CN106961151A - 基于效率优化的两级式直流变换器的协调控制策略 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于效率优化的两级式直流变换器的协调控制策略，用于对需进行直流变换的场合中的两级式直流变换器的控制，该需进行直流变换场合设置有高压侧及低压侧，所述两级式直流变换器设有高压端及低压端，该两级式直流变换器可实现高压侧与低压侧间的电能转换，所述基于效率优化的两级式直流变换器的协调控制策略包含若干个步骤；所述基于效率优化的两级式直流变换器的协调控制策略能使所述直流变换场合内的前级与后级转换器协调工作。本发明的基于效率优化的两级式直流变换器协调控制策略根据需直流变换场合中的高压侧及低压侧的电压状态使其内部的前级升降压模块与后级隔离式升降压模块协调运行，减少进行电能转换时所造成的电能消耗。

Description

基于效率优化的两级式直流变换器的协调控制策略

技术领域

本发明涉及电能转换控制领域，尤指一种基于效率优化的两级式直流变换器的协调控制策略。

背景技术

在需要进行直流变换的场合下，例如并离网一体式的光伏发电系统，电能需要在高压侧和低压侧之间双向转换，例如光伏发电系统中的直流母线和蓄电池之间的电能转换。一般地，高压侧与低压侧之间连接有双向DC/DC转换器。由于受环境或内部因素的影响，高压侧或低压侧电压在小部分时间可能出现大幅波动，若设置电压调整范围能满足电压大幅波动的双向DC/DC转换器，则会因电压调整范围较大的双向DC/DC转换器的转换效率较低，造成较大电能转换消耗。若设置电压调整范围仅能满足电压正常波动的双向DC/DC转换器，则在高压侧或低压侧出现电压大幅波动时，双向DC/DC转换器将因无法提供相应的输出电压而不能投入工作。

发明内容

基于此，本发明提供一种能在高压侧出现电压波动时能正常提供电能转换同时能提高电能转换效率，减少转换损耗的一种基于效率优化的两级式直流变换器协调控制策略。

为了实现本发明的目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于效率优化的两级式直流变换器的协调控制策略，用于对需进行直流变换的场合中的两级式直流变换器的控制，该需进行直流变换的场合设置有高压侧及低压侧，该两级式直流变换器可实现高压侧与低压侧间的双向电能转换，所述高压侧上的电压为V_H，所述高压侧电压V_H的波动范围为[V_{H_min},V_{H_max}]，所述低压侧上的电压为V_L；所述两级式直流变换器包括前级升降压模块、后级隔离式升降压模块、计时器及中央处理单元；所述前级升降压模块的增益为G₁；所述前级升降压模块的初始化增益为G₁₀；所述后级隔离式升降压模块的增益为G₂；所述后级隔离式升降压模块的额定增益为G_2N；所述计时器的记录值为t；所述计时器的初始化值为t₀；所述计时器的一个比较值为t₁；所述计时器的变动值为△t；所述中央处理单元根据所述高压侧电压V_H的波动范围的下限V_{H_min}计算出高压侧电压常态峰值；所述基于效率优化的两级式直流变换器的协调控制策略包括如下步骤：

S10：令所述两级式直流变换器进行计时器记录值初始化，即将所述计时器的记录值t的值置为计时器的初始化值t₀，然后进入步骤S21；

S21：所述中央处理单元采样获得所述高压侧电压V_H，然后进入步骤S22；

S22：进行高压侧电位比较，即所述中央处理单元判断所述高压侧电压V_H是否小于所述高压侧电压常态峰值，并产生是或否的判断结果；

若所述高压侧电位比较的判断结果为是时，进入步骤S31；若所述高压侧电位比较的判断结果为否时，进入步骤S51；

S31：进行延时空转，即所述前级升降压模块及所述后级隔离式升降压模块按既有投切状态及增益大小运行、所述中央处理单元不进行采样或比较判断工作；所述延时空转持续一定时间后进入状态S32；

S32：进行计时器记录值t的判别，即所述中央处理单元判断所述计时器的记录值t是否大于计时器比较值t₁，并产生是或否的判断结果；

若所述计时器记录值判别的判断结果为是时，进入步骤S41；若所述计时器记录值判别的判断结果为否时，进入步骤S21；

S41：进行前级常闭调整并延时，即判断所述前级升降压模块是否在进行电压调整，若判断结果为是，则令所述前级升降压模块停止电压调整；若判断结果为否，则令所述前级升降压模块保持停止电压调整状态；所述前级常闭调整完成后，所述后级隔离式升降压模块按既有增益大小持续工作一段时间，然后进入步骤S42；

S42：进行高压侧电压采样，即所述中央处理单元采样获得所述高压侧电压V_H，然后进入步骤S43；

S43：进行高压侧电位比较，即所述中央处理单元判断所述高压侧电压V_H是否小于所述高压侧电压常态峰值，并产生是或否的判断结果；

若所述高压侧电位比较的判断结果为是时，进入步骤S41；若所述高压侧电位比较的判断结果为否时，进入步骤S10；

S51：进行低压侧电压采样，即所述中央处理单元采样获得所述低压侧电压V_L，然后进入步骤S52；

S52：进行前级常开调整；在所述前级常开调整中，判断所述前级升降压模块是否在进行电压调整，若判断结果为是，则令所述前级升降压模块以既有增益G₁继续进行电压调整；若判断结果为否，则令所述前级升降压模块以初始化增益G₁₀开始进行电压调整；步骤S52结束后进行步骤S53；

S53：依次进行后级高效范围计算、后级需求增益计算及后级增益容许范围判别；

所述后级高效范围计算，即所述中央处理单元计算出所述后级隔离式升降压模块的高效运行增益范围；

在所述后级需求增益计算中，所述中央处理单元计算出所述后级隔离式升降压模块的需求增益G_d；

在所述后级增益容许范围判别中，判断所述后级隔离式升降压模块的需求增益G_d是否处于所述后级隔离式升降压模块的高效运行增益范围内；若判断结果为是，进入步骤S10；若判断结果为否，进入步骤S61；

S61：进行后级增益偏向判别，即判断所述后级隔离式升降压模块的需求增益G_d的增益是否大于所述后级隔离式升降压模块的高效运行增益范围的上限，并产生是或否的判断结果；若判断结果为是，进入步骤S62；若判断结果为否，进入步骤S63；

S62：增大所述前级升降压模块的增益G₁然后进入步骤S10；

S63：减少所述前级升降压模块的增益G₁然后进入步骤S10。

本发明的基于效率优化的两级式直流变换器协调控制策略根据需直流变换场合中的高压侧及低压侧的电压状态使其内部的前级升降压模块与后级隔离式升降压模块协调运行，减少进行电能转换时所造成的电能消耗。

在其中一个实施例中，△V为电压变动窗口值，△V小于|V_{H_max}-V_{H_min}|；所述高压侧电压常态峰值为(V_{H_min}+△V)。

在其中一个实施例中，步骤S31的所述延时空转的持续时间与所述计时器的变动值△t一致；所述延时空转结束后，所述计时器的记录值t增加△t。

在其中一个实施例中，ε为后级隔离式升降压模块的运行增益允许偏离量；步骤S53中所述中央处理单元根据所述后级隔离式升降压模块的额定增益G_2N及所述后级隔离式升降压模块的运行增益偏离量ε计算出所述后级隔离式升降压模块的高效运行增益范围。

在其中一个实施例中，所述后级隔离式升降压模块的高效运行增益范围为(G_2N-ε,G_2N+ε)。

在其中一个实施例中，步骤S53中所述中央处理单元根据所述高压侧电压V_H、低电压侧电压V_L及所述前级升降压模块的增益G₁计算出所述后级隔离式升降压模块的需求增益G_d。

在其中一个实施例中，所述后级隔离式升降压模块的需求增益G_d为V_H/(G₁*V_L)。

附图说明

图1为两级式直流变换器的内部结构图；

图2为基于效率优化的两级式直流变换器协调控制策略的流程图；

图3为一种应用两级式直流变换器及其协调控制策略的光伏发电系统的结构图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

请参阅图1，为本发明所涉及的两级式直流变换器10，用于对需进行直流变换的场合中的两级式直流变换器的控制，，该需进行直流变换的场合设置有高压侧及低压侧，其中两级式直流变换器10可实现高压侧与低压侧间的双向电能转换，所述高压侧上的电压为V_H，所述高压侧电压V_H的波动范围为[V_{H_min},V_{H_max}]，所述低压侧上的电压为V_L,所述低压侧电压V_L的波动范围为[V_{L_min},V_{L_max}]；所述两级式直流变换器10设有高压端及低压端，所述两级式直流变换器10的高压端与所述直流变换场合中的高压侧连接，所述两级式直流变换器10的低压端与所述直流变换场合中的低压侧连接；所述两级式直流变换器10包括前级升降压模块11、后级隔离式升降压模块12、计时器13及中央处理单元14，所述前级升降压模块11设有第一连接端及第二连接端；所述前级升降压模块11的增益为G₁；所述前级升降压模块11的初始化增益为G₁₀；所述后级隔离式升降压模块12的增益为G₂；所述后级隔离式升降压模块12的额定增益为G_2N；ε为后级隔离式升降压模块的运行增益允许偏离量；所述后级隔离式升降压模块12设有第一转换端及第二转换端；所述前级升降压模块11的第一连接端作为所述两级式直流变换器10的高压端；所述前级升降压模块11的第一连接端与所述高压侧连接；所述后级隔离式升降压模块12的第二转换端作为所述两级式直流变换器10的低压端；所述后级隔离式升降压模块12的第二转换端与所述直流变换场合中的低压侧连接；所述前级升降压模块11的第二连接端与所述后级隔离式升降压模块12的第一转换端连接；所述计时器13的记录值为t；所述计时器13的初始化值为t₀；所述计时器13的一个比较值为t₁；所述计时器13的一个变动值为△t。

本控制策略中根据所述高压侧的电压的变化周期设有电压变动窗口值△V，所述电压变动窗口值△V小于|V_{H_max}-V_{H_min}|，所述高压侧电压V_H部分时间维持在V_{H_min}附近，即维持在[V_{H_min},V_{H_min}+△V]范围内，部分时间在[V_{H_min},V_{H_max}]范围内波动。

所述中央处理单元14根据所述高压侧电压V_H的波动范围的下限V_{H_min}及电压变动窗口值△V计算出高压侧电压常态峰值；在其中一种实施方式中，所述高压侧电压常态峰值为(V_{H_min}+△V)。

请参阅图2，为基于效率优化的两级式直流变换器协调控制策略的流程；所述基于效率优化的两级式直流变换器协调控制策略包括以下步骤：

S10：令所述两级式直流变换器10进行计时器记录值初始化，即将所述计时器13的记录值t的值置为计时器的初始化值t₀，然后进入步骤S21。

S21：所述中央处理单元14采样获得所述高压侧电压V_H，然后进入步骤S22。

S22：进行高压侧电位比较，即所述中央处理单元14判断所述高压侧电压V_H是否小于所述高压侧电压常态峰值，并产生是或否的判断结果；

若所述高压侧电位比较的判断结果为是时，进入步骤S31；若所述高压侧电位比较的判断结果为否时，进入步骤S51。

S31：进行延时空转，即所述前级升降压模块11及所述后级隔离式升降压模块12按既有投切状态及增益大小运行、所述中央处理单元14不进行采样或比较判断工作；所述延时空转的持续时间与所述计时器13的变动值△t一致；所述延时空转结束后，所述计时器13的记录值t增加△t。

S32：进行计时器记录值t的判别，即所述中央处理单元14判断所述计时器13的记录值t是否大于计时器比较值t₁，并产生是或否的判断结果；

若所述计时器记录值判别的判断结果为是时，进入步骤S41；若所述计时器记录值判别的判断结果为否时，进入步骤S21。

S41：进行前级常闭调整并延时，即判断所述前级升降压模块11是否在进行电压调整，若判断结果为是，则令所述前级升降压模块11停止电压调整；若判断结果为否，则令所述前级升降压模块11保持停止电压调整的状态；所述前级常闭调整完成后，所述后级隔离式升降压模块按既有增益大小持续工作一段时间，然后进入步骤S42。

S42：进行高压侧电压采样，即所述中央处理单元14采样获得所述高压侧电压V_H，然后进入步骤S43。

S43：进行高压侧电位比较，即所述中央处理单元14判断所述高压侧电压V_H是否小于所述高压侧电压常态峰值，并产生是或否的判断结果；

若所述高压侧电位比较的判断结果为是时，进入步骤S41；若所述高压侧电位比较的判断结果为否时，进入步骤S10。

S51：进行低压侧电压采样，即所述中央处理单元14采样获得所述低压侧电压V_L，然后进入步骤S52。

S52：进行前级常开调整；在所述前级常开调整中，判断所述前级升降压模块11是否在进行电压调整，若判断结果为是，则令所述前级升降压模块11以既有增益G₁继续进行电压调整；若判断结果为否，则令所述前级升降压模块11以初始化增益G₁₀开始进行电压调整；步骤S52结束后进行步骤S53。

S53：依次进行后级高效范围计算、后级需求增益计算及后级增益容许范围判别；

在所述后级高效范围计算，即所述中央处理单元14根据所述后级隔离式升降压模块12的额定增益G_2N及所述后级隔离式升降压模块的运行增益偏离量ε计算出所述后级隔离式升降压模块12的高效运行增益范围；在其中一种实施方式中，所述后级隔离式升降压模块12的高效运行增益范围为(G_2N-ε,G_2N+ε)；

在所述后级需求增益计算中，所述中央处理单元14根据所述高压侧电压V_H、低电压侧电压V_L及所述前级升降压模块11的增益G₁计算出所述后级隔离式升降压模块12的需求增益G_d；在其中一种实施方式中，所述后级隔离式升降压模块12的需求增益G_d为V_H/(G₁*V_L)；

在所述后级增益容许范围判别中，判断所述后级隔离式升降压模块12的需求增益G_d是否处于所述后级隔离式升降压模块12的高效运行增益范围内；若判断结果为是，进入步骤S10；若判断结果为否，进入步骤S61。

S61：进行后级增益偏向判别；在后级增益偏向判别中，判断所述后级隔离式升降压模块12的需求增益G_d的增益是否大于所述后级隔离式升降压模块12的高效运行增益范围的上限，并产生是或否的判断结果；若判断结果为是，进入步骤S62；若判断结果为否，进入步骤S63。

S62：增大所述前级升降压模块10的增益G₁然后进入步骤S10。

S63：减少所述前级升降压模块10的增益G₁然后进入步骤S10。

所述后级隔离式升降压模块12带有电气隔离功能，因此在所述两级式直流变换器10的各种工作状态下，均可实现所述低压侧与所述高压侧间的电气隔离。

在所述高压侧的电压平稳在[V_{H_min},V_{H_min}+△V]范围内时，所述后级隔离式升降压模块12在其高效运行增益范围(G_2N-ε,G_2N+ε)内能满足所述高压侧电压V_H与所述低压侧电压V_L间的转换，通过令所述前级升降压模块11停止电压转换，避免了多级转换产生多余的电能消耗。

在所述高压侧电压V_H在[V_{H_min},V_{H_max}]范围内波动时，若单独运行所述后级隔离式升降压模块12，所述后级隔离式升降压模块12在高效运行增益范围(G_2N-ε,G_2N+ε)内无法满足所述高压侧电压V_H与所述低压侧电压V_L间的转换时，通过令所述前级升降压模块11投入运行，进行电压调整，可使所述后级隔离式升降压模块12继续在所述高效运行增益范围(G_2N-ε,G_2N+ε)内进行电能转换，避免因所述后级隔离式升降压模块12因增益G₂偏离额定增益G_2N而导致内部开关频率偏离，使所述后级隔离式升降压模块12的电能转换损耗维持在合理范围，同时能兼容所述高压侧的电压V_H的波动。

所述两级式直流变换器10在进入所述单级运行状态调整过程S30前，所述高压侧电压V_H需平稳在[V_{H_min},V_{H_min}+△V]范围内一定时间，可避免所述前级升降压模块11在运行与停止运行两个状态间频繁切换。

请参阅图3，为一种应用基于效率优化的两级式直流变换器协调控制策略的光伏发电系统，该光伏发电系统包括光伏阵列、连接所述光伏阵列的光伏升压模块、连接所述光伏升压模块的直流母线、连接所述直流母线的两级直流变换器、连接所述两级直流变换器的蓄电池、连接所述直流母线的逆变器、连接所逆变器的负载及电网；在所述光伏发电系统中，所述高压母线作为高压侧，所述蓄电池作为低压侧；在所述光伏发电系统中，由于所述光伏阵列受光照及温度影响，所述光伏阵列不能产生完全恒定的电压，致使所述直流母线上的电压在部分时间将产生较大波动；所述光伏发电系统中的两级直流变换器根据所述直流母线上的电压调整自身的工作状态，以减少进行电能转换时所产生的损耗。

本发明的基于效率优化的两级式直流变换器协调控制策略根据需直流变换场合中的高压侧及低压侧的电压状态使其内部的前级升降压模块与后级隔离式升降压模块协调运行，减少进行电能转换时所造成的电能消耗。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种基于效率优化的两级式直流变换器的协调控制策略，用于对需进行直流变换的场合中的两级式直流变换器的控制，该需进行直流变换的场合设置有高压侧及低压侧，该两级式直流变换器可实现高压侧与低压侧间的双向电能转换，所述高压侧上的电压为V_H，所述高压侧电压V_H的波动范围为[V_{H_min},V_{H_max}]，所述低压侧上的电压为V_L；所述两级式直流变换器包括前级升降压模块、后级隔离式升降压模块、计时器及中央处理单元；所述前级升降压模块的增益为G₁；所述前级升降压模块的初始化增益为G₁₀；所述后级隔离式升降压模块的增益为G₂；所述后级隔离式升降压模块的额定增益为G_2N；所述计时器的记录值为t；所述计时器的初始化值为t₀；所述计时器的一个比较值为t₁；所述计时器的变动值为△t；所述中央处理单元根据所述高压侧电压V_H的波动范围的下限V_{H_min}计算出高压侧电压常态峰值；所述基于效率优化的两级式直流变换器的协调控制策略包括如下步骤：

S10：令所述两级式直流变换器进行计时器记录值初始化，即将所述计时器的记录值t的值置为计时器的初始化值t₀，然后进入步骤S21；

S21：所述中央处理单元采样获得所述高压侧电压V_H，然后进入步骤S22；

S22：进行高压侧电位比较，即所述中央处理单元判断所述高压侧电压V_H是否小于所述高压侧电压常态峰值，并产生是或否的判断结果；

若所述高压侧电位比较的判断结果为是时，进入步骤S31；若所述高压侧电位比较的判断结果为否时，进入步骤S51；

S31：进行延时空转，即所述前级升降压模块及所述后级隔离式升降压模块按既有投切状态及增益大小运行、所述中央处理单元不进行采样或比较判断工作；所述延时空转持续一定时间后进入状态S32；

S32：进行计时器记录值t的判别，即所述中央处理单元判断所述计时器的记录值t是否大于计时器比较值t₁，并产生是或否的判断结果；

若所述计时器记录值判别的判断结果为是时，进入步骤S41；若所述计时器记录值判别的判断结果为否时，进入步骤S21；

S41：进行前级常闭调整并延时，即判断所述前级升降压模块是否在进行电压调整，若判断结果为是，则令所述前级升降压模块停止电压调整；若判断结果为否，则令所述前级升降压模块保持停止电压调整状态；所述前级常闭调整完成后，所述后级隔离式升降压模块按既有增益大小持续工作一段时间，然后进入步骤S42；

S42：进行高压侧电压采样，即所述中央处理单元采样获得所述高压侧电压V_H，然后进入步骤S43；

S43：进行高压侧电位比较，即所述中央处理单元判断所述高压侧电压V_H是否小于所述高压侧电压常态峰值，并产生是或否的判断结果；

若所述高压侧电位比较的判断结果为是时，进入步骤S41；若所述高压侧电位比较的判断结果为否时，进入步骤S10；

S51：进行低压侧电压采样，即所述中央处理单元采样获得所述低压侧电压V_L，然后进入步骤S52；

S52：进行前级常开调整；在所述前级常开调整中，判断所述前级升降压模块是否在进行电压调整，若判断结果为是，则令所述前级升降压模块以既有增益G₁继续进行电压调整；若判断结果为否，则令所述前级升降压模块以初始化增益G₁₀开始进行电压调整；步骤S52结束后进行步骤S53；

S53：依次进行后级高效范围计算、后级需求增益计算及后级增益容许范围判别；

所述后级高效范围计算，即所述中央处理单元计算出所述后级隔离式升降压模块的高效运行增益范围；

在所述后级需求增益计算中，所述中央处理单元计算出所述后级隔离式升降压模块的需求增益G_d；

在所述后级增益容许范围判别中，判断所述后级隔离式升降压模块的需求增益G_d是否处于所述后级隔离式升降压模块的高效运行增益范围内；若判断结果为是，进入步骤S10；若判断结果为否，进入步骤S61；

S61：进行后级增益偏向判别，即判断所述后级隔离式升降压模块的需求增益G_d的增益是否大于所述后级隔离式升降压模块的高效运行增益范围的上限，并产生是或否的判断结果；若判断结果为是，进入步骤S62；若判断结果为否，进入步骤S63；

S62：增大所述前级升降压模块的增益G₁然后进入步骤S10；

S63：减少所述前级升降压模块的增益G₁然后进入步骤S10。

2.根据权利要求1所述的基于效率优化的两级式直流变换器的协调控制策略，其特征在于，△V为电压变动窗口值，△V小于|V_{H_max}-V_{H_min}|；所述高压侧电压常态峰值为(V_{H_min}+△V)。

3.根据权利要求1所述的基于效率优化的两级式直流变换器的协调控制策略，其特征在于，步骤S31的所述延时空转的持续时间与所述计时器的变动值△t一致；所述延时空转结束后，所述计时器的记录值t增加△t。

4.根据权利要求1所述的基于效率优化的两级式直流变换器的协调控制策略，其特征在于，ε为后级隔离式升降压模块的运行增益允许偏离量；步骤S53中所述中央处理单元根据所述后级隔离式升降压模块的额定增益G_2N及所述后级隔离式升降压模块的运行增益偏离量ε计算出所述后级隔离式升降压模块的高效运行增益范围。

5.根据权利要求4所述的基于效率优化的两级式直流变换器的协调控制策略，其特征在于，所述后级隔离式升降压模块的高效运行增益范围为(G_2N-ε,G_2N+ε)。

6.根据权利要求1所述的基于效率优化的两级式直流变换器的协调控制策略，其特征在于，步骤S53中所述中央处理单元根据所述高压侧电压V_H、低电压侧电压V_L及所述前级升降压模块的增益G₁计算出所述后级隔离式升降压模块的需求增益G_d。

7.根据权利要求6所述的基于效率优化的两级式直流变换器的协调控制策略，其特征在于，所述后级隔离式升降压模块的需求增益G_d为V_H/(G₁*V_L)。