入亡流母線】次諧波的抗擾動能力.抑制輸 出電用的 次紋波PR控制器的傳遞函數為：G,(s) =2grsG,(s) =2grs十 2s+(2絢)(ID菽中懇衣征J諧振頻皋處的増益，人越大，諧振 頻率處的增益越大.址衣征了諧振點頻帶.Q越大. 諧抜點頻帝毬寬。Q冋時也農征丫 PR揑制器

12、的調節(jié) 速度，錢越大，PR控制器的調節(jié)速度越快c不同于逆 變益擰制.LLC諧按變換器中所含有的低頻紋液成分 并不豐富.主妥姥直沆雖:和二次紋漩分雖：，I刃此他町 以取較犬，以提髙挖制器響應速度.不會像逆變備控 制可能會枚明顯地彩響其他次諧波。最終所采用的PI+PK擰制器的代遞函數為：G(s)5 亠 G(s)5 亠 2es 十2。）4.試驗結果分析搭建了 臺兩級式AGDGDC變換的充屯裝置. 其中后級LLC諧抿變換器的電路參數如衣1所示。式計算，匕 = xlOO% 式計算，匕 = xlOO% 2VC直流母線電壓您3C0V直流母線電客0lOSiuF諧採電感厶30uH諧振電容G27 2nF變斥器【幣

13、比W-194:4變忌器勵做電感Zm100uH額定輸出電圧80V額定功半P2.4kV(13)求1.社路參數和控刮參坡具中北犬輸出電壓，為輸出電壓紋波紋波峰峰值，則譏/ 2為紋波嗚值。采用Saber欽件塔建圖2所示電路的模型汪行優(yōu)真，在直壺母線丄串聯了幅值為10頻率為KOiz的交益已 壓源以模槪二次纟文浪。為驗證前醞分析的二諛咬波電壓信迅關系.首失進行開環(huán)仿真.LL理路的諧扳瑟數是按照開主頗率等于 諧撮頻率時疥顱定輸出電玉來設計的，因此可以認為頷定輸曲加仏）近似為:L麼6所示為輔出電壓為頜定 時的宜流母線電壓和輸出屯壓波形及對應的FFT分析其中，FFT分析1給出的是不司頻率信弓的喝值。曰輸出電莊的

14、肝吩析得到，二次絞泱的幅值為21酣，比計商得到的1. 71.造戒差異的原因是由于在 分析過程屮做了一些近似假設，實際二衣紋潑嗯値應比理論計舜僵偏九.為驗證P廐制對二次紋技笊抑制效果，分別進行PI控制和幵咗制的仿真，得到輸出電壓的液彫及其FFT 分析如圖7所示。(V) ui410.0(V) ： VWTOO.(V) ui410.0(V) ： VWTOO.(a)直流母線電壓及FFT分析1 ! !平郁4 、f T、r、f a冋 iA,VIu V1 !VV1(b)輸出電尿及FFT分析圖7開環(huán)仿真結果由血環(huán)結果可看出,PI控的輸出電壓膠波USHl.SlV.線渡百分比切”26知不滿足要求.PI控制對交 肩信

15、號不能枚刮無靜差眼蹤，因itF丄控制器訟致履的抑制敘具不明顯.F_+P電制的輸出電丘欽劇畐值為 U.b4V；統(tǒng)祓匚方比加上味淋足要軋列升門工具站二于卜斤可剜比控制輸二電壓口二空紋夜方星的唯直 l.cl7, FI廳缶制猶B屯壓中二次示很;）壘B幅匡氷.応譏可見F： PFItJ可戸隸地拆制LL渭扼變換誥 輪出電佳的一枝紋滾肌南懺蘭的輸土屯莊?怎RE頊辻到芟求.心）鞏碎制筍出電壓出FFT分析 Ifr心）鞏碎制筍出電壓出FFT分析 IfrT fi： Cll 1T2V*! I k 4*- loJ-OHi： ! i（b） PT+F尺拎制輸出電床肚FFT分桁罔g閉環(huán)挖制苗真結果5.結論訂）基于信號調制眸詢的

16、忍想，研宛了二亡紋技電，玉在LUJ諸孤變換龍中的傳詛機理：分卜斤了幵天朋纟金憎 扼園絡，整流例絡和輸出濾波對二住紋陜的孝臨，并推導r定壘關系恚達式來比巴+陽抨胡増站.押制器對二詫敦液冊睫找曲第力對瀟片豐斥二K紋淺耳停月簾劑制斂臭傅 輸出屯&澈舷荷足要貳參考文獻1 Viswanathan, V. V., Kintner-Meyer, M. “Second Use of Transportation Batteries: Maximizing the Value of Batteries for Transportation and Grid Services,” IEEE Transaction

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