CN108880264A - 具备软启动功能的双有源桥直流变换器控制方法 - Google Patents

具备软启动功能的双有源桥直流变换器控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具备软启动功能的双有源桥直流变换器控制方法，适用于大功率双向直流变换领域。本发明针对双有源桥直流变换器启动过程出现的电流冲击问题，通过在启动过程中控制双有源桥直流变换器原边H桥开关管占空比大小来实现原边H桥交流端口电压缓启动，同时协同控制副边H桥开关管占空比和输出电压参考值来实现副边H桥交流端口电压跟随原边H桥交流端口电压，进而实现输出电压的缓启动，抑制电流冲击。本发明通过算法改进有效抑制双有源桥直流变换器启动过程中的电流冲击现象并稳定输出电压，不附加额外电路，且不存在模式切换与正常移相控制兼容，控制逻辑简单可靠，易于工程实践与推广。

Description

具备软启动功能的双有源桥直流变换器控制方法
技术领域
本发明属于电气工程领域的双向直流变换器能量传输技术，具体涉及一种具备软启动功能的双有源桥直流变换器控制方法。
背景技术
近年来，能源问题日益严重，这促进了以风能、太阳能为代表的可再生能源的发展。随着分布式发电与储能设备的大量接入，直流微电网技术快速发展，作为其中实现电能变换与隔离的直流变换器成为近年来的研究热点。双有源桥(Dual Active Bridge,DAB)直流变换器因具有高功率密度、低纹波、易于实现软开关和功率双向流动等特点成为直流微网中实现电能变换与隔离的最佳直流变换器拓扑；
DAB直流变换器通常采用单移相控制、扩展移相、双移相控制、三重移相和谐振控制等控制方法，无论采用何种方法，在启动的瞬间，输出电容将被视为短路，在启动瞬间将会产生较大的冲击电流，在高压大功率场合冲击电流更加明显，因此有必要对DAB软启动控制策略进行研究；
题为“电动汽车预充电过程研究”(《汽车电器》，2013(5)：8-10)的文献提出了一种采用串电阻的启动方法抑制启动冲击电流，但是该方法外串的电阻会增加损耗，同时依靠机械触点多次动作会造成可靠性降低；题为“电隔离升压全桥DC-DC变换器拓扑理论和控制技术研究”(北京：中国科学院电工研究所，2016)的文献提出了一种采用额外增加辅助电路的方法抑制启动冲击电流，但是该方法附加的辅助电路会增加装置的成本与控制的复杂性；题为“隔离式双向全桥DC-DC变换器预充电研究”(《电工技术学报》，2014(S1)：320-325)的文献提出了一种两阶段启动方法抑制启动冲击电流，第一阶段封锁输出侧开关管利用二极管进行预充电，第二阶段通过移相控制使电压充电到给定值，但是该方法存在阶段一与阶段二的模式切换，增加了控制复杂性，同时切换过程仍然可能存在电流的冲击；题为“一种应用于直流配电网的隔离直流变换器软启动方法”(《山东大学学报(工学版)》，2017(04)：37-42)的文献提出了一种输入侧H桥占空比与移相角协同控制的方法抑制启动冲击电流，但是该方法启动过程中原副边工况不对称，副边直接给定50％占空比，容易造成PI调节器的饱和；
上述文献中的方法虽然能在一定程度上有效的抑制启动冲击电流，但是都存在着不足之处，因此为实现高压大功率双有源桥直流变换器软起动控制，有必要对双有源桥直流变换器的控制方法做进一步改进与完善。
发明内容
本发明针对现有双有源桥直流变换器在启动过程中出现的冲击电流问题，提出了一种不附加电阻和外部辅助电路同时与正常移相控制兼容，不存在模式切换的具备软启动功能的双有源桥直流变换器控制方法。
本发明的目的是这样实现的。本发明提供了一种具备软启动功能的双有源桥直流变换器控制方法，其中本控制方法所涉及的双有源桥直流变换器包含直流电源Uin、一个输入电容Ci、一个原边H桥、一个移相电感L、一个高频隔离变压器T、一个副边H桥、一个输出电容Co和一个负载电阻R；所述的原边H桥包括4个开关管，记为开关管Si(i＝1,2，3，4)，所述的副边H桥包括4个开关管，记为开关管Qi(i＝1,2,3,4)；
本控制方法的步骤如下：
步骤1，令N＝n，开始第n个控制周期内的双有源桥直流变换器控制，其中N为控制周期循环次数，N＝1,2,…n…+∞，n为控制周期循环次数的中间变量；
步骤2，采样t时刻双有源桥直流变换器输出电容Co两端的电压，并记为双有源桥直流变换器输出电压Uout(t)，其中t＝N×T,常数T为具备软启动功能的双有源桥直流变换器控制方法的控制周期；
步骤3：设定Uref为双有源桥直流变换器最终稳态输出电压给定值，T1为双有源桥直流变换器输出电压Uout(t)的启动时间，按照以下方式设定t时刻双有源桥直流变换器输出电压参考值Uout_ref(t)：
当t≤T1时，
当t>T1时，Uout_ref(t)＝Uref
步骤4：先将步骤3设定的t时刻双有源桥直流变换器输出电压参考值Uout_ref(t)与步骤2采样得到的t时刻双有源桥直流变换器输出电压Uout(t)作差得到t时刻输出电压误差信号△U(t)，△U(t)＝Uout_ref(t)-Uout(t)，然后将得到的t时刻输出电压误差信号△U(t)作为PI调节器的输入，PI调节器的输出为t时刻双有源桥直流变换器原边H桥与副边H桥的移相角d(t),记为移相角d(t)，所述的PI调节器为比例积分调节器，其传递函数GPI(s)为：
式中，s为拉普拉斯算子，kp为PI调节器的比例系数，ki为PI调节器的积分系数；
根据所得到的t时刻移相角d(t)计算出t时刻滞后时间Td(t)，式中f为双有源桥直流变换器的开关频率；
步骤5，设定t时刻双有源桥直流变换器原边H桥开关管和副边H桥开关管的驱动信号的占空比均为D(t)，T2为占空比D(t)的启动时间且T2≤T1，按照以下方式设定占空比的数值：
当t≤T2时，
当t>T2时，D(t)＝0.5
步骤6，将t时刻双有源桥直流变换器原边H桥开关管Si(i＝1,2，3，4)的驱动信号记为为Spwm_i(i＝1,2,3,4)，副边H桥开关管Qi(i＝1,2,3,4)的驱动信号记为Qpwm_i(i＝1,2,3,4),其中驱动信号Spwm_i(i＝1,2,3,4)与Qpwm_i(i＝1,2,3,4)的频率均为开关频率f；同时双有源桥直流变换器原边H桥的驱动信号Spwm_i(i＝1,2,3,4)中，Spwm_1与Spwm_3互补、Spwm_2与Spwm_4互补、Spwm_1与Spwm_4相同、Spwm_2与Spwm_3相同，双有源桥直流变换器副边H桥的驱动信号Qpwm_i(i＝1,2,3,4)中，Qpwm_1与Qpwm_3互补、Qpwm_2与Qpwm_4互补、Qpwm_1与Qpwm_4相同、Qpwm_2与Qpwm_3相同，且双有源桥直流变换器副边H桥开关管Q1的驱动信号Qpwm_1滞后于双有源桥直流变换器原边H桥开关管S1的驱动信号Spwm_1，滞后时间为Td(t)；
步骤7：根据步骤4、步骤5与步骤6的设定生成t时刻的驱动信号Spwm_i(i＝1,2,3,4)与Qpwm_i(i＝1,2,3,4)，并分别驱动各自对应的开关管Si(i＝1,2，3，4)与Qi(i＝1,2,3,4)，完成第n个控制周期内的双有源桥直流变换器控制；
步骤8：令N＝n+1，重复步骤2～7，使得双有源桥直流变换器输出电压Uout(t)逐渐上升并稳定在双有源桥直流变换器最终稳态输出电压给定值Uref，实现具备软启动功能的双有源桥直流变换器控制。
与现有技术相比，本发明的优点在于:
1、本控制方法在有效抑制双有源桥直流变换器启动冲击电流的同时没有附加电阻和辅助电路，没有带来附加损耗，没有额外增加双有源桥直流变换器成本与控制复杂度，易于工程实践与推广；
2、本控制方法启动与正常运行时均处在同一个工作模式，不存在模式切换，启动过程简单可靠；
3、本控制方法中双有源桥直流变换器启动过程中双有源桥直流变换器原副边H桥开关管工作方式完全对称，无论双有源桥直流变换器从原边启动还是从副边启动均同样适用，同时占空比与移相角的启动时间均可调，可有效避免积分饱和问题。
附图说明
图1是本发明实施例双有源桥直流变换器拓扑示意图；
图2是本发明具备软启动功能的双有源桥直流变换器控制方法的控制框图；
图3是根据本发明与本发明的实施例的具体参数在Matlab仿真软件中的Simulink工具下得到的输出电压Uout(t)和电感电流iL(t)的仿真波形；
图4是根据本发明与本发明的实施例的具体参数在实际实验平台实验得到的输出电压Uout(t)和电感电流iL(t)的实验波形。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的描述。
图1是双有源桥直流变换器拓扑示意图。由图1可见本控制方法所涉及的双有源桥直流变换器包含直流电源Uin、一个输入电容Ci、一个原边H桥、一个移相电感L、一个高频隔离变压器T、一个副边H桥、一个输出电容Co和一个负载电阻R；所述的原边H桥包括4个开关管，记为开关管Si(i＝1,2，3，4)，所述的副边H桥包括4个开关管，记为开关管Qi(i＝1,2,3,4)。
所述的原边H桥开关管Si(i＝1,2,3,4)中，开关管S1与开关管S3串联、开关管S2与开关管S4串联并分别构成原边H桥的两个桥臂，两个桥臂间并联作为原边H桥的直流端；开关管S1与开关管S3的串联连接点引出作为原边H桥的交流端口a、开关管S2与开关管S4的串联连接点引出作为原边H桥的交流输出端口b。
所述的副边H桥开关管Qi(i＝1,2,3,4)中，开关管Q1与开关管Q3串联、开关管Q2与开关管Q4串联并分别构成副边H桥的两个桥臂，两个桥臂间并联作为副边H桥的直流端；开关管Q1与开关管Q3的串联连接点引出作为副边H桥的交流端口c,开关管Q2与开关管Q4的串联连接点引出作为副边H桥的交流端口d。
所述的直流电源Uin与输入电容Ci并联后再与原边H桥的直流端并联，原边H桥的交流端口a连接到移相电感L的一端，移相电感L的另一端连接到高频隔离变压器T原边的同名端E*,高频隔离变压器T原边异名端G连接到原边H桥的交流端口b；高频隔离变压器T副边同名端e*连接到副边H桥的交流端口c,高频隔离变压器T副边异名端g连接到副边H桥的交流端口d,负载电阻R与输出电容Co并联后连接到副边H桥的直流端，其中高频隔离变压器T的变比为M，M为正数，移相电感L的电流定义为电感电流iL(t)，从原边H桥的交流端口a流向电感方向为正。
本发明的实施例的具体参数如下：
直流电源Uin的电压为300V,输入电容Ci的容值为110uF，移相电感L的感值为168uH，高频隔离变压器T的变比M为1，输出电容Co容值为110uF，负载电阻R的阻值为50Ω，双有源桥直流变换器的开关频率f为20kHz,双有源桥直流变换器输出电压Uout的启动时间T1为0.36s，即双有源桥直流变换器输出电压参考值Uout_ref(t)按照步骤3中方式从0增加到设定的最终稳态输出电压给定值Uref所用的时间为T1＝0.36s，输占空比的启动时间T2为0.18s，即双有源桥直流变换器原边H桥开关管和副边H桥开关管的驱动信号的占空比D(t)按照步骤5中方式从0增加到0.5所用的时间为T2＝0.18s，PI调节器的比例系数kp为0.001，PI调节器的积分系数ki为0.04，双有源桥直流变换器输出电压参考值为Uout_ref(t)设定为300V。
图2是本发明具备软启动功能的双有源桥直流变换器控制方法的控制框图。由图2可知具备软启动功能的双有源桥直流变换器控制方法的步骤如下：步骤1，令N＝n，开始第n个控制周期内的双有源桥直流变换器控制，其中N为控制周期循环次数，N＝1,2,…n…+∞，n为控制周期循环次数的中间变量。
步骤2，采样t时刻双有源桥直流变换器输出电容Co两端的电压，并记为双有源桥直流变换器输出电压Uout(t)，其中t＝N×T,常数T为具备软启动功能的双有源桥直流变换器控制方法的控制周期。
步骤3：设定Uref为双有源桥直流变换器最终稳态输出电压给定值，T1为双有源桥直流变换器输出电压Uout(t)的启动时间，按照以下方式设定t时刻双有源桥直流变换器输出电压参考值Uout_ref(t)：
当t≤T1时，
当t>T1时，Uout_ref(t)＝Uref
在本实施例中，T2为0.18s。
步骤4：先将步骤3设定的t时刻双有源桥直流变换器输出电压参考值Uout_ref(t)与步骤2采样得到的t时刻双有源桥直流变换器输出电压Uout(t)作差得到t时刻输出电压误差信号△U(t)，△U(t)＝Uout_ref(t)-Uout(t)，然后将得到的t时刻输出电压误差信号△U(t)作为PI调节器的输入，PI调节器的输出为t时刻双有源桥直流变换器原边H桥与副边H桥的移相角d(t),记为移相角d(t)，所述的PI调节器为比例积分调节器，其传递函数GPI(s)为：
式中，s为拉普拉斯算子，kp为PI调节器的比例系数，ki为PI调节器的积分系数。在本实施例中，ki＝0.04，kp＝0.001。
根据所得到的t时刻移相角d(t)计算出t时刻滞后时间Td(t)，式中f为双有源桥直流变换器的开关频率。在本实施例中，f＝20kHz。
步骤5，设定t时刻双有源桥直流变换器原边H桥开关管和副边H桥开关管的驱动信号的占空比均为D(t)，T2为占空比D(t)的启动时间且T2≤T1，按照以下方式设定占空比的数值：
当t≤T2时，
当t>T2时，D(t)＝0.5
在本实施例中，T2＝0.18s。
步骤6，将t时刻双有源桥直流变换器原边H桥开关管Si(i＝1,2，3，4)的驱动信号记为为Spwm_i(i＝1,2,3,4)，副边H桥开关管Qi(i＝1,2,3,4)的驱动信号记为Qpwm_i(i＝1,2,3,4),其中驱动信号Spwm_i(i＝1,2,3,4)与Qpwm_i(i＝1,2,3,4)的频率均为开关频率f；同时双有源桥直流变换器原边H桥的驱动信号Spwm_i(i＝1,2,3,4)中，Spwm_1与Spwm_3互补、Spwm_2与Spwm_4互补、Spwm_1与Spwm_4相同、Spwm_2与Spwm_3相同，双有源桥直流变换器副边H桥的驱动信号Qpwm_i(i＝1,2,3,4)中，Qpwm_1与Qpwm_3互补、Qpwm_2与Qpwm_4互补、Qpwm_1与Qpwm_4相同、Qpwm_2与Qpwm_3相同，且双有源桥直流变换器副边H桥开关管Q1的驱动信号Qpwm_1滞后于双有源桥直流变换器原边H桥开关管S1的驱动信号Spwm_1，滞后时间为Td(t)。
步骤7：根据步骤4、步骤5与步骤6的设定生成t时刻的驱动信号Spwm_i(i＝1,2,3,4)与Qpwm_i(i＝1,2,3,4)，并分别驱动各自对应的开关管Si(i＝1,2，3，4)与Qi(i＝1,2,3,4)，完成第n个控制周期内的双有源桥直流变换器控制。
步骤8：令N＝n+1，重复步骤2～7，使得双有源桥直流变换器输出电压Uout(t)逐渐上升并稳定在双有源桥直流变换器最终稳态输出电压给定值Uref，实现具备软启动功能的双有源桥直流变换器控制。
图3是根据本发明与本发明的实施例的具体参数在Matlab仿真软件中的Simulink工具下得到的输出电压Uout(t)和电感电流iL(t)的仿真波形，图4是根据本发明与本发明的实施例的具体参数在实际实验平台实验得到的输出电压Uout(t)和电感电流iL(t)的实验波形。由图3的仿真波形和图4的实验波形可以看出本发明可以有效的抑制启动过程中电感电流的冲击，稳定输出电压，验证了本发明的可行性。

Claims (1)

1.一种具备软启动功能的双有源桥直流变换器控制方法，其中本控制方法所涉及的双有源桥直流变换器包含直流电源Uin、一个输入电容Ci、一个原边H桥、一个移相电感L、一个高频隔离变压器T、一个副边H桥、一个输出电容Co和一个负载电阻R；所述的原边H桥包括4个开关管，记为开关管Si(i＝1,2，3，4)，所述的副边H桥包括4个开关管，记为开关管Qi(i＝1,2,3,4)；
其特征在于,本控制方法的步骤如下：
步骤1，令N＝n，开始第n个控制周期内的双有源桥直流变换器控制，其中N为控制周期循环次数，N＝1,2,…n…+∞，n为控制周期循环次数的中间变量；
步骤2，采样t时刻双有源桥直流变换器输出电容Co两端的电压，并记为双有源桥直流变换器输出电压Uout(t)，其中t＝N×T,常数T为具备软启动功能的双有源桥直流变换器控制方法的控制周期；
步骤3：设定Uref为双有源桥直流变换器最终稳态输出电压给定值，T1为双有源桥直流变换器输出电压Uout(t)的启动时间，按照以下方式设定t时刻双有源桥直流变换器输出电压参考值Uout_ref(t)：
当t≤T1时，
当t>T1时，Uout_ref(t)＝Uref
步骤4：先将步骤3设定的t时刻双有源桥直流变换器输出电压参考值Uout_ref(t)与步骤2采样得到的t时刻双有源桥直流变换器输出电压Uout(t)作差得到t时刻输出电压误差信号△U(t)，△U(t)＝Uout_ref(t)-Uout(t)，然后将得到的t时刻输出电压误差信号△U(t)作为PI调节器的输入，PI调节器的输出为t时刻双有源桥直流变换器原边H桥与副边H桥的移相角d(t),记为移相角d(t)，所述的PI调节器为比例积分调节器，其传递函数GPI(s)为：
式中，s为拉普拉斯算子，kp为PI调节器的比例系数，ki为PI调节器的积分系数；
根据所得到的t时刻移相角d(t)计算出t时刻滞后时间Td(t)，式中f为双有源桥直流变换器的开关频率；
步骤5，设定t时刻双有源桥直流变换器原边H桥开关管和副边H桥开关管的驱动信号的占空比均为D(t)，T2为占空比D(t)的启动时间且T2≤T1，按照以下方式设定占空比的数值：
当t≤T2时，
当t>T2时，D(t)＝0.5
步骤6，将t时刻双有源桥直流变换器原边H桥开关管Si(i＝1,2，3，4)的驱动信号记为Spwm_i(i＝1,2,3,4)，副边H桥开关管Qi(i＝1,2,3,4)的驱动信号记为Qpwm_i(i＝1,2,3,4),其中驱动信号Spwm_i(i＝1,2,3,4)与Qpwm_i(i＝1,2,3,4)的频率均为开关频率f；同时双有源桥直流变换器原边H桥的驱动信号Spwm_i(i＝1,2,3,4)中，Spwm_1与Spwm_3互补、Spwm_2与Spwm_4互补、Spwm_1与Spwm_4相同、Spwm_2与Spwm_3相同，双有源桥直流变换器副边H桥的驱动信号Qpwm_i(i＝1,2,3,4)中，Qpwm_1与Qpwm_3互补、Qpwm_2与Qpwm_4互补、Qpwm_1与Qpwm_4相同、Qpwm_2与Qpwm_3相同，且双有源桥直流变换器副边H桥开关管Q1的驱动信号Qpwm_1滞后于双有源桥直流变换器原边H桥开关管S1的驱动信号Spwm_1，滞后时间为Td(t)；
步骤7：根据步骤4、步骤5与步骤6的设定生成t时刻的驱动信号Spwm_i(i＝1,2,3,4)与Qpwm_i(i＝1,2,3,4)，并分别驱动各自对应的开关管Si(i＝1,2，3，4)与Qi(i＝1,2,3,4)，完成第n个控制周期内的双有源桥直流变换器控制；
步骤8：令N＝n+1，重复步骤2～7，使得双有源桥直流变换器输出电压Uout(t)逐渐上升并稳定在双有源桥直流变换器最终稳态输出电压给定值Uref，实现具备软启动功能的双有源桥直流变换器控制。
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