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一种LLC谐振变换器的直流端二次纹波抑制方法1.引言全球电动汽车产业飞速发展，电池储能系统在电力系统的应用也日益广泛，这使得电池充电装置成为研究热点1。两级式AC-DC-DC变换器具有控制灵活，能同时兼顾电池充电性能和电网电能质量的优点，广泛应用于电池充电场合2，其系统结构如图1所示。如图1所示，单相AC-DC变换器的瞬时输出功率中含有两倍电网频率的交流分量3，这个脉动频率会对DC-DC变换器的输出造成影响4。文献5基于DC-DC变换器线性交流小信号模型研究了低频纹波的产生及传递机理。文献6在文献5的基础上，提出了一种基于电流反向增益传递函数的方法来分析电流低频纹波问题。电池对充电电压精度要求很高7。因此，在前级为单相的两级式AC-DC-DC变换系统中，必须对二倍频纹波进行抑制，以保证输出电压的高精度和低纹波。文献6总结了对两级式AC-DC-DC变换器进行协调控制抑制二倍频功率波动的方法，包括：(1)由第三方储能装置提供二倍频脉动功率8，这种方法增加了变换器和电路端口，使电路本身和控制均较为复杂，也增加了系统的体积和成本。(2)由电池提供，文献9通过约束燃料电池输出阻抗来满足较严格的纹波限制，实际应用有一定局限性。(3)允许该脉动功率出现在中间直流母线，由储能元件提供。方式(3)可分为无源和有源两类，文献10中采用较大的电解电容来平滑母线电压波动，增加了系统体积和重量。文献11在电路中插入LC 谐振网络，用于平衡脉动功率，可以有效减小中间母线电容值，但由于加入了额外电感，系统体积和重量仍会受限。文献5中采用平均电流控制对DC末端电流二次纹波进行了抑制，但纹波抑制效果依赖于变换器控制带宽的设计6。本文基于信号调制解调的思想，以LLC 谐振变换器为研究对象，分析了二次纹波电压在DC-DC变换器中的传递机理。采用了PI+PR控制器对LLC 谐振变换器输出电压的二次纹波进行了抑制，使输出电压整体纹波幅值减小，从而能够在不增加直流母线电容的前提下，改善了电池充电电压质量。2.LLC谐振变换器中二次纹波的传递全桥LLC谐振变换的电路结构如图2所示。其中，vdc为直流母线电压，v2为直流母线上的二次纹波，vo为输出电压。Lr和Cr分别为谐振电感和谐振电容。T为降压变压器，其变比为np: ns1: ns2，其中ns1= ns2, Lm是变压器励磁电感。S1，S2，S3和S4为开关管，D1和D2为输出整流二极管。Co为输出滤波电容。Ro为电阻负载。1.1 开关网络对二次纹波的影响设LLC谐振变换器的直流母线上二次纹波电压的表达式为：参考文献1 Viswanathan, V. V., Kintner-Meyer, M. “Second Use of Transportation Batteries: Maximizing the Value of Batteries for Transportation and Grid Services,” IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2011, 60(7): 2963-2970.2 Haghbin, S., Lundmark, S., Alakula, M., Carlson, O. “Grid-Connected Integrated Battery Chargers in Vehicle Applications: Review and New Solution,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2012, PP(99): 1-1.3 Jianhua, W., Xuqian, L., Fanghua, Z., Chunying, G. “Evaluation of input low frequency current ripple performance in front-end converter with single phase inverter load,” Proceedings of World Non-Grid-Connected Wind Power and Energy Conference, 2009: 1-7.4 Bojoi, R., Pica, C., Roiu, D., Tenconi, A. “New DC-DC converter with reduced low-frequency current ripple for Fuel Cell in Single-Phase Distributed Generation,” Proceedings of IEEE International Industrial Technology Conference, 2010:1213-1218.5 Changrong, L., Jih-Sheng, L. “Low Frequency Current Ripple Reduction Technique With Active Control in a Fuel Cell Power System With Inverter Load,” IEEE Transactions on Power Electronics, 2007, 22(4): 1429-1436.6 王建华, 卢旭倩, 张方华, 龚春英. 两级式单相逆变器输入电流低频纹波分析及抑制. 中国电机工程学报, 2012, 06: 10-16.7 程涛. 锂电池线性充电芯片系统研究与设计. 武汉: 华中科技大学, 2007.8 Haibing, H., Harb, S., Kutkut, N., Batarseh, I. “Power decoupling techniques for micro-inverters in PV systems-a review.” Proceedings of Energy Conversion Congress and Exposition, 2010: 3235-3240.9 Seung-Ryul, M., Jih-Sheng, L., Sung-Yeul, P., Changrong, L. “Impact of SOFC fuel Cell Source Impedance on Low Frequency AC Ripple.” Proceedings of Power Electronics Specialists Conference, 2006: 1-6.10 娄凤强. 燃料电池并网发电系统前端DC/DC变换器研究. 济南: 山东大学, 2011.11 Fukushima, K., Norigoe, I., Shoyama, M., Ninomiya, T. “Input Current-Ripple Consideration for the Pulse-link DC-AC Converter for Fuel Cells by Small Series LC Circuit,” Proceedings of Applied P