CN104518659A - 基于z源的双向dc-dc变换器的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Z源的双向DC-DC变换器的控制方法，目的是提供一种能够控制变换器宽范围的升降压、短路保护、能量流动控制及正反向能量流动切换的方法。技术方案是改进变换器中的控制单元，使控制单元由电压计算单元、电压偏差计算单元、电压控制器、电流计算单元、电流偏差计算单元、电流控制器、故障监控单元组成，然后采用对电流、电压进行单独闭环控制的双并联闭环控制方法对变换器的能量流动进行控制。本发明实现了输出大范围的升压、降压控制；实现了电流、电压的单独控制和各变量间的解耦控制；使得变换器不停机就能实现能量流动的平滑切换；且可对输入、输出短路故障进行快速判断及故障保护。

Description

基于Z源的双向DC-DC变换器的控制方法

技术领域

本发明属于双向大功率DC-DC变换领域，尤其是基于Z源的大功率DC-DC变换器的控制方法。

背景技术

双向大功率DC-DC变换器在分布式发电、电动汽车、储能系统、新能源发电等领域具有广阔的应用前景。

双有源全桥拓扑结构由于其功率器件电流/电压应力小，同样容量的器件传输的功率更大，是隔离型大功率双向DC-DC变换器领域中的首选拓扑结构。

双有源全桥双向DC-DC变换器(Dual Active Bridge Bi-directionalConverter，简称DABBC)主电路中，原边有源桥由四个开关功率管构成全桥电路，工作在逆变状态，其导通和关断由控制单元发出PWM(Pulse WidthModulation，脉冲宽度调制)信号来控制；副边有源桥由四个功率开关管构成全桥，工作在整流状态，其导通和关断由控制单元发出PWM信号来控制。

但DABBC受直流母线电压的限制，其升压范围有限，影响其使用范围；且其全桥电路的上下桥臂开关管不能同时导通，若因控制失误或电磁干扰造成上下开关管直通会造成短路，损坏器件，影响DABBC的可靠性。

阻抗源网络(Z源网络)，是由浙江大学彭方正教授在《Z源逆变器》中首次提出，Z源网络是由两个电感和两个电容的二端口网络接成X形，以提供一个阻抗源，将变换器和直流电源或负载耦合在一起；Z源网络的最大优点是其允许短路，并通过短路提供大范围的升压，其升压比为D为短路占空比，当短路占空比接近于0.5时能获得理论上的无穷大的升压比。

在双有源桥双向DC-DC变换器的输入和输出侧均加入Z源网络，能够有效的解决双有源桥DC-DC的升降压范围有限和开关管直通的问题，形成一种新型的基于Z源的双向DC-DC变换器，如文献《Z源双向DC-DC变换器及其移相直通控制策略》(中国电机工程学报的2011年第31卷第9期)所公布的基于Z源的双向DC-DC变换器由主电路、第一检测单元、第二检测单元、控制单元组成；主电路由输入Z源网络、原边有源桥、变压器、副边有源桥、输出Z源网络构成，主电路与第一检测单元、第二检测单元、控制单元相连，控制单元输出8路PWM信号分别控制主电路的原边有源桥和副边有源桥的各桥臂开关管的导通和关断；第一检测单元和第二检测单元逻辑结构相同，均由信号检测电路和信号调理电路组成，第一检测单元与主电路、控制单元相连，第一检测单元的信号检测电路采集主电路的原边有源桥直流母线输入电压V_in、原边有源桥直流母线输入电流I_in信号，V_in、I_in信号经信号调理电路调理成控制单元能够接收的信号，再传递给控制单元；第二检测单元与主电路、控制单元相连，第二检测单元采集主电路的副边有源桥直流母线输出电压V_out和副边有源桥直流母线输出电流I_out信号，V_out、I_out信号经信号调理电路调理成控制单元能够接收的信号形式，再传递给控制单元；一般，控制单元由微处理器(MCU)及其外围接口电路构成，控制单元与第一检测单元、第二检测单元、主电路相连，控制单元从第一检测单元接收信号V_in、I_in，从第二检测单元接收信号V_out和I_out；控制单元根据V_in、I_in、V_out和I_out的状态输出8路PWM信号(pwm₁₁～pwm₁₄和pwm₂₁～pwm₂₄)控制主电路的原边有源桥和副边有源桥的各桥臂开关管的导通和关断，其中pwm₁₁控制原边有源桥的左上桥臂开关管，pwm₁₂控制原边有源桥左下桥臂开关管，pwm₁₃控制原边有源桥右上桥臂开关管，pwm₁₄控制原边有源桥右下桥臂开关管，pwm₂₁控制副边有源桥的左上桥臂开关管，pwm₂₂控制副边有源桥左下桥臂开关管，pwm₂₃控制副边有源桥右上桥臂开关管，pwm₂₄控制副边有源桥右下桥臂开关管；

文献《Z源双向DC-DC变换器及其移相直通控制策略》公布的控制方法采用原边有源桥自移相结合插入直通零矢量，副边有源桥采用不可控二极管进行同步整流的控制方法；当需要进行升压时增大移相角度并减少直通零矢量角度，当需要进行降压时减小移相角度并增加直通零矢量角度，且针对被控量的不同选择采用电压环、电流环进行控制；该方案兼具双有源桥和Z源网络的优点，实现输入、输出侧电气隔离、输入、输出均具有阻抗特性，宽范围的升降压功能，能够实现能量的双向流动。

但文献《Z源双向DC-DC变换器及其移相直通控制策略》公布的控制方法是多输入变量、多输出的控制方法，控制方法模糊且复杂；该方法通过调节原边有源桥的自移相角和插入直通零矢量来调节输出电压和输出电流，而改变移相角和插入直通零矢量均能够影响输出电压和输出电流，各输入、输出相互耦合，未明确描述改变移相角和插入直通零矢量角度两者的相互协同控制和解耦控制的方法。且该方法未涉及到能量正反向流动的切换过程的控制和短路故障保护控制方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于Z源的双向DC-DC变换器的控制方法，该控制方法能够控制基于Z源的双向DC-DC变换器的宽范围的升降压、短路判断及短路保护、能量流动控制及正反向能量流动快速切换，电压、电流分别采用单独的闭环控制，能实现电压、电流控制的解耦控制。

本发明包括以下步骤：

第一步，改进基于Z源的双向DC-DC变换器中的控制单元，方法是：

控制单元由电压计算单元、电压偏差计算单元、电压控制器、电流计算单元、电流偏差计算单元、电流控制器、故障监控单元组成。

电压计算单元计算原边有源桥的输入直流母线电压参考值，电压计算单元与电压偏差计算单元相连，从外部指令接收输出电压参考值V_{_ref}，根据V_{_ref}计算出原边有源桥直流母线电压给定参考值V_{in_ref}，并将V_{in_ref}输出至电压偏差计算单元。

电压偏差计算单元与电压计算单元、电压控制器相连，电压偏差计算单元接收电压计算单元输出的V_{in_ref}，接收主电路的原边有源桥输入直流母线电压V_in，根据V_{in_ref}和V_in计算得到原边有源桥输入直流母线电压偏差值Δ_{V_in}，将Δ_{V_in}输出至电压控制器。

电压控制器与电压偏差计算单元、主电路、故障监控单元相连，电压控制器从电压偏差计算单元接收Δ_{V_in}，根据Δ_{V_in}调制出控制原边有源桥通断的PWM信号(pwm₁₁～pwm₁₄)，将pwm₁₁～pwm₁₄传输出至主电路；电压控制器根据Δ_{V_in}得到插入的直通时间T_short，并将T_short输出至故障监控单元，若从故障监控单元接收到故障保护信号Fault，则封锁(即不输出信号)pwm₁₁～pwm₁₄，进行短路故障保护。

电流计算单元与电流偏差计算单元相连，电流计算单元从外部指令接收输出功率参考值P_{_ref}，接收主电路的副边有源桥直流母线输出电压V_out，根据P_{_ref}、V_out计算出副边有源桥输出直流母线电流参考值I_{out_ref}，将I_{out_ref}输出给电流偏差计算单元。

电流偏差计算单元计算副边有源桥直流母线输出电流偏差Δ_{I_out}，电流偏差计算单元与电流计算单元、电流控制器相连，电流偏差计算单元从电流计算单元接收I_{out_ref}，接收主电路副边有源桥直流母线输出电流I_out，根据I_{out_ref}、I_out计算得到副边有源桥直流母线输出电流偏差Δ_{I_out}，将Δ_{I_out}输出至电流控制器。

电流控制器与电流偏差计算单元、主电路、故障监控单元相连，电流控制器接收电流偏差计算单元输出的Δ_{I_out}，根据Δ_{I_out}调制出控制副边有源桥通断的PWM信号(pwm₂₁～pwm₂₄)，将pwm₂₁～pwm₂₄传输给主电路，若电流控制器从故障监控单元接收到故障保护信号Fault，则电流控制器封锁(即不向主电路输出)PWM信号，进行短路故障保护。

故障监控单元与主电路相连，对主电路的输入、输出过流故障进行监控，接收主电路的输入电流I_in和输出电流I_out，若I_in或I_out大于等于基于Z源的双向DC-DC变换器的最大正常运行值(取额定值的2倍)且持续时间超过T_short则判定发生短路故障，则向电压控制器和电流控制器输出故障信号Fault，电压控制器和电流控制器接收到故障信号Fault后立即封锁PWM脉冲信号，从而完成短路故障保护。

第二步，采用对电流、电压进行单独闭环控制的双并联闭环控制方法对基于Z源的DC-DC变换器的能量流动进行控制，包含步骤2.1～2.6,上电初始阶段执行一次步骤2.1，在每个PWM周期T依次执行一遍步骤2.2～步骤2.5，在控制单元的电压计算单元、电压偏差计算单元、电压控制器、电流计算单元、电流偏差计算单元、电流控制器部件循环执行步骤2.2～步骤2.5时，故障监控单元并行执行步骤2.6，具体步骤如下：

步骤2.1进行系统初始化，设置插入短路零矢量时间T_short和插入关断零矢量时间T_off均为0，设置桥臂正常导通时间T_on为半个PWM周期即0.5×T(周期)，设置副边有源桥相对于原边有源桥的移相角度为0；

步骤2.2根据从外部指令接收的输出副边有源桥直流电压参考值V_{_ref}，电压计算单元计算主电路的原边有源桥直流母线电压给定参考值V_{in_ref}＝k₁×V_{_ref}，其中k₁为选取的输入母线直流电压与输出直流母线电压比例系数，根据实际使用工况选取，可选取k₁为0.5≤k₁≤1.5；同时，电流计算单元根据从外部接收的外部指令输出功率参考值P_{_ref}的绝对值和从主电路接收到的副边有源桥直流母线输出电压V_out，计算出副边有源桥直流母线输出电流参考值I_{out_ref}：

$I_{\mathrm{out}\_\mathrm{ref}}=\frac{\left|P_{\_\mathrm{ref}}\right|}{V_{\mathrm{out}}};$

步骤2.3电压偏差计算单元将步骤2.2得到的V_{in_ref}与从主电路接收的V_in作差值，计算原边有源桥直流母线电压差值Δ_{V_in}为：

Δ_{V_in}＝V_{in_ref}-V_in；

同时，电流偏差计算单元根据步骤2.2得到的I_{out_ref}与主电路的副边有源桥直流母线输出电流I_out作差值，计算副边有源桥直流母线电流差值Δ_{I_out}为：

Δ_{I_out}＝I_{out_ref}-I_out；

步骤2.4若电压控制器和电流控制器接收到故障监控单元发出的Fault信号，电压控制器封锁输出的PWM信号pwm₁₁～pwm₁₄，电流控制器封锁输出的PWM信号pwm₂₁～pwm₂₄，转第三步；若没有接收到Fault信号，电压控制器根据步骤2.3得到的Δ_{V_in}调制输出控制原边有源桥的PWM信号pwm₁₁～pwm₁₄，同时电流控制器根据步骤2.3得到的Δ_{I_out}向主电路的副边有源桥输出PWM信号pwm₂₁～pwm₂₄，具体方法如下：

步骤2.4.1电压控制器将每一个PWM周期T按顺序分为五个时间片，即T_1on、T_1short、T_off、T_2on、T_2short；其中T_1on和T_2on时间长度均等于T_on时间长度；T_1short和T_2short时间长度相等，均为T_short时间长度；T_off的时间长度为:T_off＝T-2×T_on-2×T_short；同时电流控制器根据Δ_{I_out}调整副边有源桥相对于原边有源桥的移相角度若Δ_{I_out}为负，则增大的值，且保证小于90°电角度；若Δ_{I_out}为正，则减小的值，且保证大于零；

步骤2.4.2电压控制器依据Δ_{V_in}得出每个周期中的T_on、T_short、T_off的时间：若Δ_{V_in}为正且T_off不为零，则减小T_off增大T_on的时间，T_off的范围为0≤T_off≤T，保证T_on＝0.5×T-0.5×T_off，T_short＝0；若为正且T_off已为零，则减小T_on增大T_short，T_short的范围为0≤T_short＜0.25×T，且保证T_on＝0.5×T-T_short，T_off＝0；若Δ_{V_in}为负且T_short不为零，则减小T_short增大T_on，T_short的范围为0≤T_short＜0.25×T，且保证T_on＝0.5×T-T_short，T_off＝0；若Δ_{V_in}为负且T_short已为零，则增大T_off的减小T_on，T_off的范围为0≤T_off≤T，保证T_on＝0.5×T-0.5×T_off，T_short＝0；

步骤2.4.3在T_1on、T_1short、T_off、T_2on、T_2short时间片，电压控制器输出PWM信号pwm₁₁～pwm₁₄，控制原边有源桥的各开关管的开关方法如下：在T_1on时间片，电压控制器输出pwm₁₁和pwm₁₄为导通信号，输出pwm₁₂和pwm₁₃为关断信号；在T_1short时间片，电压控制器输出pwm₁₁和pwm₁₂为导通信号，输出pwm₁₃和pwm₁₄为关断信号；在T_off时间片，电压控制器控制输出pwm₁₁～pwm₁₄为关断信号；在T_2on时间片，电压控制器输出pwm₁₂和pwm₁₃为导通信号，输出pwm₁₁和pwm₁₄为关断信号；在T_2short时间片，电压控制器输出pwm₁₃和pwm₁₄为导通信号，输出pwm₁₁和pwm₁₂为关断信号；

步骤2.4.4将从PWM周期T的时间点开始的长度等于T的一段时间按顺序分为3个时间片，T_s1on、T_soff、T_s2on，T_s1on和T_s2on的时间长度均为步骤2.4得到的T_on，T_soff的时间长度为T_soff＝T-2×T_on；

步骤2.4.5：电流控制器在PWM周期T的时间点开始依据T_on调制输出控制副边有源桥开关管动作的PWM信号pwm₂₁～pwm₂₄，方法如下：在T_s1on时间片，电流控制器输出副边有源桥开关管的控制信号pwm₂₁和pwm₂₄为导通信号，pwm₂₂和pwm₂₃为关断信号；接着，在T_soff时间片，电流控制器输出副边有源桥开关管的控制信号pwm₂₁、pwm₂₂、pwm₂₃、pwm₂₄为关断信号；最后，在T_s2on时间片，电流控制器输出副边有源桥开关管的控制信号pwm₂₂和pwm₂₃为导通信号，pwm₂₁和pwm₂₄为关断信号；

步骤2.5若接收到故障监控单元发出的Fault信号，电流控制器和电压控制器封锁PWM信号pwm₁₁～pwm₁₄、pwm₂₁～pwm₂₄，转第三步；若没有接收到Fault信号且控制单元接收到的外部指令输出功率P_{_ref}的符号发生改变即由正变为负或由负变为正，控制单元控制基于Z源的双向DC-DC变换器完成能量正反向流动切换，含有如下步骤：

步骤2.5.1电压控制器将T_short置为零，T_on保持不变，T_off的值改变为T_off＝T-2×T_on，按步骤2.4.3所述的方法电压控制器依次执行T_1on、T_1short、T_off、T_2on、T_2short时间片，输出控制原边有源桥开关管的PWM信号pwm₁₁～pwm₁₄；

步骤2.5.2电流控制器将移相角度置为零，按步骤2.4.5的方法依次执行T_s1on、T_soff、T_s2on时间片的控制副边有源桥开关管的PWM信号动作，输出副边有源桥的控制信号pwm₂₁～pwm₂₄；

步骤2.5.3：执行完步骤2.5.2后，原边和副边的能量流动将变为零，此时进行能量的反向流动控制：将正向能量流动的输入变为反向能量流动的输出、正向能量流动的输出变为反向能量流动的输入、正向能量流动的输入Z源网络变为反向能量流动的输出Z源网络、正向能量流动的输出Z源网络变为反向能量流动的输入Z源网络，正向能量流动的原边有源桥变为反向能量流动的副边有源桥、正向能量流动的副边有源桥变为反向能量流动的原边有源桥，此时即完成能量的正向流动向反向流动的切换；能量由反向流动向正向流动切换方法相同；

步骤2.5.4转步骤2.2；

步骤2.6根据I_in、I_out和T_short判定输入侧和输出侧是否发生短路故障，若发生短路故障则输出短路故障信号Fault至电压控制器、电流控制器，进行短路故障保护，具体如下：若原边有源桥直流母线输入电流I_in的值大于等于基于Z源的双向DC-DC变换器的最大正常运行值且持续时间超过T_short，则故障监控单元判定输入侧发生短路故障；若副边有源桥直流母线输出电流I_out的值大于等于基于Z源的双向DC-DC变换器的最大正常运行值且持续时间超过T_short，则故障监控单元判定输出侧发生短路故障；若输入侧发生短路故障或输出侧发生短路故障，故障监控单元输出短路故障信号Fault至电压控制器和电流控制器；由于主电路的输入、输出Z源网络的阻抗特性，其短路电流上升受到限制，因此能够不损坏开关管器件。

第三步，结束。

本发明在执行时，只有发生故障时能量流动转换才会停止，因此只有发生故障时能量流动的控制也才会停止，因为本发明主要用于分布式发电、电动汽车、储能系统、新能源发电等领域，只要电网不断电，本发明将一直用于基于Z源的双向DC-DC变换器的能量流动控制，是一个周期循环的过程。

采用本发明可以达到以下技术效果：

本发明公布了一种基于Z源的DC-DC变换器的控制方法，具有如下的有益效果：

1.本发明能够实现输出大范围的升压、降压控制，通过步骤2.4的控制T_1short和T_2short来实现升压，通过步骤2.4的控制T_2off来实现降压控制；

2.本发明第一步设计了电压控制器和电流控制器，第二步采用对电流、电压单独进行控制的双并联闭环控制方法，电压控制器根据Δ_{V_in}来输出PWM信号pwm₁₁～pwm₁₄来实现升压或降压的控制，电流控制器根据Δ_{I_out}来控制来输出PWM信号pwm₂₁～pwm₂₄，实现输出电流的控制，各输入、输出变量间的实现解耦控制；

3.给出一种能量正反向的快速切换的控制方法，使得DC-DC变换器不停机就能实现能量流动的快速平滑切换；

4.给出一种基于Z源的DC-DC变换器的输入、输出短路故障的快速判断及故障保护，充分利用Z源网络的阻抗特性减小短路故障对器件的损坏。

附图说明：

图1背景技术《Z源双向DC-DC变换器及其移相直通控制策略》公布的基于Z源的DC-DC变换器的逻辑框图

图2本发明第一步设计的基于Z源的DC-DC变换器的控制单元的结构框图；

图3本发明的总体流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行进一步说明。

图1为背景技术《Z源双向DC-DC变换器及其移相直通控制策略》公布的基于Z源的DC-DC变换器的逻辑框图。

如图1所示，基于Z源的DC-DC变换器由主电路、第一检测单元、第二检测单元、控制单元三个部分组成：

主电路由输入Z源网络、原边有源桥、变压器、副边有源桥、输出Z源网络构成，主电路与第一检测单元、第二检测单元、控制单元相连，第一检测单元检测主电路的原边有源桥直流母线的输入电压V_in、原边有源桥直流母线的输入电流I_in，第二检测单元检测主电路的副边有源桥直流母线的输出电压V_out和副边有源桥直流母线输出电流I_out，第一检测单元、第二检测单元检测到的信号V_in、I_in、V_out、I_out输出至控制单元，控制单元根据V_in、I_in、V_out、I_out信号输出8路PWM信号分别控制主电路的原边有源桥和副边有源桥的各桥臂开关管的导通和关断。

第一检测单元和第二检测单元分别包含信号检测电路和信号调理电路，第一检测单元采集信号V_in、I_in，第二检测单元采集信号V_out和I_out，第一检测单元、第二检测单元分别这些信号进行调理，转化为控制单元能够接收的信号形式，并将这些信号输出给控制单元。

控制单元由微处理器(MCU)及其外围电路构成，控制单元与检测单元、主电路相连，控制单元接收来自第一检测单元、第二检测单元的信号调理后的V_in、I_in、V_out和I_out信号；控制单元对V_in、I_in、V_out、I_out进行控制，输出8路PWM信号(pwm₁₁～pwm₁₄和pwm₂₁～pwm₂₄)控制主电路的原边有源桥和副边有源桥的各桥臂开关管的导通和关断，其中pwm₁₁控制原边有源桥的左上桥臂开关管，pwm₁₂控制原边有源桥左下桥臂开关管，pwm₁₃控制原边有源桥右上桥臂开关管，pwm₁₄控制原边有源桥右下桥臂开关管，pwm₂₁控制副边有源桥的左上桥臂开关管，pwm₂₂控制副边有源桥左下桥臂开关管，pwm₂₃控制副边有源桥右上桥臂开关管，pwm₂₄控制副边有源桥右下桥臂开关管。

图2为本发明第一步改进的基于Z源的DC-DC变换器的控制单元的结构框图，控制单元由电压计算单元、电压偏差计算单元、电压控制器、电流计算单元、电流偏差计算单元、电流控制器、故障监控单元组成。

电压计算单元计算原边有源桥的输入直流母线电压参考值，电压计算单元与电压偏差计算单元相连，从外部指令接收输出电压参考值V_{_ref}，根据V_{_ref}计算出原边有源桥直流母线电压给定参考值V_{in_ref}，并将V_{in_ref}输出至电压偏差计算单元。

电压偏差计算单元与电压计算单元、电压控制器相连，电压偏差计算单元接收电压计算单元输出的V_{in_ref}，接收主电路的原边有源桥输入直流母线电压V_in，根据V_{in_ref}和V_in计算得到原边有源桥输入直流母线电压偏差值Δ_{V_in}，将Δ_{V_in}输出至电压控制器。

电压控制器与电压偏差计算单元、主电路、故障监控单元相连，电压控制器从电压偏差计算单元接收Δ_{V_in}，根据Δ_{V_in}调制出控制原边有源桥通断的PWM信号(pwm₁₁～pwm₁₄)，将pwm₁₁～pwm₁₄传输给主电路；电压控制器根据Δ_{V_in}得到T_short，并将T_short输出至故障监控单元，若从故障监控单元接收到故障保护信号Fault，则封锁pwm₁₁～pwm₁₄，进行短路故障保护。

电流计算单元与电流偏差计算单元相连，电流计算单元从外部指令接收输出功率参考值P_{_ref}，接收主电路的副边有源桥直流母线输出电压V_out，根据P_{_ref}、V_out计算出副边有源桥输出直流母线电流参考值I_{out_ref}，将I_{out_ref}输出给电流偏差计算单元。

电流偏差计算单元计算副边有源桥直流母线输出电流偏差Δ_{I_out}，电流偏差计算单元与电流计算单元、电流控制器相连，电流偏差计算单元从电流计算单元接收I_{out_ref}，接收主电路副边有源桥直流母线输出电流I_out，根据I_{out_ref}、I_out计算得到副边有源桥直流母线输出电流偏差Δ_{I_out}，将Δ_{I_out}输出至电流控制器。

电流控制器与电流偏差计算单元、主电路、故障监控单元相连，电流控制器接收电流偏差计算单元输出的Δ_{I_out}，根据Δ_{I_out}调制出控制副边有源桥通断的PWM信号(pwm₂₁～pwm₂₄)，将pwm₂₁～pwm₂₄传输给主电路；若电流控制器从故障监控单元接收到故障保护信号Fault，则电流控制器封锁(即不向主电路输出)PWM信号，进行短路故障保护。

故障监控单元与主电路相连，对主电路的输入、输出过流故障进行监控，接收主电路的输入电流I_in和输出电流I_out，若I_in或I_out大于等于基于Z源的双向DC-DC变换器的最大运行值(为额定值的2倍)且持续时间超过T_short则判定发生短路故障，则向电压控制器和电流控制器输出故障信号Fault，电压控制器和电流控制器接收到故障信号Fault后立即封锁PWM脉冲信号，从而完成短路故障保护。

图3为本发明总体流程图。

本发明包括以下步骤：

第一步，改进基于Z源的双向DC-DC变换器中的控制单元；

第二步，采用对电流、电压进行单独闭环控制的双并联闭环控制方法对基于Z源的DC-DC变换器的能量流动进行控制，包含步骤2.1～2.6,上电初始阶段执行步骤2.1，在每个PWM周期T依次执行一遍步骤2.2～步骤2.5，在控制单元的电压计算单元、电压偏差计算单元、电压控制器、电流计算单元、电流偏差计算单元、电流控制器部件循环执行步骤2.2～步骤2.5时，故障监控单元同时执行步骤2.6，具体步骤如下：

步骤2.1进行系统初始化；

步骤2.2根据从外部指令接收的输出副边有源桥直流电压参考值V_{_ref}，计算主电路的原边有源桥直流母线电压给定参考值V_{in_ref}＝k₁×V_{_ref}；同时，电流计算单元根据从外部接收的外部指令输出功率参考值P_{_ref}的绝对值和从主电路接收到的副边有源桥直流母线输出电压V_out，计算出副边有源桥直流母线输出电流参考值I_{out_ref}；

步骤2.3电压偏差计算单元将步骤2.2得到的V_{in_ref}与从主电路接收的V_in作差值，计算原边有源桥直流母线电压差值Δ_{V_in}；同时，电流偏差计算单元根据步骤2.2得到的I_{out_ref}与主电路的副边有源桥直流母线输出电流I_out作差值，计算副边有源桥直流母线电流差值Δ_{I_out}；

步骤2.4若接收到故障监控单元发出的Fault信号，电压控制器封锁输出的PWM信号pwm₁₁～pwm₁₄，同时电流控制器封锁输出的PWM信号pwm₂₁～pwm₂₄，转第三步；若没有接收到Fault信号，电压控制器根据得到的Δ_{V_in}调制输出控制原边有源桥的PWM信号pwm₁₁～pwm₁₄，同时电流控制器根据得到的Δ_{I_out}向主电路的副边有源桥输出PWM信号pwm₂₁～pwm₂₄；

步骤2.5若接收到故障监控单元发出的Fault信号，电流控制器和电压控制封锁PWM信号pwm₁₁～pwm₁₄、pwm₂₁～pwm₂₄，转第三步；若没有接收到Fault信号且控制单元接收到的外部指令输出功率P_{_ref}的符号发生改变即由正变为负或由负变为正，控制单元控制基于Z源的双向DC-DC变换器完成能量正反向流动切换；执行完步骤2.5，转至步骤2.2；

步骤2.6根据I_in、I_out和T_short判定输入侧和输出侧是否发生短路故障，若输入侧发生短路故障或输出侧发生短路故障则输出短路故障信号Fault至电压控制器、电流控制器，进行短路故障保护。

第三步，结束。

Claims (4)

1.一种基于Z源的双向DC-DC变换器的控制方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，改进基于Z源的双向DC-DC变换器中的控制单元，方法是：

控制单元由电压计算单元、电压偏差计算单元、电压控制器、电流计算单元、电流偏差计算单元、电流控制器、故障监控单元组成；

电压计算单元计算原边有源桥的输入直流母线电压参考值，电压计算单元与电压偏差计算单元相连，从外部指令接收输出电压参考值V_{_ref}，根据V_{_ref}计算出原边有源桥直流母线电压给定参考值V_{in_ref}，并将V_{in_ref}输出至电压偏差计算单元；

电压偏差计算单元与电压计算单元、电压控制器相连，电压偏差计算单元接收电压计算单元输出的V_{in_ref}，接收主电路的原边有源桥输入直流母线电压V_in，根据V_{in_ref}和V_in计算得到原边有源桥输入直流母线电压偏差值Δ_{V_in}，将Δ_{V_in}输出至电压控制器；

电压控制器与电压偏差计算单元、主电路、故障监控单元相连，电压控制器从电压偏差计算单元接收Δ_{V_in}，根据Δ_{V_in}调制出控制原边有源桥通断的PWM信号pwm₁₁～pwm₁₄，将pwm₁₁～pwm₁₄传输给主电路；电压控制器根据Δ_{V_in}得到插入的直通零矢量时间T_short，并将T_short输出至故障监控单元，若从故障监控单元接收到短路故障保护信号Fault，则封锁pwm₁₁～pwm₁₄，进行短路故障保护；所述封锁是指不输出信号；

电流计算单元与电流偏差计算单元相连，电流计算单元从外部指令接收输出功率参考值P_{_ref}，接收主电路的副边有源桥直流母线输出电压V_out，根据P_{_ref}、V_out计算出副边有源桥输出直流母线电流参考值I_{out_ref}，将I_{out_ref}输出给电流偏差计算单元；

电流偏差计算单元计算副边有源桥直流母线输出电流偏差Δ_{I_out}，电流偏差计算单元与电流计算单元、电流控制器相连，电流偏差计算单元从电流计算单元接收I_{out_ref}，接收主电路副边有源桥直流母线输出电流I_out，根据I_{out_ref}、I_out计算得到副边有源桥直流母线输出电流偏差Δ_{I_out}，将Δ_{I_out}输出至电流控制器；

电流控制器与电流偏差计算单元、主电路、故障监控单元相连，电流控制器接收电流偏差计算单元输出的Δ_{I_out}，根据Δ_{I_out}调制出控制副边有源桥通断的PWM信号pwm₂₁～pwm₂₄，将pwm₂₁～pwm₂₄输出给主电路，若电流控制器从故障监控单元接收到故障保护信号Fault，则电流控制器封锁PWM信号，进行短路故障保护；

故障监控单元与主电路相连，对主电路的输入、输出过流故障进行监控，接收主电路的输入电流I_in和输出电流I_out，若I_in或I_out大于等于基于Z源的双向DC-DC变换器的最大正常运行值且持续时间超过T_short则判定发生短路故障，向电压控制器和电流控制器输出故障信号Fault，电压控制器和电流控制器接收到故障信号Fault后立即封锁PWM脉冲信号，从而完成短路故障保护；

第二步，采用对电流、电压进行单独闭环控制的双并联闭环控制方法对基于Z源的DC-DC变换器的能量流动进行控制，包含步骤2.1～2.6,上电初始阶段执行步骤2.1，在每个PWM周期T依次执行一遍步骤2.2～步骤2.5，在控制单元的电压计算单元、电压偏差计算单元、电压控制器、电流计算单元、电流偏差计算单元、电流控制器部件循环执行步骤2.2～步骤2.5时，故障监控单元并行执行步骤2.6，具体步骤如下：

步骤2.1进行系统初始化，设置插入短路零矢量时间T_short和插入关断零矢量时间T_off均为0，设置桥臂正常导通时间T_on为半个PWM周期即0.5×T，设置副边有源桥相对于原边有源桥的移相角度φ为0；

步骤2.2根据从外部指令接收的输出副边有源桥直流电压参考值V_{_ref}，电压计算单元计算主电路的原边有源桥直流母线电压给定参考值V_{in_ref}＝k₁×V_{_ref},其中k₁为选取的输入母线直流电压与输出直流母线电压比例系数，根据实际使用工况选取；同时，电流计算单元根据从外部接收的外部指令输出功率参考值P_{_ref}的绝对值和从主电路接收到的副边有源桥直流母线输出电压V_out，计算出副边有源桥直流母线输出电流参考值I_{out_ref}：

$I_{\mathrm{out}\_\mathrm{ref}}=\frac{\left|P_{\_\mathrm{ref}}\right|}{V_{\mathrm{out}}};$

步骤2.3电压偏差计算单元将步骤2.2得到的V_{in_ref}与从主电路接收的V_in作差值，计算原边有源桥直流母线电压差值Δ_{V_in}为：

Δ_{V_in}＝V_{in_ref}-V_in；

同时，电流偏差计算单元根据步骤2.2得到的I_{out_ref}与主电路的副边有源桥直流母线输出电流I_out作差值，计算副边有源桥直流母线电流差值Δ_{I_out}为：

Δ_{I_out}＝I_{out_ref}-I_out；

步骤2.4若电压控制器和电流控制器接收到故障监控单元发出的Fault信号，电压控制器封锁输出的PWM信号pwm₁₁～pwm₁₄，电流控制器封锁输出的PWM信号pwm₂₁～pwm₂₄，转第三步；若电压控制器和电流控制器都没有接收到Fault信号，电压控制器根据步骤2.3得到的Δ_{V_in}调制输出控制原边有源桥的PWM信号pwm₁₁～pwm₁₄，同时电流控制器根据步骤2.3得到的Δ_{I_out}向主电路的副边有源桥输出PWM信号pwm₂₁～pwm₂₄，具体方法如下：

步骤2.4.1电压控制器将每一个PWM周期T按顺序分为五个时间片，即T_1on、T_1short、T_off、T_2on、T_2short；其中T_1on和T_2on时间长度均等于T_on时间长度；T_1short和T_2short时间长度相等，均为T_short时间长度；T_off的时间长度为:T_off＝T-2×T_on-2×T_short；同时电流控制器根据Δ_{I_out}调整副边有源桥相对于原边有源桥的移相角度：若Δ_{I_out}为负，则增大的值，且保证小于90°电角度；若Δ_{I_out}为正，则减小的值，且保证大于零；

步骤2.4.2电压控制器依据Δ_{V_in}得出每个周期中的T_on、T_short、T_off的时间：若Δ_{V_in}为正且T_off不为零，则减小T_off增大T_on的时间，T_off的范围为0≤T_off≤T，保证T_on＝0.5×T-0.5×T_off，T_short＝0；若Δ_Vin为正且T_off已为零，则减小T_on增大T_short，T_short的范围为0≤T_short＜0.25×T，且保证T_on＝0.5×T-T_short，T_off＝0；若Δ_{V_in}为负且T_short不为零，则减小T_short增大T_on，T_short的范围为0≤T_short＜0.25×T，且保证T_on＝0.5×T-T_short，T_off＝0；若Δ_{V_in}为负且T_short已为零，则增大T_off的减小T_on，T_off的范围为0≤T_off≤T，保证T_on＝0.5×T-0.5×T_off，T_short＝0；

步骤2.4.3在T_1on、T_1short、T_off、T_2on、T_2short时间片，电压控制器输出PWM信号pwm₁₁～pwm₁₄，方法如下：在T_1on时间片，电压控制器输出pwm₁₁和pwm₁₄为导通信号，输出pwm₁₂和pwm₁₃为关断信号；在T_1short时间片，电压控制器输出pwm₁₁和pwm₁₂为导通信号，输出pwm₁₃和pwm₁₄为关断信号；在T_off时间片，电压控制器输出pwm₁₁～pwm₁₄均为关断信号；在T_2on时间片，电压控制器输出pwm₁₂和pwm₁₃为导通信号，输出pwm₁₁和pwm₁₄为关断信号；在T_2short时间片，电压控制器输出pwm₁₃和pwm₁₄为导通信号，输出pwm₁₁和pwm₁₂为关断信号；

步骤2.4.4将从PWM周期T的时间点开始的长度等于T的一段时间按顺序分为3个时间片，T_s1on、T_soff、T_s2on，T_s1on和T_s2on的时间长度均为步骤2.4得到的T_on，T_soff的时间长度为T_soff＝T-2×T_on；

步骤2.4.5电流控制器在PWM周期T的时间点开始依据T_on调制输出控制副边有源桥开关管动作的PWM信号pwm₂₁～pwm₂₄，方法如下：在T_s1on时间片，电流控制器输出副边有源桥开关管的控制信号pwm₂₁和pwm₂₄为导通信号，pwm₂₂和pwm₂₃为关断信号；接着，在T_soff时间片，电流控制器输出副边有源桥开关管的控制信号pwm₂₁、pwm₂₂、pwm₂₃、pwm₂₄为关断信号；最后，在T_s2on时间片，电流控制器输出副边有源桥开关管的控制信号pwm₂₂和pwm₂₃为导通信号，pwm₂₁和pwm₂₄为关断信号；

步骤2.5若接收到故障监控单元发出的Fault信号，电流控制器和电压控制封锁PWM信号pwm₁₁～pwm₁₄、pwm₂₁～pwm₂₄，转第三步；若没有接收到Fault信号且控制单元接收到的外部指令输出功率P_{_ref}的符号发生改变即由正变为负或由负变为正，控制单元控制基于Z源的双向DC-DC变换器完成能量正反向流动切换，含有如下步骤：

步骤2.5.1电压控制器将T_short置为零，T_on保持不变，T_off的值改变为T_off＝T-2×T_on，按步骤2.4.3所述的方法电压控制器依次执行T_1on、T_1short、T_off、T_2on、T_2short时间片，输出控制原边有源桥开关管的PWM信号pwm₁₁～pwm₁₄；pwm₁₁～pwm₁₄控制主电路的原边有源桥的开关管动作；步骤2.5.2：电流控制器将移相角度置为零，按步骤2.4.5的方法依次执行T_s1on、T_soff、T_s2on时间片的控制副边有源桥开关管的PWM信号动作，输出副边有源桥的控制信号pwm₂₁～pwm₂₄；

步骤2.5.3执行完步骤2.5.2后，原边和副边的能量流动将变为零，此时进行能量的反向流动控制：将正向能量流动的输入变为反向能量流动的输出、正向能量流动的输出变为反向能量流动的输入、正向能量流动的输入Z源网络变为反向能量流动的输出Z源网络、正向能量流动的输出Z源网络变为反向能量流动的输入Z源网络，正向能量流动的原边有源桥变为反向能量流动的副边有源桥、正向能量流动的副边有源桥变为反向能量流动的原边有源桥，此时即完成能量的正向流动向反向流动的切换；能量由反向流动向正向流动切换方法相同；

步骤2.5.4转步骤2.2；

步骤2.6故障监控单元根据I_in、I_out和T_short判定输入侧和输出侧是否发生短路故障，若输入侧发生短路故障或输出侧发生短路故障则输出短路故障信号Fault至电压控制器、电流控制器；

第三步，结束。

2.如权利要求1所述的一种基于Z源的双向DC-DC变换器的控制方法，其特征在于所述k₁满足0.5≤k₁≤1.5。

3.如权利要求1所述的一种基于Z源的双向DC-DC变换器的控制方法，其特征在于步骤2.6故障监控单元判定输入侧和输出侧是否发生短路故障的方法是：若原边有源桥直流母线输入电流I_in的值大于等于基于Z源的双向DC-DC变换器的最大正常运行值且持续时间超过T_short，则故障监控单元判定输入侧发生短路故障；若副边有源桥直流母线输出电流I_out的值大于等于基于Z源的双向DC-DC变换器的最大正常运行值且持续时间超过T_short，则故障监控单元判定输出侧发生短路故障。

4.如权利要求1所述的一种基于Z源的双向DC-DC变换器的控制方法，其特征在于所述最大正常运行值是指不超过额定值2倍。