CN110707935B - 双有源全桥直流变换器的优化控制方法 - Google Patents

双有源全桥直流变换器的优化控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了双有源全桥直流变换器的优化控制方法，采用多重移相控制，通过控制输入、输出侧全桥变换器内桥臂与桥臂间的开关相位差，以及两侧全桥变换器之间的开关相位差，控制直流变换器传输功率的大小和方向。本发明对多重移相控制方式下的DAB型直流变换器中的各个桥臂开关函数，等效电路状态变量进行一阶谐波近似，推导出稳态状态变量的解析解。通过解析解的二次分析，推导出在给定直流母线电压、传输功率和开关频率的前提下，多重移相控制下的最优控制变量组合，使得功率器件的损耗得到极大的降低，在不改变DAB型直流变换器拓部结构和电路参数情况下，仅仅对工作点进行优化，极大的提升了直流变换器的功率传输效率。

Description

双有源全桥直流变换器的优化控制方法
技术领域
本发明涉及直流变换器领域，具体涉及一种双有源全桥直流变换器的优化控制方法。
背景技术
双有源全桥(Dual-Active Bridge，DAB)型直流变换器具有电气隔离，功率双向传输和功率密度高等优点，广泛应用于储能等领域。如图1所示，DAB型直流变换器主要由输入侧全桥变换器，输出侧全桥变换器以及高频变压器组成。
传统的DAB型直流变换器的控制方式主要包括两类：单移相控制和多重移相控制。
在单移相控制方式中，全桥变换器每个桥臂中的两个开关器件采用互补的开关模式，桥臂和桥臂间的开关相位差为180°。通过控制输入和输出侧全桥变换器之间的开关相位差，来控制传输功率的大小和方向。这种控制方式实现简单，但是在变压器两端等效电压不匹配时，存在大量的回流功率，导致功率器件的损耗增加和变换器的功率传输效率降低。
多重移相控制在单移相控制的基础上，改变全桥变压器桥臂和桥臂间的开关相位差。通过进一步控制输入和输出侧全桥变换器之间的开关相位差，可以保证在一定的传输功率前提下，抑制变换器回流功率，大大减小功率器件的损耗和提升变换器的效率。但是这种控制方式由于存在多个控制变量，大大增加了控制的复杂度和难度。以三重移相控制为例，给定输入和输出侧直流母线电压，在开关频率不变的情况下，有多达三个控制变量，包括输入侧全桥变换器桥臂间的开关相位差，输出侧全桥变换器桥臂间的开关相位差，以及输入和输出侧全桥变换器间的开关相位差。在传统的多重移相控制方式中，找出最优的一组控制变量，使得进一步降低功率器件损耗和提升变换器效率，是非常困难的。
发明内容
本发明目的是：提供一种实现简单的双有源全桥直流变换器的优化控制方法，减小功率器件损耗和提升变换器效率。
本发明的技术方案是：
双有源全桥直流变换器的优化控制方法，所述双有源全桥直流变换器包括输入侧全桥变换器、输出侧全桥变换器，以及连接两侧全桥变换器的高频变压器，所述优化控制方法采用多重移相控制，通过控制输入、输出侧全桥变换器内桥臂与桥臂间的开关相位差，以及两侧全桥变换器之间的开关相位差，作为最优控制变量组合控制直流变换器传输功率的大小和方向。
优选的，所述优化控制方法包括：对直流变换器中的各个桥臂开关函数、等效电路状态变量进行一阶谐波近似，推导出稳态状态变量解析解；通过解析解的二次分析，推导出在给定直流母线电压、传输功率和开关频率的前提下，多重移相控制下的最优控制变量组合。
优选的，所述最优控制变量组合，应用于闭环控制实现中时，设计闭环控制器来控制控制变量逼近所述最优控制变量组合，实现对传输功率效率的最大优化。
优选的，在多重移相控制方式中，全桥变换器各个桥臂中的上下两个开关采用互补的开关模式，占空比为50％，对各个开关的开关函数进行一阶谐波近似。
优选的，对各个开关的开关函数进行一阶谐波近似后，对双有源全桥直流变换器进行等效电路建模：各个开关当成理想开关，变压器当成理想变压器和漏电感串联的结构。
优选的，完成电路建模后，变压器端电压表达为输入输出侧直流母线电压和全桥变换器中点位输出开关函数之间的关系，而全桥变换器中点位输出开关函数由变换器内各桥臂的开关函数代入得到；根据等效电路模型进行状态空间数学表达，进一步计算出变压器电流的有效值，得到电路中的近似导通损耗表达式。
优选的，得到电路中的近似导通损耗表达式的同时，输入侧全桥变换器的线电流表达为输入侧变压器电流和全桥变换器中点位输出开关函数的关系，提取直流分量，得到输入侧直流线电流的表达式，进一步得到传输功率表达式。
优选的，采用MATLAB工具求解在给定直流母线电压、传输功率和开关频率的前提下使得电路中的近似导通损耗最小的最优控制变量组合。
优选的，MATLAB通过对输入输出侧直流母线电压和传输功率工作区间范围内的每一个工作点进行如上的最优化求解，记录最优工作点对应的相位控制变量；在具体的闭环控制实现中，设计闭环控制器，控制控制变量逼近理论推导的最优工作点对应的一组相位控制变量，实现对传输功率效率的最大优化。
本发明的优点是：
本发明对多重移相控制方式下的DAB型直流变换器中的各个桥臂开关函数，等效电路状态变量进行一阶谐波近似，推导出稳态状态变量的解析解。通过解析解的二次分析，推导出在给定直流母线电压，传输功率和开关频率的前提下，多重移相控制下的最优控制变量组合，使得功率器件的损耗得到极大的降低。本发明在不改变DAB型直流变换器拓部结构和电路参数情况下，仅仅对仅仅对多重移相控制下的控制变量组合进行优化，极大的提升了直流变换器的功率传输效率。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为双有源全桥直流变换器的原理图；
图2为双有源全桥直流变换器的电路等效模型。
具体实施方式
如图1所示，双有源全桥(Dual-Active Bridge，DAB)型直流变换器，主要由输入侧全桥变换器，输出侧全桥变换器，以及高频变压器组成，还包括输入侧电源V1、输出测电源V2。
在多重移相控制方式中，全桥变换器各个桥臂中的上下两个开关采用互补的开关模式，占空比为50％。
在本方案中，对各个开关的开关函数进行一阶谐波近似。以输入侧全桥变换器桥臂A的上开关为基准，各个开关函数可表达为：
Figure BDA0002235615550000031
Figure BDA0002235615550000032
Figure BDA0002235615550000033
Figure BDA0002235615550000034
其中ω为开关角频率；d1为输入侧全桥变换器中桥臂B对桥臂A的开关相位差占开关周期的比例；s为输出侧全桥变换器桥臂A对输入侧全桥变换器桥臂A的开关相位差占开关周期的比例；d2为输出侧全桥变换器桥臂B对桥臂A的开关相位差占开关周期的比例。
在本方案中，对图1所示的DAB型直流变换器进行等效电路建模。在建模中，采用以下近似：各个开关当成理想开关，变压器当成理想变压器和漏电感串联的结构。电路等效模型如图2所示，其中Vp(t)和Vs(t)分别代表输入侧和输出侧变压器的端电压，L为变压器对输入侧等效漏电感。变压器端电压可表达为输入输出侧直流母线电压和全桥变换器中点位输出开关函数之间的关系，如下所示：
Vp(t)＝V1Sp(t)＝V1(S1A-S1B)
Vs(t)＝V2Sc(t)＝V2(S2A-S2B)
代入开关函数的表达式，全桥变换器中点位输出开关函数可表达为：
Figure BDA0002235615550000041
Figure BDA0002235615550000042
对等效电路模型进行状态空间数学表达，如下：
Figure BDA0002235615550000043
其中N为变压器输入侧对输出侧的线圈匝数比，iL(t)为输入侧变压器电流。由于变压器电流无直流分量，上述状态空间方程的稳态解可表达为：
iL(t)＝kc cos(ωt)+ks sin(ωt)
其中
Figure BDA0002235615550000044
Figure BDA0002235615550000045
进一步可以计算出变压器电流的有效值为：
Figure BDA0002235615550000046
考虑等效电路中的等效串联电阻，可以得到电路中的近似导通损耗表达式：
Figure BDA0002235615550000051
另一方面，输入侧全桥变换器的线电流可以表达为输入侧变压器电流和全桥变换器中点位输出开关函数的关系，如下：
io(t)＝iL(t)Sp(t)
在上述表达式中，提取直流分量，可以得到输入侧直流线电流的表达式：
Figure BDA0002235615550000052
进一步可以得到传输功率表达式：
Figure BDA0002235615550000053
在本发明中，通过对导通损耗功率和传输功率的数学表达式推导，需要解决给定输入输出侧直流母线电压和传输功率，在不改变开关频率的情况下，找出最优的一组相位差关系，使得导通损耗最小。用如下数学模型表示为：
1)条件：给定V1，V2，Po，ω
2)目标：找出[d1 d2 s]，使得Pl最小
在本发明中，采用MATLAB工具对以上数学模型进行求解，找出最优工作点的一组相位控制变量。
通过对输入输出侧直流母线电压和传输功率工作区间范围内的每一个工作点进行如上的最优化求解，记录最优工作点对应的相位控制变量。在具体的闭环控制实现中，设计闭环控制器，控制控制变量逼近理论推导的最优工作点对应的一组相位控制变量，即可实现对传输功率效率的最大优化。
本发明在不改变DAB型直流变换器拓部结构和电路参数情况下，仅仅对工作点进行优化，极大的提升了直流变换器的功率传输效率。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.双有源全桥直流变换器的优化控制方法，所述双有源全桥直流变换器包括输入侧全桥变换器、输出侧全桥变换器，以及连接两侧全桥变换器的高频变压器，其特征在于，所述优化控制方法采用多重移相控制，通过控制输入、输出侧全桥变换器内桥臂与桥臂间的开关相位差，以及两侧全桥变换器之间的开关相位差，作为最优控制变量组合控制直流变换器传输功率的大小和方向；
所述优化控制方法包括：对直流变换器中的各个桥臂开关函数、等效电路状态变量进行一阶谐波近似，推导出稳态状态变量解析解；通过解析解的二次分析，推导出在给定直流母线电压、传输功率和开关频率的前提下，多重移相控制下的最优控制变量组合；
对各个开关的开关函数进行一阶谐波近似后，对双有源全桥直流变换器进行等效电路建模：各个开关当成理想开关，变压器当成理想变压器和漏电感串联的结构；
完成电路建模后，变压器端电压表达为输入输出侧直流母线电压和全桥变换器中点位输出开关函数之间的关系，而全桥变换器中点位输出开关函数由变换器内各桥臂的开关函数代入得到；根据等效电路模型进行状态空间数学表达，进而计算出变压器电流的有效值，得到电路中的近似导通损耗表达式。
2.根据权利要求1所述的双有源全桥直流变换器的优化控制方法，其特征在于，所述最优控制变量组合，应用于闭环控制实现中时，设计闭环控制器来控制控制变量逼近所述最优控制变量组合，实现对传输功率效率的最大优化。
3.根据权利要求2所述的双有源全桥直流变换器的优化控制方法，其特征在于，在多重移相控制方式中，全桥变换器各个桥臂中的上下两个开关采用互补的开关模式，占空比为50%，对各个开关的开关函数进行一阶谐波近似。
4.根据权利要求3所述的双有源全桥直流变换器的优化控制方法，其特征在于，得到电路中的近似导通损耗表达式的同时，输入侧全桥变换器的线电流表达为输入侧变压器电流和全桥变换器中点位输出开关函数的关系，提取直流分量，得到输入侧直流线电流的表达式，进而得到传输功率表达式。
5.根据权利要求4所述的双有源全桥直流变换器的优化控制方法，其特征在于，采用MATLAB工具求解在给定直流母线电压、传输功率和开关频率的前提下使得电路中的近似导通损耗最小的最优控制变量组合。
6.根据权利要求5所述的双有源全桥直流变换器的优化控制方法，其特征在于，MATLAB通过对输入输出侧直流母线电压和传输功率工作区间范围内的每一个工作点进行如上的最优化求解，记录最优工作点对应的相位控制变量；在具体的闭环控制实现中，设计闭环控制器，控制控制变量逼近理论推导的最优工作点对应的一组相位控制变量，实现对传输功率效率的最大优化。
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