CN102723863A

CN102723863A - 非隔离双向dc-dc变换器控制方法

Info

Publication number: CN102723863A
Application number: CN2011100790567A
Authority: CN
Inventors: 陈玉东; 何晓光
Original assignee: Shanghai Mitsubishi Elevator Co Ltd
Current assignee: Shanghai Mitsubishi Elevator Co Ltd
Priority date: 2011-03-30
Filing date: 2011-03-30
Publication date: 2012-10-10
Anticipated expiration: 2031-03-30
Also published as: CN102723863B

Abstract

本发明公开了一种非隔离双向DC-DC变换器控制方法，采用由外部电压环和内部电流环构成的双闭环控制结构对其单端电压进行控制，且内部电流环采用电流反馈控制方式或电流复合控制方式，电流反馈控制输出与电流前馈控制输出之和为内部电流环的控制输出。本发明不但可以实现非隔离双向DC-DC变换器在降压模式和升压模式下的统一控制，而且通过采用复合控制方式还可以有效提高电压环和/或电流环的响应速度，改善非隔离双向DC-DC变换器的性能。

Description

非隔离双向DC-DC变换器控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子变换器领域，尤其是涉及一种非隔离双向DC-DC变换器的控制方法。

背景技术

双向DC-DC(直流-直流)变换器实质上是指具备双向传输能量的一类DC-DC变换器，在功能上相当于两个单向DC-DC变换器，其输入输出电压极性不变、输入输出电流方向可以改变。双向DC-DC变换器主要应用于需要双向能量流动的应用场合，如电池充电器、不间断电源(UPS)、电动汽车、光伏发电、风力发电、燃料电池以及基于储能装置的电梯节能等。在这些场合中应用双向DC-DC变换器可以有效降低系统的体积、重量和成本；这使得双向DC-DC变换器，尤其是非隔离的双向DC-DC变换器成为近年来DC-DC变换器的研究热点。如中国实用新型专利说明书CN201341090Y，中国发明专利说明书CN100463272C，美国专利申请说明书US2010/0164446A1、US2009/0051337A1，日本公开特许公报P2010-206883A、P2007-97252A、P2010-220309A以及下述文献等：

1)实现变换器的两段式软启动方法[中国电机工程学报，2008年，28(36)：28-32，杨孟雄，阮新波，金科]。

2)一种独立光伏发电系统双向变换器的控制策略[电工技术学报，2008年，23(1)：97-103，廖志凌，阮新波]。

3)双向DC-DC变换器的控制模型[中国电机工程学报，2005年，25(11)：46-49，张方华，朱成花，严仰光]。

4)基于工程设计法的双向直流变换装置的设计[电力电子技术，2010年，44(9)：83-85，张敬南，姚绪梁，张强，罗耀华]。

目前，非隔离双向DC-DC变换器主要有两种方式：一是单一电压闭环反馈控制方式，二是电压电流双闭环控制方式。单一电压闭环反馈控制方式结构简单、调节方便，但由于开环传递函数仅有一个零点，导致其响应速度较慢，因此只能应用在对动态性能要求不高的场合。电压电流双闭环控制方式在单一电压闭环反馈控制方式的基础上增加了一个内部电流反馈控制环，在一定程度上加快了非隔离双向DC-DC变换器的响应速度，改善了其动态性能。电压电流双闭环控制方式的工作过程一般为：当非隔离双向DC-DC变换器因其负载功率或电流发生变化或其它干扰而使其被控端的实际电压发生变化时，电压误差随之产生，电压闭环反馈控制器则根据电压误差生成新的不同于上一时刻的电流指令值，因而导致电流误差的产生，电流反馈控制器根据电流误差进行调节，最终实现电流实际值对其指令值的跟踪。

对于上述电压电流双闭环控制方式而言，由于其电压和电流环均采用了反馈控制方式，因此只有当电压误差和电流误差产生时才会对控制输出进行调节，因此当非隔离双向DC-DC变换器的负载功率或电流发生突变时，其被控电压和被控电流会出现较大波动，显然普通的电压电流双闭环控制方式不适用于负载变化剧烈且控制精度要求高的场合。

因此，提出一种在负载的功率或电流变化非常剧烈时，仍能实现满意控制精度的非隔离双向DC-DC变换器控制方法，就成为一个有待解决的课题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种非隔离双向DC-DC变换器控制方法，使其即使在负载的功率或电流剧烈变化时仍能实现满意的控制精度。

为解决上述技术问题，本发明的非隔离双向DC-DC变换器控制方法采用的技术方案是：采用由外部电压环和内部电流环构成的双闭环控制结构对其单端电压进行控制，且内部电流环采用电流反馈控制方式或电流复合控制方式，电流反馈控制输出与电流前馈控制输出之和为内部电流环的控制输出。

所述电流反馈控制方式，即根据电流指令值和电流实际值之差对电流进行控制，并生成期望电压或期望占空比作为内部电流环输出。

所述内部电流前馈控制方式，其输出为在由非隔离双向DC-DC变换器和其负载组成的电路中，维持电流指令值确定的电流所需的期望电压，或在由非隔离双向DC-DC变换器和其负载组成的电路中，维持所述电流指令值确定的电流所需的非隔离双向DC-DC变换器中开关元件的期望占空比。

根据所述期望占空比采用PWM方式对非隔离双向DC-DC变换器的开关元件进行开通与关断控制。

本发明可以达到的有益技术效果是：

1)无需辨识非隔离双向DC-DC变换器的工作模式，即可实现其在降压模式和升压模式下的统一控制。

2)通过采用由反馈控制和前馈控制构成的复合控制方式，可有效提高电压环和/或电流环的响应速度，改善非隔离双向DC-DC变换器的控制精度。

本发明提出的非隔离双向DC-DC变换器控制方法不但适用于非隔离双向DC-DC变换器高压侧和低压侧的单端电压控制，而且经适当处理(由后续“具体实施方式”可知：此处的适当处理主要是去除电压控制环)后还可应用于非隔离双向DC-DC变换器的高压侧和低压侧的单端电流控制。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是本发明中非隔离双向DC-DC变换器的结构示意图；

图2是本发明实施例1中的非隔离双向DC-DC变换器应用系统构成示意图；

图3是本发明实施例1中电压电流双闭环控制的一种实现方式框图；

图4是图3中的电流前馈控制器的结构框图。

具体实施方式

图1所示为本发明提出的非隔离双向DC-DC变换器控制方法所适用的非隔离双向DC-DC变换器。该非隔离双向DC-DC变换器主要包括功率开关G₁、G₂以及和其反并联的二极管D₁、D₂，电抗器L及其电阻R_L，滤波电容器C₁、C₂。图中功率开关G₁、G₂所示为理想开关，具体实施中可以是IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)等类型的功率开关。V_h和V_l分别代表双向DC-DC变换器的高压侧电压和低压侧电压，且有V_h＞V_l成立。

实施例1

如图2所示，在本实施例中，非隔离双向DC-DC变换器的高压侧与一直流负载相连，或者还包含有一直流电源，低压侧与一储能装置相连。此处，直流负载可以是能耗性直流负载，也可以是再生性直流负载，如DC/AC(直流/交流)逆变器与电机的组合；直流电源泛指任何在功能上可等效为直流电源的装置，可以是真实的直流电源，也可以是具有直流电源性质的其它替代物，如三相商用电源与AC/DC(交流/直流)整流器的组合；储能装置为蓄电池、超级电容等可进行充放电的装置。为分析方便，在后续分析中将储能装置统一建模为一电容C_ES，并将其端电压表示为V_ES。当然，非隔离双向DC-DC变换器的低压侧还可以接电抗器、电阻、电容、直流电源中的一项或多项组合；电抗器和电阻可以直接与电抗器L和电阻R_L合并；电容和直流电源仍表示为C_ES，同样可将其端电压表示为V_ES。另外，此处的直流负载与储能装置是相对的，二者互换位置不影响非隔离双向DC-DC变换器的控制方法。

此时的控制目标是将非隔离双向DC-DC变换器高压侧电压V_h保持在其指令值V_href。为此，非隔离双向DC-DC变换器采取如图3所示的电压电流双闭环控制方式，其工作原理如下：

电压环

电压环由图3中虚线框所示的电压反馈和电压前馈两部分构成。其中，电压反馈部分：首先非隔离双向DC-DC变换器高压侧的电压指令值V_href与其实测值V_h经减法器减法运算后得到电压误差e_Vh，然后该电压误差e_Vh被送入一电压反馈控制器得到i₁；电压前馈部分：负载功率与电压实测值V_h经除法器除法运算后得到i₂，最后反馈部分输出i_l与前馈部分输出i₂经一加法器加法运算后得到一和值，该和值直接或在经包括插值、滤波和限幅中的一种或多种预处理后所得即为内部电流环的电流指令值i_ref。另外，由于电流环中的反馈电流的检测点通常为非隔离双向DC-DC变换器低压侧的电流值，如流经电抗器L的电流值，因此上述电流指令值在送入电流环前还应乘一高低压侧电流折算系数(图3中未示出)。

电压前馈除了可以采用负载功率外，还可直接采用负载电流，此时负载电流直接作为前馈部分输出i₂。电压环中前馈控制所需的负载功率可以是通过对负载进行直接检测来获取，如利用电流传感器直接检测负载电流，也可以由与负载相关的信息通过计算来间接得到，如对于DC/AC逆变器与电机的组合作为负载这样的情形，则可以由电机矢量控制中的d-q轴电流和电压指令值通过计算来间接得到其功率。

电流环

电流环由图3中电流反馈和电流前馈两部分构成。其中，电流反馈由一减法器和一电流反馈控制器组成，电流前馈由一电路前馈控制器组成。电流反馈部分：电流指令值i_ref与非隔离双向DC-DC变换器低压侧的电流检测值i_fh经一减法器减法运算后得到电流误差e_i，该差值e_i被送入一电流反馈控制器得到电流反馈输出V₁ ^*；电流前馈部分：电流前馈控制器以电流指令值i_ref为输入，输出为电流前馈输出，其具体结构如图4所示。可见，电流前馈包括如下几个组成部分：(1)电容性前馈：当由非隔离双向DC-DC变换器和其负载组成的电路仅包括电容和/或电压源时，在电路达到稳态时所对应的期望电压，即图4中的V_ES；(2)电阻性前馈：当由非隔离双向DC-DC变换器和其负载组成的电路仅包括电阻时，将电路中的电流维持在所述电流指令值所对应的期望电压，即图4中R_L所在支路的输出电压；(3)电感性前馈：当由非隔离双向DC-DC变换器和其负载组成的电路仅包括电感时，将电路中的电流维持在所述电流指令值所对应的期望电压，即图4中由L所在支路的输出电压。三个支路输出之和即为电流前馈环输出V₂ ^*。电流反馈输出V₁ ^*与电流前馈环输出V₂ ^*之和即为功率开关G₁与G₂相连处的期望电压V^*(参见图1)，将该期望电压V^*除以非隔离双向DC-DC变换器高压侧电压即可得到此时功率开关G₁相应的占空比d₁，则功率开关G₂的占空比d₂＝1-d₁。若将期望电压V^*至占空比的处理合并进电流前馈控制器和电流反馈控制器中，则由电流环输出可直接得到功率开关G₁和G₂对应的占空比d₁和d₂。另外，图4所示电流前馈控制器包含了3个支路，在实际应用中可根据具体情况的不同选取其中至少1个支路。

在上述说明中，电压环和电流环都采用了复合控制，对于电压环采用复合控制、电流环采用反馈控制或前馈控制，或者电压环采用反馈控制、电流环采用复合控制，或者电压环采用反馈控制、电流环采用前馈控制的情形，只需在上述说明中去除相应的部分即可，此处不作赘述。

上述电压环说明中的电压反馈控制器和电流环中的电流反馈控制器可采用传统的PI控制器或其它结构的控制器，如预测控制等。

实施例2

本实施例的控制目标是将非隔离双向DC-DC变换器低压侧的电压V_l保持在其指令值V_lref的情形。

由于实施例1的控制目标是将非隔离双向DC-DC变换器高压侧的电压V_h保持在其指令值V_href的情形，因此其工作原理与本实施例非常相似，本领域的技术人员根据实施例1中的说明稍作变化即可得到实施例1的控制方法，故此处对实施例2情形不作赘述。

在本发明中，所述期望电压与非隔离双向DC-DC变换器高压侧端电压V_h的商即为与期望电压对应的期望占空比，其中高压侧端电压V_h为实际值或预设值；非隔离双向DC-DC变换器的开关元件进行开通与关断控制是根据所述期望占空比采用PWM方式进行的；非隔离双向DC-DC变换器的开关元件的开通与关断采用互补导通方式，或在启动阶段采取一开关元件始终保持关断、另一开关元件根据期望占空比进行开通与关断的方式，在启动完成后切换为互补导通方式。

本发明中外部电压环控制输出可以直接、或者在经包括插值、滤波和限幅中的一种或多种预处理后作为所述内部电流环的最终电流指令值。

以上通过具体实施方式和实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，如互换负载与储能装置的位置仍可得到本发明公布的非隔离双向DC-DC变换器控制方法，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种非隔离双向DC-DC变换器控制方法，其特征在于：采用由外部电压环和内部电流环构成的双闭环控制结构对其单端电压进行控制，且内部电流环采用电流反馈控制方式或电流复合控制方式，电流反馈控制输出与电流前馈控制输出之和为内部电流环的控制输出。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述外部电压环采用电压反馈控制方式，或者采用电压复合控制方式，且电压反馈控制输出与电压前馈控制输出之和作为所述内部电流环的电流指令值。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于：所述电压反馈控制方式，即根据非隔离双向DC-DC变换器的被控端电压实际值及其参考值对非隔离双向DC-DC变换器的被控端电压进行控制，并生成电压反馈控制输出。

4.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于：所述电压前馈控制方式，即根据非隔离双向DC-DC变换器的负载电流或功率对非隔离双向DC-DC变换器的被控端电压进行控制，并生成电压前馈控制输出，其中所述负载电流或功率通过对负载进行直接检测来获取，或是由与负载相关的信息通过计算来间接得到。

5.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述外部电压环生成的电流指令值在经包括插值、滤波和限幅中的一种或多种预处理后作为所述内部电流环的最终电流指令值。

6.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述电流反馈控制方式，即根据电流指令值和电流实际值之差对电流进行控制，并生成期望电压或期望占空比作为内部电流环输出。

7.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述电流前馈控制方式，其输出为在由非隔离双向DC-DC变换器和其负载组成的电路中，维持电流指令值确定的电流所需的期望电压，或在由非隔离双向DC-DC变换器和其负载组成的电路中，维持电流指令值确定的电流所需的非隔离双向DC-DC变换器中开关元件的期望占空比。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述期望电压与非隔离双向DC-DC变换器高压侧端电压V_h的商即为与期望电压对应的期望占空比，其中高压侧端电压V_h为实际值或预设值。

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，根据所述期望占空比采用PWM方式对非隔离双向DC-DC变换器的开关元件进行开通与关断控制。

10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，非隔离双向DC-DC变换器的开关元件的开通与关断采用互补导通方式，或在启动阶段采取一开关元件始终保持关断、另一开关元件根据期望占空比进行开通与关断的方式，在启动完成后切换为互补导通方式。

11.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述电流前馈控制方式，其输出包括下述中的一项或多项：

电容性前馈，当由非隔离双向DC-DC变换器和其负载组成的电路仅包括电容和/或电压源时，在电路达到稳态时所对应的期望电压或期望占空比；

电阻性前馈，当由非隔离双向DC-DC变换器和其负载组成的电路仅包括电阻时，将电路中的电流维持在所述电流指令值所对应的期望电压或期望占空比；

电感性前馈，当由非隔离双向DC-DC变换器和其负载组成的电路仅包括电感时，将电路中的电流维持在所述电流指令值所对应的期望电压或期望占空比。