CN109639147A - 高频隔离谐振型直流变压器的多时间尺度频率调节方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高频隔离谐振型直流变压器的多时间尺度频率调节方法，具体包括如下步骤：建立高频谐振型直流变压器电路等效模型；计算传输功率对应的谐振角频率ωr，并确定ωs(0)；实时采集j时刻负载电流IH，计算负载功率值Pj；判断负载功率值Pj与上一时刻负载功率值Pj‑1的功率变化范围；当进行短时间尺度的频率调节时，跟踪控制目标，直到负载功率Pj稳定，得出j时刻的开关频率fs(j)；当进行长时间尺度的频率调节时，j时刻的开关频率fs(j)等于上一时刻开关频率；开关频率fs(j)，输送给变换器的驱动电路，使整个电路正常工作；本发明可以使高频隔离谐振型直流变压器采用最短的调节时间，实现整个系统的优化运行。

Description

高频隔离谐振型直流变压器的多时间尺度频率调节方法
技术领域
本发明属于配电控制方法技术领域，涉及一种高频隔离谐振型直流变压器的多时间尺度频率调节方法。
背景技术
随着智能电网发展，传统变压器逐渐不能满足电网的需求。由于电力电子技术与大功率电力电子器件的飞速发展，通过电力电子变换技术实现电压变换和能量传递的新型变压器—直流变压器(DCT)得到了越来越多的关注。通过对其一次侧和二次侧的电压幅值和相位进行实时控制，达到对电力系统电压、电流及功率灵活调节的目的，不仅可以完成传统变压器的传输功能，而且还提高了系统的稳定性和输电方式的灵活性，无需变压器油和额外的保护装置，不会对环境造成污染。
现有的高频直流变压器结构中主要分为非谐振型直流变压器以及谐振型直流变压器(Resonant DC Transformer,RDCT)两种。高频非谐振型直流变压器主要是控制变压器漏感两端方波电压的相位来控制传递能量的大小和方向，输入侧和输出侧的全桥电路拓扑结构能够在一定条件下实现零电压开通，但是其电感电流呈三角波或者是梯形波状，变压器涡流损耗较大，开关管关断电流大，电磁干扰也较大。其引入的软开关电路分析和设计较为复杂，常需要引入闭环控制用以提高系统的传输效率，配合附加电路实现软开关。当开关频率增大到一定程度时，这种方式无疑加重了处理器的负担，增加了成本且较难实现。高频谐振型直流变压器通过在变压器原副边引入谐振网络，其电流波形接近于正弦波，减少了高频变压器的涡流损耗。高频谐振型直流变压器具有自然软开关特性，可在较宽的输入电压和全负载范围实现零电压开通(zero voltage switching,ZVS)和零电流关断(zerocurrent switching,ZCS)。
高频谐振型直流变压器的控制方式可分为移相控制和变频控制。移相控制通过控制移相角来改变电感上的电压进而实现对传输功率和方向的调节；变频控制通常可分为开环控制方式和闭环控制方式。
开环控制简单易于实现，适用于高频场合，有助于功率密度的进一步提升。问题在于过渡依赖于参数，所以参数设计较为繁琐。采用定频的开环控制很难保证在全功率范围内处于最优的状态。因为随着功率的变化，谐振频率也会随着变化，进而开关频率也会偏离谐振频率，影响谐振模型功率因数，增加传输损耗，降低系统效率。
闭环控制对参数依赖性弱，参数设计简单，可在不同工况下跟踪控制目标。问题在于控制过于繁琐，在频率进一步提升的工况下，无法在有限时间内执行完程序，引发误操作等危及设备及人身财产安全的问题。
高频谐振型直流变压器根据其谐振网络可分为LC型，LLC型，CLLC型。由于CLLC谐振型直流变压器具有对称的拓扑结构，有效保证了功率双向传输时的电压增益对称，因此得到了广泛的应用。文献(Jingjing Huang,Xin Zhang,et al.,"Robust CircuitParameters Design for the CLLC-Type DC Transformer in the Hybrid AC/DCMicrogrid,"in IEEE Transactions on Industrial Electronics)提出了一种电路参数设计方法，使CLLC谐振型直流变压器工作在谐振频率附近，使其保持稳定的传输增益。但在CLLC谐振型直流变压器传输不同功率时，谐振频率将会发生变换，因此造成了非额定功率运行下损耗较大，效率较低的问题。
综上所述，由于传统交流变压器的固有缺点，直流变压器正在被广泛研究和推广使用。其中，CLLC谐振型直流变压器由于其高功率密度、高效率、体积小及具备双向传输等优点，成为了国内外学者研究的热点领域，同时也正在直流配电系统、充电桩中逐步推广使用。对于控制方式而言，一方面，如果传输功率变化较小，谐振点相对稳定，如需要提高功率因数，开环定频控制即可满足要求。如果仍采用闭环控制，不仅增加了处理器负担，也可能因为外部干扰带来部分稳定性问题。另一方面，如果传输功率发生较大变化，谐振点可能会出现明显偏移，此时尽量采用闭环调节调整开关频率来维持高功率因数或者期望增益。因此，实际中仅在发生大的功率变化时才需要进行频率调整，否则开环即可满足要求。但是，现有的闭环和开环控制并未综合考虑谐振DCT的固有电路特性，难以实现处理器速度和系统性能的同步提升。
发明内容
本发明的目的是提供一种高频隔离谐振型直流变压器的多时间尺度频率调节方法，该方法可以使高频隔离谐振型直流变压器采用最短的调节时间，最简单的调节程序，实现整个系统的优化运行，最大限度缓解处理器负担，适应高频工作条件。
本发明所采用的技术方案是，高频隔离谐振型直流变压器的多时间尺度频率调节方法，具体包括如下步骤：
步骤1，已知高频谐振型直流变压器高压侧和低压侧的谐振电感分别为Lr1和Lr2、励磁电感分别为Lm1和Lm2以及谐振电容Cr1和Cr2，建立高频谐振型直流变压器电路等效模型；
步骤2，根据步骤1建立的高频谐振型直流变压器电路等效模型，计算传输功率对应的谐振角频率ωr，并根据谐振角频率ωr确定初始开关角频率ωs(0)；
步骤3，实时采集j时刻负载电流IH，根据负载电流计算出每一时刻的负载功率值Pj；
步骤4，判断负载功率值Pj与上一时刻负载功率值Pj-1的功率变化范围；根据判断结果，进行相应的长时间尺度频率调节或者短时间尺度的频率调节；
步骤5，当经步骤4判断后进行短时间尺度频率调节时，跟踪控制目标，直到负载功率Pj稳定，得出j时刻的开关频率fs(j)；
步骤6，当经步骤4判断后进行长时间尺度频率调节，j时刻的开关频率fs(j)等于上一时刻开关频率；
步骤7，将步骤5或者步骤6得到的j时刻开关频率fs(j)，采用50％占空比定频控制，输送给高频谐振型直流变压器的驱动电路，使整个高频谐振型直流变压器电路正常工作；
步骤8，循环执行步骤3-步骤7，直至高频谐振型直流变压器电路停止工作。
本发明的特点还在于，
步骤2的具体过程如下：
步骤2.1，计算高频谐振型直流变压器的等效电阻Req和电抗Xeq；当变压器的功率由低压侧传输至高压侧时，根据戴维南等效定理，根据如下公式(1)计算电抗Xeq：
根据如下公式(2)计算电抗Xeq：
其中，
g＝n2Cr2/Cr1，k＝Lm1/Lr1＝Lm2/Lr2 (5)；
σ1＝g2(1+k)(1+2k) (6)；
上式中，ωs为开关角频率，RH为等效负载，n为变压器变比，Q1为谐振回路的品质因数；为了使高频谐振型直流变压器在开环状态下仍然保持稳定的传输增益，取k>20；
步骤2.2，以消除无功损耗为目标，计算谐振角频率ωr；
为消除无功损耗，等效电抗Xeq应该为零，即
当开关角频率ωs与谐振角频率ωr相等时，式(9)成立，所以根据盛金公式求取式(9)的解，定义下式：
B＝σ2σ3+9σ1 (11)；
Δ＝B2－4AC (13)；
根据式(10)～(13)可以推导出式(9)的解如下：
若Δ＝B2－4AC<0,则谐振角频率ωr为
其中，
θ＝arccosT,-1<T<1，且若Δ＝B2－4AC＝0，则谐振角频率ωr为
其中，
若A＝B＝C＝0，则谐振角频率ωr为：
其中，
若Δ＝B2－4AC>0，则谐振角频率ωr为：
其中，
所得到的谐振角频率ωr即为初始开关角频率ωs(0)。
步骤3的具体过程如下：
步骤3中j时刻负载功率值Pj的计算公式如下：
Pj＝VH×IH (25)；
其中，VH为高压侧输入端的直流电压。
步骤4的具体过程如下：
若Pj∈[1-Θ,1+Θ]Pj-1，采用长时间尺度频率调节，并跳过步骤5，执行步骤6；
若采用短时间尺度频率调节，执行步骤5；
其中，Θ为允许的功率波动分量占比。
步骤5的具体过程如下：
判断变压器高压侧输入端的直流电压VH是否在给定额定电压V* H变化范围内，判断方法如下：
当|VH(j)-V* H|<ΔVH时，得出电压变化已经达到稳定，跳出步骤5，执行步骤6；
当|VH(j)-V* H|>ΔVH时，得出电压变化范围较大，触发短时间尺度的频率调节，使负载功率Pj趋于稳定，并跳过步骤6，执行步骤7；
其中，V* H为额定输出电压，VH(j)为j时刻的高压侧输入端的直流电压，ΔVH为允许电压波动的阈值。
短时间尺度的频率调节过程如下：
根据式(1)～(13)可以推导谐振点个数：
Δ<0时，谐振点个数为3；
Δ＝0(A≠0)，谐振点个数为2；
A＝B＝C＝0，谐振点个数为1；
Δ>0，谐振点个数为1；
令
T＝sign[VH(j)-V* H] (26)；
其中T为取符变量；
当Δ≥0或Δ＜0且fs(j-1)≥frN时，则j时刻开关频率fs(j)为：
fs(j)＝fs(j-1)+TΔfs (27)；
当Δ＜0且fs(j-1)<frN时，则j时刻开关频率fs(j)为：
fs(j)＝fs(j-1)-TΔfs (28)；
其中，frN为额定功率时的谐振频率。
步骤6，当经步骤4判断后进行长时间尺度频率调节，j时刻的开关频率fs(j)等于上一时刻开关频率；如下公式所示：
fs(j)＝fs(j-1) (29)。
本发明的有益效果如下：
1)引入了不同时间尺度的功率触发机制，在传输功率不变的情况下采用长时间尺度的定频开环调节，最大限度缓解处理器负担，适应高频工作条件；在传输功率发生明显变化时，采用短时间尺度的频率调节，优化控制目标。
2)短时间尺度在线调整充分考虑了电路谐振点个数对增益调节趋势的影响，有力指导增益调节算法，使该调节过程简单且易于实现。
附图说明
图1是本发明高频隔离谐振型直流变压器的多时间尺度频率调节方法中建立的高频谐振型直流变压器电路等效模型图；
图2是本发明高频隔离谐振型直流变压器的多时间尺度频率调节方法中频率和增益的关系曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明高频隔离谐振型直流变压器的多时间尺度频率调节方法，具体包括如下步骤：
步骤1，已知高频谐振型直流变压器高压侧和低压侧的谐振电感分别为Lr1和Lr2、励磁电感分别为Lm1和Lm2以及谐振电容Cr1和Cr2，建立高频谐振型直流变压器电路等效模型，如图1所示；
步骤2，根据步骤1建立的高频谐振型直流变压器电路等效模型，计算传输功率对应的谐振角频率ωr，并根据谐振角频率ωr确定初始开关角频率ωs(0)；
步骤2的具体过程如下：
步骤2.1，计算高频谐振型直流变压器的等效电阻Req和电抗Xeq；
当变压器的功率由低压侧传输至高压侧时，根据戴维南等效定理，根据如下公式(1)计算电抗Xeq：
根据如下公式(2)计算电抗Xeq：
其中，
σ1＝g2(1+k)(1+2k) (6)；
上式中，ωs为开关角频率，RH为等效负载，n为变压器变比，Q1为谐振回路的品质因数；为了使高频谐振型直流变压器在开环状态下仍然保持稳定的传输增益，取k>20；
步骤2.2，以消除无功损耗为目标，计算谐振角频率ωr；
为消除无功损耗，等效电抗Xeq应该为零，即
当开关角频率ωs与谐振角频率ωr相等时，式(9)成立，所以根据盛金公式求取式(9)的解，定义下式：
B＝σ2σ3+9σ1 (11)；
Δ＝B2－4AC (13)；
根据式(10)～(13)可以推导出式(9)的解如下：
若Δ＝B2－4AC<0,则谐振角频率ωr为
其中，
θ＝arccosT,-1<T<1，且
若Δ＝B2－4AC＝0，则谐振角频率ωr为
其中，
若A＝B＝C＝0，则谐振角频率ωr为：
其中，
若Δ＝B2－4AC>0，则谐振角频率ωr为：
其中，
所得到的谐振角频率ωr即为初始开关角频率ωs(0)。
步骤3，实时采集j时刻负载电流IH，根据负载电流计算出每一时刻的负载功率值Pj；
步骤3的具体过程如下：
步骤3中j时刻负载功率值Pj的计算公式如下：
Pj＝VH×IH (25)；
其中，VH为高压侧输入端的直流电压。
步骤4，判断负载功率值Pj与上一时刻负载功率值Pj-1的功率变化范围；根据判断结果，进行相应的长时间尺度频率调节或者短时间尺度的频率调节；
步骤4的具体过程如下：
若Pj∈[1-Θ,1+Θ]Pj-1，采用长时间尺度频率调节，并跳过步骤5，执行步骤6；
若采用短时间尺度频率调节，执行步骤5；
其中，Θ为允许的功率波动分量占比。
步骤5，当经步骤4判断后进行短时间尺度频率调节时，跟踪控制目标，直到负载功率Pj稳定，得出j时刻的开关频率fs(j)；
步骤5的具体过程如下：
判断变压器高压侧输入端的直流电压VH是否在给定额定电压V* H变化范围内，判断方法如下：
当|VH(j)-V* H|<ΔVH时，得出电压变化已经达到稳定，跳出步骤5，执行步骤6；
当|VH(j)-V* H|>ΔVH时，得出电压变化范围较大，触发短时间尺度的频率调节，使负载功率Pj趋于稳定，并跳过步骤6，执行步骤7；
其中，V* H为额定输出电压，VH(j)为j时刻的高压侧输入端的直流电压，ΔVH为允许电压波动的阈值；
短时间尺度的频率增益调节过程如下：
根据式(1)～(13)可以推导谐振点个数：
Δ<0时，谐振点个数为3；
Δ＝0(A≠0)，谐振点个数为2；
A＝B＝C＝0，谐振点个数为1；
Δ>0，谐振点个数为1；
令
T＝sign[VH(j)-V* H] (26)；
其中T为取符变量；
当Δ≥0或Δ＜0且fs(j-1)≥frN时，则j时刻开关频率fs(j)为：
fs(j)＝fs(j-1)+TΔfs (27)；
当Δ＜0且fs(j-1)<frN时，则j时刻开关频率fs(j)为：
fs(j)＝fs(j-1)-TΔfs (28)；
其中，frN为额定功率时的谐振频率。
Δ用来判断谐振点的个数，主要在于谐振点个数与增益特性有关，可用于简化程序，原因如下：对于图2所示的频率和增益关系图。B点一般为系统工作点，如果只有一个谐振点(即图中l1)，则在B点附近，频率增加，增益减小；如果有多个谐振点(图中l2)，B点对应的谐振频率为额定功率时的谐振频率frN，所以如果上一个周期的开关频率fs大于frN，则频率增加增益减小；如果fs小于frN，则频率增加增益增加。
步骤6，当经步骤4判断后进行长时间尺度频率调节，j时刻的开关频率fs(j)等于上一时刻开关频率；如下公式所示：
fs(j)＝fs(j-1) (29)；
其中，当j＝1时，fs(1)＝1/ωs(0)。
步骤7，将步骤5或者步骤6得到的j时刻开关频率fs(j)，采用50％占空比定频控制，输送给高频谐振型直流变压器的驱动电路，使整个高频谐振型直流变压器电路正常工作；
步骤8，循环执行步骤3-步骤7，直至高频谐振型直流变压器电路停止工作。
由于本发明将多时间尺度控制的思想应用到CLLC谐振型直流变压器中，当传输功率发生变化时根据实时检测的负载电流值和对应的控制方式调节开关频率，使CLLC谐振型直流变压器在开环控制下仍具有稳定的传输增益。本发明控制方式简单且易于实现，对采样要求较低，当传输功率变化时，能够快速切换控制方式，在消除无功损耗的基础上维持稳定的电压增益，极大地减轻了控制系统的负担。

Claims (6)

1.高频隔离谐振型直流变压器的多时间尺度频率调节方法，其特征在于：具体包括如下步骤：
步骤1，已知高频谐振型直流变压器高压侧和低压侧的谐振电感分别为Lr1和Lr2、励磁电感分别为Lm1和Lm2以及谐振电容Cr1和Cr2，建立高频谐振型DC-DC变换器电路等效模型；
步骤2，根据步骤1建立的高频谐振型直流变压器电路等效模型，计算传输功率对应的谐振角频率ωr，并根据谐振角频率ωr确定初始开关角频率ωs(0)；
步骤3，实时采集j时刻负载电流IH，根据负载电流计算出每一时刻的负载功率值Pj；
步骤4，判断负载功率值Pj与上一时刻负载功率值Pj-1的功率变化范围；根据判断结果，进行相应的长时间尺度频率调节或者短时间尺度的频率调节；
步骤5，当经步骤4判断后进行短时间尺度频率调节时，跟踪控制目标，直到负载功率Pj稳定，得出j时刻的开关频率fs(j)；
步骤6，当经步骤4判断后进行长时间尺度频率调节，j时刻的开关频率fs(j)等于上一时刻开关频率；
步骤7，将步骤5或者步骤6得到的j时刻开关频率fs(j)，采用50％占空比定频控制，输送给高频谐振型直流变压器的驱动电路，使整个高频谐振型直流变压器电路正常工作；
步骤8，循环执行步骤3-步骤7，直至高频谐振型直流变压器电路停止工作。
2.根据权利要求1所述的高频隔离谐振型直流变压器的多时间尺度频率调节方法，其特征在于：所述步骤2的具体过程如下：
步骤2.1，计算高频谐振型直流变压器的等效电阻Req和电抗Xeq；
当变压器的功率由低压侧传输至高压侧时，根据戴维南等效定理，根据如下公式(1)计算电抗Xeq：
根据如下公式(2)计算电抗Xeq：
其中，
g＝n2Cr2/Cr1，k＝Lm1/Lr1＝Lm2/Lr2 (5)；
σ1＝g2(1+k)(1+2k) (6)；
上式中，ωs为开关角频率，RH为等效负载，n为变压器变比，Q1为谐振回路的品质因数；为了使高频谐振型直流变压器在开环状态下仍然保持稳定的传输增益，取k>20；
步骤2.2，以消除无功损耗为目标，计算谐振角频率ωr；
为消除无功损耗，等效电抗Xeq应该为零，即
当开关角频率ωs与谐振角频率ωr相等时，式(9)成立，所以根据盛金公式求取式(9)的解，定义下式：
B＝σ2σ3+9σ1 (11)；
Δ＝B2－4AC (13)；
根据式(10)～(13)可以推导出式(9)的解如下：
若Δ＝B2－4AC<0,则谐振角频率ωr为
其中，
若Δ＝B2－4AC＝0，则谐振角频率ωr为
其中，
若A＝B＝C＝0，则谐振角频率ωr为：
其中，
若Δ＝B2－4AC>0，则谐振角频率ωr为：
其中，
所得到的谐振角频率ωr即为初始开关角频率ωs(0)。
3.根据权利要求2所述的高频隔离谐振型直流变压器的多时间尺度频率调节方法，其特征在于：所述步骤3的具体过程如下：
步骤3中j时刻负载功率值Pj的计算公式如下：
Pj＝VH×IH (25)；
其中，VH为高压侧输入端的直流电压。
4.根据权利要求3所述的高频隔离谐振型直流变压器的多时间尺度频率调节方法，其特征在于：所述步骤4的具体过程如下：
若Pj∈[1-Θ,1+Θ]Pj-1，采用长时间尺度频率增益调节，并跳过步骤5，执行步骤6；
若采用短时间尺度频率增益调节，执行步骤5；
其中，Θ为允许的功率波动分量占比。
5.根据权利要求4所述的高频隔离谐振型直流变压器的多时间尺度频率调节方法，其特征在于：所述步骤5的具体过程如下：
判断变压器高压侧输入端的直流电压VH是否在给定额定电压V* H变化范围内，判断方法如下：
当|VH(j)-V* H|<ΔVH时，得出电压变化已经达到稳定，跳出步骤5，执行步骤6；
当|VH(j)-V* H|>ΔVH时，得出电压变化范围较大，触发短时间尺度的频率增益调节，使负载功率Pj趋于稳定，并跳过步骤6，执行步骤7；
其中，V* H为额定输出电压，VH(j)为j时刻的高压侧输入端的直流电压，ΔVH为允许电压波动的阈值；
短时间尺度的频率调节过程如下：
根据式(1)～(13)可以推导谐振点个数：
Δ<0时，谐振点个数为3；
Δ＝0(A≠0)，谐振点个数为2；
A＝B＝C＝0，谐振点个数为1；
Δ>0，谐振点个数为1；
令
T＝sign[VH(j)-V* H] (26)；
其中T为取符变量；
当Δ≥0或Δ＜0且fs(j-1)≥frN时，则j时刻开关频率fs(j)为：
fs(j)＝fs(j-1)+TΔfs (27)；
当Δ＜0且fs(j-1)<frN时，则j时刻开关频率fs(j)为：
fs(j)＝fs(j-1)-TΔfs (28)；
其中，frN为额定功率时的谐振频率。
6.根据权利要求5所述的高频隔离谐振型直流变压器的多时间尺度频率调节方法，其特征在于：
所述步骤6中，当经步骤4判断后进行长时间尺度频率调节，j时刻的开关频率fs(j)等于上一时刻开关频率；如下公式所示：
fs(j)＝fs(j-1) (29)。
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