基于复合控制算法的车载充电机谐波抑制研究

陈 丽, 王淑旺, 洪义平

(合肥工业大学 机械工程学院,安徽 合肥 230009)

0 引 言

随着环境污染的加剧,国家越来越重视新能源的有效利用,其中电动汽车是新能源汽车发展的重要方向之一。然而新能源汽车存在充电不便捷的缺点,许多研究者开始对充电机进行研究[1]。充电机分为车载充电机和非车载充电机,因为车载充电机相对于非车载充电机设计成本低,充电方便快捷,所以车载充电机的应用更加广泛[2]。

车载充电机的基本结构是脉冲宽度调制(pulse width modulation,PWM)整流电路和DC/DC电路的级联,其中前级PWM整流电路中会由于滤波滤不干净留下剩余的交流成分,使得直流母线产生电压纹波[3],从而导致整流侧直流脉动分量产生谐波,对车载充电机造成电池发热、充电效率降低等一系列危害。因此消除充电过程中产生的谐波具有重要的研究价值。

针对谐波抑制问题,文献[4]采用了比例谐振对直流侧二次谐波进行消除,但该控制算法对谐波的消除效果不明显;文献[5]采用一种数字处理的方法来对谐波进行抑制,但该方法比较繁琐,不便于解决问题;文献[6-7]采用神经网络控制、模糊控制,即传统控制与智能控制相结合的方法,控制效果好,但控制器不容易设计;文献[8]采用双闭环比例积分(proportional integral,PI)控制方法,但通过PI对Buck进行控制时,由整流电压波动导致的充电电压纹波较大,很难通过调整PI参数的方式来减小充电电压纹波。

为了抑制由整流侧直流脉动分量引起的谐波,本文提出复合控制算法。通过建立小信号模型,分析谐波产生的原理,设计出前馈比例积分加比例谐振的复合控制器。仿真与试验分析结果表明,该控制策略能够使充电电压纹波比例控制在国家标准5%以内,充电机控制电流更加平缓,从而降低由整流侧直流脉动分量引起的谐波含量。

1 原理设计

复用充电机拓扑图如图1所示。复用充电机是指端口复用的双向充电机,其主要功能包括Boost升压、车载充电。该拓扑结构中：电池端电压为V;C为电路电容;K1、K2为闭合触点;L1、L2、L3为电感;AC为给定的电网电压;V1、V2、V3、V4、V5、V6为6个绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)桥臂的开关管。在整流电路中,电网电压左端与闭合触点K1、K2相连,右端连接在6个IGBT桥臂的共接端,电感一端与闭合触点K1、K2相连,另一端与IGBT桥臂连接。单相全桥整流电路输出的整流电压u1作为Buck的输入电压。

车载充电机的原理图如图2所示,此原理图是通过硬件电路变换而成。电网的火线、零线分别与K1、K2、L1、L2的连接端相连,控制继电器开关K1、K2断开,电网电压为220 V,此时电路工作于充电模式。单相全桥整流电路由L1、L2、V1、V2、V3、V4构成,具有升压功能；Buck电路由L3、V5、V6构成,具有降压功能。理论上,该结构可以对任何电压等级的电池进行充电,其中整流电压可以在高于市电压的电压范围内进行调整,充电电压可以在设定的整流电压下进行调整。

谐波是指当电网中的电压或电流波形为非理想的正弦波时,其中含有频率高于基波频率的电压或电流成分。谐波是由非线性负载导致的,当电流经过负载时,与所加的电压不成线性关系。将非正弦周期性的电流函数按傅里叶级数展开时,其频率为原周期电流频率整数倍的各正弦分量的统称叫谐波电流[9]。

(1)

(2)

其中:Vn为第n次谐波电压的有效值;ω0为基波角频率;φn为第n次谐波电压的相位;In为第n次谐波电流有效值;θn为第n次谐波电流相位值。(1)式、(2)式是由畸变的周期性电压和周期性电流函数按傅里叶级数展开得到的。

本文拓扑采用单相全桥整流电路,主要目的是对后级DC/DC变换器提供直流电压。通过谐波电流产生机理和仿真分析得出:整流器的输出电压中有直流分量和二次谐波脉动分量,二次脉动分量会引起电流内环控制输出的电流中有低次谐波,低次谐波很难通过滤波器消除。然而整流侧的谐波会影响Buck电路输出电压波动,引起Buck电路谐波产生,通常情况下最主要是二次谐波。基于谐波的产生原理,本文设计的复合控制策略能很好地控制Buck电路谐波产生,使电机的整体充电效率提高。

1.1 Buck变换器小信号模型

充电机中Buck变换器拓扑图如图3所示,在工频范围内,用一个非线性电阻R来近似模拟DC/DC功率变换电路的等效电阻,等效电阻是为了简化电路。I为流过电感L3的电流。

定义IGBT导通和关断的二值逻辑开关函数[10]为:

(3)

IGBT导通时,根据基尔霍夫电压定律建立回路电压方程,即

(4)

根据基尔霍夫电流定律建立回路电流方程可得：

(5)

IGBT关断时,同理:

(6)

(7)

设D为占空比d的稳态值,综合(3)～(7)式可得:

(8)

(9)

引入扰动:

(10)

忽略电池电压、电流扰动得到该系统的状态方程为:

(11)

(12)

对(11)式、(12)式做拉氏变换得:

(13)

(14)

消去电流扰动,Buck电路传递函数为:

(15)

(15)式为复合控制策略的控制对象。

1.2 控制策略

比例谐振控制器(proportional resonance, PR)由比例环节和谐振环节组成,并且PR控制器在基波频率处有无穷增益,能够很好地对电流无静差调节和快速追踪。理想的比例谐振控制器的传递函数为:

(16)

其中:kP为比例增益;kR为谐振增益;ω0为谐振频率。

理想条件下,无穷增益无法通过任何模拟或数字器件来实现,虽然在基波频率处具有无穷增益,但在其他频率点增益无穷小。若系统频率出现一定的扰动或误差,则不能很好地实现无静差调节和快速追踪[11]。加入PI是为了提高系统的稳定性。

前馈调节是按照干扰作用来进行调节的,前馈控制将干扰信号测量出并直接引入调节装置,干扰的克服比反馈控制及时；最终能使变换器近似为无源跟随系统,从而加快响应速度和减少低频纹波成分。

为了减小系统的稳态误差和更好地消除谐波,本文采用前馈比例积分加比例谐振的复合控制策略,如图4所示。

复合控制系统误差传递函数为:

(17)

图4前馈补偿输入的是一个整流电压指令值,与PI并联的是谐振控制器。

PI控制器传递函数Bode图、PI-PR控制器传递函数Bode图、复合控制系统开环传递函数Bode图如图5所示。

由图5可知：PI控制器随着频率的提高,增益逐渐减小;PI-PR控制器相位裕量为113°,幅值裕量为21 dB;复合控制器相位裕量为89°,幅值裕量为13 dB。对比分析可知，复合控制在谐波频率处提高了增益,系统处于稳定状态。

2 仿真与试验

2.1 仿真分析

为了验证复合控制策略分析的正确性,在MATLAB/Simulink环境下搭建单相全桥整流电路的电机模型,分别对PI控制、PI-PR控制和复合控制方法进行仿真。

充电机基本参数见表1所列。

表1 充电机基本参数

PI控制、PI-PR控制和复合控制时的输出电压波形如图6所示。

由图6可知:输出电压均在290 V上下波动,传统PI下的输出电压纹波较大,输出电压的纹波比为9.7%;加入PR控制器后电压波动稍有平缓,输出电压的纹波比为8.9%,但这2种算法仿真的输出电压结果显示波动比较大,响应速度慢;而复合控制器输出电压几乎没有波动,输出电压的纹波比为2%,响应速度明显提高,同时也达到了国家规定的电压纹波比小于等于5%的标准。

2.2 试验分析

为了验证复合控制策略理论分析的准确性,采用TMS320F2812芯片,使用MBD自动生成代码,用LabVIEW制作充电机上位机,利用7.5 Ω电阻负载、低压电源、示波器、PCAN通讯设备,分别对PI控制、PI-PR控制、复合控制进行实验验证。输入侧接入单相交流电,通过整流电路升压得到指令直流电压,再通过Buck电路降压至输出充电电压。实验的参数按照仿真的参数设置。PI控制、PI-PR控制和复合控制时的输出电压波形如图7所示,输出电流波形如图8所示。

由图7、图8可知：输出电压在290V波动,控制电流在24 A波动;PI控制器的输出电压纹波比例约为10%,PI-PR控制器的输出电压纹波比例约为9%,复合控制器的输出电压纹波比例约为3%,符合国家规定的电压纹波比小于等于5%的标准;复合控制器的控制电流较平缓,说明该充电机在充电过程中能得到有效抑制。

3 结 论

本文针对PI、PI-PR控制器不能实现无静差跟踪、谐波抑制效果较差的问题,提出了一种前馈比例积分加比例谐振的复合控制方法,并对该方法进行了理论分析。通过建立Buck小信号模型,设计合理的前馈比例积分加比例谐振的复合控制器,通过MATLAB/Simulink进行仿真分析,最后搭建实验平台进行实验验证。实验结果证明本文提出的控制策略能使充电电压纹波比例控制在国家标准5%以内,充电机的控制电流也较平缓,从而使充电机在充电过程中产生的谐波得到有效抑制。