两级式逆变器中间母线电压低频纹波抑制

两级式单相逆变器输出电压和电流都是低频交流电,输出瞬时功率中除含有直流量外还含有2倍输出频率的脉动量,造成中间母线电压出现二次纹波分量。为解决逆变环节产生的谐波引起母线电容发热从而危及母线电容的运行寿命以及母线电压脉动可能导致逆变输出电压畸变的问题,提出了一种通过改变前级直流变换器外环电压控制器参数以实现母线电压低频纹波抑制的方法,并研究了两级式直交逆变器中间母线电容电压特性,通过分析逆变环节输入电流中直流分量、二次谐波分量等表达式,从而揭示两级式逆变器中间母线电容低频电压纹波的产生及其影响因素。方法中前级直流变换器、后级逆变器均采用电压电流双闭环控制。仿真和实验结果表明该控制方法是正确、可行的,且母线电压低频纹波抑制效果明显。     

基于超级电容有轨电车的充电装置控制研究

超级电容快速储能技术在短时大功率应用中有较好的技术经济性,非常适用于新型有轨电车储能。针对有轨电车充电装置整流器采用传统多脉波整流技术导致的整流器输入侧交流电压畸变、交流电流谐波含量高,直流母线电压纹波大,功率因数不可控等问题,提出采用脉宽调制(PWM)整流方式。该整流方式具有功率因数高,谐波含量低等优点,采用电压-电流双闭环与电压前馈相结合的控制策略,来抑制直流母线电压在超级电容接入瞬间引起的波动。通过设计LCL滤波来吸收整流器交流侧的电流谐波,并推导了LCL滤波器的计算公式。系统仿真和实验证实了该控制的有效性。     

两级式逆变器母线电压二次纹波分析及抑制

针对前级采用Boost电路、后级采用单相全桥逆变电路的两级式逆变器,研究基于传统电压外环电流内环控制改进的方法,以解决抑制中间母线电压低频纹波的问题。由于输入功率是直流量,输出的瞬时功率中除了有直流分量外,还含有2倍于工频的脉动分量,导致输入输出功率不平衡,从而使中间母线电压含有二次低频电压纹波。该低频电压纹波会引起母线电容发热从而危及母线电容的运行寿命,会导致逆变输出电压波形出现削顶而产生畸变,还会影响系统的动态性能。为了解决母线电压低频纹波所带来的问题,提出了一种将输出功率前馈到前级直流变换器以实现母线电压低频纹波抑制的方法。仿真和实验结果验证了该控制方法的正确性和有效性,母线电压低频纹波得到很好的抑制。     

储能电感对二次型Boost PFC变换器的性能影响

相比于断续导电模式(DCM)Boost功率因数校正(PFC)变换器,输入电感L1和储能电感L_2均工作于DCM的二次型Boost PFC变换器的输出电压纹波明显减小,但其功率因数(PF)较低。首先分析了电感L1工作于DCM的二次型Boost PFC变换器PF值表达式,指出可通过适当增大变换器中间电容电压VC1以提高PF值。其次,研究了电感L_2取值对中间电容电压及其电压纹波的影响。研究结果表明,当L_2工作于DCM时,可以通过设置较大的电感L_2/L1比值,以实现变换器更高的功率因数和更低的输出电压纹波。仿真与实验结果验证了理论分析的正确性。     

应用直接功率传递原理改进的单级PFC拓扑及其直流母线电压应力分析

过高的直流母线电压应力(即中间储能电容电压应力)是困扰单级功率因数校正AC／DC变换器的一个严重问题。本文分析了单级功率校正AC／DC变换器产生高电容电压应力的原因,介绍了三种典型的根据直接功率传递原理改进的单级PFC变换器拓扑,对这几个拓扑的直流母线电压应力进行了深入的分析和比较。     

含超级电容混合储能系统直流微电网功率分配策略

针对直流微电网中微电源功率输出不稳定以及负荷波动导致直流母线电压偏移问题,提出一种含超级电容和蓄电池的混合储能系统充放电控制策略。该控制策略将储能系统分为5种工作模式,控制系统根据直流母线电压值选择混合储能系统的工作模式,实现蓄电池与超级电容在充电、放电及空闲模式间自由切换,从而维持直流母线电压稳定。通过Matlab/Simulink软件搭建系统模型,仿真结果表明,采用该控制策略可使直流母线电压保持在电压偏移允许范围内。     

针对并网型飞轮储能系统的双电流闭环比例谐振控制

文章提出一种适用于飞轮储能系统并网的双电流闭环控制方法。在电网侧及飞轮侧控制系统中同时引入比例谐振控制器,避免了比例积分（proportional integral,PI）控制器跟踪正弦电流存在稳态误差的缺点,提高了系统的稳定性及电网电能质量。同时,采用电容电流内环反馈控制抑制LCL滤波器的谐振尖峰,提高进网功率因数。在充电阶段,电网侧变换器采用电压外环控制方式,飞轮侧变换器采用转速外环控制方式;在待机及并网运行阶段,电网侧变换器采用电网侧电流外环电容电流内环的控制策略,飞轮侧变换器采用直流母线电压外环电流内环的控制策略,以稳定直流母线电压。采用广义根轨迹法对电网侧控制器参数进行设计。搭建了飞轮储能系统并网控制模型,仿真结果验证了文章控制策略的有效性。     

基于组合型双向DC-DC变换器的超级电容储能系统控制策略分析与设计

研究了一种基于组合型双向DC-DC变换器BDC(bidirectional DC-DC converter)的超级电容储能系统,该系统采用多组多通道交错Buck/Boost双向变换器串联,既可实现开关电流和电压应力的降低也可实现电感量的减小,同时有助于减轻超级电容单体电压低与应用场合电压高间的矛盾。串联变换器模块间的均压控制是该系统稳定运行的关键之一。基于双向变换器的小信号模型分析了超级电容储能系统电流控制与变换器模块均压控制的关系,设计了组合型双向DC-DC变换器的双闭环控制策略,在稳定控制超级电容充/放电电流的同时实现模块输入电压均衡的解耦控制。进一步根据母线电压变化及超级电容荷电水平提出了储能系统能量控制策略。通过两组三相交错Buck/Boost级联BDC储能系统的实验验证了控制策略的有效性。     

基于母线电压微分前馈的直流微电网并网变换器控制策略

为解决直流微电网惯性低、抗扰动能力差的问题,提出基于母线电压微分前馈的直流微电网并网变换器电流控制策略。以三相半桥并网变换器为研究对象,根据不等式约束条件建立直流母线电压与电感电流线性控制关系,将母线电压变化率与原接网电感的稳态电流值相结合,作为电感电流的控制指令值。为降低扰动下母线电压跌落,利用能量与功率关系设计虚拟电容并将其引入母线电压控制环,实现在不增加实际电容的情况下提高直流微电网的抗扰动能力。同时,给出了加入虚拟电容后直流微电网的稳定性分析。仿真和实验验证了所提控制策略的可行性。     

直流微网混合储能控制及系统分层协调控制策略

为了充分利用超级电容动态响应快、锂电池能量密度高的特点来提高微网储能系统的动态特性和运行寿命,利用这2种储能器件构成了光伏型直流微网的混合储能系统(HESS).基于对超级电容和锂电池储能下垂特性的分析和工作区间的划分,提出改进型混合储能控制策略;再根据直流微网系统的功率方程、母线电容储能变化与电压变化方程,导出直流母线电压变化与系统功率流向之间的关系,提出对光伏型直流微网的电压分层协调控制策略.实验结果表明,该策略根据电压变化将直流微网的运行划分为5个层区,通过检测直流母线电压的变化量来决定系统的运行层区及光伏、超级电容和锂电池功率变换器的工作方式,保证各层区都有相应变换器来调整直流母线电压、平衡系统功率,实现直流微网电压稳定的控制目标.因此,基于混合储能系统的电压分层协调控制策略能够有效调节直流母线电压,保证直流微网的功率平衡.     

一种带非电解电容的电动汽车充电电源的建模和设计方法

电动汽车车用电池的寿命通常在50 000 h以上,而传统的电动汽车车用充电电源寿命受电解电容的限制只能在8 000 h左右。为实现充电电源与动力电池的寿命匹配,关键在于将短寿命的DC-link电解电容替换为长寿命的非电解电容或代替电容的其他结构。本文提出了一种基于状态空间平均法的建模方法,重构了包括控制电路和主电路的平均控制模式下的Boost PFC电路。并通过该方法得到全电路的控制框图,最终得到了输出电压对输入电压的闭环传递函数,进而得到了100 Hz两倍工频纹波电压的衰减倍数与DC-link电容之间的关系,证明了DC-link电容容值可以大大低于传统的经验值,实现了长寿命小容值的薄膜电容对短寿命大容值电解电容的替换。最后用仿真和实验样机对该建模方法以及电源的无电解电容化进行了验证。     

无电解电容的改进型SEPIC LED照明驱动

高功率白光LED因其高光效、长寿命、环保及小体积等优点,已经引起学术界和工业界的广泛关注,有望成为第四代照明光源。通常LED照明的供电电源除了要求高效率、高功率因数、低成本外,还必须具有高功率密度。然而作为储能的电解电容不但体积较大,而且寿命短,不但影响了电源功率密度的提高而且降低了LED驱动的使用寿命。因此本文在研究分析了现有LED照明驱动的基础上,提出了一种改进型SEPIC变换器,并以此为基础,提出了一种新的LED照明驱动。该LED照明驱动以Twin-Bus Buck变换器作为LED电流调节器,改进型SEPIC PFC作为预处理级。该驱动在满足输入功率因数不低于0.96时,消除了电解电容。一台50W的SEPIC PFC的实验样机的测试结果表明了设计的合理性和可行性。     

An Isolated PFC Zeta-forward Single-stage Single-switch for LED Driver Without Electrolytic Capacitor

Abstract

The high-brightness light-emitting diodes (LEDs) require an AC/DC converter with power factor correction (PFC). The large output electrolytic capacitor, which is used to minimize the low frequency LED current ripple, degrades the operating lifetime of the LED driver. In order to increase the lifetime of an AC–DC LED driver, the electrolytic capacitor should be eliminated without significantly increasing the output current ripple. In this article, an isolated single-stage single-switch AC/DC high power factor LED driver without electrolytic capacitor is proposed in which a zeta power factor (PF) corrector is integrated with a forward converter. The detailed theoretical analysis and design procedure of the proposed single-stage PFC converter is presented. The experimental results of a 110 V_rms, 21?W prototype verify the theoretical analysis. The input PF is 0.99 in the proposed converter that complies with lighting equipment standards such as IEC-1000-3-2 for class C equipment.     

Output current ripple reduction of LED driver using ceramic‐capacitor‐input circuit and buck‐boost converter

This article proposes an LED driver that consists of a ceramic‐capacitor‐input rectifier and a buck‐boost converter. The LED driver has an advantage of long life because it does not contain any electrolytic capacitors. However, the issue with electrolytic capacitor‐less LED driver is that the ripple of the smoothed voltage becomes large due to insufficient capacitance of the smoothing capacitor. The proposed method, which uses the discontinuous current mode of a buck‐boost converter, reduces the output current ripple under such conditions. Experimental results using a 5.7 W LED driver prototype demonstrate that the proposed method reduces the output current ripple and that the percent flicker becomes 4.4%, which is smaller than the recommended upper limit of 8%.     

一种具有功率耦合电路的无电解电容LED驱动电源

为解决LED驱动电源寿命短的问题,提出一种PFC+Buck/Boost的无电解电容LED驱动电源方案。PFC采用常用的Boost型电路结构,控制方法采用简单的CRM控制方式,Buck-Boost双向变换器与LED负载并联,替代电解电容器实现电源交流输入侧和直流输出侧的瞬时功率不平衡的功率耦合功能。设计了PFC的CRM控制策略和双向变换器的固定占空比控制策略,建立了Saber仿真实验模型。仿真研究结果表明,该电路的功率因数达到0.9以上,输出电流和输出电压具有很好的稳定性。     

一种无电解电容LED驱动电源的研究

分析了三级式功率因数校正(PFC)变换器中储能电容上的电压脉动与其容量的关系,推导了储能电容电压最大值、最小值和平均值与储能电容容量大小的关系并给出了储能电容容量的选取原则。提出增大储能电容电压纹波的方法来大幅度减小储能电容容量,这样可以用薄膜电容代替电解电容来延长电源的寿命。一台90 W的原理样机验证了理论分析的正确性。     

基于重复控制的新型三相变换器研究

中间直流侧的电解电容是决定AC/DC/AC变换器使用寿命的关键,取消或减小该电容具有重大意义。针对整流级采用二极管不控整流桥、逆变级采用全控桥的拓扑结构,具体分析了整流级在SPWM调制方式下的工作模式。通过把三相输出电压划分为6个区间,并在每一个区间内根据SPWM的调制特点和三相负载电流的波形,得出了负载功率因数角与能量反馈(倒灌电流)的关系。在此基础上,通过对1个载波周期内直流侧电容上的充放电分析,给出了有倒灌电流时最小电容值的计算方法。取消或减小直流侧电容后,不控整流输出的直流电压是波动的,逆变级不能直接应用标准的SPWM。根据重复控制的原理,对重复控制可以消除输出电压中因直流电压波动而产生的低次谐波的机理进行了分析,分析结果表明应用重复控制可以使输出电压具有良好的波形。最后,应用Matlab/Simulink进行了仿真,仿真结果验证了理论分析的正确性。     

单相无桥Cuk功率因数校正器分析与设计*

根据电感和电容的对偶原理,研究了工作于不连续电容电压模式(discontinuous capacitor voltage mode,DCVM)的单相无桥CukPFC变换器。首先介绍了变换器的稳态分析和DCVM模式实现条件,其次给出了相应参数设计的理论依据,最后采用PSIM仿真软件验证了电路特性。仿真结果显示工作于DCVM模式的CukPFC变换器具有低开关电流应力,低输入电流总谐波畸变(total harmonic distortion,THD)以及开关管的零电压关断和输出二极管零电压导通的特性。     

High Power Factor Light-emitting Diode Driver on Digital Signal Processor Without Electrolytic Capacitor for High-power Lighting

Abstract—Electrolytic capacitor is a key factor that limits the life-time of the driver in a high-power light-emitting diode (LED) lighting. This article presents a high-power LED lighting driver on a digital signal processor without an electrolytic capacitor. The driver is composed of three stage circuits. The first stage is the boost power factor correction converter to achieve a high power factor. As it does not use an electrolytic capacitor, the output voltage ripple is larger, which directly affects the overall performance of the LED driver. Consequently, it must be optimized through the second and third stages. The second stage is the two-output LLC (Double inductance and capacitance) resonant converter, which is driven by a digital signal processor. This stage provides galvanic isolation and reduces voltage. The third stage is the two-input buck converter based on digital signal processor control that reduces the low-frequency ripple generated from the first two stages. Moreover, the regulation of each LED string current is achieved at this stage. The simulation and experimental results show that this LED lighting driver can achieve a high power factor and good constant current characteristics.