一种回馈式电压补偿型脉冲负载电源系统及控制方法

发电;变电;配电装置的制造技术1.本发明涉及一种回馈式电压补偿型脉冲负载电源系统及控制方法，应用于电力电子变换及供电系统领域。背景技术：2.脉冲负载已在航空航天、工业以及环境保护等领域有了广泛的应用。此类负载通常要求其供电电源能够提供稳定的直流电压和脉冲形式的电流，而电源输入端通常是恒定功率，因此容易造成电源输入输出端功率的不匹配，给电源的稳定性带来严重的挑战。3.传统的解决方法是增大电源系统中电容、电感等储能环节的容量来缓冲脉冲负载所带来的冲击。此类方法的主要缺点有：电源系统中的变换器均需按照负载峰值功率进行设计，所需储能环节容量大，增大了系统的体积重量，减小了电源的功率密度。4.针对传统解决方案的缺点，一些有源功率解耦方案被提出，如专利(公开号：cn111030501a)提出了一种两级式电源结构，该结构包括前级pfc变换器和后级dc-dc变换器。pfc变换器只向负载提供稳态平均功率，当负载所需功率低于平均功率时，多余的能量在母线电容中储存起来；当负载所需功率高于平均功率时，母线电容释放能量给负载供电。这种方案的优点是前级pfc变换器可按平均功率设计，解耦电容未直接与负载相连，允许电压波动较大，所需电容容量较小，使得电源体积重量减小，功率密度提高。这种方案也存在缺点，如后级dc-dc变换器仍需按照峰值功率进行设计，限制了电源体积的进一步减小，同时在该电源系统中，所有能量都必须经过两级功率变换到达负载，电源的效率较低。技术实现要素：5.本发明根据现有技术的不足，提出了一种回馈式电压补偿型脉冲负载电源系统及控制方法。6.本发明通过以下技术方案实现：7.所述电源系统包括一个整流器和一个非隔离直流变换器，整流器输出端连接到非隔离直流变换器输出端，整流器输出端一侧和非隔离直流变换器输入端一侧等电位，另一侧分别连接至与脉冲负载两端。8.整流器输出电容需在负载脉冲到来期间向其提供充足的峰值功率，因此该电容容量相对较大，电容电压允许波动范围较大。非隔离直流变换器输入端和负载端电容主要起滤波作用，只需按滤除开关频率纹波能力进行设计，因此其电容容量相对较小，非隔离直流变换器输入端电容电压波动情况与整流器输出电容电压波动情况相同，以维持负载端电压稳定。9.该电源系统中功率有两条传输路径，一条是经整流器整流后直接流入负载，相当于只经过一级功率变换，另一条在整流器整流后流入非隔离直流变换器输入侧，经非隔离直流变换器变换后回馈到整流器输出电容中，最后流入负载，相当于经过了两级功率变换。10.整流器可采用三种方式实现：11.方式一：采用单级非隔离整流器，整流器将电网侧交流电转换成直流电后输出。12.方式二：采用单级隔离式整流器，整流器不但将电网侧交流电转换成直流电，而且实现了输入侧和输出侧的电气隔离。13.方式三：采用两级隔离式整流器，由一个单级非隔离整流器级联一个隔离式直流变换器组成，同样实现了电能形式的变换和电气隔离。14.所述电源系统中整流器控制器具体控制过程为：15.对整流器输出端电压峰值信号vdm和输入端电流iin进行实时采样。vdm与参考电压值vref1相减后得到误差信号ve1，该信号经过电压调节器1调节后得到电流参考信号iinref，iin与iinref相减后得到电流误差信号ie，该信号经过电流调节器调节后得到调制波信号vm1，该信号经脉冲调制器后得到整流器的控制信号，从而实现对整流器输出端电压和输入端电流的调节。16.所述电源系统中非隔离直流变换器具体控制过程为：17.对负载端电压vo进行实时采样，将其与参考电压值vref做差后得到误差信号ve2，该信号经过电压调节器2调节后得到调制波信号vm2，该信号经脉冲调制器后得到非隔离直流变换器的控制信号，使得非隔离直流变换器输入端电压与整流器输出电压同步变化，能够及时补偿整流器输出电容电压变化的影响，从而维持负载端电压稳定。18.本发明提出的电源系统及控制方法具有以下有益效果：19.1、整流器只需按负载平均功率设计，非隔离直流变换器虽然按照峰值功率设计，但其只提供部分功率，因此变换器所需容量整体减小，系统体积重量减小，功率密度增大。20.2、部分功率经过整流器整流后直接流入负载，只经过一级功率变换，系统等效功率变换级数减小，功率损耗降低，系统效率提高。21.3、通过非隔离直流变换器的控制，使得非隔离直流变换器输入电压能够与整流器输出电压同步变化，及时补偿整流器输出电容电压变化的影响，保持负载端电压稳定，因此整流器输出电容电压允许波动范围大，所需电容容量减小，电路的功率密度增大。附图说明22.在进行附图内容说明前，先给出附图中符号的含义。vin、iin为电网侧电压和电流，即整流器输入端电压和电流；cd、c1和co分别为整流器输出电容、非隔离直流变换器输入电容和负载端电容；vd、vdm、vc1和vo分别为整流器输出电压及其峰值、非隔离直流变换器输入电压和负载电压；vref1、vref和iinref分别为整流器输出端电压峰值参考信号、负载端电压参考信号和电网电流参考信号；ve1、ve2和ie分别为整流器输出电压、非隔离直流变换器输入电压及电网电流与各自参考信号相减后的误差信号；vm1、vm2为脉冲调制器1和2的调制波信号；vx、ix、cx、lx、sx1和sx2(x＝a，b，c)分别为各相电网电压、电网电流、输入滤波电容、输入滤波电感及上下桥臂开关管；s1、d1和lf1分别为boost变换器开关管、续流二极管和输入电感；23.附图1为本发明回馈式电压补偿型脉冲负载电源系统结构示意图；24.附图2为本发明回馈式电压补偿型脉冲负载电源系统的整流器实现方式一结构示意图；25.附图3为本发明回馈式电压补偿型脉冲负载电源系统的整流器实现方式二结构示意图；26.附图4为本发明回馈式电压补偿型脉冲负载电源系统的整流器实现方式三结构示意图；27.附图5为整流器对应控制框图；28.附图6为非隔离直流变换器对应控制框图；29.附图7为本发明回馈式电压补偿型脉冲负载电源系统具体实施例电路结构图；30.附图8为本发明回馈式电压补偿型脉冲负载电源系统关键工作波形。具体实施方式31.下面结合附图对本发明作进一步描述。应当指出的是，以下所述仅用作具体说明，并非本发明全部实施例。本领域普通技术人员在未做出创造性劳动前提下所获得的其他实施例，都属于本发明保护的范围。32.附图1为本发明回馈式电压补偿型脉冲负载电源系统结构示意图，所述电源系统包括一个整流器和一个非隔离直流变换器，整流器输出端连接到非隔离直流变换器输出端，整流器输出端一侧和非隔离直流变换器输入端一侧等电位，另一侧分别连接至与脉冲负载两端。33.本发明所述电源系统的整流器可采用三种方式实现：34.如附图2所示为实施方式1，采用单级非隔离整流器，整流器将电网侧交流电转换成直流电后输出。35.如附图3所示为实施方式2，采用单级隔离式整流器，整流器不但将电网侧交流电转换成直流电，而且实现了输入侧和输出侧的电气隔离。36.如附图4所示为实施方式3，采用两级隔离式整流器，由一个单级非隔离整流器级联一个隔离式直流变换器组成，同样实现了电能形式的变换和电气隔离。37.本发明所述电源系统中，非隔离直流变换器可采用多种形式的变换器，例如boost变换器。38.本发明所述电源系统中，整流器控制整流器输出电压峰值vs1m与输入电流iin；通过非隔离直流变换器控制负载端电压vo。具体控制方式为：39.如附图5所示为整流器控制框图，对整流器输出端电压峰值信号vdm和输入端电流im进行实时采样。vdm与参考电压值vref1相减后得到误差信号ve1，该信号经过电压调节器1调节后得到电流参考信号iinref，iin与iinref相减后得到电流误差信号ie，该信号经过电流调节器调节后得到调制波信号vm1，该信号经脉冲调制器后得到整流器的控制信号，从而实现对整流器输出端电压和输入端电流的调节。40.如附图6所示为非隔离直流变换器控制框图，对负载端电压vo进行实时采样，将其与参考电压值vref做差后得到误差信号ve2，该信号经过电压调节器2调节后得到调制波信号vm2，该信号经脉冲调制器后得到非隔离直流变换器的控制信号，使得非隔离直流变换器输入端电压与整流器输出电压同步变化，能够及时补偿整流器输出电容电压变化的影响，从而维持负载端电压稳定。41.如附图7所示为本发明的一个具体实施例，整流器采用单级非隔离整流器实现，具体为三相全控桥式整流器。非隔离直流变换器采用boost变换器实现。通过调节三相全控桥式整流器中开关管sx1、sx2(x＝a，b，c)的占空比实现对整流器输出电压变化范围和电网电流波形质量的调节。通过调节boost变换器开关管s1实现对直流变换器输入电压波动范围和方向的调节，维持负载端电压稳定。42.如附图8所示为具体实施例对应的关键工作波形，主要包括负载电流io、整流器输出电压vd、非隔离直流变换器输入电压vc1及负载端电压vo。当负载电流处于谷值时，整流器输出电容处于充电状态，vd增大，boost变换器输入电压亦随之增大。当负载电流处于峰值时，整流器输出电容处于放电状态，vd减小，boost变换器输入电压亦随之减小。负载端电压在整个脉冲周期内维持恒定。43.综上所述，本发明提出了一种回馈式电压补偿型脉冲负载电源系统及控制方法，该电源系统能够在给负载提供稳定电压和脉冲电流的情况下，通过按平均功率设计整流器和减小所需储能电容容值的方法减小电源的体积重量，提高系统的功率密度，通过减小等效功率变换级数的方法提高电源效率。









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