直流纹波抑制器及其优化控制策略

直流纹波抑制器及其优化控制策略

尚东旭

中国电子科技集团公司第二十七研究所 邮编： 450000

摘要∶对于储能管理系统、直流供电、以及单相故障交流整流控制系统，如铁路牵引控制系统等的直流系统及母纫纹波电压控制系统的平稳运行都具有一定的风险。正是由于此原因，本文中给出了一个直流纹波抑制器及其进行电压优化控制的策略，所提管理策略可以通过实际纹波电流值来控制纹波电压，从而实现与接通电压的平衡。对比于其他电压控制装置基础理论与传统管理策略，本文的所提供基础理论结构简洁而便于实践，所提供的管理策略也减少了传统管理策略的计算复杂性，而且也无需另外装设系统电流传感器，在现场上的适应作用也更强。模拟和实测结果都证明了本文理论研究的正确性和所提供管理策略的实效性。

关键词：直流纹波；抑制器；优化控制

一、引言

直流纹波是交直流系统电量通过过程时的必然形成，特别在单相交流控制系统、牵引电控制系统与直流控制系统发生电能互换时情形尤为明显。直流纹波的出现对中小型直流电源体系，以及电力电子变流器之间的直流母线联系，都会形成直接干扰。对直流电源来说，较大的直流纹波将或许会造成对系统内任何转换装置形成操作风险，从而危及控制系统的工作稳定性。对电力电子设备来说，大直流纹波还将严重危害控制系统的取样，从而劣化交流过程侧的电压质量，也不利于控制系统体积结构的优化。所以，对直流控制系统和电力电子装置中的直流控制系统实行纹波抑制也是一个需要开展的工作，因此有着很大的重要性^[1]。

二、DCRS的运行机理分析

在直流负载状态下的等效电路整个系统稳定时，直流负载电容器将不参加电能的交流，此时直流电压将通过在主供电、负载和变流器中间进行流过。在纹波情况下，由于整个系统等效电路的纹波能量是交换容量，因此系统电容是最重要的交换路径，可根据纹波等效电路图设置电路过程。纹波抑制器的阻抗直接影响纹波电流的控制效果，纹波抑制器的等效输入和输出纹波电流也影响PCC点电流。因此，应从这两个角度研究抑制系统的纹波因素。基于此，本文将给出基于直接电流抑制和电阻控制的纹波抑制控制策略。

三、直流系统纹波生成机理与传统抑制策略

（一）直流纹波生成机理

从能量转换结果可知，对直流系统和直流系统之间进行的功率转换并不会引起cpu二倍频纹波。当交流系统和直流系统之间进行电能交流时，则不可避免地将引起纹波输出电压。滞留于直流电容器上的直流电压脉动功率是引起直流电压二倍率纹波产生的最根本原因，而且伴随整个系统交直流功率转换值的提高纹波的幅度也会明显加大。

（二）传统纹波抑制策略简析

就简单地直流及配用电源系统的基本结构而言，随着交流负载的产生，在直流系统上将会产生一定的纹波电流，而根据本文的分析可以得出纹波电流在直流母线电容上的积聚，将会产生数量级巨大的纹波电流。

为了控制纹波输出电流，最传统的方法是使用有源纹波抑制器和无源纹波抑制器来滤除纹波。由于无源纹波抑制器需要适当的整定参数，系统工况变化对直流效应的抑制效果不明显。有源纹波抑制器的最大优点是对系统工作条件的灵敏度低。然而，由于其强大的调节能力，在参数设置上有很大的选择性^[2]。

现有有源纹波抑制器的控制策略是电压监测，即利用采样系统侧或负载侧的纹波电压来控制相应侧的纹波输出电压。电压监测的优点是简单有效，并且针对特定的工作目标也很有针对性。电压限制的优点和缺点也很突出。首先，电压限制通常只限制一侧的纹波电流，而无法对整个网络系统全局加以控制。再次，由于电压限制需要预先装设另外的电流互感器，对高集成的电力电子设备和直流系统来说具有相当的困难。

四、 DCRS控制策略

（一） DCRS的直接控制策略

纹波抑制器的基本流程是通过传统的单相H桥变换器实现任意频率的纹波逆变。根据上述分析可以得出，进行二次纹波控制的关键点之所于改善了DCRS的二次纹波阻力，使之在纹波处的阻力尽量的小，而此时所有纹波电压输入都将经由DCRS来进行纹波功率转换。正是由于此，本节将给出一个采用直接电压控制的纹波电压输入控制方式。为改善了直接电压输入控制的控制特点，抑制器的电压输入环可以通过抑制器直接对cpu二倍频信号进行处理。PR控制电压输入回路的优点主要体现在以下三个方面。首先，通过PR控制避免了PI控制中交流流量控制效率低下的问题，实现了直接PI控制，无需通过繁琐的d-q转换将纹波电流转换为直流，大大降低了控制算法的复杂度。其次，PR控制在谐振点具有良好的反馈特性，可以提高控制效率。最后，PR抑制器的共振特性使其能够过滤非共振点以外的信息，因此抑制器不需要设计更复杂的滤波。直接电流抑制器的管理流程包括电压输入环增益函、电流循环比率增益函式，调节增益函式。

（二） DCRS的阻抗优化

从上述结果解析可以得出，通过修改DCRS的电阻就可以直接调节PCC点的纹波电流。基于此，本节还给出了一个新的阻抗优化方式，其控制框主要通过把滤波电感上的电压值反馈至电压环，就可以进行并有效地改善DCRS的输出阻抗。其中硬件滤波器等效阻抗环节中的电阻调整系数，能够对实际电阻作出灵活的调整。加入了等效阻抗后的DCRS达到最大输出阻抗，只要更改电阻系数就能够直接的改善输出阻抗。

五、仿真与实验

（一）仿真结果

为了验证本文提出的直流抑制和电阻优化控制方法的有效性，对所提到的系统进行了仿真分析。系统的直流母线连接电压为360V，直流电容为2200μF。系统配备两个单相交换负载（220V/50Hz），采用开关功率带为5kHz的H桥变换器和3MH的交换滤波电抗器，总功率约为10A。由电流示波变化情况可以发现，电流信号幅值在342~380V左右，并具有很大的cpu二倍频纹波电流分量，直流分量的信号幅值大约为70A，理论误差为25A。治理后，就直流侧治理后的电流波浪形而言，电压信号幅值一般在360~364V左右，但cpu二倍频纹波电流幅值明显减少。就经过直流侧治理后的输出电压波形而言，电流幅度约在24~27A左右，表示对纹波电流进行了有效的处理^[3]。

（二）试验结论

根据仿真和测试中采用的集成电路和管理策略，直流负载电压是通过集成电路上的一组单相整流电路形成的。直流负载电路由大电流承载，该控制策略也适用于上述提到的管理策略。

（1）处理前∶从治前期的电流电压示波可看出电流变化出现了很大的波动性，一般以二倍率纹波居多。电流波形峰峰值一般为40V以下，其间的直流压力纹波浓度一般为5.5%。处理前的电流变化波形最大峰值约为65A。即可看出此时流过母线电容的电流大部分是二倍率纹波电流，其比率达到103%，超出1000%部分因为直流电容在稳态时直流电流的换换值较低，比较以后数据结论将多于1，即所有二倍率纹波电流都经过与直流电容器实现了电量转化。

（2）处理后∶经过处理后的电压示波形幅度明显较小，而直流的电压纹波浓度一般为0.6%。处理后的电流波形处理后注入电容的电流值大致在示波器显示的有效值25A之间，而流经母线电容中的二倍频纹波的电流输出率也将为2%，由此可见上文中所提之管理策略有着明显的有效性。

六、结语

本文中给出了一个可以通过对直流电压输入进行调节和阻抗优化工作的直流纹波抑压器管理对策，并且能够十分有效地投入实际生产应用的环节当中，所提管理对策大大地减少了控制设备的复杂性，同时也可以更高效的管理直流电压母纫的纹波电流。所提出管理策略有较好的通用性，在面对直流系统和电力电子系统都可应用。模拟和试验都证实了所提出管理策略的有效性。

参考文献：

[1]模块电源纹波电压的测量与有效抑制[J]. 刘扬. 计量与测试技术. 2018(01).

[2]基于双主动桥输入输出电流协调控制的二次纹波电压抑制策略[J]. 许加柱,韦杰,潘宏杰,郝铭轩,王涛. 电力自动化设备. 2019(04).

[3]一种新型励磁涌流抑制器在海洋平台电力系统中的应用[J]. 张磊,宋健辉,王昆,张刚宾,朱澧,崔志勇,刘力炜,刘阳. 石化技术. 2020(04).