CN109951082A - 双有源桥直流变换器的虚拟电流无差拍控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双有源桥直流变换器的虚拟电流无差拍控制方法，适用于大功率双向直流变换领域。本发明针对双向全桥直流变换器动态响应问题，在单移相控制的基础上，通过输出电压外环控制得到虚拟电流指令指，根据双有源桥直流变换器数学模型设计虚拟电流无差拍控制,计算出虚拟电流指令指对应的移相角大小，生成开关控制信号，实现双有源桥直流变换器输出电压的快速调节。该方法能有效提升变换器对负载突变时输出电压的动态响应速度，且仅需要采样输出电压，成本低，对模型参数不敏感，易于设计和工程实现。

Description

双有源桥直流变换器的虚拟电流无差拍控制方法

技术领域

本发明属于电气工程中双向直流变换器能量传输技术领域，具体涉及一种双有源桥直流变换器的虚拟电流无差拍控制方法。

背景技术

双有源桥(Dual Active Bridge,DAB)直流变换器作为大功率直流-直流变换器的替代方案自被提出以来，因其具有电气隔离、高功率密度、能量双向流动、升降电压变换以及易于模块化级联等优点被广泛应用于电动汽车、分布式发电、电力电子变压器、机车电力牵引系统等高压、大功率、双向直流能量变换系统。

为适应上述工业应用中复杂多变的运行工况，作为直流电压功率变换单元的DAB需具备优良的动态响应性能，特别是在负载突变下输出电压的动态响应性能。传统的单输出电压反馈PI闭环单移相控制方法难以满足相关的动态响应性能要求，因此国内外众多学者针对DAB变换器动态响应速度的提升展开了广泛的研究。

根据研究，通过加入电流的反馈或者前馈控制可以有效的提升DAB动态响应速度。例如文献1《Segaran D,Holmes D,Holmes G.Enhanced load step response for abidirectional DCDC converter[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2013,28(1):371-379.》(《双向DCDC变换器负载阶跃快速响应方法》—2013年IEEE电力电子期刊)中提出的通过采样负载电流，引入负载电流前馈叠加在电压环输出的移相角上，有效的加快了DAB的动态响应速度。例如文献2《Dutta S,Bhattacharya S.Predictive currentmode control of single phase dual active bridge DC to DC converter[C]//EnergyConversion Congress and Exposition(ECCE),2013 IEEE.IEEE,2013.》(《单相双有源桥直流-直流变换器预测电流模式控制》—2013年IEEE能量转换大会与博览会议)中提出的通过采样移相电感电流，结合电压外环与DAB的电感电流模型进行预测电流控制，有效加快了DAB的动态响应速度。

虽然引入上述方法均可有效提升负载扰动下的输出电压的动态响应速度，但是均需增加电流的采样，增加了系统的成本与实现难度，因此有必要对DAB动态性能的提高做进一步的探索优化。

发明内容

本发明针对双有源桥直流变换器动态响应问题，在传统单输出电压反馈PI闭环单移相控制方法的基础上提出了一种双有源桥直流变换器的虚拟电流无差拍控制方法。

通过输出电压反馈PI控制与虚拟电流无差拍控制得到移相角的大小，生成开关控制信号，完成双有源桥直流变换器快速控制。该方法能有效提升变换器对负载突变时输出电压的动态响应速度，且仅需要采样输出电压，成本低，对模型参数不敏感，易于设计和工程实现。

本发明的目的是这样实现的，本发明提供了一种双有源桥直流变换器的虚拟电流无差拍控制方法，其中本控制方法所涉及的双有源桥直流变换器包括一个直流电源U_in、一个输入电容C_i、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C_o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S_i(i＝1,2，3，4)，所述的副边H桥包括4个开关管，记为开关管Q_i(i＝1,2,3,4)；

其特征在于，所述控制方法采样双有源桥直流变换器输出电压，通过输出电压反馈PI控制与虚拟电流无差拍控制得到移相角的大小，生成开关控制信号，完成双有源桥直流变换器快速控制，具体步骤如下：

步骤1，采样双有源桥直流变换器输出电容C_o两端的电压，并记为双有源桥直流变换器输出电压U_out；

步骤2，给定双有源桥直流变换器输出电压参考值U_{out_ref}，将U_{out_ref}与步骤1得到的双有源桥直流变换器输出电压U_out作差得到输出电压误差信号ΔU，即ΔU＝U_{out_ref}-U_out；然后将得到的输出电压误差信号ΔU作为PI调节器的输入，并设定PI调节器的输出限幅上限为PI调节器的输出限幅下限为PI调节器输出为双有源桥直流变换器的虚拟电流给定值i_ref；

所述PI调节器的传递函数G_PI(s)为：

式中，s为拉普拉斯算子，k_p为PI调节器的比例系数，k_i为PI调节器的积分系数；

步骤3，根据步骤1得到的双有源桥直流变换器输出电压U_out与步骤2得到的双有源桥直流变换器的虚拟电流给定值i_ref，计算得到双有源桥直流变换器的移相角D，完成虚拟电流无差拍控制，其计算公式如下：

步骤4，根据步骤3得到的双有源桥直流变换器的移相角D，经过单移相控制生成双有源桥直流变换器的开关控制信号，并通过驱动保护电路控制双有源桥直流变换器功率器件的开通和关断，从而实现输出双有源桥直流变换器的虚拟电流无差拍控制方法。

与现有技术相比，本发明的优点在于:通过输出电压外环与基于DAB模型的虚拟电流内环的方式显著提升了负载突变下变换器输出电压的动态响应速度，且仅需要采样输出电压，成本低，PI参数易于整定，易于工程推广。

附图说明

图1是本发明实施例中一种双有源桥直流变换器的虚拟电流无差拍控制方法的系统框图。

图2是本发明实施例中负载电阻从空载突变到满载32欧姆然后再突变到空载时变换器在虚拟电流无差拍控制方法下的关键电气量实验波形图。

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是本发明实施例中一种双有源桥直流变换器的虚拟电流无差拍控制方法的系统框图，由图1可见本控制方法所涉及的双有源桥直流变换器包括一个直流电源U_in、一个输入电容C_i、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C_o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S_i(i＝1,2，3，4)，所述的副边H桥包括4个开关管，记为开关管Q_i(i＝1,2,3,4)。

所述的原边H桥开关管S_i(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Q_i(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U_in与输入电容C_i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C_o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i_L，从原边H桥的交流端口a流向电感方向为正，副边H桥输出电流定义为输出电流i，流向负载的方向为正，流过负载的电流定义为负载电流i_o，流入负载电阻的方向为正。

本发明的实施例的具体参数如下：直流电源U_in的电压为100V，输入电容C_i的容值为110uF，移相电感L的感值为120uH，高频隔离变压器T的变比M为1，输出电容C_o容值为110uF，负载电阻R的阻值为32Ω。

本发明所述控制方法采样双有源桥直流变换器输出电压，通过输出电压反馈PI控制与虚拟电流无差拍控制得到移相角的大小，生成开关控制信号，完成双有源桥直流变换器快速控制。由图1可知本发明的具体实施步骤如下：

步骤1，采样双有源桥直流变换器输出电容C_o两端的电压，并记为双有源桥直流变换器输出电压U_out。

步骤2，给定双有源桥直流变换器输出电压参考值U_{out_ref}，将U_{out_ref}与步骤1得到的双有源桥直流变换器输出电压U_out作差得到输出电压误差信号ΔU，即ΔU＝U_{out_ref}-U_out；然后将得到的输出电压误差信号ΔU作为PI调节器的输入，并设定PI调节器的输出限幅上限为PI调节器的输出限幅下限为PI调节器输出为双有源桥直流变换器的虚拟电流给定值i_ref；

所述PI调节器为比例积分调节器，其传递函数G_PI(s)为：

式中，s为拉普拉斯算子，k_p为PI调节器的比例系数，k_i为PI调节器的积分系数。

在本实施例中，U_{out_ref}＝100V，k_i＝0.02，k_p＝0.0003。

步骤3，根据步骤1得到的双有源桥直流变换器输出电压U_out与步骤2得到的双有源桥直流变换器的虚拟电流给定值i_ref，计算得到双有源桥直流变换器的移相角D，完成虚拟电流无差拍控制，其计算公式如下：

其中，虚拟电流无差拍控制的计算公式推导如下：

因为双有源桥直流变换器的输出电流i的表达式为：

式中，f为双有源桥直流变换器功率开关器件的开关频率，本实施例中f为20KHz。考虑到开关频率f、移相电感L、高频隔离变压器T的变比M基本稳定不变，且暂不考虑直流电源U_in的突变，因此我们进一步简化为：

因此，虚拟电流无差拍控制计算双有源桥直流变换器的移相角D的计算公式为：

步骤4，根据步骤3得到的双有源桥直流变换器的移相角D，经过单移相控制，生成双有源桥直流变换器的开关控制信号，并通过驱动保护电路控制双有源桥直流变换器功率器件的开通和关断，从而实现双有源桥直流变换器的虚拟电流无差拍控制。

图2是根据本发明的实施例的具体参数在实际实验平台实验得到的负载电阻从空载突变到满载32欧姆然后再突变到空载时直流电源U_in、输出电压U_out、负载电流i_o和电感电流i_L的实验波形，由图2可以看出在负载全功率范围内突变的过程中输出电压U_out几乎没有变化，实验结果证明了本发明的可行性。

Claims (1)

1.一种双有源桥直流变换器的虚拟电流无差拍控制方法，其中本控制方法所涉及的双有源桥直流变换器包括一个直流电源U_in、一个输入电容C_i、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C_o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S_i(i＝1,2，3，4)，所述的副边H桥包括4个开关管，记为开关管Q_i(i＝1,2,3,4)；

其特征在于，所述控制方法采样双有源桥直流变换器输出电压，通过输出电压反馈PI控制与虚拟电流无差拍控制得到移相角的大小，生成开关控制信号，完成双有源桥直流变换器快速控制，具体步骤如下：

步骤1，采样双有源桥直流变换器输出电容C_o两端的电压，并记为双有源桥直流变换器输出电压U_out；

步骤2，给定双有源桥直流变换器输出电压参考值U_{out_ref}，将U_{out_ref}与步骤1得到的双有源桥直流变换器输出电压U_out作差得到输出电压误差信号ΔU，即ΔU＝U_{out_ref}-U_out；然后将得到的输出电压误差信号ΔU作为PI调节器的输入，并设定PI调节器的输出限幅上限为PI调节器的输出限幅下限为PI调节器输出为双有源桥直流变换器的虚拟电流给定值i_ref；

所述PI调节器的传递函数G_PI(s)为：

式中，s为拉普拉斯算子，k_p为PI调节器的比例系数，k_i为PI调节器的积分系数；

步骤3，根据步骤1得到的双有源桥直流变换器输出电压U_out与步骤2得到的双有源桥直流变换器的虚拟电流给定值i_ref，计算得到双有源桥直流变换器的移相角D，完成虚拟电流无差拍控制，其计算公式如下：

步骤4，根据步骤3得到的双有源桥直流变换器的移相角D，经过单移相控制生成双有源桥直流变换器的开关控制信号，并通过驱动保护电路控制双有源桥直流变换器功率器件的开通和关断，从而实现输出双有源桥直流变换器的虚拟电流无差拍控制方法。