CN108712081B - 恒电压增益隔离型双向全桥dc/dc变换器的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电力电子技术领域，旨在提供一种恒电压增益隔离型双向全桥DC/DC变换器的控制方法。是基于移相控制方法，通过使输入电压的M倍于输出电压在原边折算值之间的差恒为零，实现输出电压在原边折算值与输入电压比值恒定为M的控制目标；将输出电压在原边折算值与输入电压比值定义为电压增益M；通过引入输入电压、输出电压和输入电流、输出电流的前馈补偿，实现系统的线性化控制。本发明能在不切换控制器的条件下实现高、低压两侧子网间的双向电压支撑与功率双向流动，实现了高低压直流网的无缝连接，提高了直流配网的性能。能降低多电压等级直流配网的控制难度，实现高质量的直流供电。实现系统的线性化控制，具有优良的控制性能。

Description

恒电压增益隔离型双向全桥DC/DC变换器的控制方法
技术领域
本发明涉及一种恒电压增益隔离型双向全桥DC/DC变换器的控制方法，属于电力电子技术领域。
背景技术
直流分布式发电系统由于其高效率、易控的特性而得到越来越广泛的关注。未来直流配电及交直流混合配电是发展的趋势。直流变压器则是直流配电的关键设备，而隔离型双向全桥DC/DC变换器由于其具有模块化对称结构、双向功率传输能力、软开关容易实现等优点，是直流变压器的一种典型方案，成为直流配电系统中一种实现直流高、低压高频电气隔离和电压等级变换的重要设备。
当隔离型双向全桥DC/DC变换器应用于接入分布式可再生能源的直流配电系统中作为直流变压器使用时，由于分布式电源间歇、随机的特性以及负荷的波动，系统可能在高压侧子网向低压侧子网提供电压支撑、或者是低压侧子网向高压侧子网提供电压支撑两种工况之间转换，此时需要对隔离型双向全桥DC/DC变换器设计相应的端口电压控制策略。传统的端口电压控制方法是控制高压侧或低压侧的电压恒定，而这种控制单侧电压的方法要实现高、低压两侧子网间的双向电压支撑，就必须设计高、低压两个电压控制器，实时监测系统状态，并在两个控制器之间切换。而监测系统状态会增加系统复杂度、增加成本，控制器切换则有可能导致系统不稳定。
本发明针对直流高低压侧可能相互进行电压支撑的情况，设计了恒电压增益的隔离型双向全桥DC/DC变换器，通过统一的控制方式实现了交直流高低压侧的功率双向流动及高低压直流网的无缝连接，为直流配电的发展提供关键设备。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提出了一种恒电压增益隔离型双向全桥DC/DC变换器的控制方法。
为解决技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种恒电压增益隔离型双向全桥DC/DC变换器的移相控制方法，该方法基于具有下述结构的隔离型双向全桥DC/DC变换器而实现：
变换器具有原副边匝数比为n∶1的隔离变压器T，由四个开关管组成原边H桥，四个开关管组成副边H桥；隔离变压器T的两侧分别设有由谐振电感Lr1和谐振电容Cr1组成的原边谐振槽，以及由谐振电感Lr2、谐振电容Cr2组成的副边谐振槽；在变换器的输入端设有输入直流母线电容C1，在变换器的输出端侧设有输出直流母线电容C2；
该移相控制方法包括：将两个相对设置且不直接相连的开关管命名为移相开关管组，每个H桥中有两组；对于原边H桥而言，在一个开关周期内，其中的半个周期控制第一移相开关管组导通且第二移相开关管组断开，另外半个周期控制第一移相开关管组断开且第二移相开关管组导通；此时，原边H桥两桥臂中点电压uab的波形为占空比为0.5的方波；同理，通过控制副边H桥的两组移相开关管组的开通和关断，在副边H桥两桥臂中点间产生占空比为0.5的方波电压ucd；通过控制原边H桥中的第一移相开关管组在一个开关周期中的导通时刻超前或滞后于副边H桥中的第一移相开关管组，调节原边H桥两桥臂中点电压uab超前于副边H桥两桥臂中点电压ucd的移相角
Figure BDA0001684198020000021
从而调节DC/DC传输的功率。
本发明还提供了一种基于前述方法的隔离型双向全桥DC/DC变换器恒电压增益控制方法，通过使输入电压的M倍于输出电压在原边折算值之间的差恒为零，实现输出电压在原边折算值与输入电压比值恒定为M的控制目标；将输出电压在原边折算值与输入电压比值定义为电压增益M，其调节范围为0.5～2；通过引入输入电压、输出电压和输入电流、输出电流的前馈补偿，实现系统的线性化控制。
本发明中，所述恒电压增益控制方法具体包括下述步骤：
(1)测量变换器的输入电压u1、输入电流i1、输出电压u2和输出电流i2，并将采集到的信号通过低通滤波器Gf滤波，得到相应的滤波值u1f、i1f、u2f、i2f；
(2)将u1f的M倍与u2f的n倍(即u2f的原边折算值u′2f)作差，其中n为隔离变压器T的原副边匝数比；然后将差值反相后输入频域表达式为KP+KI/s的PI控制器，经PI控制器计算得到中间控制量θ；中间控制量θ的计算公式为：
Figure BDA0001684198020000022
上式中，Kp是指PI控制的比例参数，Kl是指PI控制的积分参数，s是指积分因子；；
(3)将上述计算得到的θ经由u1f、i1f、u2f、i2f四个滤波值做前馈补偿，得到原边H桥两桥臂中点间方波电压uab超前方波副边H桥两桥臂中点间方波电压ucd的移相角
Figure BDA0001684198020000023
移相角
Figure BDA0001684198020000024
的计算方式为：
Figure BDA0001684198020000031
式中，C1、C2分别是输入直流母线电容和输出直流母线电容的电容值；常系数K通过下述公式计算获得：
Figure BDA0001684198020000032
其中，Cr1、Cr2分别是原边谐振电容和副边谐振电容的电容值，Lr1、Lr2分别是原边谐振电感和副边谐振电感的电感值，ws是开关角频率。
本发明中，电压增益M的物理意义是，在隔离型双向全桥DC/DC变换器中，高频变压器以外的部分带来的直流电压放大倍数。通常M取1，直流电压放大倍数只由高频变压器提供，此时变换器中的环流较小，原副边开关管均可实现零电压软开关，系统效率较高。为了灵活调节电压的需要，M也可适当调整，如可选调节范围为0.5～2。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明提出的恒电压增益控制方法，能在不切换控制器的条件下实现高、低压两侧子网间的双向电压支撑与功率双向流动，实现了高低压直流网的无缝连接，提高了直流配网的性能。
(2)本发明能够在不同的工况下保证隔离型双向全桥DC/DC变换器高、低压端口的电压匹配，只要在任一侧具备电压支撑则可对整个直流配网实现电压支撑与稳定控制，模拟了交流电压器的功能，降低了多电压等级直流配网的控制难度，实现了高质量的直流供电。
(3)本发明通过引入输入、输出电压和输入、输出电流前馈补偿，实现系统的线性化控制，使得控制器参数更易于设计，且具有优良的控制性能。
附图说明
图1为隔离型双向全桥DC/DC变换器拓扑示意图；
图2为恒电压增益控制方法控制框图；
图3为输出电压波形示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
隔离型双向全桥DC/DC变换器的拓扑示意如图1所示。
DC/DC变换器的主体包括：原副边匝数比为n:1的隔离变压器T，由开关管S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8组成的原、副边H桥，由Lr1、Cr1、Lr2、Cr2组成的原、副边谐振槽，以及输入、输出直流母线电容C1、C2。为了验证本发明控制方法的有效性，示例系统中在DC/DC变换器输入侧连接了内阻为Rs的电压源Us，在其输出侧连接了负载电阻R。
隔离型双向全桥DC/DC变换器的移相控制框架具体实现方法为：在一个开关周期内，其中半个周期控制开关管S1和S4导通，控制开关管S2和S3断开，另外半个周期控制开关管S1和S4断开，控制开关管S2和S3导通，此时原边H桥两桥臂中点电压uab的波形为占空比为0.5的方波。同理通过控制开关管S5、S6、S7、S8的开通和关断可以在副边H桥两桥臂中点间产生占空比为0.5的方波电压ucd。通过控制S1和S4在一个开关周期中的导通时刻超前或滞后于S5和S8，可以调节uab超前于ucd的移相角
Figure BDA0001684198020000041
从而调节DC/DC传输的功率。
隔离型双向全桥DC/DC变换器恒电压增益控制方法的控制框图如图2所示，其具体实施步骤为：
(1)测量输入电压u1,输入电流i1，输出电压u2,输出电流i2，并将采集到的信号通过低通滤波器Gf滤波,得到相应的低频分量u1f,i1f,u2f,i2f。
(2)通过基波等效方法，忽略损耗，计算得到从变压器T原边传递到副边的功率低频分量的近似值为：
Figure BDA0001684198020000042
(3)选取x＝M×u1f-n×u2f为状态变量，则系统状态方程可写为：
Figure BDA0001684198020000043
(4)将式4代入式5，并令
Figure BDA0001684198020000044
其中常系数K是通过下述方式计算获得：
Figure BDA0001684198020000045
令
Figure BDA0001684198020000051
由式8可知θ与x之间呈线性关系，通过将0和x之间的偏差输入PI控制器计算得到中间控制量θ，并将θ、u1f,i1f,u2f,i2f代入式6进行前馈运算得到
Figure BDA0001684198020000053
即可实现系统的线性化控制，其中θ的计算公式为：
Figure BDA0001684198020000052
上式中，Kp是指PI控制的比例参数，Kl是指PI控制的积分参数，s是指积分因子；Kp和Kl参数可以由PID参数整定方法确定。因属本领域技术人员熟知的技术手段，故不展开表述。
隔离型双向全桥DC/DC变换器恒电压增益控制方法的控制效果可以由图3来示意。示例系统中变压器变比n为2，电压增益M取1，当电源电压Us由700V变为600V时，输出电压u2自动由350V变为300V，实现了恒电压增益控制。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种隔离型双向全桥DC/DC变换器恒电压增益控制方法，其特征在于，通过使输入电压的M倍与输出电压在原边折算值之间的差恒为零，实现输出电压在原边折算值与输入电压比值恒定为M的控制目标；将输出电压在原边折算值与输入电压比值定义为电压增益M，其调节范围为0.5～2；通过引入输入电压、输出电压和输入电流、输出电流的前馈补偿，实现系统的线性化控制；
所述隔离型双向全桥DC/DC变换器具有原副边匝数比为n：1的隔离变压器T，由四个开关管组成原边H桥，四个开关管组成副边H桥；隔离变压器T的两侧分别设有由谐振电感Lr1和谐振电容Cr1组成的原边谐振槽，以及由谐振电感Lr2、谐振电容Cr2组成的副边谐振槽；在变换器的输入端设有输入直流母线电容C1，在变换器的输出端侧设有输出直流母线电容C2；
该变换器的移相控制方法包括：将两个相对设置且不直接相连的开关管命名为移相开关管组，每个H桥中有两组；对于原边H桥而言，在一个开关周期内，其中的半个周期控制第一移相开关管组导通且第二移相开关管组断开，另外半个周期控制第一移相开关管组断开且第二移相开关管组导通；此时，原边H桥两桥臂中点电压uab的波形为占空比为0.5的方波；同理，通过控制副边H桥的两组移相开关管组的开通和关断，在副边H桥两桥臂中点间产生占空比为0.5的方波电压ucd；通过控制原边H桥中的第一移相开关管组在一个开关周期中的导通时刻超前或滞后于副边H桥中的第一移相开关管组，调节原边H桥两桥臂中点电压uab超前于副边H桥两桥臂中点电压ucd的移相角
Figure FDA0002329626570000014
从而调节DC/DC传输的功率；
所述恒电压增益控制方法具体包括下述步骤：
(1)测量变换器的输入电压u1、输入电流i1、输出电压u2和输出电流i2，并将采集到的信号通过低通滤波器Gf滤波，得到相应的滤波值u1f、i1f、u2f、i2f；
(2)将u1f的M倍与u2f的n倍作差，其中n为隔离变压器T的原副边匝数比；然后将差值反相后输入频域表达式为KP+KI/s的PI控制器，经PI控制器计算得到中间控制量θ；中间控制量θ的计算公式为：
Figure FDA0002329626570000011
上式中，Kp是指PI控制的比例参数，Kl是指PI控制的积分参数，s是指积分因子；
(3)将上述计算得到的θ经由u1f、i1f、u2f、i2f四个滤波值做前馈补偿，得到原边H桥两桥臂中点间方波电压uab超前副边H桥两桥臂中点间方波电压ucd的移相角
Figure FDA0002329626570000012
移相角
Figure FDA0002329626570000013
的计算方式为：
Figure FDA0002329626570000021
式中，C1、C2分别是输入直流母线电容和输出直流母线电容的电容值；常系数K通过下述公式计算获得：
Figure FDA0002329626570000022
其中，Cr1、Cr2分别是原边谐振电容和副边谐振电容的电容值，Lr1、Lr2分别是原边谐振电感和副边谐振电感的电感值，ws是开关角频率。
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