[发明专利]一种大功率分数阶阻抗元件实现电路及其控制方法

权利要求书

1.一种大功率分数阶阻抗元件实现电路，其特征在于：包括交流输入端口AB、耦合电感、低通滤波器、DC-AC变换器、直流电压源、交流采样模块和数字控制器；所述交流输入端口AB的输入端子A和耦合电感一端相连，所述耦合电感的另一端与低通滤波器的正输出端相连，所述低通滤波器的负输出端和交流输入端口AB的输入端子B相连，所述DC-AC变换器的交流输出端口与低通滤波器的输入端口相连，所述DC-AC变换器的直流输入端口接直流电压源，所述交流采样模块对交流输入端口AB的输入电压v_in、输入电流i_in和低通滤波器的输出电压v_C进行采样并送入数字控制器，进而由数字控制器控制DC-AC变换器的开关通断；其中，所述数字控制器会对采样的v_in信号采用锁相环PLL计算出输入电压幅值V_in和相位再结合输入的分数阶元件幅值|Z_α|和阶数α，产生正弦参考信号v_{C_ref}，参考信号v_{C_ref}与v_C比较后输入数字控制器的比例谐振控制器G_x，同时采样的i_in信号反馈输入数字控制器后乘以传递函数G_m再与比例谐振控制器G_x的输出比较后得到调制信号v_m，然后与三角载波v_T比较后输出SPWM信号，以控制DC-AC变换器的开关通断，在低通滤波器的正、负输出端产生所需要的电压v_C；所述直流电压源、DC-AC变换器、低通滤波器、交流采样模块和数字控制器构成了一个纯正弦交流受控电压源，该受控电压源既能够向外输出也能够吸收有功功率，以实现阶数介于-2和2的大功率分数阶阻抗，通过设计其额定功率能够实现不同功率等级的分数阶阻抗。

2.根据权利要求1所述的一种大功率分数阶阻抗元件实现电路，其特征在于：所述交流输入端口AB能够等效的分数阶阻抗的频域表达式为：

式中，|Z_α|是分数阶阻抗的幅值，α是分数阶阻抗的阶数且-2≤α≤2；V_in(jω)和I_in(jω)分别为交流输入端口AB的输入电压、电流相量；

当-2α-1时，分数阶阻抗等效为负阻性分数阶电容；当-1α0时，分数阶阻抗等效为正阻性分数阶电容；当0α1时，分数阶阻抗等效为正阻性分数阶电感；当1α2时，分数阶阻抗等效为负阻性分数阶电感；当α＝0时，分数阶阻抗等效为正电阻；当α＝1时，分数阶阻抗等效为纯电感；当α＝-1时，分数阶阻抗等效为纯电容；当α＝2或-2时，分数阶阻抗等效为负电阻。

3.权利要求1或2所述的一种大功率分数阶阻抗元件实现电路的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)正弦参考信号v_{C_ref}的生成，其计算公式如下：

式中，V_in和为输入电压v_in的幅值和相位，ω为输入电压的角频率，L为耦合电感的电感值，|Z_α|和α分别为分数阶阻抗的幅值和阶数；

2)采用比例谐振控制器G_x准确跟踪参考信号

纯正弦交流受控电压源的给定参考信号v_{C_ref}与低通滤波器的输出电压瞬时值v_C相比较得到的差值输入比例谐振控制器G_x，其中比例谐振控制器G_x的传递函数为：

式中，k_r为比例谐振控制器G_x的比例系数，ω_o为谐振频率，ω_C＝0.01ω_o，s为拉普拉斯算子；比例谐振控制器G_x在谐振频率处的增益趋近于无穷大，能够实现对频率为ω_o的正弦参考信号无静差跟踪控制；另外，为了消除输入电流i_in对低通滤波器的扰动，提高参考信号的跟踪效果，引入了输入电流反馈解耦环节，比例谐振控制器G_x的输出再与输入电流反馈信号比较后输出调制信号v_m，通过合理设置输入电流反馈解耦的反馈传递函数G_m，使输入电流i_in对低通滤波器的输出电压v_C的影响为零，反馈传递函数G_m与具体电路结构和参数有关，其设置如下：

式中，L_f为滤波电感值，V_dc为直流电压，V_T为三角载波幅值；

3)脉冲宽度调制环节

将调制信号v_m与三角载波v_T相比较后得到SPWM波形的脉冲控制信号以控制DC-AC变换器的功率开关管通断，DC-AC变换器输出的脉冲电压经过低通滤波器滤除高次谐波后得到所需要的电压v_C，为与参考电压一致的正弦基波电压。