CN113179022A - 一种双有源桥变换器无源软启动方法、系统、介质及设备 - Google Patents

一种双有源桥变换器无源软启动方法、系统、介质及设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种双有源桥变换器无源软启动方法、系统、介质及设备，其包括：判断副边电压是否有电，有电则进入第二阶段，无电则进入第一阶段；第一阶段判断原边是否为刚启动，若为刚启动，则确定第一阶段初始时刻的内移相比；反之，则更新内移相比的值；当副边有电时，副边电压达到阈值后，副边的辅助电源开始工作，为副边开关管提供控制电，进入启动的第二阶段；在第二阶段，判断副边是否为刚启动，若为刚启动，确定第二阶段初始的外移相比；反之，则更新内移相比的值；第二阶段启动后，双有源变换器进入闭环控制，待双有源桥工作稳定后，则启动过程完成。本发明能实现快速、无冲击的启动，减小过渡过程中的电流冲击。

Description

一种双有源桥变换器无源软启动方法、系统、介质及设备
技术领域
本发明涉及一种高速列车及电网中的变换器技术领域，特别是关于一种双有源桥变换器无源软启动方法、系统、介质及设备。
背景技术
电力电子变压器是高速列车、电网领域中常用的一种变换器，能够利用多模块级联技术、高频隔离技术实现高/低电压、直流/交流电能转换。双有源桥变换器是一种隔离型DC/DC变换器，被广泛的应用于电力电子变压器中。
双有源桥变换器具有高频隔离变压器，能够实现高频隔离功能，降低变换器体积重量，同时双有源桥变换器具有软开关特性，降低变换器损耗，提升变换器效率，因此受到广泛青睐。双有源桥变换器在工作时，需要为原边桥臂与副边桥臂配备辅助电源，为开关管的工作提供电能。然而，辅助电源为了减少电磁绝缘问题，减少成本，通常在为副边桥臂配备的辅助电源从双有源桥变换器的输出电容取电。在变换器刚启动的时候，输出电容电压为零，无法为副边辅助电源供电。此时双有源桥变换器仅依靠原边供电启动，会降低系统启动速度，且如果未妥善处理会面临启动电流冲击。
发明内容
针对因采用副边辅助供电电源而无法有效启动的双有源桥变换器，本发明的目的是提供一种双有源桥变换器无源软启动方法、系统、介质及设备，其能实现更快速的变换器启动，减小过渡过程中的电流冲击。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种双有源桥变换器无源软启动方法，其包括：步骤1、预先将双有源桥变换器启动过程分为第一阶段和第二阶段两个阶段，并判断副边电压是否有电，若有电则进入第二阶段，若无电则进入第一阶段；步骤2、在第一阶段，判断原边是否为刚启动，若为刚启动，则确定第一阶段初始时刻的内移相比D1；反之，则从每个开关周期的起始时刻，更新内移相比D1的值；步骤3、当副边有电时，副边电压达到阈值Uth后，副边的辅助电源开始工作，为副边开关管提供控制电，进入启动的第二阶段；步骤4、在第二阶段，判断副边是否为刚启动，若为刚启动，则确定第二阶段初始的外移相比D0；反之，则从每个开关周期的起始时刻，更新内移相比D0的值；步骤5、第二阶段启动后，双有源变换器进入闭环控制，待双有源桥工作稳定后，则启动过程完成。
进一步，所述步骤1中，第一阶段副边电压没电，只有原边全桥工作，控制全桥的内移相对副边母线进行充电；第二阶段副边电压有电，原边和副边的全桥均工作。
进一步，所述步骤2中，第一阶段的初始时刻，同一桥臂的两个开关管工作状态互锁，开关管的占空比均为50％。
进一步，所述步骤2中，第一阶段初始时刻的内移相比D1为：
D1＝1-Ipeak，n/2
式中，Ipeak，n为双有源桥变换器限定的最大电流的标幺值，n为变压器变比。
进一步，所述步骤2中，内移相比D1的更新方法为：每次将D1减少αD1，直至D1的值减小至零；α为比例系数，取值范围为(0，1)。
进一步，所述步骤4中，第二阶段初始的外移相比D0为：
D0＝(1-nU2/U1)/2
其中，n为变压器变比，U2为第二阶段初始时刻的双有源桥变换器的输出电压，U1为第二阶段初始时刻的双有源桥变换器的输入电压。
进一步，所述步骤4中，内移相比D0的更新方法为：
Figure BDA0003055927840000021
其中，U2为第二阶段初始时刻的双有源桥变换器的输出电压，
Figure BDA0003055927840000022
表示双有源变换器的输出参考电压，PI表示比例-积分调节器。
一种双有源桥变换器无源软启动系统，其包括：副边电压判断模块、第一阶段内移相比确定模块、第二阶段启动模块、第二阶段内移相比确定模块和启动完成模块；
所述副边电压判断模块，预先将双有源桥变换器启动过程分为第一阶段和第二阶段两个阶段，并判断副边电压是否有电，若有电则进入第二阶段，若无电则进入第一阶段；
所述第一阶段内移相比确定模块，在第一阶段，判断原边是否为刚启动，若为刚启动，则确定第一阶段初始时刻的内移相比D1；反之，则从每个开关周期的起始时刻，更新内移相比D1的值；
所述第二阶段启动模块，当副边有电时，副边电压达到阈值Uth后，副边的辅助电源开始工作，为副边开关管提供控制电，进入启动的第二阶段；
所述第二阶段内移相比确定模块，在第二阶段，判断副边是否为刚启动，若为刚启动，则确定第二阶段初始的外移相比D0；反之，则从每个开关周期的起始时刻，更新内移相比D0的值；
所述启动完成模块，第二阶段启动后，双有源变换器进入闭环控制，待双有源桥工作稳定后，则启动过程完成。
一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行上述方法中的任一方法。
一种计算设备，其包括：一个或多个处理器、存储器及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行上述方法中的任一方法的指令。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1、本发明的双有源桥变换器副边启动时没有辅助电源，没有器件的驱动信号和电压采样信号，但是依然可以实现快速无冲击的变换器启动。
2、本发明原边H桥的内移相不是从1开始减小，而是根据器件允许的峰值电流推导出原边内移相初始值，实现更快速的变换器启动。
3、本发明的副边辅助电源启动后，会根据采集计算得到的原边输入电压与副边输出电压计算阶段二初始时刻的外移相比，实现阶段一与阶段二的平滑过渡，减小过渡过程中的电流冲击。
综上，本发明可以广泛应用于包含驱动开关器件与辅助供电电源的双有源桥变换器中。
附图说明
图1是本发明实施例中启动方法实现流程示意图；
图2是本发明实施例中适用的一种双有源桥变换器的示意图；
图3是本发明实施例中第一阶段原边开关管开关过程与相关电气量波形说明示意图；
图4是本发明实施例中第二阶段原副边开关管开关过程与相关电气量波形说明示意图；
图5是本发明实施例中第二阶段闭环控制过程说明示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供的双有源桥变换器无源软启动方法，将双有源桥变换器启动过程分为两个阶段，第一阶段只有原边全桥工作，控制全桥的内移相对副边母线进行充电；第二阶段原边和副边的全桥均工作。通过控制启动各个阶段的原副边开关动作，原副边内、外移相值，实现双有源桥变换器的快速、无冲击的启动过程。本发明能有效解决双有源桥变换器副边启动时没有辅助电源的问题，且针对启动过程各个阶段进行了有效的内移相、外移相调整，可以快速无冲击的变换器启动过程，同时实现阶段一与阶段二的平滑过渡，减小过渡过程中的电流冲击。
在本发明的第一实施方式中，提供一种双有源桥变换器无源软启动方法，每个开关周期的启动方法相同，仅以一个周期为例，如图1所示，其包括以下步骤：
步骤1、预先将双有源桥变换器启动过程分为第一阶段和第二阶段两个阶段，并判断副边电压是否有电，若有电则进入第二阶段，若无电则进入第一阶段；
在本实施例中，双有源桥变换器启动过程的第一阶段副边电压没电，只有原边全桥工作，控制全桥的内移相对副边母线进行充电；第二阶段副边电压有电，原边和副边的全桥均工作。
步骤2、在第一阶段，判断原边是否为刚启动，若为刚启动，则确定第一阶段初始时刻的内移相比D1；反之，则从每个开关周期的起始时刻，更新内移相比D1的值；
在本实施例中，第一阶段的初始时刻，只有原边全桥有驱动信号，同一桥臂的两个开关管(S1与S2，S3与S4)工作状态互锁(开通闭合状态相反)，开关管的占空比均为50％。
其中，第一阶段初始时刻的内移相比D1为：
D1＝1-Ipeak，n/2
式中，D1等于S1开关管的关闭时刻至S3开关管开通时刻的时间差与一半的开关周期的比值，取值范围为(0，1)。Ipeak，n为双有源桥变换器限定的最大电流的标幺值，n为变压器变比。
内移相比D1的更新方法为：每次将D1减少αD1，直至D1的值减小至零；α为比例系数，取值范围为(0，1)，可以依据实际情况选取合适数值。
步骤3、当副边有电时，副边电压达到阈值Uth后，副边的辅助电源开始工作，为副边开关管提供控制电，进入启动的第二阶段；
进入启动的第二阶段后，原边全桥与副边全桥均有驱动信号，开关管S1与开关管S4工作状态相同，且与开关管S2、开关管S3完全反向，开关管的占空比均为50％。副开关管S5与开关管S8工作状态相同，且与开关管S6、开关管S7完全反向，开关管的占空比均为50％。
步骤4、在第二阶段，判断副边是否为刚启动，若为刚启动，则确定第二阶段初始的外移相比D0；反之，则从每个开关周期的起始时刻，更新内移相比D0的值；
在本实施例中，第二阶段初始的外移相比D0为：
D0＝(1-nU2/U1)/2
其中，D0等于S1开关管开通时刻与S5开关管开通时刻时间差与一半的开关周期的比值，取值范围为(-1，1)。n为变压器变比，U2为第二阶段初始时刻的双有源桥变换器的输出电压，U1为第二阶段初始时刻的双有源桥变换器的输入电压。
内移相比D0的值更新方法为，采用下述公式对D0进行更新：
Figure BDA0003055927840000051
其中，
Figure BDA0003055927840000052
表示双有源变换器的输出参考电压，PI表示比例-积分调节器。
步骤5、第二阶段启动后，双有源变换器进入闭环控制，待双有源桥工作稳定后，则启动过程完成。
上述实施例中，当执行完一个开关周期后，返回步骤1继续执行下一个开关周期。
在本发明的第二实施方式中，提供一种双有源桥变换器无源软启动系统，其包括：副边电压判断模块、第一阶段内移相比确定模块、第二阶段启动模块、第二阶段内移相比确定模块和启动完成模块；
副边电压判断模块，预先将双有源桥变换器启动过程分为第一阶段和第二阶段两个阶段，并判断副边电压是否有电，若有电则进入第二阶段，若无电则进入第一阶段；
第一阶段内移相比确定模块，在第一阶段，判断原边是否为刚启动，若为刚启动，则确定第一阶段初始时刻的内移相比D1；反之，则从每个开关周期的起始时刻，更新内移相比D1的值；
第二阶段启动模块，当副边有电时，副边电压达到阈值Uth后，副边的辅助电源开始工作，为副边开关管提供控制电，进入启动的第二阶段；
第二阶段内移相比确定模块，在第二阶段，判断副边是否为刚启动，若为刚启动，则确定第二阶段初始的外移相比D0；反之，则从每个开关周期的起始时刻，更新内移相比D0的值；
启动完成模块，第二阶段启动后，双有源变换器进入闭环控制，待双有源桥工作稳定后，则启动过程完成。
在本发明的第三实施方式中，提供一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，一个或多个程序包括指令，指令当由计算设备执行时，使得计算设备执行如第一实施方式中的任一方法。
在本发明的第四实施方式中，提供一种计算设备，其包括：一个或多个处理器、存储器及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在存储器中并被配置为一个或多个处理器执行，一个或多个程序包括用于执行如第一实施方式中的任一方法的指令。
实施例：
如图2所示，是本发明适用的一种双有源桥变换器结构，该双有源桥变换器由输入电容C1，包含四个开关管S1-S4的原边全桥单元，中/高频隔离变压器T，原边电感L1，副边电感L2，包含四个开关管S5-S8的副边全桥单元，输出电容C2组成。其中原边电感L1，副边电感L2也可以由隔离变压器T的漏感代替。变压器变比为n∶1。原边输入电压为U1，副边输出电压为U2，uAB为原边桥臂端口电压，uCD为副边桥臂端口电压。
如图3所示，是本发明第一阶段原边开关管开关过程与相关电气量波形说明示意图。波形1为S1与S2的开关动作，当波形为高时表示S1开通，S2关断；当波形为低时表示S1关断，S2开通。波形2为S3与S4的开关动作，当波形为高时表示S3开通，S4关断；当波形为低时表示S3关断，S4开通。波形3与波形4表示开关管S5-S8的开关动作。S5-S8由于没有辅助电源供电，始终保持关断状态。波形5表示原边桥臂端口电压uAB的波形，呈现为三电平阶梯波。波形6为副边桥臂端口电压uCD波形，呈现为两电平正负电压。波形7为电感L1上的电流iL，该电流小于双有源桥变换器限定的最大电流。t1-t4为开关的动作时刻，t2为开关管S1的关断时刻，t3为开关管S3的开通时刻，Ts为一个开关周期。D1为原边桥臂内移相值，D1为：
D1Ts/2＝t3-t2
如图4所示，是本发明第二阶段原副边开关管开关过程与相关电气量波形说明示意图。波形1为S1与S2的开关动作，当波形为高时表示S1开通，S2关断；当波形为低时表示S1关断，S2开通。波形2为S3与S4的开关动作，当波形为高时表示S3开通，S4关断；当波形为低时表示S3关断，S4开通。开关管S1始终与开关管S3的开关动作相反。波形3为S5与S6的开关动作，当波形为高时表示S5开通，S6关断；当波形为低时表示S5关断，S6开通。波形4为S7与S8的开关动作，当波形为高时表示S7开通，S8关断；当波形为低时表示S7关断，S8开通。开关管S5始终与开关管S7的开关动作相反。波形5表示原边桥臂端口电压uAB的波形，呈现为两电平正负电压。波形6为副边桥臂端口电压uCD波形，呈现为两电平正负电压。波形7为电感L1上的电流iL。t1-t4为开关的动作时刻，t2为开关管S1的关断时刻，t3为开关管S5的关断时刻，Ts为一个开关周期。D0为原副边桥臂外移相值，D0为：
D0Ts/2＝t3-t2
如图5所示，是本发明第二阶段闭环控制过程说明。
Figure BDA0003055927840000071
与U2的差值作为PI表示比例-积分调节器的输入，比例-积分调节器的输出是双有源桥变换器外移相比D0的值，在每个开关周期的启示时刻进行更新。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

Claims (10)

1.一种双有源桥变换器无源软启动方法，其特征在于，包括：
步骤1、预先将双有源桥变换器启动过程分为第一阶段和第二阶段两个阶段，并判断副边电压是否有电，若有电则进入第二阶段，若无电则进入第一阶段；
步骤2、在第一阶段，判断原边是否为刚启动，若为刚启动，则确定第一阶段初始时刻的内移相比D1；反之，则从每个开关周期的起始时刻，更新内移相比D1的值；
步骤3、当副边有电时，副边电压达到阈值Uth后，副边的辅助电源开始工作，为副边开关管提供控制电，进入启动的第二阶段；
步骤4、在第二阶段，判断副边是否为刚启动，若为刚启动，则确定第二阶段初始的外移相比D0；反之，则从每个开关周期的起始时刻，更新内移相比D0的值；
步骤5、第二阶段启动后，双有源变换器进入闭环控制，待双有源桥工作稳定后，则启动过程完成。
2.如权利要求1所述软启动方法，其特征在于，所述步骤1中，第一阶段副边电压没电，只有原边全桥工作，控制全桥的内移相对副边母线进行充电；第二阶段副边电压有电，原边和副边的全桥均工作。
3.如权利要求1所述软启动方法，其特征在于，所述步骤2中，第一阶段的初始时刻，同一桥臂的两个开关管工作状态互锁，开关管的占空比均为50％。
4.如权利要求1所述软启动方法，其特征在于，所述步骤2中，第一阶段初始时刻的内移相比D1为：
D1＝1-Ipeak，n/2
式中，Ipeak，n为双有源桥变换器限定的最大电流的标幺值，n为变压器变比。
5.如权利要求1或3或4所述软启动方法，其特征在于，所述步骤2中，内移相比D1的更新方法为：每次将D1减少αD1，直至D1的值减小至零；α为比例系数，取值范围为(0，1)。
6.如权利要求1所述软启动方法，其特征在于，所述步骤4中，第二阶段初始的外移相比D0为：
D0＝(1-nU2/U1)/2
其中，n为变压器变比，U2为第二阶段初始时刻的双有源桥变换器的输出电压，U1为第二阶段初始时刻的双有源桥变换器的输入电压。
7.如权利要求1所述软启动方法，其特征在于，所述步骤4中，内移相比D0的更新方法为：
Figure FDA0003055927830000021
其中，U2为第二阶段初始时刻的双有源桥变换器的输出电压，
Figure FDA0003055927830000022
表示双有源变换器的输出参考电压，PI表示比例-积分调节器。
8.一种双有源桥变换器无源软启动系统，其特征在于，包括：副边电压判断模块、第一阶段内移相比确定模块、第二阶段启动模块、第二阶段内移相比确定模块和启动完成模块；
所述副边电压判断模块，预先将双有源桥变换器启动过程分为第一阶段和第二阶段两个阶段，并判断副边电压是否有电，若有电则进入第二阶段，若无电则进入第一阶段；
所述第一阶段内移相比确定模块，在第一阶段，判断原边是否为刚启动，若为刚启动，则确定第一阶段初始时刻的内移相比D1；反之，则从每个开关周期的起始时刻，更新内移相比D1的值；
所述第二阶段启动模块，当副边有电时，副边电压达到阈值Uth后，副边的辅助电源开始工作，为副边开关管提供控制电，进入启动的第二阶段；
所述第二阶段内移相比确定模块，在第二阶段，判断副边是否为刚启动，若为刚启动，则确定第二阶段初始的外移相比D0；反之，则从每个开关周期的起始时刻，更新内移相比D0的值；
所述启动完成模块，第二阶段启动后，双有源变换器进入闭环控制，待双有源桥工作稳定后，则启动过程完成。
9.一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行如权利要求1至7所述方法中的任一方法。
10.一种计算设备，其特征在于，包括：一个或多个处理器、存储器及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行如权利要求1至7所述方法中的任一方法的指令。
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