CN108400713A - 电力电子牵引变压器中dc-dc变换器的优化功率平衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电力电子牵引变压器中DC‑DC变换器的优化功率平衡方法，根据输出并联双有源全桥DC‑DC变换器建立其在扩展相移控制下的传输功率模型以及电流应力模型，结合拉格朗日乘子法推导了其在电流应力优化控制方法下的内相移量与外相移量；进一步地，为了提高变换器的动态特性，借鉴于直接功率控制的思想，对变换器的实际传输功率进行推导和求解，对变换器的传输功率损耗进行补偿，得到最终的优化相移控制量。本发明不仅可以实现各个模块的传输功率均衡，同时对于变换器负载电阻以及输入电压的突变能够迅速响应；具有动态响应快、效率高、控制过程简单且易于数字实现等优点，具有较强的实用性。

Description

电力电子牵引变压器中DC-DC变换器的优化功率平衡方法

技术领域

本发明涉及电力电子的技术领域，具体为电力电子牵引变压器中DC-DC变换器的优化功率平衡方法。

背景技术

高速铁路作为一种经济、便捷、环保的公共交通方式，在促进城市经济发展、改善环境污染以及提高人民生活水平方面均起着重要作用。新一代高速铁路的发展趋向于高效率、低噪声以及轻量化等等，然而体积和质量庞大的工频变压器成为减小列车能量耗散、增加列车功率密度的主要障碍之一。因此，具有节能环保以及功率密度高等优点的电力电子牵引变压器被视为下一代高速列车的核心装备。

目前，广泛采用的电力电子牵引变压器拓扑包括单相级联H桥整流器、输出并联的双有源全桥DC-DC变换器以及三相牵引逆变器。然而在实际应用中，由于变换器电路参数不匹配而导致的传输功率不平衡问题无法避免。不平衡的传输功率将进一步使得变换器的电压/电流变化率增加、系统振荡甚至开关器件的损坏。因此，针对输出并联的双有源全桥DC-DC变换器，实现各个模块的传输功率均衡十分重要。此外，针对电力电子牵引变压器列车牵引传动系统，在单相级联H桥整流器的直流侧(即DC-DC变换器的输入端)中总是会存在二倍频的电压纹波，这将会进一步导致牵引电机的拍频现象。因此，进一步提高电力电子牵引变压器中输出并联双有源全桥DC-DC变换器动态响应以面对输入电压的波动十分重要。同时，在现有的电力电子牵引变压器控制算法中，单相移控制被广泛使用，这无疑会增大变换器的电感电流应力、降低变换器的效率。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种能够提高变换器的效率和动态特性、同时能够解决变换器各个模块传输功率均衡等问题的用于电力电子牵引变压器中DC-DC变换器的优化功率平衡方法。技术方案如下：

一种电力电子牵引变压器中DC-DC变换器的优化功率平衡方法，包括：

S1：根据电力电子牵引变压器中输出并联双有源全桥DC-DC变换器在扩展相移控制下的电压与电流关系，推导第i个双有源全桥DC-DC变换器的传输功率以及电流应力表达式：

其中，P_i表示第i个双有源全桥DC-DC变换器的传输功率；I_pi表示第i个双有源全桥DC-DC变换器的电流应力；U_dci表示第i个双有源全桥DC-DC变换器的输入电压；U_o为输出电压；f为开关频率；L_i为第i个双有源全桥DC-DC变换器的辅助电感；n为中-高频变压器的变比；D_i1、D_i2分别为第i个双有源全桥DC-DC变换器在扩展相移控制下的内相移量和外相移量；k_i表示第i个双有源全桥DC-DC变换器的电压转换比；

S2：结合拉格朗日函数与第i个双有源全桥DC-DC变换器的传输功率以及电流应力模型，计算得到第i个双有源全桥DC-DC变换器在基于扩展相移控制的电流应力优化算法下的优化控制相移量D_i1和D_i2之间的关系：

其中，p_i表示第i个双有源全桥DC-DC变换器的传输功率标幺值；

S3：结合变换器在扩展相移控制下的功率模型，计算得到优化控制相移量D_i1和D_i2：

S4：考虑到变换器的损耗，其实际传输功率与输出功率并不相等，结合直接功率控制的思想，将第i个双有源全桥DC-DC变换器的实际传输功率标幺值表示为：

其中，U_o ^*为变换器的输出电压参考值；i_o为变换器的输出电流；N表示电力电子牵引变压器中输出并联双有源全桥DC-DC变换器的模块数；U_d为变换器的动态电压补偿分量，其为输出电压经过PI控制器之后的输出值。

进一步的，推导第i个双有源全桥DC-DC变换器的传输功率以及电流应力表达式的方法包括：

根据电力电子牵引变压器中输出并联双有源全桥DC-DC变换器在扩展相移控制下的H桥交流输出电压与电感电流关系，第i个双有源全桥DC-DC变换器的传输功率P_i以及电流应力I_pi表示为：

其中，i_Li(t)表示第i个双有源全桥DC-DC变换器的电感电流；U_abi表示第i个双有源全桥DC-DC变换器原边侧H桥的交流输出电压；T_s为开关周期。

更进一步的，获取第i个双有源全桥DC-DC变换器在基于扩展相移控制电流应力优化算法下的内相移量与外相移量间关系的方法为：

S21：对第i个双有源全桥DC-DC变换器的传输功率以及电流应力进行标幺化处理，定义第i个双有源全桥DC-DC变换器的传输功率和电流应力额定值为：

S22：推到得第i个双有源全桥DC-DC变换器的传输功率以及电流应力标幺值为：

S23：构建拉格朗日函数，定义拉格朗日函数为：

其中，E_i表示第i个拉格朗日函数；λ_i为第i个拉格朗日乘子；p_i ^*为第i个双有源全桥DC-DC变换器的输出功率给定值；i_pi为第i个双有源全桥DC-DC变换器的电流应力标幺值；

S24：对拉格朗日函数进行求导得：

S25：消去拉格朗日函数中的λ_i，得到得外相移量D_i2与内相移量D_i1之间的关系式。

更进一步的，获取所述第i个双有源全桥DC-DC变换器的实际传输功率标幺值的方法为：

为了补偿变换器的传输功率损耗，第i个双有源全桥DC-DC变换器的实际传输功率P^*表示为动态电压分量U_d与输出电流参考值i_o ^*的乘积：

同时，第i个双有源全桥DC-DC变换器的额定传输功率定义为：

则第i个双有源全桥DC-DC变换器的实际传输功率标幺值表示为：

本发明的有益效果是：本发明针对电力电子牵引变压器中的输出并联双有源全桥DC-DC变换器建立了其在扩展相移控制下的传输功率模型以及电流应力模型，结合拉格朗日乘子法推导了其在电流应力优化控制方法下的内相移量与外相移量；进一步地，为了提高变换器的动态特性，借鉴于直接功率控制的思想，对变换器的实际传输功率进行推导和求解，对变换器的传输功率损耗进行补偿，得到最终的优化相移控制量；本发明提出的优化功率控制和平衡方法，不仅可以实现各个模块的传输功率均衡，同时对于变换器负载电阻以及输入电压的突变能够迅速响应；具有动态响应快、效率高、控制过程简单且易于数字实现等优点，具有较强的实用性。

附图说明

图1为电力电子牵引变压器的电力牵引传动系统结构图。

图2为输出并联双有源全桥DC-DC变换器拓扑结构图。

图3为双有源全桥DC-DC变换器在扩展相移控制方法(0≤D_i1≤D_i2≤1)下变压器两侧的电压与电感电流波形示意图。

图4为双有源全桥DC-DC变换器在扩展相移控制方法(0≤D_i2≤D_i1≤1)下变压器两侧的电压与电感电流波形示意图。

图5为输出并联双有源全桥DC-DC变换器在优化功率控制与平衡方法下的控制框图。

图6为输出并联双有源全桥DC-DC变换器由传统扩展相移控制算法切换到优化功率控制与平衡算法时变换器各个模块的输出电流实验波形图。

图7为输出并联双有源全桥DC-DC变换器在传统扩展相移控制算法下负载切换时的电压电流波形图。

图8为输出并联双有源全桥DC-DC变换器在优化功率控制与平衡算法下负载切换时的电压电流波形图。

图9为输出并联双有源全桥DC-DC变换器在传统扩展相移控制算法下输入电压切换时的电压电流实验波形图。

图10为输出并联双有源全桥DC-DC变换器在优化功率控制与平衡算法下输入电压切换时的电压电流实验波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。本实施例根据图2所示的输出并联双有源全桥DC-DC变换器的拓扑结构图，对用于电力电子牵引变压器中输出并联双有源全桥DC-DC变换器的优化功率平衡方法进行详细描述。

首先，根据电力电子牵引变压器中输出并联双有源全桥DC-DC变换器在扩展相移控制下的电压与电流关系，推导第i个双有源全桥DC-DC变换器的传输功率以及电流应力表达式。

结合图2～图4，当第i个双有源全桥DC-DC变换器在扩展相移控制下，相移量满足0≤D_i1≤D_i2≤1关系时，根据变换器在扩展相移控制下的电压电流波形图，求解出变换器电感电流在各个时刻下的值：

其中，i_Li表示第i个双有源全桥DC-DC变换器的电感电流值；U_o为输出电压；f为开关频率；L_i为第i个模块的辅助电感；n为中-高频变压器的变比；k_i表示第i个变换器的电压转换比；D_i1、D_i2分别为第i个变换器在扩展相移控制下的内相移量和外相移量。

同理，当变换器的相移量满足0≤D_i2≤D_i1≤1关系时，根据变换器在扩展相移控制下的电压电流波形图，变换器电感电流在各个时刻下的值可以表示为：

同时，变换器的传输功率和电感电流应力可以表示为：

其中，P_i表示第i个双有源全桥DC-DC变换器的传输功率；I_pi表示第i个模块的电流应力；U_abi表示第i个变换器原边侧H桥的交流输出电压；T_s为开关周期；

结合式(1)～(3)，第i个双有源全桥DC-DC变换器的传输功率以及电流应力表达式：

为了简化分析与计算，对第i个双有源全桥DC-DC变换器的传输功率以及电流应力进行标幺化处理，定义第i个模块的传输功率和电流应力额定值为：

进而推到得第i个双有源全桥DC-DC变换器的传输功率以及电流应力标幺值为：

为了求解出使得变换器的电流应力最小的相移量，构建拉格朗日函数，

定义拉格朗日函数为：

其中，E_i表示第i个拉格朗日函数；λ_i为第i个拉格朗日乘子；p_i为第i个变换器的输出功率；p_i ^*为第i个变换器的输出功率给定值；i_pi为第i个变换器的电流应力标幺值。

将式(6)代入式(7)中，并对拉格朗日函数进行求导得：

将式(7)中的λ_i消去，得外相移量D_i2与内相移量D_i1之间的关系式：

结合式(6)和式(9)，得到第i个变换器在基于扩展相移控制的电流应力优化算法下的优化控制相移量D_i1和D_i2：

在实际应用中，由于变换器的功率损耗，其输出功率与实际传输功率并不相等。为了补偿变换器的传输功率损耗，定义输出电压动态分量U_d，则第i个变换器实际传输功率可以表示为，

其中，U_d表示输出电压动态分量，其为输出电压经过PI控制器后的输出值；i_o ^*表示输出电流参考值。

进一步地，输出电流参考值i_o ^*可以表示为，

则第i个变换器实际传输功率可以表示为，

对于输出并联的双有源全桥DC-DC变换器，为了实现各个模块的传输功率平衡，其输出电流应满足，

其中，i_oi表示第i个变换器的输出电流；N表示变换器的模块数。

结合式(5)、式(13)和式(14)，第i个双有源全桥DC-DC变换器的实际传输功率标幺值可以表示为，

参考图4，通过对各个双有源全桥DC-DC变换器的输入电压、变换器的输出电压以及输出电流进行实时采样，结合拉格朗日乘子法与变换器在扩展相移控制下的功率模型推导出使得变换器电流应力最小的相移量；借鉴于功率控制的思想，对各个变换器的实际传输功率进行推导和求解，得到优化相移量。

参考图6可知，在传统扩展相移控制算法中，由于各个变换器的辅助电感参数不一致导致各个变换器的输出电流不相等，即传输功率不平衡；而在本发明中的控制策略下，各个模块的传输功率始终相等。

参考图7和图8可知，当负载电阻突变时，在传统扩展相移控制算法中，输出电压恢复到稳定状态需要301ms，而在本发明中的控制策略下，负载电压始终保持稳定，其动态响应迅速。

参考图9和图10可知，当输入电压突变时，在传统扩展相移控制算法中，输入电压到稳定状态需要400ms，而在本发明中的控制策略下，变换器的输出电压迅速响应，始终保持稳定。

本发明的优化功率控制与平衡方法，对于电力电子牵引变压器中输出并联双有源全桥DC-DC变换器的负载电阻以及输入电压突变时能够迅速响应，同时可以实现各个变换器模块的传输功率均衡，具有动态响应快、效率高、控制过程简单且易于数字实现等优点，具有很强的实用性。

Claims (4)

1.一种电力电子牵引变压器中DC-DC变换器的优化功率平衡方法，其特征在于，包括：

S1：根据电力电子牵引变压器中输出并联双有源全桥DC-DC变换器在扩展相移控制下的电压与电流关系，推导第i个双有源全桥DC-DC变换器的传输功率以及电流应力表达式：

其中，P_i表示第i个双有源全桥DC-DC变换器的传输功率；I_pi表示第i个双有源全桥DC-DC变换器的电流应力；U_dci表示第i个双有源全桥DC-DC变换器的输入电压；U_o为输出电压；f为开关频率；L_i为第i个双有源全桥DC-DC变换器的辅助电感；n为中-高频变压器的变比；D_i1、D_i2分别为第i个双有源全桥DC-DC变换器在扩展相移控制下的内相移量和外相移量；k_i表示第i个双有源全桥DC-DC变换器的电压转换比；

S2：结合拉格朗日函数与第i个双有源全桥DC-DC变换器的传输功率以及电流应力模型，计算得到第i个双有源全桥DC-DC变换器在基于扩展相移控制的电流应力优化算法下的优化控制相移量D_i1和D_i2之间的关系：

其中，p_i表示第i个双有源全桥DC-DC变换器的传输功率标幺值；

S3：结合变换器在扩展相移控制下的功率模型，计算得到优化控制相移量D_i1和D_i2：

S4：考虑到变换器的损耗，其实际传输功率与输出功率并不相等，结合直接功率控制的思想，将第i个双有源全桥DC-DC变换器的实际传输功率标幺值表示为：

其中，U_o ^*为变换器的输出电压参考值；i_o为变换器的输出电流；N表示电力电子牵引变压器中输出并联双有源全桥DC-DC变换器的模块数；U_d为变换器的动态电压补偿分量，其为输出电压经过PI控制器之后的输出值。

2.根据权利要求1所述的用于电力电子牵引变压器中DC-DC变换器的优化功率平衡方法，其特征在于，推导第i个双有源全桥DC-DC变换器的传输功率以及电流应力表达式的方法包括：

根据电力电子牵引变压器中输出并联双有源全桥DC-DC变换器在扩展相移控制下的H桥交流输出电压与电感电流关系，第i个双有源全桥DC-DC变换器的传输功率P_i以及电流应力表示为：

其中，i_Li(t)表示第i个双有源全桥DC-DC变换器的电感电流；U_abi表示第i个双有源全桥DC-DC变换器原边侧H桥的交流输出电压；T_s为开关周期。

3.根据权利要求1所述的用于电力电子牵引变压器中DC-DC变换器的优化功率平衡方法，其特征在于：获取第i个双有源全桥DC-DC变换器在基于扩展相移控制电流应力优化算法下的内相移量与外相移量间关系的方法为：

S21：对第i个双有源全桥DC-DC变换器的传输功率以及电流应力进行标幺化处理，定义第i个双有源全桥DC-DC变换器的传输功率和电流应力额定值为：

S22：推到得第i个双有源全桥DC-DC变换器的传输功率以及电流应力标幺值为：

S23：构建拉格朗日函数，定义拉格朗日函数为：

其中，E_i表示第i个拉格朗日函数；λ_i为第i个拉格朗日乘子；p_i ^*为第i个双有源全桥DC-DC变换器的输出功率给定值；i_pi为第i个双有源全桥DC-DC变换器的电流应力标幺值；

S24：对拉格朗日函数进行求导得：

S25：消去拉格朗日函数中的λ_i，得到得外相移量D_i2与内相移量D_i1之间的关系式。

4.根据权利要求1所述的用于电力电子牵引变压器中DC-DC变换器的优化功率平衡方法，其特征在于，获取所述第i个双有源全桥DC-DC变换器的实际传输功率标幺值的方法为：

为了补偿变换器的传输功率损耗，第i个双有源全桥DC-DC变换器的实际传输功率P^*表示为动态电压分量U_d与输出电流参考值i_o ^*的乘积：

同时，第i个双有源全桥DC-DC变换器的额定传输功率定义为：

则第i个双有源全桥DC-DC变换器的实际传输功率标幺值表示为：