技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及開關(guān)電源變換器領(lǐng)域，尤其涉及供能電源工頻紋波電流的抑制，隔離和非隔離式開關(guān)變換裝置及其控制方法。
背景技術(shù)：
能源是現(xiàn)代文明社會發(fā)展的主要基礎(chǔ)之一，隨著傳統(tǒng)礦物能源，如石油、煤等的日益消耗，能源問題成為人類社會普遍關(guān)注的焦點(diǎn)和必須解決的重大課題。為解決目前能源短缺問題，世界各國為開發(fā)和利用新能源投入了大量的人力、物力進(jìn)行研究。太陽能，不僅可再生，且清潔無污染或低污染，蘊(yùn)藏量巨大。燃料電池是一種將持續(xù)供給的燃料和氧化劑中的化學(xué)能連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)裝置。燃料電池發(fā)電最大的優(yōu)勢是高效、潔凈、無污染、噪聲低、不受卡諾循環(huán)限制,能量轉(zhuǎn)換效率高,其效率可達(dá)40%～65%。國內(nèi)外在新能源開發(fā)和利用方面，將風(fēng)力發(fā)電、太陽能電池和燃料電池等作為當(dāng)前電氣工程重要的研究領(lǐng)域和發(fā)展方向，但新能源的應(yīng)用存在許多問題需要研究和解決。如太陽能光伏發(fā)電的最大功率跟蹤可提高太陽能的利用率，但是負(fù)載工頻紋波耦合到太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，將影響其最大功率跟蹤精度，導(dǎo)致太陽能的利用率下降；燃料電池由于是機(jī)械裝置控制燃料氣體供應(yīng)，導(dǎo)致燃料電池輸出瞬態(tài)特性差，負(fù)載的功率波動(dòng)會導(dǎo)致燃料電池輸出功率的波動(dòng)，影響其發(fā)電效率，嚴(yán)重時(shí)會縮短燃料電池的壽命，所以開關(guān)電源變換裝置上如何抑制供能電源的工頻紋波電流是需要解決的問題。人們在這方面作了努力，但存在著以下不足：
1、燃料電池的輔助儲能控制裝置[200710069091.4]，采樣負(fù)載電流，通過電流高通濾波器，得到交流信息?？刂齐p向變換器的電流跟蹤此交流信息，大小相等，方向相反，與負(fù)載電流之和趨于恒值，從而實(shí)現(xiàn)消除供能電源上的工頻電流紋波。該發(fā)明采用了多點(diǎn)電流采樣，電流采樣提高系統(tǒng)的造價(jià)的同時(shí)，對效率也有影響。
2、負(fù)載設(shè)計(jì)為兩級功率結(jié)構(gòu)，第一功率變換輸出接有儲能電容，通過控制儲能電容上電壓的波動(dòng)滿足輸出功率的波動(dòng)，使得輸入源的電流趨于恒值。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
鑒于現(xiàn)有技術(shù)的以上不足，本發(fā)明的目的是公開了一種工頻紋波電流的抑制裝置，使之克服現(xiàn)有技術(shù)的以上缺點(diǎn)。為達(dá)到發(fā)明目的，采用的手段為：
一種工頻紋波電流的抑制裝置，采用雙向DC/DC變換器在能量緩沖電容上存儲和釋放能量來解耦含有工頻或者低頻紋波的負(fù)載對供能電源的影響。包括：燃料電池1，供電電源電流采樣電路2，負(fù)載3，雙向DC/DC4，能量緩沖電容5，濾波電路6，誤差放大器EA17，環(huán)路補(bǔ)償電路8，誤差放大器EA29，高頻濾波電容10，濾波11;其中，燃料電池1與供電電源電流采樣電路2串聯(lián)后與高頻濾波電容10以及負(fù)載3并聯(lián)，然后與雙向DC/DC4的一個(gè)功率端口相連；所述雙向DC/DC4的另一個(gè)功率端口與能量緩沖電容5相連；能量緩沖電容(5)的正端與濾波11的輸入端相連；誤差放大器EA29的正輸入端接Vref，其負(fù)輸入端與濾波11的輸出相連；供電電源電流采樣電路2的輸出端與誤差放大器7的正輸入端以及濾波電路6的輸入端相連；濾波電路6的輸出端與誤差放大器EA17的負(fù)輸入端相連，環(huán)路補(bǔ)償電路8的兩個(gè)輸入端分別與誤差放大器EA29以及誤差放大器EA17的輸出相連，環(huán)路補(bǔ)償電路8的輸出端與雙向DC/DC4的控制端口相連。
本發(fā)明的目的還在于，在以上的裝置基礎(chǔ)上獲得相應(yīng)的工頻紋波電流的抑制方法。
工頻紋波電流的抑制方法，通過單點(diǎn)電流采樣，控制雙向功率變換器的功率流向，雙向功率變換器從供能電源獲取富余能量給能量緩沖電容充電，以及從能量緩沖電容獲取不足能量給負(fù)載供電，進(jìn)而消除供能電源的工（低）頻紋波電流；所述工頻紋波電流的抑制方法包括如下步驟：供能電源電流檢測單元檢測供能電源電流，轉(zhuǎn)換為第一電壓信號；第一電壓信號通過低通濾波電路轉(zhuǎn)換為第二電壓信號；根據(jù)所述第一電壓信號和第二電壓信號接第一誤差放大器的同相和反向輸入端，第一誤差放大器的輸出控制雙向DC/DC變換器的PWM占空比及能量的傳遞方向；第一電壓信號高于第二電壓信號時(shí)，能量緩沖電容通過雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器為負(fù)載供能，抑制供能電源電流的增大；第一電壓信號小于第二電壓信號時(shí)，雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器為能量緩沖電容儲能，抑制供能電源電流的減小。
本發(fā)明供能電源，包括但不限于太陽能光伏電源、質(zhì)子膜燃料電池等供電電源。
本發(fā)明所述的雙向DC/DC變換器，其特征在于，包含雙端口且能量可以雙向傳遞，第一端口接供能電源，第二端口接能量緩沖電容；包含但不限于隔離和非隔離功率變換電路、電壓模控制和電流?？刂频?。
本發(fā)明所述的負(fù)載，包括但不限于直流直流功率變換器，直流交流功率變換器，或者它們的組合，其輸入功率含有工頻或者低頻功率分量。
本發(fā)明所述誤差放大器EA1、誤差放大器EA2，包括但不限于運(yùn)算放大器、跨導(dǎo)放大器、或者數(shù)字PID；所述誤差放大器EA1與誤差放大器EA2的求和電路的實(shí)現(xiàn)方式包括但不限于運(yùn)放加權(quán)求和或者數(shù)字實(shí)現(xiàn)方式。
采用本發(fā)明的方法和裝置，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有的有益效果是：
1、減小負(fù)載工頻功率波動(dòng)耦合到供能電源的電流紋波，有利于供能電源的優(yōu)化控制，提高發(fā)電效率。
2、本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了單點(diǎn)電流采樣的方式下對供能電源工頻紋波電流的抑制，克服了使用大容量電容無法有效濾除工頻紋波的缺點(diǎn)，在降低系統(tǒng)成本的同時(shí)減小采樣損耗提高系統(tǒng)的效率。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
圖2為本發(fā)明實(shí)施案例一，采用非隔離結(jié)構(gòu)的雙向DC/DC變換器，Boost工作模式下為能量緩沖電容儲能，Buck工作模式下能量緩沖電容對負(fù)載供電；
圖3為本發(fā)明實(shí)施例一的一種應(yīng)用電路的仿真波形。仿真條件：燃料電池輸出電流為30A時(shí)輸出電壓為35V；負(fù)載為直流直流變換器后接逆變器并網(wǎng)發(fā)電，并網(wǎng)功率1kVA，220Vac/50Hz網(wǎng)壓；采用非隔離結(jié)構(gòu)的雙向DC/DC變換器，Boost工作模式下為能量緩沖電容儲能，Buck工作模式下能量緩沖電容對負(fù)載供電，控制方式為電壓模控制。
圖3為穩(wěn)態(tài)情況下，部分關(guān)鍵電流的波形，I1燃料電池輸出電流，I2為雙向DC/DC變換器連接燃料電池端口的輸入電流，I3為負(fù)載直流直流變換器的輸入電流，可見由于雙向變換器能量緩沖電容上能量的儲存和釋放，I2與I3存在二倍工頻紋波電流，I2與負(fù)載輸入電流I3之和即燃料電池輸入電流I1，燃料電池實(shí)現(xiàn)了恒流輸出。
圖4為穩(wěn)態(tài)情況下，部分關(guān)鍵控制點(diǎn)電壓波形，V1為燃料電池輸出電壓波形，V2為雙向變換器PWM占空比控制電壓波形，V3為能量緩沖電容電壓波形，可見在V2的控制下，能量緩沖電容上出現(xiàn)了二倍于工頻的紋波電壓，電壓平均值150V，根據(jù)電容儲能原理，采用較小容值的電容即實(shí)現(xiàn)了對供能電源工頻紋波電流的抑制。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例一
圖2示出，本發(fā)明的一種具體實(shí)施方式，一種紋波電流的抑制方法及其裝置，在燃料電池并網(wǎng)逆變上的應(yīng)用，采用非隔離結(jié)構(gòu)的雙向DC/DC變換器，Boost工作模式下為能量緩沖電容儲能，Buck工作模式下能量緩沖電容對負(fù)載供電，其具體作法是：
1為燃料電池；2為供電電源電流采樣電路；3為負(fù)載，即，包括直流直流升壓變換器、濾波電容、橋式并網(wǎng)逆變電路等構(gòu)成的并網(wǎng)逆變器；4為雙向DC/DC，此例中采用非隔離雙向DC/DC變換器，包括電壓模PWM控制器、功率開關(guān)Q1、功率開關(guān)Q2、電感L1等。根據(jù)PWM控制器的電平信號，調(diào)整Q1與Q2的開關(guān)信號，控制能量緩沖電容上電能的存儲與釋放；5為雙向DC/DC變換的能量緩沖電容；6為供電電源電流采樣低通的濾波電路，包括電阻R1、電容C1；7為誤差放大器EA1，當(dāng)輸入電流采樣的瞬時(shí)值大于平均值時(shí)，從能量緩沖電容釋放能量到負(fù)載，抑制燃料電池電流的增加，當(dāng)輸入電流采樣的瞬時(shí)值低于平均值時(shí)，富余能量為能量緩沖電容儲能，抑制燃料電池電流的減少；8為環(huán)路補(bǔ)償電路，包括電阻R2、電容C2；9為誤差放大器EA2，使能量緩沖電容電壓的穩(wěn)態(tài)值跟蹤設(shè)定值Vref，EA2與EA1的輸出疊加后作為雙向DC/DC變換器的控制信號；10為并接到燃料電池輸出的高頻濾波電容。