CN111541378A - 一种基于电流应力优化的双有源桥混合移相控制方法 - Google Patents

一种基于电流应力优化的双有源桥混合移相控制方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111541378A
CN111541378A CN202010366815.7A CN202010366815A CN111541378A CN 111541378 A CN111541378 A CN 111541378A CN 202010366815 A CN202010366815 A CN 202010366815A CN 111541378 A CN111541378 A CN 111541378A
Authority
CN
China
Prior art keywords
voltage
active
double
secondary side
primary
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202010366815.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111541378B (zh
Inventor
龚健
刘钊
余婕
陆一言
丁力
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanjing University of Science and Technology
Original Assignee
Nanjing University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanjing University of Science and Technology filed Critical Nanjing University of Science and Technology
Priority to CN202010366815.7A priority Critical patent/CN111541378B/zh
Publication of CN111541378A publication Critical patent/CN111541378A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111541378B publication Critical patent/CN111541378B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
    • H02M3/24—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/28—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
    • H02M3/325—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/335—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/33569—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having several active switching elements
    • H02M3/33576—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having several active switching elements having at least one active switching element at the secondary side of an isolation transformer
    • H02M3/33584—Bidirectional converters

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

本发明公开一种基于电流应力优化的双有源桥混合移相控制方法。在双有源桥变压器原边和副边的方波电压中，提取其中的正弦基波电压，与电感电压构成双有源桥的等效电路图；在等效电路图对应的向量图中，调节原边电压幅值、副边电压幅值和原副边电压的夹角，在保证传输功率不变的条件下电感电压取到最小值；原边和副边电压的幅值决定双有源桥原副边各自的内移相调制率，双有源桥原副边之间的外移相调制率由输出电压闭环得到。本发明可以减小双有源桥电路电感电流有效值，减少电路导通损耗，从而提高整个系统的效率。

Description

一种基于电流应力优化的双有源桥混合移相控制方法
技术领域
本发明涉及DC-DC变换器技术，具体涉及一种基于电流应力优化的双有源桥混合移相控制方法。
背景技术
随着分布式能源和微电网的发展，DC-DC变换器得到了广泛的应用。其中，双有源桥凭借其双向隔离、控制灵活的特点，在电力电子变压器、电动汽车、储能系统等领域发挥着重要的作用。
移相控制是双有源桥中最为常见的控制方法。移相控制方法包括单移相(SPS)、双重移相(DPS)、扩展移相(EPS)和三重移相(TPS)。SPS控制中只有一个移相角，控制方法相对简单，但该控制方法中电流应力较大，控制不够灵活。DPS控制和EPS控制中存在两个移相角，TPS控制中有是三个移相角，通过增加自由度，提高控制方法的灵活性，从而实现优化的目标。但采用多重移相，通常需要引用复杂的建模分析，应用复杂的数学方法，极大增加了控制方法的复杂性，实用性不高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于电流应力优化的双有源桥混合移相控制方法，可以减小双有源桥电路电感电流有效值，减少电路导通损耗，从而提高整个系统的效率。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于电流应力优化的双有源桥混合移相控制方法，在双有源桥变压器原边和副边的方波电压中，提取其中的正弦基波电压，与电感电压构成双有源桥的等效电路图；在等效电路图对应的向量图中，调节原边电压幅值、副边电压幅值和原副边电压的夹角，在保证传输功率不变的条件下电感电压取到最小值；原边和副边电压的幅值决定双有源桥原副边各自的内移相调制率，双有源桥原副边之间的外移相调制率由输出电压闭环得到。
进一步的，在双有源桥变压器原边和副边的方波电压中，提取其中的正弦基波电压，与电感电压构成双有源桥的等效电路图，具体方法为：
双有源桥中变压器原边电压Vp和副边电压Vs是具有“+Vin/+Vout,”、“Vin/-Vout”、“0”三个电平的方波，通过傅里叶分解提取其中占主要分量的基波分量Vp1和Vs1取代方波电压，表示为
vp(t)≈vp1(t)≈a1cos(ωt)
vs(t)≈vs1(t)≈c1cos[ω(t-d3Ths)]
其中a1为电压基波分量的幅值，c1为副边电压基波分量的幅值，d3为原副边之间外移相调制率，Ths为半个开关周期；
然后，利用原边电压Vp和副边电压Vs与电感电压VL1构成双有源桥的等效电路图。
进一步的，在与双有源桥等效电路图对应的向量图中，原边电压Vp1、副边电压Vs1和电感电压VL1组成三角形，三角形所包围的面积正比与传输功率，Vp1和Vs1夹角为原副边之间的外移相角，通过调整原边电压和副边电压的幅值以及原副边电压向量的夹角能够改变传输功率和电感电压的幅值。
进一步的，双有源桥输入电压Vin和输出电压Vout满足k＝Vin/Vout>1的条件时，让副边电压Vs1取到最大值，保证传输功率不变，调节原边电压Vp1的幅值和相位，使得电感电压VL1尽可能的垂直于副边电压Vs1，存在两种情况：
通过原边电压Vp1的幅值和相位，使得VL1垂直于Vs1，此时得到的VL1为最小电感电压；
调节原边电压Vp1的幅值和相位，不可以使得电感电压VL1尽可能的垂直于副边电压Vs1，则让原边电压Vp1取到最大值，此时对应的VL1为最小电感电压；
若双有源桥输入电压Vin和输出电压Vout满足k＝Vin/Vout≤1的条件，则让原边电压Vp1取到最大值，调节副边电压Vs1的幅值和相位，操作方法与k>1的条件相同。
进一步的，原边电压幅值和副边电压幅值决定双有源桥原副边各自内部移相角的大小，在不同电压调制率k条件下，原边内移相调制率d1和副边内移相调制率d2表示为：
Figure BDA0002476966260000021
双有源桥原副边之间的外移相调制率d3是由输出电压闭环得到，输出电压与参考电压做差，经过PI控制器，输出得到外移相调制率。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明控制方法用基波电压近似代替变压器原副边的方波电压，简化了分析过程，为向量图引入提供了便利；2)本发明控制方法未采用复杂的数学方法，利用向量图分析优化步骤，清晰明了，实用性强；3)本发明控制方法采用混合移相控制取代单一的移相控制，增加了控制的灵活性，实现了减少电流应力的优化目标，且方法简单实用。
附图说明
图1为双有源桥主电路图；
图2为变压器原边电压波形图；
图3为双有源桥等效电路图；
图4为双有源桥基波向量图；
图5为第一种情况VL1可以垂直Vs1向量图；
图6为第二种情况VL1不可以垂直Vs1向量图；
图7为全范围的控制方法示意图；
图8为混合移相控制框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明方案作进一步描述。
双有源桥主电路图如图1所示，其中，Vin和Vout分别是输入电压和输出电压，Vp和Vs分别为变压器原副边桥臂中点输出电压，Cin和Cout分别为输入电容和输出电容,L为外接电感和变压器漏感之和,Q1-Q8为原副边的开关器件,m是变压器变比。
为了简化计算过程，以变压器原边为例，将原边电压波形Vp设置成偶对称的形式，如图2所示。由于内移相角的存在，原边电压波形存在“+Vin”、“0”、“-Vin”三个电平，原边内移相角在图2中可以用d1Ths表示，其中，d1表示为原边的移相调制率，Ths为半个开关周期。由于波形在一个完整的开关周期是对称的，计算时只需要考虑半个周期。
变压器原边电压Vp傅里叶分解如下：
Figure BDA0002476966260000031
在图2中，原边电压Vp偶对称的，则(1)式中bn为0，an的表达式为：
Figure BDA0002476966260000041
其中
Figure BDA0002476966260000042
由(2)式可知，原边电压Vp傅里叶分解后，高次谐波分量的幅值很小，可用正弦基波分量Vp1近似代替方波电压Vp，可得：
vp(t)≈vp1(t)≈a1cos(ωt) (4)
同理，对于变压器副边电压Vs，同样有：
vs(t)≈vs1(t)≈c1cos[ω(t-d3Ths)] (5)
其中，d3Ths为原边电压和副边电压之间的外移相角。
原边电压基波分量Vp1、副边电压基波分量Vs1和电感电压VL1一起构成双有源桥的等效电路图如图3所示。根据等效电路图可计算有功传输功率为：
Figure BDA0002476966260000043
由双有源桥等效电路图作出对应的基波向量图，如图4所示。在向量图中，原边电压Vp1、副边电压Vs1和电感电压VL1组成三角形，三角形所包围的面积正比与传输功率，Vp1和Vs1夹角为原副边之间的外移相角。通过调整原边电压和副边电压的幅值以及原副边电压向量的夹角可以改变传输功率和电感电压的幅值。原边电压Vp1可以落在半径为4Vin/π的圆内任意一点，同理，副边电压Vs1可以落在半径为4Vo/π的圆内任意一点。当原边电压超前副边电压0-180°时，功率正向传输；当副边电压超前原边电压0-180°时，功率反向传输。
此处只考虑功率正向传输的情况，功率反向与之类似。双有源桥输入电压Vin和输出电压Vout满足k＝Vin/Vout>1的条件时，让副边电压Vs1取到最大值，保证传输功率不变，调节原边电压Vp1的幅值和相位，使得电感电压VL1尽可能的垂直于副边电压Vs1。存在两种情况：
第一种情况，如图5所示。通过调节原边电压Vp1，在指定的传输功率条件下，可以使得电感电压VL1垂直于副边电压Vs1，得到的电感电压即为最小电感电压。此时，副边电压Vs1取到最大值，副边不存在内移相角；原边电压Vp1未取到最大值，原边存在内移相角，这种情况等效为原边移相的EPS控制方法。
第二种情况，如图6所示。在指定传输功率条件下，通过调节原边电压Vp1，不能让电感电压VL1垂直于副边电压Vs1，令原边电压Vp1也取到最大值，对应的电感电压即为该条件下的最小电感电压。此时，原边和副边电压都取得最大幅值，原边和副边都不存在内移相角，这种情况等效为为SPS控制方法。
根据以上两种情况，在k>1的条件下，副边电压Vs1取到最大值，若原边电压Vp1的取值为
Figure BDA0002476966260000051
采用SPS控制方法。
若原边电压Vp1的取值为
Figure BDA0002476966260000052
采用原边移相的EPS控制方法。
类似于k>1的情况，在k<1的条件下，原边电压Vp1取到最大值，若副边电压Vs1的取值为
Figure BDA0002476966260000053
采用SPS控制方法。
若副边电压Vs1的取值为
Figure BDA0002476966260000054
采用副边移相的EPS控制方法。
综上所述，可以得到全范围的混合移相控制方法如图7所示。对应原边和副边的内移相调制率可表示为：
Figure BDA0002476966260000061
由此可以得出本发明方法的控制框图，如图8所示。输出电压Vo与参考电压Vo *相减，经过PI控制器得到外移相调制率d3；由输入电压Vin、输出电压Vo和变压器变比计算电压调制率k，通过式(11)计算出原边和副边的内移相调制率d1和d2。d1、d2、d3共同影响双有源桥的PWM调制，从而获得最小的电感电压。在阻抗不变的条件下，最小的电感电压对应最小的电感电流。本发明方法通过减小双有源桥电路电感电流有效值，减少电路导通损耗，从而提高整个系统的效率。

Claims (5)

1.一种基于电流应力优化的双有源桥混合移相控制方法，其特征在于，在双有源桥变压器原边和副边的方波电压中，提取其中的正弦基波电压，与电感电压构成双有源桥的等效电路图；在等效电路图对应的向量图中，调节原边电压幅值、副边电压幅值和原副边电压的夹角，在保证传输功率不变的条件下电感电压取到最小值；原边和副边电压的幅值决定双有源桥原副边各自的内移相调制率，双有源桥原副边之间的外移相调制率由输出电压闭环得到。
2.根据权利要求1所述的基于电流应力优化的双有源桥混合移相控制方法，其特征在于，在双有源桥变压器原边和副边的方波电压中，提取其中的正弦基波电压，与电感电压构成双有源桥的等效电路图，具体方法为：
双有源桥中变压器原边电压Vp和副边电压Vs是具有“+Vin/+Vout,”、“Vin/-Vout”、“0”三个电平的方波，通过傅里叶分解提取其中占主要分量的基波分量Vp1和Vs1取代方波电压，表示为vp(t)≈vp1(t)≈a1cos(ωt)
vs(t)≈vs1(t)≈c1cos[ω(t-d3Ths)]
其中a1为电压基波分量的幅值，c1为副边电压基波分量的幅值，d3为原副边之间外移相调制率，Ths为半个开关周期；
然后，利用原边电压Vp和副边电压Vs与电感电压VL1构成双有源桥的等效电路图。
3.根据权利要求2所述的基于电流应力优化的双有源桥混合移相控制方法，其特征在于，在与双有源桥等效电路图对应的向量图中，原边电压Vp1、副边电压Vs1和电感电压VL1组成三角形，三角形所包围的面积正比与传输功率，Vp1和Vs1夹角为原副边之间的外移相角，通过调整原边电压和副边电压的幅值以及原副边电压向量的夹角能够改变传输功率和电感电压的幅值。
4.根据权利要求3所述的基于电流应力优化的双有源桥混合移相控制方法，其特征在于，双有源桥输入电压Vin和输出电压Vout满足k＝Vin/Vout>1的条件时，让副边电压Vs1取到最大值，保证传输功率不变，调节原边电压Vp1的幅值和相位，使得电感电压VL1尽可能的垂直于副边电压Vs1，存在两种情况：
通过原边电压Vp1的幅值和相位，使得VL1垂直于Vs1，此时得到的VL1为最小电感电压；
调节原边电压Vp1的幅值和相位，不可以使得电感电压VL1尽可能的垂直于副边电压Vs1，则让原边电压Vp1取到最大值，此时对应的VL1为最小电感电压；
若双有源桥输入电压Vin和输出电压Vout满足k＝Vin/Vout≤1的条件，则让原边电压Vp1取到最大值，调节副边电压Vs1的幅值和相位，操作方法与k>1的条件相同。
5.根据权利要求4所述的基于电流应力优化的双有源桥混合移相控制方法，其特征在于，原边电压幅值和副边电压幅值决定双有源桥原副边各自内部移相角的大小，在不同电压调制度k条件下，原边内移相调制率d1和副边内移相调制率d2表示为：
Figure FDA0002476966250000021
双有源桥原副边之间的外移相调制率d3是由输出电压闭环得到，输出电压与参考电压做差，经过PI控制器，输出得到外移相调制率。
CN202010366815.7A 2020-04-30 2020-04-30 一种基于电流应力优化的双有源桥混合移相控制方法 Active CN111541378B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010366815.7A CN111541378B (zh) 2020-04-30 2020-04-30 一种基于电流应力优化的双有源桥混合移相控制方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010366815.7A CN111541378B (zh) 2020-04-30 2020-04-30 一种基于电流应力优化的双有源桥混合移相控制方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111541378A true CN111541378A (zh) 2020-08-14
CN111541378B CN111541378B (zh) 2022-06-21

Family

ID=71975387

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010366815.7A Active CN111541378B (zh) 2020-04-30 2020-04-30 一种基于电流应力优化的双有源桥混合移相控制方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111541378B (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112054695A (zh) * 2020-09-16 2020-12-08 广东电网有限责任公司电力科学研究院 一种隔离型直流变换器控制方法、装置、设备及存储介质
CN112054694A (zh) * 2020-09-16 2020-12-08 广东电网有限责任公司电力科学研究院 基于最小电流应力的双向变换器优化控制方法及装置
CN114244138A (zh) * 2021-12-23 2022-03-25 国网安徽省电力有限公司电力科学研究院 一种波动环境下的换流器的控制系统及方法
CN114977872A (zh) * 2022-05-26 2022-08-30 上海交通大学 双向双有源桥型微逆变器及功率调制模式切换方法、系统

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150365005A1 (en) * 2014-06-13 2015-12-17 Delta Electronics, Inc. Bidirectional converters and flux-balancing control methods thereof
CN105375776A (zh) * 2015-11-16 2016-03-02 上海交通大学 一种模块化隔离型电池储能变换器的正弦波调制方法
CN108880217A (zh) * 2018-06-04 2018-11-23 东南大学 应用于智能配电网的双有源桥直流变换器软启动控制方法
JP2019075920A (ja) * 2017-10-18 2019-05-16 シャープ株式会社 電力変換装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150365005A1 (en) * 2014-06-13 2015-12-17 Delta Electronics, Inc. Bidirectional converters and flux-balancing control methods thereof
CN105375776A (zh) * 2015-11-16 2016-03-02 上海交通大学 一种模块化隔离型电池储能变换器的正弦波调制方法
JP2019075920A (ja) * 2017-10-18 2019-05-16 シャープ株式会社 電力変換装置
CN108880217A (zh) * 2018-06-04 2018-11-23 东南大学 应用于智能配电网的双有源桥直流变换器软启动控制方法

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112054695A (zh) * 2020-09-16 2020-12-08 广东电网有限责任公司电力科学研究院 一种隔离型直流变换器控制方法、装置、设备及存储介质
CN112054694A (zh) * 2020-09-16 2020-12-08 广东电网有限责任公司电力科学研究院 基于最小电流应力的双向变换器优化控制方法及装置
CN112054694B (zh) * 2020-09-16 2021-08-27 广东电网有限责任公司电力科学研究院 基于最小电流应力的双向变换器优化控制方法及装置
CN112054695B (zh) * 2020-09-16 2021-10-19 广东电网有限责任公司电力科学研究院 一种隔离型直流变换器控制方法、装置、设备及存储介质
CN114244138A (zh) * 2021-12-23 2022-03-25 国网安徽省电力有限公司电力科学研究院 一种波动环境下的换流器的控制系统及方法
CN114977872A (zh) * 2022-05-26 2022-08-30 上海交通大学 双向双有源桥型微逆变器及功率调制模式切换方法、系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN111541378B (zh) 2022-06-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111541378B (zh) 一种基于电流应力优化的双有源桥混合移相控制方法
CN109742968B (zh) 二极管箝位混合三电平双有源全桥变流器及其控制方法
CN108039821B (zh) 双有源全桥dc-dc变换器的电流应力优化双相移控制方法
CN108964476B (zh) 基于双有源桥的隔离型双向ac/dc变换器的控制方法
CN108809103A (zh) 级联双有源桥dc-dc变换器的最小电流应力控制方法
Thounthong et al. Robust hamiltonian energy control based on lyapunov function for four-phase parallel fuel cell boost converter for DC microgrid applications
CN108365758A (zh) 三端口dc/dc变换器的端口功率解耦控制方法
CN107204630B (zh) 兼具快速动态响应的海岛npc型电源高精度控制方法
CN110707935A (zh) 双有源全桥直流变换器的优化控制方法
US11228251B2 (en) Hybrid five-level bidirectional DC/DC converter and voltage match modulation method thereof
Qiu et al. Unified ZVS strategy for DAB with triple‐phase‐shift modulation in boost mode
CN116131646A (zh) 多电平载波混叠pwm调制策略获取方法及电路控制方法
Shi et al. Reactive power reduction method based on harmonics analysis for dual active bridge converters with 3-level modulated phase-shift control
CN109245544A (zh) 一种基于原副边功率器件驱动信号移相的电容电压控制方法
CN112769339B (zh) 一种串并联双有源桥式变换器及调制方法
Kumar et al. Performance investigation of multilevel neutral point clamped dual active bridge converter and identification of optimum operating zone
CN109256956A (zh) 一种隔离型dc-dc变换器控制方法
Liu et al. A Three-port multi-element resonant converter with decoupled power flow management
CN113904560A (zh) 基于三重移相控制的dab变换器多目标统一控制方法
Bosso et al. Isolated bidirectional DC‐to‐three‐phase AC converter for integration of renewable energy sources to electric grid
Zhang et al. Multiple modularity topology for smart transformers based on matrix converters
Chamorro et al. Active and reactive power flow fuzzy controller for VSC HVDC using DBR and DBR type 2
CN114070084A (zh) 一种基于四端口电能路由变换器及控制方法
Ranjan et al. Analysis of Dual Active Bridge Converter in Dual-Phase-Shift mode using Pulse-Width Modulation Technique
CN115603591B (zh) 一种三有源桥变换器的功率流解耦方法及系统

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
CB03 Change of inventor or designer information

Inventor after: Liu Zhao

Inventor after: Gong Jian

Inventor after: Yu Jie

Inventor after: Lu Yiyan

Inventor after: Ding Li

Inventor before: Gong Jian

Inventor before: Liu Zhao

Inventor before: Yu Jie

Inventor before: Lu Yiyan

Inventor before: Ding Li

CB03 Change of inventor or designer information
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant