CN109104095B - 三端口变换器半开关周期采样的预测电流移相控制方法 - Google Patents

三端口变换器半开关周期采样的预测电流移相控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三端口变换器半开关周期采样的预测电流移相控制方法，基于Y‑△等效变换和电流纹波法，计算不同工作状态下变换器的电感电流斜率，在每个开关周期的零点时刻和中点时刻采集电感电流，根据PI控制器得到电感电流参考值，基于电感电流采样值和电感电流参考值在半个开关周期内计算并生成预测移相比，在半个开关周期后更新该移相比。本发明是一种根据电感电流参考值实时更新移相比，并能有效消除电感电流中直流分量的适用于三端口变换器半开关周期采样的预测电流移相控制方法。

Description

三端口变换器半开关周期采样的预测电流移相控制方法
技术领域
本发明属于电力电子控制技术领域，更具体地说是一种用于三端口变换器半开关周期采样的预测电流移相控制方法。
背景技术
三端口变换器采用全桥拓扑结构，具有高功率密度、能量双向流动、三端口结构对称等优点，在分布式发电系统、微电网储能系统等场合中应用广泛。
三端口变换器的开关管驱动信号参数不对称或开关管参数不一致导致变换器在一个开关周期内开关管导通和关断的时间不同，正负半周期伏秒不平衡会在电感电流中引入一直流分量，导致开关管中产生冲击电流，而开关管电流应力过大会影响变换器安全稳定运行，传统的双闭环控制方法中，控制器内环均采用PI控制器生成移相比，无法有效消除电感电流中的直流分量。
现有的预测电流移相控制技术中，电感电流采样时刻位于开关管的动作时刻，开关管动作时刻产生的高频电流会干扰采样过程，导致采样到的电感电流存在误差。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种三端口变换器半开关周期采样的预测电流移相控制方法，以期有效消除电感电流中直流分量，并提高电感电流采样精度。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明三端口变换器半开关周期采样的预测电流移相控制方法，所述三端口变换器采用移相控制，其端口1、端口2和端口3均为全桥电路，所述三端口变换器包括端口1电感LL1、端口2电感LL2、端口3电感LL3，以及三绕组变压器；其特点是：所述三端口变换器半开关周期采样的预测电流移相控制方法按如下步骤进行：
步骤1、定义三端口变换器移相比：
设置端口3驱动信号是开关频率为fs、占空比为50％的方波信号，以端口3驱动信号作为参考信号，端口1驱动信号超前端口3驱动信号的时间为d1Ths，端口1和端口3之间的移相比为d1；端口2驱动信号超前端口3驱动信号的时间为d2Ths，端口2和端口3之间的移相比为d2；且0<d1<0.5、0<d2<0.5，Ts为驱动信号开关周期，Ths＝0.5Ts，fs＝1/Ts；
定义：端口电压从负值变为正值时定义为上升沿，端口电压从正值变为负值为下降沿；
步骤2、按式(1)定义三端口变换器一个开关周期中不同状态下端口1电感电流斜率mx和端口3电感电流斜率nx，x＝1,2,3：
Figure BDA0001841383410000021
其中：VL1为端口1全桥电路输出电压，VL2为端口2全桥电路输出电压，VL3为端口3全桥电路输出电压；
步骤3、按如下方式获得电感电流参考值：
设置端口1为恒定功率输出，根据端口1功率参考值P1ref和端口1实际功率P1生成功率误差信号ΔP1，P1＝P1ref-P1，将所述功率误差信号ΔP1经过功率环PI控制器和功率环限幅环节生成端口1电感电流参考值iL1ref；
设置端口3为恒定电压输出，根据端口3电压参考值VL3ref和端口3实际电压VL3生成电压误差信号ΔVL3，ΔVL3＝VL3ref-VL3，将所述电压误差信号ΔVL3经过电压环PI控制器和电压环限幅环节生成端口3电感电流参考值iL3ref；
步骤4、按如下方式实现半开关周期采样预测电流移相控制：
在端口3每个开关周期的中点时刻采样获得端口1电感电流iL1samp和端口3电感电流iL3samp，设定：在端口3的下一个开关周期中点时刻，端口1电感电流值达到端口1电感电流参考值iL1ref，端口3电感电流值达到端口3电感电流参考值iL3ref，采用电流纹波法计算获得端口1和端口3之间下一个上升沿移相比预测值
Figure BDA0001841383410000022
利用所述上升沿移相比预测值
Figure BDA0001841383410000023
在端口3下一个开关周期零点时刻更新端口1和端口3之间上升沿移相比；采用电流纹波法计算获得端口2和端口3之间下一个上升沿移相比预测值
Figure BDA0001841383410000024
利用所述上升沿移相比预测值
Figure BDA0001841383410000025
在端口3下一个开关周期零点时刻更新端口2和端口3之间上升沿移相比；
在端口3的每个开关周期的零点时刻采样获得端口1电感电流iL1samv和端口3电感电流iL3samv，设定：在端口3的下一个开关周期零点时刻，端口1电感电流值达到端口1电感电流参考值负值-iL1ref，端口3电感电流值达到端口3电感电流参考值负值-iL3ref，采用电流纹波法计算获得端口1和端口3之间下一个下降沿移相比预测值
Figure BDA0001841383410000026
利用所述下降沿移相比预测值
Figure BDA0001841383410000027
在端口3本开关周期中点时刻更新端口1和端口3之间下降沿移相比；采用电流纹波法计算获得端口2和端口3之间下一个下降沿移相比预测值
Figure BDA0001841383410000028
利用所述下降沿移相比预测值
Figure BDA0001841383410000031
在端口3本开关周期中点时刻更新端口2和端口3之间下降沿移相比；
步骤5、采样端口1和端口3的电感电流：
在端口3第n-1个开关周期的中点时刻设置采样中断，分别获得第n-1个开关周期的中点时刻端口1电感电流
Figure BDA0001841383410000032
和端口3电感电流
Figure BDA0001841383410000033
在端口3第n个开关周期的零点时刻设置采样中断，分别获得第n个开关周期的零点时刻端口1电感电流
Figure BDA0001841383410000034
和端口3电感电流
Figure BDA0001841383410000035
步骤6、按如下方式获得上升沿移相比的预测值：
分别由式(2)和式(3)表征第n个开关周期的中点时刻端口1电感电流参考值
Figure BDA0001841383410000036
和端口3电感电流参考值
Figure BDA0001841383410000037
Figure BDA0001841383410000038
Figure BDA0001841383410000039
其中：
Figure BDA00018413834100000310
为第n-1个开关周期端口1和端口3之间的下降沿移相比，
Figure BDA00018413834100000311
为第n-1个开关周期端口2和端口3之间的下降沿移相比，
Figure BDA00018413834100000312
为第n个开关周期端口1和端口3之间的上升沿移相比，
Figure BDA00018413834100000313
为第n个开关周期端口2和端口3之间的上升沿移相比，
利用式(2)和式(3)得到式(4)：
Figure BDA00018413834100000314
由式(4)得到由式(5)所表征的上升沿移相比的预测递推表达式：
Figure BDA00018413834100000315
其中，det＝(m2-m1)(n3-n2)+(m2-m3)(n2-n1) (6)，
利用式(5)计算获得用于更新的第n个开关周期端口1和端口3之间的上升沿移相比
Figure BDA00018413834100000316
作为端口1和端口3之间下一个上升沿移相比预测值
Figure BDA00018413834100000317
以及用于更新的第n个开关周期端口2和端口3之间的上升沿移相比
Figure BDA00018413834100000318
作为端口2和端口3之间下一个上升沿移相比预测值
Figure BDA0001841383410000041
步骤7、按如下方式获得下降沿移相比的预测值：
分别由式(7)和式(8)表征第n+1个开关周期的零点时刻端口1电感电流参考值
Figure BDA0001841383410000042
和端口3电感电流参考值
Figure BDA0001841383410000043
Figure BDA0001841383410000044
Figure BDA0001841383410000045
其中：
Figure BDA0001841383410000046
表示第n个开关周期端口1和端口3之间的下降沿移相比，
Figure BDA0001841383410000047
表示第n个开关周期端口2和端口3之间的下降沿移相比；
利用式(7)和式(8)得到式(9)：
Figure BDA0001841383410000048
由式(9)得到由式(10)表征的下降沿移相比的预测递推表达式：
Figure BDA0001841383410000049
利用式(10)计算获得用于更新的第n个开关周期端口1和端口3之间的下降沿移相比
Figure BDA00018413834100000410
作为端口1和端口3之间下一个下降沿移相比预测值
Figure BDA00018413834100000411
以及用于更新的第n个开关周期端口2和端口3之间的下降沿移相比
Figure BDA00018413834100000412
作为端口2和端口3之间下一个下降沿移相比预测值
Figure BDA00018413834100000413
本发明三端口变换器半开关周期采样的预测电流移相控制方法的特点也在于：按式(11)、式(12)和式(13)计算获得一个开关周期中不同状态下端口1电感电流斜率mx和端口3电感电流斜率nx，x＝1,2,3：
Figure BDA00018413834100000414
Figure BDA0001841383410000051
Figure BDA0001841383410000052
其中：
V1、V2和V3分别为端口1电压VL1、端口2电压VL2和端口3电压VL3折算至端口3的电压值，V1＝VL1/N1，V2＝VL2/N2，V3＝VL3，
端口1、端口2和端口3之间的变压器绕组变比为N1:N2:1，
L12、L13、L23分别为△型变换后的等效电感，L12＝LP/L3，L13＝LP/L2，L23＝LP/L1，
LP＝L1L2+L1L3+L2L3，
L1、L2和L3分别为端口1电感LL1、端口2电感LL2和端口3电感LL3折算至端口3的电感值，L1＝LL1/N1 2，L2＝LL2/N2 2，L3＝LL3；
本发明三端口变换器半开关周期采样的预测电流移相控制方法的特点也在于按如下方式消除电感电流中出现的直流分量：
步骤3.1、将端口3第n-1个开关周期的中点时刻记为a时刻，将端口3第n个开关周期的中点时刻记为c时刻，假定在a时刻端口1电感电流中存在有直流分量
Figure BDA0001841383410000053
采样获得a时刻端口1电感电流
Figure BDA0001841383410000054
根据电感电流纹波法，按式(15)计算获得c时刻端口1电感电流
Figure BDA0001841383410000055
其中：
Figure BDA0001841383410000056
Figure BDA0001841383410000057
步骤3.2、将由式(5)所表征的上升沿移相比预测递推表达式引入式(14)式(15)，计算得到：
Figure BDA0001841383410000058
是指a时刻出现的直流分量在c时刻被消除，电感电流值恢复到参考值；
步骤3.3、将端口3第n个开关周期的零点时刻记为b时刻，将端口3第n+1个开关周期的零点时刻记为d时刻，假定在b时刻端口1电感电流中存在有直流分量
Figure BDA0001841383410000059
采样获得b时刻端口1电感电流
Figure BDA00018413834100000510
根据电感电流纹波法，按式(17)计算获得d时刻端口1电感电流
Figure BDA0001841383410000061
其中：
Figure BDA0001841383410000062
Figure BDA0001841383410000063
步骤3.4、将由式(10)表征的下降沿移相比预测递推表达式引入式(16)式(17)，计算得到：
Figure BDA0001841383410000064
是指b时刻出现的直流分量在d时刻被消除，电感电流值恢复到参考值。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明采用移相比预测控制器替换内环PI控制器，根据电感电流采样值和电感电流参考值预测变换器上升沿移相比和下降沿移相比，可在一个开关周期内消除电感电流的直流分量，具有快速的动态响应性能和鲁棒性能；
2、本发明中电感电流采样时刻位于驱动信号的中点时刻，避免了电感电流在采样过程产生的额外误差，减小开关管开通和关断时刻产生的高频电流对采样造成的干扰。
附图说明
图1为本发明中三端口变换器主电路拓扑结构；
图2a三端口变换器Y型等效变换；
图2b为三端口变换器△型等效变换；
图3为本发明中半开关周期采样预测电流移相控制示意图；
图4为本发明中半开关周期采样预测电流移相控制消除直流分量示意图；
图5为本发明中三端口变换器闭环控制方法；
图6为稳态时三端口变换器各端口电压和电感电流仿真波形；
图7为工况1下三端口变换器各端口电压和电感电流仿真波形；
图8为工况2下三端口变换器各端口电压和电感电流仿真波形。
具体实施方式
图1所示为本实施例中三端口变换器主电路拓扑结构，其端口1为可再生能源，端口2为能量存储装置，端口3为直流母线，连接负载，其中负载为广义负载，可以为具有阻容感性结构，也可为三相交流电网或直流微网。
本实施例中三端口变换器采用移相控制，其端口1、端口2和端口3均为全桥电路，三端口变换器包括端口1电感LL1、端口2电感LL2、端口3电感LL3，以及三绕组变压器。
本实施例中三端口变换器半开关周期采样的预测电流移相控制方法按如下步骤进行：
步骤1、定义三端口变换器移相比：
设置端口3驱动信号是开关频率为fs、占空比为50％的方波信号，以端口3驱动信号作为参考信号，端口1驱动信号超前端口3驱动信号的时间为d1Ths，端口1和端口3之间的移相比为d1；端口2驱动信号超前端口3驱动信号的时间为d2Ths，端口2和端口3之间的移相比为d2；且0<d1<0.5、0<d2<0.5，Ts为驱动信号开关周期，Ths＝0.5Ts，fs＝1/Ts；
定义：端口电压从负值变为正值时定义为上升沿，端口电压从正值变为负值为下降沿。
步骤2、按式(1)定义三端口变换器一个开关周期中不同状态下端口1电感电流斜率mx和端口3电感电流斜率nx，x＝1,2,3：
Figure BDA0001841383410000071
其中：VL1为端口1全桥电路输出电压，VL2为端口2全桥电路输出电压，VL3为端口3全桥电路输出电压。
步骤3、图5示出了本实施例中三端口变换器闭环控制方法，按如下方式获得电感电流参考值：
设置端口1为恒定功率输出，根据端口1功率参考值P1ref和端口1实际功率P1生成功率误差信号ΔP1，ΔP1＝P1ref-P1，将功率误差信号ΔP1经过功率环PI控制器和功率环限幅环节生成端口1电感电流参考值iL1ref；
设置端口3为恒定电压输出，根据端口3电压参考值VL3ref和端口3实际电压VL3生成电压误差信号ΔVL3，ΔVL3＝VL3ref-VL3，将电压误差信号ΔVL3经过电压环PI控制器和电压环限幅环节生成端口3电感电流参考值iL3ref。
步骤4、图3示出了本实施例中半开关周期采样预测电流移相控制示意图，按如下方式实现半开关周期采样预测电流移相控制：
在端口3每个开关周期的中点时刻采样获得端口1电感电流iL1samp和端口3电感电流iL3samp，设定：在端口3的下一个开关周期中点时刻，端口1电感电流值达到端口1电感电流参考值iL1ref，端口3电感电流值达到端口3电感电流参考值iL3ref，采用电流纹波法计算获得端口1和端口3之间下一个上升沿移相比预测值
Figure BDA0001841383410000072
利用上升沿移相比预测值
Figure BDA0001841383410000073
在端口3下一个开关周期零点时刻更新端口1和端口3之间上升沿移相比；采用电流纹波法计算获得端口2和端口3之间下一个上升沿移相比预测值
Figure BDA0001841383410000081
利用上升沿移相比预测值
Figure BDA0001841383410000082
在端口3下一个开关周期零点时刻更新端口2和端口3之间上升沿移相比。
在端口3的每个开关周期的零点时刻采样获得端口1电感电流iL1samv和端口3电感电流iL3samv，设定：在端口3的下一个开关周期零点时刻，端口1电感电流值达到端口1电感电流参考值负值-iL1ref，端口3电感电流值达到端口3电感电流参考值负值-iL3ref，采用电流纹波法计算获得端口1和端口3之间下一个下降沿移相比预测值
Figure BDA0001841383410000083
利用下降沿移相比预测值
Figure BDA0001841383410000084
在端口3本开关周期中点时刻更新端口1和端口3之间下降沿移相比；采用电流纹波法计算获得端口2和端口3之间下一个下降沿移相比预测值
Figure BDA0001841383410000085
利用下降沿移相比预测值
Figure BDA0001841383410000086
在端口3本开关周期中点时刻更新端口2和端口3之间下降沿移相比。
步骤5、采样端口1和端口3的电感电流：
在端口3第n-1个开关周期的中点时刻设置采样中断，分别获得第n-1个开关周期的中点时刻端口1电感电流
Figure BDA0001841383410000087
和端口3电感电流
Figure BDA0001841383410000088
在端口3第n个开关周期的零点时刻设置采样中断，分别获得第n个开关周期的零点时刻端口1电感电流
Figure BDA0001841383410000089
和端口3电感电流
Figure BDA00018413834100000810
步骤6、按如下方式获得上升沿移相比的预测值：
分别由式(2)和式(3)表征第n个开关周期的中点时刻端口1电感电流参考值
Figure BDA00018413834100000811
和端口3电感电流参考值
Figure BDA00018413834100000812
端口1和端口3每个开关周期零点时刻和中点时刻的电流参考值是同一个值，只有正负的区分，端口1和端口3不同开关周期内的电流参考值不同，这里用下标n表示区分；
Figure BDA00018413834100000813
Figure BDA00018413834100000814
其中：
Figure BDA00018413834100000815
为第n-1个开关周期端口1和端口3之间的下降沿移相比，
Figure BDA00018413834100000816
为第n-1个开关周期端口2和端口3之间的下降沿移相比，
Figure BDA00018413834100000817
为第n个开关周期端口1和端口3之间的上升沿移相比，
Figure BDA00018413834100000818
为第n个开关周期端口2和端口3之间的上升沿移相比，
利用式(2)和式(3)得到式(4)：
Figure BDA0001841383410000091
由式(4)得到由式(5)所表征的上升沿移相比的预测递推表达式：
Figure BDA0001841383410000092
其中，det＝(m2-m1)(n3-n2)+(m2-m3)(n2-n1) (6)，
利用式(5)计算获得用于更新的第n个开关周期端口1和端口3之间的上升沿移相比
Figure BDA0001841383410000093
作为端口1和端口3之间下一个上升沿移相比预测值
Figure BDA0001841383410000094
以及用于更新的第n个开关周期端口2和端口3之间的上升沿移相比
Figure BDA0001841383410000095
作为端口2和端口3之间下一个上升沿移相比预测值
Figure BDA0001841383410000096
步骤7、按如下方式获得下降沿移相比的预测值：
分别由式(7)和式(8)表征第n+1个开关周期的零点时刻端口1电感电流参考值
Figure BDA0001841383410000097
和端口3电感电流参考值
Figure BDA0001841383410000098
Figure BDA0001841383410000099
Figure BDA00018413834100000910
其中：
Figure BDA00018413834100000911
表示第n个开关周期端口1和端口3之间的下降沿移相比，
Figure BDA00018413834100000912
表示第n个开关周期端口2和端口3之间的下降沿移相比；
利用式(7)和式(8)得到式(9)：
Figure BDA00018413834100000913
由式(9)得到由式(10)表征的下降沿移相比的预测递推表达式：
Figure BDA0001841383410000101
利用式(10)计算获得用于更新的第n个开关周期端口1和端口3之间的下降沿移相比
Figure BDA0001841383410000102
作为端口1和端口3之间下一个下降沿移相比预测值
Figure BDA0001841383410000103
以及用于更新的第n个开关周期端口2和端口3之间的下降沿移相比
Figure BDA0001841383410000104
作为端口2和端口3之间下一个下降沿移相比预测值
Figure BDA0001841383410000105
式(5)和式(10)分别为半开关周期采样模式下上升沿和下降沿移相比预测递推表达式，mx和nx均为变换器电路参数表达式，移相比的变化量仅与参考值和采样值有关。当检测到电流采样值发生扰动，在半个开关周期内完成预测移相比计算，在一个开关周期内完成调整，使电流恢复参考值。
具体实施中，按式(11)、式(12)和式(13)计算获得一个开关周期中不同状态下端口1电感电流斜率mx和端口3电感电流斜率nx，x＝1,2,3：
Figure BDA0001841383410000106
Figure BDA0001841383410000107
Figure BDA0001841383410000108
其中：
V1、V2和V3分别为端口1电压VL1、端口2电压VL2和端口3电压VL3折算至端口3的电压值，V1＝VL1/N1，V2＝VL2/N2，V3＝VL3，
三绕组变压器为理想变压器，忽略变压器励磁电感，将端口3绕组归一化为1，端口1、端口2和端口3之间的变压器绕组变比为N1:N2:1；对三绕组变压器和电感组成的网络结构进行Y-△型变换，图2a所示为本实施例中三端口变换器Y型等效变换，图2b所示为本实施例中三端口变换器△型等效变换，L12、L13、L23分别为△型变换后的等效电感：
L12＝LP/L3，L13＝LP/L2，L23＝LP/L1，LP＝L1L2+L1L3+L2L3，
L1、L2和L3分别为端口1电感LL1、端口2电感LL2和端口3电感LL3折算至端口3的电感值，L1＝LL1/N1 2，L2＝LL2/N2 2，L3＝LL3。
图4所示为本实施例中半开关周期采样预测电流移相控制消除直流分量示意图，按如下方式消除电感电流中出现的直流分量：
步骤3.1、将端口3第n-1个开关周期的中点时刻记为a时刻，将端口3第n个开关周期的中点时刻记为c时刻，假定在a时刻端口1电感电流中存在有直流分量
Figure BDA0001841383410000111
采样获得a时刻端口1电感电流
Figure BDA0001841383410000112
根据电感电流纹波法，按式(15)计算获得c时刻端口1电感电流
Figure BDA0001841383410000113
其中：
Figure BDA0001841383410000114
Figure BDA0001841383410000115
步骤3.2、将由式(5)所表征的上升沿移相比预测递推表达式引入式(14)式(15)，计算得到：
Figure BDA0001841383410000116
是指a时刻出现的直流分量在c时刻被消除，电感电流值恢复到参考值。
步骤3.3、将端口3第n个开关周期的零点时刻记为b时刻，将端口3第n+1个开关周期的零点时刻记为d时刻，假定在b时刻端口1电感电流中存在有直流分量
Figure BDA0001841383410000117
采样获得b时刻端口1电感电流
Figure BDA0001841383410000118
根据电感电流纹波法，按式(17)计算获得d时刻端口1电感电流
Figure BDA0001841383410000119
其中：
Figure BDA00018413834100001110
Figure BDA00018413834100001111
步骤3.4、将由式(10)表征的下降沿移相比预测递推表达式引入式(16)式(17)，计算得到：
Figure BDA00018413834100001112
是指b时刻出现的直流分量在d时刻被消除，电感电流值恢复到参考值。
通过上述理论分析可知，本实施例中基于半开关周期采样的预测移相电流控制方法可在一个开关周期内消除电感电流中的直流分量。
消除端口3电感电流中直流分量的过程与上述消除端口1电感电流中直流分量的过程相同。根据基尔霍夫电流定律，当端口1和端口3电感电流处于平衡时，端口2电感电流中直流分量也已被消除，变换器实现稳定运行。
为验证本发明的可行性，借助Matlab/similink仿真软件，设定端口1为恒定功率输出，端口3为恒定电压输出，通过稳态时变换器各端口电压和电感电流输出情况，对本实施例中三端口变换器闭环控制方案进行验证。同时根据变换器不同工况下参考值突变仿真，验证本实施例中预测电流移相控制方法的有效性。设计本实施例中三端口变换器主要参数如表1所示。
表1三端口变换器主要参数
参数 符号 数值 单位
端口1电压 U<sub>1</sub> 200 V
端口2电压 U<sub>2</sub> 200 V
端口3电压 U<sub>3</sub> 300 V
端口1电感 L<sub>L1</sub> 80 uH
端口2电感 L<sub>L2</sub> 110 uH
端口3电感 L<sub>L3</sub> 150 uH
开关频率 f<sub>s</sub> 25k Hz
端口1变压器绕组等效匝数 N<sub>1</sub> 2/3 /
端口2变压器绕组等效匝数 N<sub>2</sub> 2/3 /
图6所示为稳态时三端口变换器各端口电压和电感电流仿真波形，由图中可以看出，端口1电感电流iL1很好的跟踪到电流参考值iL1ref，端口3电感电流iL3很好的跟踪到电流参考值iL3ref，且各端口电感电流中无直流分量存在，验证了本实施例中所提出的闭环控制方案的有效性。
为验证变换器的动态性能，设置两种工况下参考值突变仿真：工况1为t＝0.585s时，端口1电感电流参考值突增，端口3电感电流参考值突减；工况2为t＝0.59s时，端口1电感电流参考值突减，端口3电感电流参考值突增；
图7所示为工况1下三端口变换器各端口电压和电感电流仿真波形，图8所示为工况2下三端口变换器各端口电压和电感电流仿真波形。从图7和图8可以发现，变换器在参考值突变后的半个开关周期更新移相比预测值，电感电流只需1个开关周期即可完成调整，之后电感电流跟踪到新参考值。
本实施例中的半开关周期预测电流移相控制方法在参考值突变的过程中，无冲击电流存在，各端口电感电流均无直流分量产生，验证了本实施例中所提出的预测电流移相控制消除直流分量的有效性，变换器具有良好的暂态响应和抗扰动性能。

Claims (2)

1.一种三端口变换器半开关周期采样的预测电流移相控制方法，所述三端口变换器采用移相控制，其第一端口、第二端口和第三端口均为全桥电路，所述三端口变换器包括第一端口电感LL1、第二端口电感LL2、第三端口电感LL3，以及三绕组变压器；其特征是：所述三端口变换器半开关周期采样的预测电流移相控制方法按如下步骤进行：
步骤1、定义三端口变换器移相比：
设置第三端口驱动信号是开关频率为fs、占空比为50％的方波信号，以第三端口驱动信号作为参考信号，第一端口驱动信号超前第三端口驱动信号的时间为d1Ths，第一端口和第三端口之间的移相比为d1；第二端口驱动信号超前第三端口驱动信号的时间为d2Ths，第二端口和第三端口之间的移相比为d2；且0<d1<0.5、0<d2<0.5，Ts为驱动信号开关周期，Ths＝0.5Ts，fs＝1/Ts；
定义：端口电压从负值变为正值时定义为上升沿，端口电压从正值变为负值为下降沿；
步骤2、按式(1)定义三端口变换器一个开关周期中不同状态下第一端口电感电流斜率mx和第三端口电感电流斜率nx，x＝1,2,3：
Figure FDA0002551760270000011
其中：VL1为第一端口电感电压，VL2为第二端口电感电压，VL3为第三端口电感电压；
步骤3、按如下方式获得电感电流参考值：
设置第一端口为恒定功率输出，根据第一端口功率参考值P1ref和第一端口实际功率P1生成功率误差信号ΔP1，ΔP1＝P1ref-P1，将所述功率误差信号ΔP1经过功率环PI控制器和功率环限幅环节生成第一端口电感电流参考值iL1ref；
设置第三端口为恒定电压输出，根据第三端口电压参考值VL3ref和第三端口电感电压VL3生成电压误差信号ΔVL3，ΔVL3＝VL3ref-VL3，将所述电压误差信号ΔVL3经过电压环PI控制器和电压环限幅环节生成第三端口电感电流参考值iL3ref；
步骤4、按如下方式实现半开关周期采样预测电流移相控制：
在第三端口每个开关周期的中点时刻采样获得第一端口电感电流iL1samp和第三端口电感电流iL3samp，设定：在第三端口的下一个开关周期中点时刻，第一端口电感电流值达到第一端口电感电流参考值iL1ref，第三端口电感电流值达到第三端口电感电流参考值iL3ref，采用电流纹波法计算获得第一端口和第三端口之间下一个上升沿移相比预测值
Figure FDA0002551760270000023
利用所述上升沿移相比预测值
Figure FDA0002551760270000024
在第三端口下一个开关周期零点时刻更新第一端口和第三端口之间上升沿移相比；采用电流纹波法计算获得第二端口和第三端口之间下一个上升沿移相比预测值
Figure FDA0002551760270000025
利用所述上升沿移相比预测值
Figure FDA0002551760270000026
在第三端口下一个开关周期零点时刻更新第二端口和第三端口之间上升沿移相比；
在第三端口的每个开关周期的零点时刻采样获得第一端口电感电流iL1samv和第三端口电感电流iL3samv，设定：在第三端口的下一个开关周期零点时刻，第一端口电感电流值达到第一端口电感电流参考值负值-iL1ref，第三端口电感电流值达到第三端口电感电流参考值负值-iL3ref，采用电流纹波法计算获得第一端口和第三端口之间下一个下降沿移相比预测值
Figure FDA0002551760270000027
利用所述下降沿移相比预测值
Figure FDA0002551760270000028
在第三端口本开关周期中点时刻更新第一端口和第三端口之间下降沿移相比；采用电流纹波法计算获得第二端口和第三端口之间下一个下降沿移相比预测值
Figure FDA0002551760270000029
利用所述下降沿移相比预测值
Figure FDA00025517602700000210
在第三端口本开关周期中点时刻更新第二端口和第三端口之间下降沿移相比；
步骤5、采样第一端口和第三端口的电感电流：
在第三端口第n-1个开关周期的中点时刻设置采样中断，分别获得第n-1个开关周期的中点时刻第一端口电感电流
Figure FDA00025517602700000211
和第三端口电感电流
Figure FDA00025517602700000212
在第三端口第n个开关周期的零点时刻设置采样中断，分别获得第n个开关周期的零点时刻第一端口电感电流
Figure FDA00025517602700000213
和第三端口电感电流
Figure FDA00025517602700000214
步骤6、按如下方式获得上升沿移相比的预测值：
分别由式(2)和式(3)表征第n个开关周期的中点时刻第一端口电感电流参考值
Figure FDA00025517602700000215
和第三端口电感电流参考值
Figure FDA00025517602700000216
Figure FDA0002551760270000021
Figure FDA0002551760270000022
其中：
Figure FDA00025517602700000217
为第n-1个开关周期第一端口和第三端口之间的下降沿移相比，
Figure FDA00025517602700000218
为第n-1个开关周期第二端口和第三端口之间的下降沿移相比，
Figure FDA00025517602700000219
为第n个开关周期第一端口和第三端口之间的上升沿移相比，
Figure FDA0002551760270000036
为第n个开关周期第二端口和第三端口之间的上升沿移相比，
利用式(2)和式(3)得到式(4)：
Figure FDA0002551760270000031
由式(4)得到由式(5)所表征的上升沿移相比的预测递推表达式：
Figure FDA0002551760270000032
其中，det＝(m2-m1)(n3-n2)+(m2-m3)(n2-n1) (6)
利用式(5)计算获得用于更新的第n个开关周期第一端口和第三端口之间的上升沿移相比
Figure FDA0002551760270000037
作为第一端口和第三端口之间下一个上升沿移相比预测值
Figure FDA0002551760270000038
以及用于更新的第n个开关周期第二端口和第三端口之间的上升沿移相比
Figure FDA0002551760270000039
作为第二端口和第三端口之间下一个上升沿移相比预测值
Figure FDA00025517602700000310
步骤7、按如下方式获得下降沿移相比的预测值：
分别由式(7)和式(8)表征第n+1个开关周期的零点时刻第一端口电感电流参考值
Figure FDA00025517602700000311
和第三端口电感电流参考值
Figure FDA00025517602700000312
Figure FDA0002551760270000033
Figure FDA0002551760270000034
其中：
Figure FDA00025517602700000313
表示第n个开关周期第一端口和第三端口之间的下降沿移相比，
Figure FDA00025517602700000314
表示第n个开关周期第二端口和第三端口之间的下降沿移相比；
利用式(7)和式(8)得到式(9)：
Figure FDA0002551760270000035
由式(9)得到由式(10)表征的下降沿移相比的预测递推表达式：
Figure FDA0002551760270000041
利用式(10)计算获得用于更新的第n个开关周期第一端口和第三端口之间的下降沿移相比
Figure FDA0002551760270000045
作为第一端口和第三端口之间下一个下降沿移相比预测值
Figure FDA0002551760270000046
以及用于更新的第n个开关周期第二端口和第三端口之间的下降沿移相比
Figure FDA0002551760270000047
作为第二端口和第三端口之间下一个下降沿移相比预测值
Figure FDA0002551760270000048
2.根据权利要求1所述的三端口变换器半开关周期采样的预测电流移相控制方法，其特征是按式(11)、式(12)和式(13)计算获得一个开关周期中不同状态下第一端口电感电流斜率mx和第三端口电感电流斜率nx，x＝1,2,3：
Figure FDA0002551760270000042
Figure FDA0002551760270000043
Figure FDA0002551760270000044
其中：
V1、V2和V3分别为第一端口电感电压VL1、第二端口电感电压VL2和第三端口电感电压VL3折算至第三端口的电压值，V1＝VL1/N1，V2＝VL2/N2，V3＝VL3，
第一端口、第二端口和第三端口之间的变压器绕组变比为N1:N2:1，
对于三端口变换器的△型等效变换，L12、L13、L23分别为△型变换后的等效电感：
L12＝LP/L3，L13＝LP/L2，L23＝LP/L1，LP＝L1L2+L1L3+L2L3，
L1、L2和L3分别为第一端口电感LL1、第二端口电感LL2和第三端口电感LL3折算至第三端口的电感值，L1＝LL1/N1 2，L2＝LL2/N2 2，L3＝LL3。
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