CN113098315B - 基于虚拟频率的双向交直流变换器控制方法 - Google Patents

基于虚拟频率的双向交直流变换器控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及交直流微电网领域，具体是基于虚拟频率的双向交直流变换器控制方法。本发明解决了传统控制策略控制环节设计难度大、系统输出功率与控制参数呈现非线性关系、采用大容量电解电容导致功率密度低的问题。该交直流变换器由双有源桥变换器和全桥逆变器构成。该方法在传统移相控制的基础上加入虚拟频率控制，实现了控制的线性化；调节开关管驱动信号使得全桥逆变器工作在同步状态，从而减小输出侧滤波电容的容量，令变换器的设计更趋模块化，便于系统升级扩容；通过电压电流双闭环控制使输出电流和电压保持稳定。本发明基于虚拟频率的双向交直流变换器控制方法，具有良好的实用性。

Description

基于虚拟频率的双向交直流变换器控制方法
技术领域
本发明涉及交直流微电网领域，具体是基于虚拟频率的双向交直流变换器控制方法。
背景技术
随着电力电子技术和分布式电源的快速发展，直流型分布式电源和负荷占比逐步提升，直流微电网与交流微电网结合形成的交直流混合微电网，不仅可以对原有的交流电网提供支撑，还可以减少直流原件接入交流系统产生的损耗，提高了系统的稳定性和经济型。作为连接交直流微网的关键设备，双向AC/DC变换器承载着控制能量在直流母线和交流电网之间传递的任务，对维持电网稳定运行起到了关键作用。其中，基于DAB结构的双向交直流变换器因其具有能量双向流动、模块化程度高、软开关实现简单、动态响应速度快等优点成为高频隔离变换器的关键模块。
针对双向AC/DC变换器的控制策略中，传统移相调制是最常见的控制方式，三重移相控制策略因其具有三个自由度被广泛应用，该方案存在三个缺点：变换器采用多级控制策略，导致结构复杂、造价昂贵、控制环节难以设计，增大了系统的模块数量与设计难度；相移控制的优化算法会导致系统输出功率与控制参数呈现非线性关系，增加控制的复杂程度，使得变换器的扩展不灵活；稳压电容体积较大且通常使用电解电容，增加了变换器的故障率的同时也增大了变换器体积。
发明内容
本发明为了解决传统交直流变换器多级控制，输出功率与控制参数非线性，硬件体积大，系统设计复杂的技术问题，针对现有技术缺陷，设计了基于虚拟频率的双向交直流变换器控制方法。
本发明是基于如下技术方案实现的：一种基于虚拟频率的双向交直流变换器控制方法，所述双向交直流变换器拓扑结构由DAB和有源全桥逆变桥SI构成，DAB包括逆变全桥H1和整流全桥H2，两桥臂通过辅助电感和变压器组成的磁性网络相连接，变压器变比为1:n；直流侧通过并联滤波电容C1连接逆变全桥H1，整流全桥H2的输出侧与电容器Crec并联连接，有源全桥逆变桥SI的输出通过滤波电感Lac连接交流电网；
将虚拟频率控制与电压电流双闭环控制结合，使得传输功率与控制变量线性化；具体如下：
电压控制模块中，双向交直流变换器的交流侧母线电压ug经锁相环PLL得开关角频率ws；设定直流母线电压参考值
Figure BDA0003002947140000021
其与双向交直流变换器的直流侧母线实际电压值udc比较后，所得差值经过第一PI控制器得到交流侧母线电流参考值
Figure BDA0003002947140000022
电流控制模块中，双向交直流变换器交流侧母线实际电流iac经过Park变换得到交流母线电流直轴分量id，交流侧母线电流参考值
Figure BDA0003002947140000023
与交流母线电流直轴分量id作差后，经过第二PI控制器和Park反变换输出修正相移量ΔD1；相移控制量调制模块中，通过检测得到的直流侧实际电压值udc和交流侧电压ug，两电压值相比得到电压变比k，经相移计算式1计算得到主相移量
Figure BDA0003002947140000024
将
Figure BDA0003002947140000025
与电流控制模块输出的修正相移量ΔD1相减得到最终相移量D1，再由相移计算式2得到相移量D0和D2，从而输出脉冲PWM驱动信号控制开关管导通使变换器在给定控制方式下运行；所述的相移计算式1为
Figure BDA0003002947140000026
式中fn为虚拟频率，Lr为变压器本体的漏感及外接辅助电感；
相移计算式2为
Figure BDA0003002947140000027
基于三重移相调制原理建立双向隔离型AC/DC变换器等效模型，计算得到功率与控制变量D1呈非线性；因此本发明中，将控制变量与实际开关频率结合使得功率与控制变量线性化，定义中间变量为虚拟频率fn，虚拟频率fn为一定值。在采用虚拟频率控制的基础上得到相移计算式1和相移计算式2，与电压变比计算共同构成相移控制量调制模块。
进一步的，本发明还包括同步逆变桥控制方案；为增大变换器功率密度，省略大容量稳压电解电容，该方案通过调节开关管驱动信号使得全桥逆变器工作在同步状态：开关管Q1、Q2、Q3、Q4构成有源全桥逆变桥SI，开关管Q1的源极与开关管Q2的漏极连接构成第一桥臂，所述开关管Q3的源极与开关管Q4的漏极连接构成第二桥臂，双向AC/DC变换器中稳定工作时，当功率正向传输，整流全桥H2输出100Hz的正弦脉动电压波形，当交流母线电压为正时，Q2和Q3关闭，Q1和Q4打开；当交流母线电压为负时，Q1和Q4关闭，Q2和Q3打开。
本发明所提供的上述一种基于虚拟频率的双向交直流变换器控制方法，与现有技术相比，所具有的优点与积极效果在于：(1)相较于传统双向隔离型AC/DC变换器优化控制策略，本发明省去输出侧电解电容，改为一个较小的的高频滤波电容(如Crec取值1μF)，在使系统运行更加安全，同时减小了变换器体积和重量。另外，使用小容量电容令变换器的设计更趋模块化，便于系统升级扩容。(2)将相移控制与所提出的虚拟频率控制相结合，实现了传输功率与相移量D1的线性化，使控制更简单。(3)通过在控制系统中加入最小电流应力优化控制算法，减小了流过DAB开关管的电流峰值。(4)本发明实现了单级功率变换，避免了传统多级控制结构复杂、造价昂贵、控制环节难以设计的缺点，减小了系统的模块数量与设计难度。
附图说明
图1是本发明所涉及拓扑图基于虚拟频率的双向交直流变换器结构图；
图2是本发明所涉及隔离型双向AC/DC变换器虚拟频率控制框图；
图3是本发明所涉及双向AC/DC变换器功率正向传递波形图；
图4是本发明所涉及双向AC/DC变换器功率反向传递波形图；
图5是本发明所涉及相移量D1与开关频率fs随时间变化曲线图。
图1中：单相隔离型双向AC/DC变换器由DAB和同步逆变器构成。DAB包括逆变全桥H1和整流全桥H2，两桥臂通过辅助电感和变压器组成的磁性网络相连接，其中电感Lr为变压器本体的漏感及外接辅助电感，变压器变比为1:n。整流全桥H2的输出侧与电容器Crec并联连接。vp为H1桥的交流侧电压，vs为H2桥的交流侧电压，udc为直流母线电压，ug为交流母线电压，idc1为电容C1左侧电流值，idc2为电容C1右侧电流值。开关管Q1，Q2，Q3，Q4构成全桥式逆变器SI，开关管Q1的源极与开关管Q2的漏极连接构成第一桥臂，所述开关管Q3的源极与开关管Q4的漏极连接构成第二桥臂。
图2中：ws为开关角频率，
Figure BDA0003002947140000031
为主相移量，ΔD1为修正相移量，k为电压变比(电压传输比)，
Figure BDA0003002947140000032
为交流侧母线电流参考值，iac为交流母线侧实际电流，id为交流母线电流直轴分量，iq为交流母线电流交轴份量，
Figure BDA0003002947140000041
为直流母线电压参考值，udc为直流侧母线实际电压，ug为交流侧母线电压，PLL为锁相环。移相控制量调制模块可以生成MOSFET移相后的驱动信号。电压控制模块中，直流电压参考值与实际值比较后，经过第一PI控制器输出电流参考值
Figure BDA0003002947140000042
电流控制模块中，电流参考值
Figure BDA0003002947140000043
与交流母线电流直轴分量id作差后，经过第二PI控制器和Park反变换输出修正相移量，与主相移量作差输出修正相移量D1。之后经相移计算式2计算得到各模块的相移量D0和D2，从而输出脉冲PWM驱动信号。
图3中：vp为H1桥的交流侧电压，vs为H2桥的交流侧电压，T为半开关周期，i1为DAB输出电流，irec为逆变全桥输入电流。
图5中：相移量D1参照左侧刻度值，开关频率fs参照右侧刻度值。Ig为交流侧母线实际电流iac的峰值。
具体实施方式
推到控制模型，建立变换器等效模型的基础上，通过数学推导提出在双向AC/DC变换器电压电流环控制中引入虚拟频率控制的方法。
双向AC/DC变换器由DAB和全桥逆变器SI组成，DAB和全桥逆变器SI通过高频滤波电容相连。基于虚拟频率控制的方法，使传输功率与控制变量D1呈线性关系，同时通过电压电流控制器实现母线电压稳定。
本发明基于虚拟频率的双向交直流变换器控制方法，其所述方法具体展开如下：
控制方法包括基于虚拟频率的电压电流双闭环控制、同步逆变桥控制。
(1)基于虚拟频率的电压电流双闭环控制
基于三重移相调制原理建立双向隔离型AC/DC变换器等效模型，计算得到功率与控制变量D1呈非线性，将控制变量与实际开关频率结合使得功率与控制变量线性化，定义中间变量为虚拟频率fn，虚拟频率fn为一定值，根据设备实际开关频率选择，一般的，可以选为100kHz。在采用虚拟频率控制的基础上推导得到相移计算式1和相移计算式2，与电压变比计算共同构成相移量控制模块。
相移计算式1为
Figure BDA0003002947140000044
相移计算式2为
Figure BDA0003002947140000051
交流侧母线电压ug经锁相环PLL得开关角频率ws，为保证直流侧电压稳定，设定直流母线电压参考值
Figure BDA0003002947140000052
其与直流侧母线实际电压值udc的差值经过第一PI控制器得到交流侧输出电流参考值
Figure BDA0003002947140000053
为了更准确的控制交流侧输出电流，引入电流内环控制，交流侧电流经过Park变换得到交流母线电流直轴分量id，与交流侧母线电流参考值
Figure BDA0003002947140000054
相减后经第二PI控制器和反Park变换后得到修正相移量ΔD1。通过检测得到的直流侧母线实际电压值udc和交流侧母线电压ug，两电压值相比得到电压变比k，经相移计算式1计算得到主相移量
Figure BDA0003002947140000055
将
Figure BDA0003002947140000056
与电流环输出的修正相移量ΔD1相减得到最终相移量D1，再由相移计算式2得到相移量D0和D2，从而输出脉冲PWM驱动信号控制开关管导通使变换器在给定控制方式下运行。
(2)同步逆变桥控制方案
为增大变换器功率密度，省略大容量稳压电解电容，调节开关管驱动信号使得全桥逆变器工作在同步状态。开关管Q1，Q2，Q3，Q4构成全桥式逆变器SI，开关管Q1的源极与开关管Q2的漏极连接构成第一桥臂,所述开关管Q3的源极与开关管Q4的漏极连接构成第二桥臂，双向AC/DC变换器中稳定工作时，当功率正向传输，整流全桥H2输出100Hz的正弦脉动电压波形，当交流母线电压为正时，Q2和Q3关闭，Q1和Q4打开；当交流母线电压为负时，Q1和Q4关闭，Q2和Q3打开。此时，只需选择很小的高频滤波电容即可输出理想的正弦电压波形，输出侧电容仅需滤去DAB开关动作时产生的高频纹波。

Claims (4)

1.一种基于虚拟频率的双向交直流变换器控制方法，所述双向交直流变换器拓扑结构由DAB和有源全桥逆变桥SI构成，DAB包括逆变全桥H1和整流全桥H2，两桥臂通过辅助电感和变压器组成的磁性网络相连接，变压器变比为1:n；直流侧通过并联滤波电容C1连接逆变全桥H1，整流全桥H2的输出侧与电容器Crec并联连接，有源全桥逆变桥SI的输出通过滤波电感Lac连接交流电网；
其特征在于：将虚拟频率控制与电压电流双闭环控制结合，使得传输功率与控制变量线性化；具体如下：
电压控制模块中，双向交直流变换器的交流侧母线电压ug经锁相环PLL得开关角频率ws；设定直流母线电压参考值
Figure FDA0003002947130000011
其与双向交直流变换器的直流侧母线实际电压值udc比较后，所得差值经过第一PI控制器得到交流侧母线电流参考值
Figure FDA0003002947130000012
电流控制模块中，双向交直流变换器交流侧母线实际电流iac经过Park变换得到交流母线电流直轴分量id，交流侧母线电流参考值
Figure FDA0003002947130000013
与交流母线电流直轴分量id作差后，经过第二PI控制器和Park反变换输出修正相移量ΔD1；相移控制量调制模块中，通过检测得到的直流侧实际电压值udc和交流侧电压ug，两电压值相比得到电压变比k，经相移计算式1计算得到主相移量
Figure FDA0003002947130000014
将
Figure FDA0003002947130000015
与电流控制模块输出的修正相移量ΔD1相减得到最终相移量D1，再由相移计算式2得到相移量D0和D2，从而输出脉冲PWM驱动信号控制开关管导通使变换器在给定控制方式下运行；所述的相移计算式1为
Figure FDA0003002947130000016
式中fn为虚拟频率，Lr为变压器本体的漏感及外接辅助电感；
相移计算式2为
Figure FDA0003002947130000017
2.如权利要求1所述的基于虚拟频率的双向交直流变换器控制方法，其特征在于，还包括同步逆变桥控制方案；该方案通过调节开关管驱动信号使得全桥逆变器工作在同步状态：开关管Q1、Q2、Q3、Q4构成有源全桥逆变桥SI，开关管Q1的源极与开关管Q2的漏极连接构成第一桥臂，开关管Q3的源极与开关管Q4的漏极连接构成第二桥臂，双向AC/DC变换器中稳定工作时，当功率正向传输，整流全桥H2输出100Hz的正弦脉动电压波形，当交流母线电压为正时，Q2和Q3关闭，Q1和Q4打开；当交流母线电压为负时，Q1和Q4关闭，Q2和Q3打开。
3.如权利要求2所述的基于虚拟频率的双向交直流变换器控制方法，其特征在于，采用同步逆变桥控制方案后，Crec取值为1μF即可输出理想的正弦电压波形。
4.如权利要求3所述的基于虚拟频率的双向交直流变换器控制方法，其特征在于：电压电流双环控制、虚拟频率控制以及同步逆变桥控制均通过DSP微处理器实现。
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