CN108631595A - 单移相调制的dab变换器的线性化控制方法 - Google Patents

单移相调制的dab变换器的线性化控制方法 Download PDF

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Abstract

一种单移相调制的DAB变换器的线性化控制方法，通过在数字PI控制器和DAB变换器之间增加一个线性化单元，抑制单移相调制的DAB变换器的非线性特性。该方法将DAB变换器系统近似整定为一个线性系统，防止负载突变或参考输入突变时引发的振荡，从而保证在不同负载和不同参考电压下DAB变换器的全局稳定性。该方法运算复杂度小、易于实现，能提升变换器系统的动态性能，增强变换器的抵抗扰动的能力。

Description

单移相调制的DAB变换器的线性化控制方法
技术领域
本发明涉及DC/DC高频隔离变换，特别是一种单移相调制的DAB变换器线性化控制方法。
背景技术
随着电力电子技术的发展，高频隔离功率转换技术将越来越多的应用到电网中，成为实现电网中快速灵活控制的重要手段。基于移相控制(Phase shift modulationscheme,PSMS)技术的双有源全桥变流器(Dual Active Bridge-Isolated BidirectionalDC/DC Converter，简称为DAB变换器)具有功率密度高、动态响应快、容易实现软开关、功率能双向流动等优点，在不间断电源、电动汽车、固态变压器等场合广受欢迎。常见的DAB变换器的控制方式为移相控制，在高频变压器的原边端口和副边端口产生具有相对相移的电压方波，通过改变两个电压方波的占空比和相对相移调节流经变换器的功率。根据控制变量的选择，常见的DAB变换器的调制方式有：单移相调制(Single phase shift modulation,SPSM)、双重移相调制(Dual phase shift modulation,DPSM)、扩展移相调制(Extendedphase shift modulation,EPSM)和三重移相调制(Triple phase shift modulation,TPSM)等。其中SPSM所需调节的控制量最少，实现简单，应用最为广泛。
然而对于DAB变换器而言，采用SPSM调制时，系统呈现出非线性特性。当变换器负载减轻或者参考电压降低时，变换器的稳定裕度会随之降低，从而使变换器的动态特性恶化，带来潜在的不稳定因素。为了增强DAB变换器的稳定性和其抵抗干扰的能力，需要抑制这种非线性因素的影响。而如何抑制DAB变换器的非线性，将其近似整定为一个线性系统，是提高DAB变换器动态性能的关键问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种单移相调制的DAB变换器线性化控制方法，该方法通过在数字PI控制器和DAB变换器之间增加一个线性化单元，抑制闭环系统的非线性特性，将DAB变换器近似整定为一个线性系统，提高了DAB变换器动态性能。
本发明的技术解决方案如下：
一种单移相调制的DAB变换器线性化控制方法，所述的DAB变换器由直流电压源、原边单相全桥、副边单相全桥、高频隔离变压器、高频电感和控制器组成，所述的原边单相全桥4个全控开关器，副边单相全桥四个全控开关器件；所述的原边单相全桥的直流母线的正极与对应的直流电压源的正极相连，原边单相全桥的直流母线的负极与对应的直流电压源的负极相连，原边单相全桥的交流侧通过高频电感与高频隔离变压器的原边相连；所述的副边单相全桥的直流母线的正极与对应直流负载的正极相连，副边单相全桥的直流母线的负极与对应的直流负载的负极相连，副边单相全桥的交流侧与高频隔离变压器的副边相连，所述的高频隔离变压器的变比为n:1；所述的原边单相全桥的开关器件的控制信号的输入端和副边单相全桥的开关器件的控制信号的输入端与所述的控制器对应的开关信号的输出端相连；其特点在于，该方法包括如下步骤：
1)所述的控制器由依次的采样单元、数字PI控制器、线性化单元和单移相调制单元构成；所述的单移相调制单元的各开关控制信号的输出端分别与所述的DAB变换器的原边全桥相应的开关器件与副边单相全桥的开关器件的控制端相连；
2)所述的采样单元采集所述的DAB变换器的输出电压Vout[n]，所述的PI控制器按照公式(1)计算输出f[n]并输入所述的线性化单元：
其中，Vref为DAB变换器的输出电压的参考值，kp为PI控制器的比例环节系数，ki为PI控制器的积分环节系数，参数的值预先设定，预设范围为0.1≤kp≤10，0.001≤ki≤1，控制器的输出f[n]设置的限幅为[0，0.5]；
3)所述的线性化单元按照公式(2)计算单移相控制下原边单相全桥和副边单相全桥之间的移相比d[n]：
4)所述的单移相调制单元按照所述的原、副边之间的移相比d[n]调制后产生所述的原边全桥内部各开关器件S1～S4的控制信号和副边全桥内部各开关器件Q1～Q4的控制信号：所述的原边全桥内部开关器件S1～S4的控制信号和副边全桥内部开关器件Q1～Q4的控制信号均为占空比为0.5的方波；开关器件S1和S4的控制信号相同，开关器件S2和S3的控制信号相同并与开关器件S1、S4控制信号互补；所述的开关器件Q1和Q4的控制信号相同，开关器件Q2和Q3的控制信号相同并与开关器件Q1、Q4控制信号互补；d[n]为S1控制信号与Q1控制信号之间的移相比；所述的控制信号输入所述的原边单相全桥各开关器件的控制端、副边单相全桥的各开关器件的控制端，完成控制过程。
与现有技术相比，本发明的特点如下：
1.通过在数字PI控制器和DAB变换器之间增加的线性化单元抑制采用单移相调制的DAB变换器的非线性，将其近似整定为一个线性系统。
2.本发明增强了DAB变换器的抵抗负载扰动和参考输入扰动的能力。
附图说明
图1是本发明DAB变换器的系统构成图。
图2是未采用本发明所述线性化控制方法时DAB变换器由于负载突减而产生振荡，其中(a)为DAB变换器电感电流波形及负载电流波形，(b)为DAB变换器输出电压波形。
图3是未采用本发明所述线性化控制方法时DAB变换器由于参考电压突减而产生振荡，其中(a)为DAB变换器输出电压波形及参考电压波形，(b)为DAB变换器电感电流波形。
图4是本发明所述控制方法抑制负载突变产生振荡的波形，其中(a)为DAB变换器电感电流波形及负载电流波形，(b)为DAB变换器输出电压波形。
图5是本发明所述控制方法抑制参考电压突变产生振荡的波形，其中(a)为DAB变换器输出电压波形及参考电压波形，(b)为DAB变换器电感电流波形。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，图1是本发明单移相调制的DAB变换器的线性化控制系统的构成图。由图可见，本发明所述的DAB变换器由直流电压源、原边单相全桥H1、副边单相全桥H2、高频隔离变压器、高频电感L和控制器组成，所述的原边单相全桥H14个全控开关器件S1～S4，副边单相全桥H2四个全控开关器件Q1～Q4；所述的原边单相全桥的直流母线的正极与对应的直流电压源的正极相连，原边单相全桥的直流母线的负极与对应的直流电压源的负极相连，原边单相全桥的交流侧通过高频电感)与高频隔离变压器的原边相连；所述的副边单相全桥的直流母线的正极与对应直流负载的正极相连，副边单相全桥的直流母线的负极与对应的直流负载的负极相连，副边单相全桥的交流侧与高频隔离变压器的副边相连，所述的高频隔离变压器的变比为n:1；所述的原边单相全桥的开关器件S1～S4的控制信号的输入端和副边单相全桥的开关器件Q1～Q4的控制信号的输入端与所述的控制器对应的开关信号的输出端相连；
本发明单移相调制的DAB变换器线性化控制方法，包括如下步骤：
1)所述的控制器由依次的采样单元、数字PI控制器、线性化单元和单移相调制单元构成；所述的单移相调制单元的各开关控制信号的输出端分别与所述的DAB变换器的原边全桥相应的开关器件(S1～S4)与副边单相全桥的开关器件(Q1～Q4)的控制端相连；
2)所述的采样单元采集所述的DAB变换器的输出电压Vout[n]，所述的PI控制器按照公式(1)计算输出f[n]并输入所述的线性化单元：
其中，Vref为DAB变换器的输出电压的参考值，kp为PI控制器的比例环节系数，ki为PI控制器的积分环节系数，参数的值预先设定，预设范围为0.1≤kp≤10，0.001≤ki≤1，控制器的输出f[n]设置的限幅为[0，0.5]；
3)所述的线性化单元按照公式(2)计算单移相控制下原边单相全桥(H1)和副边单相全桥(H2)之间的移相比d[n]：
4)所述的单移相调制单元按照所述的原、副边之间的移相比d[n]调制后产生所述的原边全桥内部各开关器件S1～S4的控制信号和副边全桥内部各开关器件Q1～Q4的控制信号：所述的原边全桥内部开关器件S1～S4的控制信号和副边全桥内部开关器件Q1～Q4的控制信号均为占空比为0.5的方波；开关器件S1和S4的控制信号相同，开关器件S2和S3的控制信号相同并与开关器件S1、S4控制信号互补；所述的开关器件Q1和Q4的控制信号相同，开关器件Q2和Q3的控制信号相同并与开关器件Q1、Q4控制信号互补；d[n]为S1控制信号与Q1控制信号之间的移相比；所述的控制信号输入所述的原边单相全桥(H1)各开关器件(S1～S4)的控制端、副边单相全桥(H2)的各开关器件(Q1～Q4)的控制端，完成控制过程。
图2和图3展示了未采用本发明所述线性化控制方法时DAB变换器由于负载突变和参考电压突变而产生振荡的DAB变换器输出电压、负载电流、DAB变换器电感电流波形。图4和图5展示了在同样的参数条件下，采用本发明所述线性化控制方法时DAB变换器发生负载突变和参考电压突变的DAB变换器输出电压、负载电流、DAB变换器电感电流波形。可以看出，本发明所述线性化控制方法抑制了由于DAB变换器非线性特性引起的振荡，增强DAB变换器的抵抗负载扰动和参考输入扰动的能力。
图2与图4和图3与图5对比了在同样参数的情况下，未采用线性化控制方法和采用了线性化控制方法的DAB变换器工作波形。由此可见，本发明所述线性化控制方法能抑制了由于DAB变换器非线性特性引起的振荡，增强DAB变换器的抵抗负载扰动和参考输入扰动的能力。

Claims (1)

1.一种单移相调制的DAB变换器线性化控制方法，所述的DAB变换器由直流电压源、原边单相全桥(H1)、副边单相全桥(H2)、高频隔离变压器、高频电感(L)和控制器组成，所述的原边单相全桥(H1)4个全控开关器件(S1～S4)，副边单相全桥(H2)四个全控开关器件(Q1～Q4)；所述的原边单相全桥的直流母线的正极与对应的直流电压源的正极相连，原边单相全桥的直流母线的负极与对应的直流电压源的负极相连，原边单相全桥的交流侧通过高频电感(L)与高频隔离变压器的原边相连；所述的副边单相全桥的直流母线的正极与对应直流负载的正极相连，副边单相全桥的直流母线的负极与对应的直流负载的负极相连，副边单相全桥的交流侧与高频隔离变压器的副边相连，所述的高频隔离变压器的变比为n:1；所述的原边单相全桥的开关器件(S1～S4)的控制信号的输入端和副边单相全桥的开关器件(Q1～Q4)的控制信号的输入端与所述的控制器对应的开关信号的输出端相连；其特征在于，该方法包括如下步骤：
1)所述的控制器由依次的采样单元、数字PI控制器、线性化单元和单移相调制单元构成；所述的单移相调制单元的各开关控制信号的输出端分别与所述的DAB变换器的原边全桥相应的开关器件(S1～S4)与副边单相全桥的开关器件(Q1～Q4)的控制端相连；
2)所述的采样单元采集所述的DAB变换器的输出电压Vout[n]，所述的PI控制器按照公式(1)计算输出f[n]并输入所述的线性化单元：
其中，Vref为DAB变换器的输出电压的参考值，kp为PI控制器的比例环节系数，ki为PI控制器的积分环节系数，参数的值预先设定，预设范围为0.1≤kp≤10，0.001≤ki≤1，控制器的输出f[n]设置的限幅为[0，0.5]；
3)所述的线性化单元按照公式(2)计算单移相控制下原边单相全桥(H1)和副边单相全桥(H2)之间的移相比d[n]：
4)所述的单移相调制单元按照所述的原、副边之间的移相比d[n]调制后产生所述的原边全桥内部各开关器件S1～S4的控制信号和副边全桥内部各开关器件Q1～Q4的控制信号：所述的原边全桥内部开关器件S1～S4的控制信号和副边全桥内部开关器件Q1～Q4的控制信号均为占空比为0.5的方波；开关器件S1和S4的控制信号相同，开关器件S2和S3的控制信号相同并与开关器件S1、S4控制信号互补；所述的开关器件Q1和Q4的控制信号相同，开关器件Q2和Q3的控制信号相同并与开关器件Q1、Q4控制信号互补；d[n]为S1控制信号与Q1控制信号之间的移相比；所述的控制信号输入所述的原边单相全桥(H1)各开关器件(S1～S4)的控制端、副边单相全桥(H2)的各开关器件(Q1～Q4)的控制端，完成控制过程。
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