CN109831099B - 应用于双向谐振式cllc电路的工作方向平滑切换控制方法 - Google Patents

应用于双向谐振式cllc电路的工作方向平滑切换控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种应用于双向谐振式CLLC电路的工作方向平滑切换控制方法，用于双向谐振式CLLC电路，包括以下步骤：步骤1：控制器检测当前电路状态，通过原边桥和副边桥控制双向谐振式CLLC电路正向工作状态运行；步骤2：在控制器接收到的外部传输的参考信号或控制器内部预设的参考信号为工作方向切换信号时，执行步骤3；步骤3：控制器进行变频控制，步骤4：控制器进行移相控制准备工作，控制器产生副边桥的驱动信号，步骤5：控制器进行移相控制，步骤6：电路工作状态切换至反向工作模式；本发明的控制方法结合了变频控制和移相控制，在没有增加多余硬件的条件下实现了传统变频控制所不能实现的双向谐振式CLLC电路的工作方向切换的功能。

Description

应用于双向谐振式CLLC电路的工作方向平滑切换控制方法
技术领域
本发明涉及一种应用于双向谐振式CLLC电路的工作方向平滑切换控制方法，涉及双向谐振式CLLC电路的运行模式控制，属于DCDC变换器应用领域，涉及电能双向流动，同时涉及了多个应用场合，特别是储能设备的调度管理，属于电力工业领域。
背景技术
能源互联网是电力产业的未来发展趋势，大规模的集中式新能源发电、分布式发电、电网的调频服务以及微型电网技术迅速发展，储能设备的需求巨大。在电力系统中增加储能设备可以平抑大规模新能源发电接入电网带来的波动性，将“刚性”的电力系统变成“柔性”的电力系统，提高电力系统运行时的安全性、经济性以及灵活性。
储能设备具有“源”、“荷”双重属性，而作为连接储能设备与电网的变换器同样需要具有双向工作的功能。目前主要的双向隔离电路有双向谐振式CLLC电路和双向有源桥两种。
双向谐振式CLLC电路具有高效率、高功率密度、宽电压输入范围等优点。但传统的双向谐振式CLLC电路控制方法为变频控制，在输入输出电压相同的情况下，双向谐振式CLLC电路的开关频率越大，传输的功率越小，当传输的功率为零时，理论上的开关频率为无穷大。由于功率器件的工作开关频率有限，电路传输的功率无法降低到很小，这就导致仅通过传统的变频控制无法实现双向谐振式CLLC的工作方向平滑切换。
双向有源桥电路虽然存在关断电流大和环流问题，但可以实现工作方向的平滑切换。目前，在一些需要工作方向快速稳定切换的场合如储能设备调度、电动汽车V2G技术、能量回馈中，只能采用双向有源桥电路。而传统的双向谐振式CLLC电路无法实现电路工作方向的平滑切换的缺点制约了其在这些场合中的应用。
因此，需要对现有技术进行改进。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种高效的应用于双向谐振式CLLC电路的工作方向平滑切换控制方法。
为解决上述技术问题，本发明提供一种应用于双向谐振式CLLC电路的工作方向平滑切换控制方法，用于双向谐振式CLLC电路，包括以下步骤：
步骤1：控制器检测当前电路状态，并根据电路状态和外部传输或内部预设的参考信号产生电路控制信号，通过原边桥和副边桥控制双向谐振式CLLC电路正向工作状态运行；
步骤2：在控制器接收到的外部传输的参考信号或控制器内部预设的参考信号为工作方向切换信号时，执行步骤3；
步骤3：控制器进行变频控制，比较当前控制周期的正向工作开关频率fs.forward和正向工作最大开关频率fs.forward.max，若“fs.forward＜fs.forward.max”则增大正向工作开关频率fs.forward并重复步骤3；若“fs.forward≥fs.forward.max”则进行步骤4；
步骤4：控制器进行移相控制准备工作，控制器产生副边桥的驱动信号，副边桥的驱动信号相位滞后原边桥的驱动信号角
Figure BDA0001992608500000021
是移相控制的起始移相角度；
步骤5：控制器进行移相控制，控制器比较当前控制周期的副边桥的驱动信号与原边桥的驱动信号之间的相位角度差
Figure BDA0001992608500000022
和最小相位角度差
Figure BDA0001992608500000023
最小相位角度差
Figure BDA0001992608500000024
是移相控制的终止相位角度差，若
Figure BDA0001992608500000025
则减小副边桥的驱动信号与原边桥的驱动信号之间的相位角度差
Figure BDA0001992608500000026
并重复步骤5，若
Figure BDA0001992608500000027
则进行步骤6；
步骤6：电路工作状态切换至反向工作模式，控制器根据电路工作状态和外部传输或内部预设的参考信号产生电路控制信号，通过原边桥和副边桥控制双向谐振式CLLC电路在反向工作状态运行。
作为对本发明应用于双向谐振式CLLC电路的工作方向平滑切换控制方法的改进：
步骤3：控制器进行变频控制，比较当前控制周期的正向工作开关频率fs.forward和正向工作最大开关频率fs.forward.max，若“fs.forward＜fs.forward.max”，则执行fs.forward＝fs.forward+1并重复步骤3；若“fs.forward≥fs.forward.max”则进行步骤4。
作为对本发明应用于双向谐振式CLLC电路的工作方向平滑切换控制方法的进一步改进：
步骤5中在
Figure BDA0001992608500000028
时，减小副边桥的驱动信号与原边桥的驱动信号之间的相位角度差
Figure BDA0001992608500000029
的方法为：在原边桥的驱动信号不变的情况下，改变副边桥的驱动信号，使得两者相位角度差
Figure BDA00019926085000000210
减小。
作为对本发明应用于双向谐振式CLLC电路的工作方向平滑切换控制方法的进一步改进：
步骤5中在
Figure BDA00019926085000000211
时，副边桥每次减小20°。
作为对本发明应用于双向谐振式CLLC电路的工作方向平滑切换控制方法的进一步改进：
步骤4中：在正向工作模式中原边桥工作在正向工作最大开关频率fs.forward.max，且副边桥没有驱动信号时，副边桥的桥臂中点电压与原边桥的桥臂中点电压之间的相位角度差为
Figure BDA0001992608500000031
步骤5中：在反向工作模式中副边桥工作在正向工作最大开关频率fs.forward.max，且原边桥没有驱动信号时，副边桥的桥臂中点电压与原边桥的桥臂中点电压之间的相位角度差为
Figure BDA0001992608500000032
本发明应用于双向谐振式CLLC电路的工作方向平滑切换控制方法的技术优势为：
本发明具的方法具有以下特点：
(1)本发明的控制方法结合了变频控制和移相控制，在没有增加多余硬件的条件下实现了传统变频控制所不能实现的双向谐振式CLLC电路的工作方向切换的功能。
(2)无论是对于通信传输得到的外部参考信号，还是对于控制器内部预设的参考信号，本发明的控制方法均可以快速响应参考信号的变化，改变双向谐振式CLLC电路的电路运行状态，实现能量调度的作用。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
图1是本发明中双向谐振式CLLC电路及其控制器示意图；
图2是本发明中所提及的双向谐振式CLLC电路工作方向平滑切换控制方法的流程图。
在图1中：V1和I1分别是原边侧输入电压和电流，V2和I2分别是副边侧输出电压和电流，功率传输状态由上述变量的计算得到，其中输入功率的计算式为“P1＝V1I1”，输出功率的计算式为“P2＝V2I2”；由开关管Q1～4组成原边桥，由开关管Q5～8组成副边桥，由原边谐振电感Lr1、原边谐振电容Cr1、原边励磁电感Lm1、副边谐振电感Lr2以及副边谐振电容Cr2组成CLLC谐振腔；A点与B点之间的电压为原边桥的桥臂中点电压，C点与D点之间的电压为副边桥的桥臂中点电压；C1和C2分别是原边侧输入稳压电容和副边侧输出稳压电容；外部传输的参考信号由通信设备从外部传输到控制器。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。
实施例1、双向谐振式CLLC电路控制器，适用于双向谐振式CLLC电路，如图1所示，双向谐振式CLLC电路包括原边桥、副边桥和CLLC谐振腔。控制器根据电路状态和外部传输或内部预设的参考信号产生电路控制信号进行控制。
原边桥包括相互并联连接的第一桥臂及第二桥臂，其中第一桥臂包含相互串联连接的第一开关管Q1及第二开关管Q2，第二桥臂包含相互串联连接的第三开关管Q3及第四开关管Q4。第一开关管Q1与第二开关管Q2之间具有第一节点A，第一节点A电连接于CLLC谐振腔的初级侧的一端，第三开关管Q3与第四开关管Q4之间具有第二节点B，第二节点B电连接于CLLC谐振腔的初级侧的另一端。
副边桥包含相互并联连接的第三桥臂及第四桥臂，其中第三桥臂包含相互串联连接的第五开关管Q5及第六开关管Q6，第四桥臂包含相互串联连接的第七开关管Q7及第八开关管Q8。第五开关管Q5与第六开关管Q6之间具有第三节点C，第三节点C电连接于CLLC谐振腔的次级侧的一端，第七开关管Q7与第八开关管Q8之间具有第四节点D，第四节点D电连接于CLLC谐振腔的次级侧的另一端。
CLLC谐振腔包括原边谐振电感Lr1、原边谐振电容Cr1、原边励磁电感Lm1、副边谐振电感Lr2以及副边谐振电容Cr2，原边谐振电感Lr1、原边谐振电容Cr1和原边励磁电感Lm1设置在CLLC谐振腔的初级侧，副边谐振电感Lr2和副边谐振电容Cr2设置在CLLC谐振腔的次级侧。
双向谐振式CLLC电路控制器的控制方法：
在控制器接收切换信号之前(控制器也可以通过定时的方式自动进行切换，或者针对本地电路的一些状况自动进入切换动作)，令当前工作方向为正，控制器根据检测到的当前电路状态和外部传输或内部预设的参考信号产生原边桥的驱动信号。原边桥的四个开关管(第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4)的驱动信号占空比均为0.5，其中第一开关管Q1和第四开关管Q4驱动波形完全一样。第二开关管Q2和第三开关管Q3相同，第一开关管Q1和第二开关管Q2互补，特别的在实际应用中要根据开关管的开关特性在第一开关管Q1和第二开关管Q2开关切换的中间添加死区时间(具体值一般是根据实验测试结果调整的)，因此实际应用中的驱动信号占空比略小于0.5。控制器通过改变原边桥驱动信号的频率来改变开关管(第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4)的开关频率进而控制双向谐振式CLLC电路的工作状态。
当接收到切换信号之后，采用变频控制和移相控制相结合的控制方法可以实现双向谐振式CLLC电路工作方向的平滑切换。
所述方法可以实现两个工作方向的自由切换，以正向工作方向切换到反向工作方向为例的双向谐振式CLLC电路工作方向平滑切换控制方法的流程图如图2所示，其实现步骤如下：
步骤1：在每一个控制周期内，控制器检测当前电路状态，并根据电路状态和外部传输或内部预设的参考信号产生电路控制信号，控制器将电路控制信号发送给原边桥和副边桥(此时副边桥为同步整流)，通过原边桥和副边桥保证双向谐振式CLLC电路稳定运行在正向工作状态；
步骤2：在第n个控制周期时，在控制器接收到的外部传输的参考信号或控制器内部预设的参考信号为工作方向切换信号时，控制器进行切换动作；
步骤3：控制器进行变频控制，比较当前控制周期的正向工作开关频率fs.forward和正向工作最大开关频率fs.forward.max，fs.forward.max是变频控制的终止开关频率，若“fs.forward＜fs.forward.max”则增大正向工作开关频率fs.forward并重复步骤3(增大的量为步长，步长影响响应速度，太快可能系统不稳定，太慢系统调节速度慢，本发明为fs.forward＝fs.forward+1，既能确保系统稳定又能保证调节速度)，若“fs.forward≥fs.forward.max”则进行步骤4；
其中，fs.forward.max是根据电路以及开关器件的性能参数设定的双向谐振式CLLC电路正向工作的开关频率上限；
步骤4：控制器进行移相控制准备工作，控制器产生副边桥的驱动信号，副边桥的驱动信号相位滞后原边桥的驱动信号角
Figure BDA0001992608500000051
是移相控制的起始移相角度；
其中，在正向工作模式中原边桥工作在正向工作最大开关频率fs.forward.max，且副边桥没有驱动信号时，副边桥的桥臂中点电压与原边桥的桥臂中点电压之间的相位角度差为
Figure BDA0001992608500000052
步骤5：控制器进行移相控制，控制器比较当前控制周期的副边桥的驱动信号与原边桥的驱动信号之间的相位角度差
Figure BDA0001992608500000053
和最小相位角度差
Figure BDA0001992608500000054
最小相位角度差
Figure BDA0001992608500000055
是移相控制的终止相位角度差；
若
Figure BDA0001992608500000056
则减小副边桥的驱动信号与原边桥的驱动信号之间的相位角度差
Figure BDA0001992608500000057
并重复步骤5。减小的方式为：在原边桥的驱动信号不变的情况下，改变副边桥的驱动信号，使得两者相位角度差
Figure BDA0001992608500000058
减小，每次减小一共要移动20°(以360°计)，在0.2s内移动完成，现在一秒钟进行20000次计算，0.2秒是4000次计算，每次移动是5*10^-3°。
若
Figure BDA0001992608500000059
则进行步骤6；
其中，在反向工作模式中副边桥工作在正向工作最大开关频率fs.forward.max，且原边桥没有驱动信号时，副边桥的桥臂中点电压与原边桥的桥臂中点电压之间的相位角度差为
Figure BDA0001992608500000061
步骤6：电路工作状态切换至反向工作模式，控制器检测当前电路状态，并根据电路状态和外部传输或内部预设的参考信号产生电路控制信号，控制器将电路控制信号发送给原边桥和副边桥，通过原边桥和副边桥保证双向谐振式CLLC电路稳定运行在反向工作状态。
电路状态包含且不限于原边侧输入电压和电流、副边侧输出电压和电流以及功率传输状态；外部传输或内部预设的参考信号包含且不限于对原边侧输入电压和电流、副边侧输出电压和电流以及功率传输状态的目标值进行修改。
外部传输的参考信号所涉及的通信方式，包含且不限于以下通信方式：(a)CAN通信、光纤通信、以太网通信等有线通信方式；(b)WiFi、ZigBee、蓝牙、红外等无线通信方式。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (4)

1.应用于双向谐振式CLLC电路的工作方向平滑切换控制方法，用于双向谐振式CLLC电路，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：控制器检测当前电路状态，并根据电路状态和外部传输或内部预设的参考信号产生电路控制信号，通过原边桥和副边桥控制双向谐振式CLLC电路正向工作状态运行；
步骤2：在控制器接收到的外部传输的参考信号或控制器内部预设的参考信号为工作方向切换信号时，执行步骤3；
步骤3：控制器进行变频控制，比较当前控制周期的正向工作开关频率fs.forward和正向工作最大开关频率fs.forward.max，若“fs.forward＜fs.forward.max”则增大正向工作开关频率fs.forward并重复步骤3；若“fs.forward≥fs.forward.max”则进行步骤4；
步骤4：控制器进行移相控制准备工作，控制器产生副边桥的驱动信号，副边桥的驱动信号相位滞后原边桥的驱动信号角
Figure FDA0002344821620000011
是移相控制的起始移相角度；
步骤5：控制器进行移相控制，控制器比较当前控制周期的副边桥的驱动信号与原边桥的驱动信号之间的相位角度差
Figure FDA0002344821620000012
和最小相位角度差
Figure FDA0002344821620000013
最小相位角度差
Figure FDA0002344821620000014
是移相控制的终止相位角度差，若
Figure FDA0002344821620000015
则减小副边桥的驱动信号与原边桥的驱动信号之间的相位角度差
Figure FDA0002344821620000016
并重复步骤5，若
Figure FDA0002344821620000017
则进行步骤6；
步骤6：电路工作状态切换至反向工作模式，控制器根据电路工作状态和外部传输或内部预设的参考信号产生电路控制信号，通过原边桥和副边桥控制双向谐振式CLLC电路在反向工作状态运行。
2.根据权利要求1所述的应用于双向谐振式CLLC电路的工作方向平滑切换控制方法，其特征在于：
步骤3：控制器进行变频控制，比较当前控制周期的正向工作开关频率fs.forward和正向工作最大开关频率fs.forward.max，若“fs.forward＜fs.forward.max”，则执行fs.forward＝fs.forward+1并重复步骤3；若“fs.forward≥fs.forward.max”则进行步骤4。
3.根据权利要求2所述的应用于双向谐振式CLLC电路的工作方向平滑切换控制方法，其特征在于：
步骤5中在
Figure FDA0002344821620000018
时，减小副边桥的驱动信号与原边桥的驱动信号之间的相位角度差
Figure FDA0002344821620000021
的方法为：在原边桥的驱动信号不变的情况下，改变副边桥的驱动信号，使得两者相位角度差
Figure FDA0002344821620000022
减小。
4.根据权利要求3所述的应用于双向谐振式CLLC电路的工作方向平滑切换控制方法，其特征在于：
步骤4中：在正向工作模式中原边桥工作在正向工作最大开关频率fs.forward.max，且副边桥没有驱动信号时，副边桥的桥臂中点电压与原边桥的桥臂中点电压之间的相位角度差大小为
Figure FDA0002344821620000023
步骤5中：在反向工作模式中副边桥工作在正向工作最大开关频率fs.forward.max，且原边桥没有驱动信号时，副边桥的桥臂中点电压与原边桥的桥臂中点电压之间的相位角度差大小为
Figure FDA0002344821620000024
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Application publication date: 20190531

Assignee: Zhejiang arrow network energy technology Co.,Ltd.

Assignor: ZHEJIANG University

Contract record no.: X2021330000017

Denomination of invention: Smooth direction switching control method for bidirectional resonant CLLC circuit

Granted publication date: 20200327

License type: Common License

Record date: 20210207