CN114050722B - 基于dab的直接功率模型预测与pi复合控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于DAB的直接功率模型预测与PI复合控制方法，首先针对单个DAB变换器，给出其工作模态分析，由其开关周期内瞬时积分构建的高频变压器左右两侧H桥的电压波形以及流过储能电感的电流波形，推导建立传输功率、软开关范围及回流功率的数学模型；软开关的范围条件变成边界条件的等式带入变换器传输功率公式中得到软开关功率边界优化目标函数，以回流功率和软开关功率边界为优化目标，以DAB变换器的传输功率为约束条件，求DAB变换器工作在不同传输功率模态和电压转换比下的优化移相角，使变换器的回流功率最小，同时变换器的开关管工作在软开关状态；最后对回流功率优化分析；提高双有源桥变换器的传输效率、稳定性。

Description

基于DAB的直接功率模型预测与PI复合控制方法

技术领域

本发明属于DC/DC变换器技术领域，具体涉及基于DAB的直接功率模型预测与PI复合控制方法。

背景技术

随着全球能源危机与环境污染的加剧，新能源并网发电的趋势日益增长。相比传统交流微电网，直流微电网具有更好的可靠性、经济性指标。此外，快速发展的电力电子控制技术与制造技术，极大地提升了直流微电网的供电可靠性，使得直流微电网成为当前的研究热点。为实现新能源的收集、变换和传输，双有源桥式DC-DC变换器成为了一个潜在的能量变换装置。

直流微电网作为分布式电源和储能装置的理想接入方式，可以减少电能变换环节和滤波装置，目前已经成为主要研究方向。双有源桥变换器可以实现电压等级变换和电气绝缘，具有双向能量流动、容易实现软开关、结构高度对称等优点，作为直流配电网中各级母线间的关键接口电路，弥补分散式的可再生能源发电单元、负荷等具有随机波动、间歇性的问题。双有源桥变换器的回流功率以提高变换效率，对双有源桥变换器在直流微电网中的应用具有重要意义。针对不同的控制策略，DAB变换器表现出不同的功率转换性能。当变换器电压不匹配时，电流应力和回流功率均会大幅增加。当电流应力较大时，线路中电流峰值和有效值均会增加，使得线路损耗会不断增加，降低变换器的效率；当回流功率增加时，电源侧和负载侧的功率会不断往返传输，会使得功率在往返传输的过程中有一部分损耗在回路电阻上，同样会降低变换器的效率。变换器工作在不匹配状态，会造成开关管软开关行为的丢失，增加了开关器件的开通损耗与关断损耗，无法提高变换器效率和维持输出电压稳定、增加传输功率损耗。

在DAB变换器控制方法中，移相控制为最常用的控制方式之一，采用单移相(SPS)控制时，该控制方式简单，易于反馈调节，但只能通过调节单一变量控制系统的功率输出，无法调节系统的回流功率、电流应力等特性，不利于提升变换器效率。扩展移相(EPS)控制方法，在一次侧H桥中加入内移相比D1，增加了控制自由度，并在一定程度上降低了变换器的回流功率。基于双重移相(DPS)控制,在外移相比的基础上，同时在两侧H桥中引入了相同的内移相比，根据对DAB变换器的软开关特性、回流功率等影响因素的分析，采用分段线性的控制方法来改善回流功率，相比于扩展移相(EPS)控制，双重移相(DPS)在变换器轻载时更好的减小回流功率和扩大软开关范围。三重移相控制下DAB变换器工作模态较多，回流功率数学模型过于复杂，在实际工程应用中难以推广。

综上所述，在直流微电网系统中作为不同电压等级的直流母线、分布式电源与储能设备的关键接口，为保证双有源桥式DC-DC变流器在直流微网互联中功率传输的效率及直流母线电压稳定性，要通过灵活的控制方式使能量能够双向流动，提高直流微电网群相互支撑控制的系统鲁棒性与快速性，因此对于DAB变换器的动态性能和抗干扰能力有着重要需求。

发明内容

本发明的目的是提供基于DAB的直接功率模型预测与PI复合控制方法，该方法在优化回流功率的基础上，同时使双有源变换器全功率范围内开关管工作在零电压开通状态，减小了变换器损耗；回流功率与软开关范围同时影响着变换器的功率传输性能；合理选择移相角的值，对移相角组合进行优化，可降低甚至完全消除回流功率；兼顾输入输出电压关系，即电压转换比k，实现变换器H桥开关管软开关，提高双有源桥变换器的传输效率、稳定性。

本发明所采用的技术方案是，基于DAB的直接功率模型预测与PI复合控制方法，具体按以下步骤实施：

步骤1，首先针对单个DAB变换器，给出变换器的工作模态分析，由变换器开关周期内瞬时积分构建的高频变压器左右两侧H桥的电压波形以及流过储能电感的电流波形，推导建立传输功率、软开关范围及回流功率的数学模型；

步骤2，将经步骤1得到的软开关的范围条件变成边界条件的等式带入变换器传输功率公式中得到软开关功率边界优化目标函数，以回流功率和软开关功率边界为优化目标，以DAB变换器的传输功率为约束条件，求解出DAB变换器工作在不同传输功率模态和电压转换比下的优化移相角，使所述变换器的回流功率最小，同时变换器的开关管工作在软开关状态；

步骤3，回流功率的优化分析。

本发明的特点还在于：

其中步骤1具体内容为：对变换器的回流功率进行分析，电路达到稳态时，一个开关周期内电感电流可以分为八个阶段，且电感电流平均值为零，分析各阶段电感电流的表达式为：

公式(1)中T_hs是变换器一个开关周期的一半，其中设变换器的功率基值公式(2)为：

传输功率为：

由公式(3)功率基值可以得到传输功率的标幺值：

移相控制下回流功率的标幺值为：

双有源桥DC-DC变换器在双重移相调制下软开关范围的推导，双移相调制下变换器原副边开关管实现软开关ZVS的约束条件为：

由公式(6)与公式(1)结合，可以推出软开关的条件范围为：

将软开关边界条件带入变换器的传输功率公式(3)中，经标幺化后可分别得到原边桥与副边桥的软开关边界功率：

由此可得变换器的软开关的边界功率范围：

经上述步骤构建以软开关为目标函数的优化，在以双有源桥变换器回流功率与软开关为优化目标下构建拉格朗日函数：

附加约束条件：P-p_M＝0 (11)

软开关目标函数：

回流功率目标函数：

拉格朗日函数公式为：

L(D₁,D₂,λ)＝q_DPS-p_软+λ(P-p_M) (14)

在拉格朗日函数公式(14)中要求变换器的回流功率最小，但软开关的范围尽可能的大，所以回流功率目标函数与软开关目标函数相减，再在以传输功率为约束条件的拉格朗日函数中求取优化的移相角；

其中步骤2具体内容为：采样得到输入电压V₁、输出电压V₂、输出电流I₂，根据采样的电压、电流参数计算输出电压值为V_2ref时的输出功率以及变换器的电压转换比为/>由直接功率模型预测控制判断变换器在不同输出功率和电压转换比的情况下，各模式软开关条件下的最小回流功率，以及实现该最小值时DAB变换器内移相角D₁的取值；

采样变换器的实际输出电压V₂，并根据采集到的实际输出电压与期望输出电压V_2ref的差值，通过PI控制得到外移相角D₂的取值，稳定变换器输出电压；最后根据直接功率模型预测与PI复合控制输出的内移相比D1和外移相比D₂，控制所述原边单相全桥电路和所述副边单相全桥电路中的开关管实现软开关(ZVS)，同时使所述变换器的回流功率最小；

其中步骤3具体内容为：回流功率的优化分析是在传输功率一定的前提下，由拉格朗日求极值方法求解回流功率的优化参数；以回流功率优化目标，以DAB变换器的传输功率和软开关范围为约束条件，求解出DAB变换器工作在不同传输功率模态和电压转换比下，变换器的优化移相角D1取值，通过内移相角D1对变换器一二次侧开关管的调制，使所述变换器的回流功率最小，同时变换器的开关管工作在软开关状态；

其中步骤3中根据步骤1中拉格朗日函数求极值计算得到的优化移相角，划分DAB变换器工作于下述3种模态；

1)当变换器处在低功率工作模态1时：

2)当变换器处在中功率工作模态2时：

3)当变换器处在高功率工作模态3时：

在DAB变换器的实际控制中，通过判断变换器在不同功率段和电压变比的优化移相角，就可以对变换器状态的实时优化控制。

本发明的有益效果是：

本发明的基于DAB的直接功率模型预测与PI复合控制方法，首先针对变换器的回流功率和软开关两种优化目标，通过这两种优化目标对变换器的工作模态分析，推理求导出能同时满足回流功率和变换器软开关的优化移相角；使DAB变换器中开关管能够工作在软开关状态，同时能够实现变压器的回流功率最小，减小DAB变换器的功率损耗，实现所述双有源桥变换流的高传输效率；

本发明可以提高变换器的动态性能，增强系统的鲁棒性，对变换器的进行实时快速调节，维持变换器功率传输稳定性。通过电压参考V_2ref和二次侧电压反馈V₂相减得到的电压误差，经PI控制器输出移相角D₂维持输出电压稳定性，由直接功率模型预测对变换器工作模态判断输出优化的内移相角D₁减小回流功率，实现双有源桥DC-DC变换器的功率控制。通过控制策略可以实现变换器不同电压变比下全功率段工作模态的移相优化，实现变换器的稳定工作。

附图说明

图1是本发明的基于DAB的直接功率模型预测与PI复合控制方法中基于双有源桥DC-DC变换器的拓扑图；

图2为本发明的基于DAB的直接功率模型预测与PI复合控制方法的闭环控制框图；

图3为本发明的基于DAB的直接功率模型预测与PI复合控制方法中多目标优化直接功率模型预测控制的模式判断流程框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提出了基于DAB的直接功率模型预测与PI复合控制方法，基于所述双有源桥DC-DC变换器，如图1所示电路拓扑图实现；双有源DC-DC变换器系统装置由直流电源、高频变压器原边全桥H1、高频变压器副边全桥H2、高频电感L和高频变压器、直流负载、原边输入电容C₁、副边输出电容C₂以及数字DSP控制器组成；上述高频变压器原边全桥H₁由S₁～S₄四个全控开关器件组成，高频变压器副边全桥H₂由Q₅～Q₈四个全控开关器件组成；V₁为变换器原边H₁全桥电路直流侧的输入电压，V₂为副边H₂全桥电路直流侧的输出电压；变换器原边全桥电路的直流侧部分与原边直流电源连接，交流侧通过辅助电感与所述变压器的原边连接；所述副边全桥电路的交流侧部分与所述的变压器副边连接，直流侧与副边直流负载连接，高频变压器的变比为n：1；

在移相控制下，因控制方式的差异，高频变压器两端电压可能为两电平波或者三电平波，改变高频变压器两端电压之间的相位D₂的关系来改变能量的流向与大小。当变压器两端电压相位D₂＞0时，DAB变换器中的传输功率流向为从变换器原边全桥电路的直流侧部分传输到副边全桥电路的直流负载；当变压器两端电压相位D₂＜0时，DAB的传输功率流向为从副边全桥电路的直流电压部分传输到变换器原边全桥电路的直流侧。通过对DAB变换器原边和副边全桥内部对角开关管驱动之间的移相角D₁进行双重移相控制的回流功率及软开关条件下定量优化分析、计算推导，选取最优的移相角组合来控制；

图2为本发明直接功率模型预测与PI复合控制的DAB多目标优化方法的闭环控制框图；在双有源全桥变换器中设定变压器变比n：1、高频电感L、变换器的频率f_s，期望稳定的输出电压值为V_2ref，电压采样得到的输入电压为V₁、采样得到的输出电压V₂、电流采样得到的输出电流I₂。根据采样的电压、电流参数计算输出电压值为V_2ref时的输出功率以及变换器的电压转换比为/>在变换器启动阶段，设置内移相比D₁＝0，通过PI控制器将变换器输出电压或电流调节至给定值，随后根据控制器的采样结果，计算稳态情况下的变换器传输功率、电压匹配比等参数；使用设定好的最优控制算法，计算出当前工作状态下的最优内移相比D₁，并更新到数字DSP控制器中的PWM调制模块寄存器里，移相调制器的PWM开关控制信号输出端与所述原副边全桥相对应的全控开关管S₁～S₄和Q₅～Q₈相连接；然后利用PI控制器的闭环调节作用，对DAB变换器进行移相控制稳定输出电压，保证变换器的功率传输效率，之后的工作过程中，不断计算更新内移相比D₁；在这种情况下，当供电电源或负载发生变化时，可以保证DAB变换器始终工作在回流功率和软开关的最优状态下。

上述的双重移相角的值是高频变压器原副边H桥之间的移相比D₂、原边全桥H₁内部对角开关管驱动之间移相比与副边全桥内部对角开关管驱动之间移相比相同，定义为移相角D₁。

图3为本发明多目标优化直接功率模型预测控制的模式判断流程框图；

为了实现上述目的，本优化控制方法具体包括以下步骤：

步骤1，针对单个DAB变换器，给出变换器的工作模态分析，由变换器开关周期内瞬时积分构建的高频变压器左右两侧H桥的电压波形以及流过储能电感的电流波形，推导建立传输功率、软开关范围及回流功率的数学模型；

参考图1，对变换器的回流功率进行分析，电路达到稳态时，一个开关周期内电感电流可以分为八个阶段，且电感电流平均值为零，分析各阶段电感电流的表达式为：

公式(1)中T_hs是变换器一个开关周期的一半，其中设变换器的功率基值公式(2)为：

传输功率为：

由公式(3)功率基值可以得到传输功率的标幺值：

移相控制下回流功率的标幺值为：

双有源桥DC-DC变换器在双重移相调制下软开关范围的推导与单移相控制下变换器实现软开关条件过程类似，双移相调制下变换器原副边开关管实现软开关ZVS的约束条件为：

由公式(6)与公式(1)结合，可以推出软开关的条件范围：

将软开关边界条件带入变换器的传输功率公式(3)中，经标幺化后可分别得到原边桥与副边桥的软开关边界功率：

由此可得变换器的软开关的边界功率范围：

这样就可以构建以软开关为目标函数的优化，在以双有源桥变换器回流功率与软开关为优化目标下构建拉格朗日函数:

附加约束条件：P-p_M＝0 (11)

软开关目标函数：

回流功率目标函数：

拉格朗日函数公式为：

L(D₁,D₂,λ)＝q_DPS-p_软+λ(P-p_M) (14)

在拉格朗日函数公式(17)中要求变换器的回流功率最小，但软开关的范围尽可能的大，所以回流功率目标函数与软开关目标函数相减，再在以传输功率为约束条件的拉格朗日函数中求取优化的移相角。

步骤2，采样得到输入电压V₁、采样得到输出电压V₂、输出电流I₂，根据采样的电压、电流参数计算输出电压值为V_2ref时的输出功率以及变换器的电压转换比为由直接功率模型预测控制判断变换器在不同输出功率和电压转换比的情况下，各模式软开关条件下的最小回流功率，以及实现该最小值时DAB变换器内移相角D₁的取值。采样变换器的实际输出电压V₂，并根据采集到的实际输出电压与期望输出电压V_2ref的差值，通过PI控制得到外移相角D₂的取值，稳定变换器输出电压。最后根据直接功率模型预测与PI复合控制输出的内移相比D1和外移相比D₂,控制所述原边单相全桥电路和所述副边单相全桥电路中的开关管实现软开关(ZVS)，同时使所述变换器的回流功率最小；

步骤3，回流功率的优化分析是在传输功率一定的前提下，由拉格朗日求极值方法求解回流功率的优化参数。以回流功率优化目标，以DAB变换器的传输功率和软开关范围为约束条件，求解出DAB变换器工作在不同传输功率模态和电压转换比下，变换器的优化移相角D1取值，通过内移相角D1对变换器一二次侧开关管的调制，使所述变换器的回流功率最小，同时变换器的开关管工作在软开关状态。

根据步骤1中拉格朗日函数求极值计算得到的优化移相角，划分DAB变换器工作于下述3种模态；

1)当变换器处在低功率工作模态1时：

2)当变换器处在中功率工作模态2时：

3)当变换器处在高功率工作模态3时：

在DAB变换器的实际控制中，通过判断变换器在不同功率段和电压变比的优化移相角，就可以对变换器状态的实时优化控制；

步骤4，由直接功率模型预测与PI复合控制根据采样电路采样的电压变比k和传输功率的标幺值，判断变化器此时工作哪种模态，依据变换器工作的模态情况控制输出优化的移相控制量形成驱动信号，八个开关管的驱动信号通过输出端口驱动所述原边H1全桥、副边H2全桥的八个全控开关器件，通过上述的控制方法即可实现变换器软开关条件下回流功率的优化。

Claims (2)

1.一种直接功率模型预测与PI复合控制的DAB多目标优化方法，其特征在于，具体按以下步骤实施：

步骤1，首先针对单个DAB变换器，给出变换器的工作模态分析，由变换器开关周期内瞬时积分构建的高频变压器左右两侧H桥的电压波形以及流过储能电感的电流波形，推导建立传输功率、软开关范围及回流功率的数学模型，具体为：

对变换器的回流功率进行分析，电路达到稳态时，一个开关周期内电感电流可以分为八个阶段，且电感电流平均值为零，分析各阶段电感电流的表达式为：

式中：i_L(t₀)、i_L(t₁)、i_L(t₂)、i_L(t₃)是变换器开关周期内各阶段的电感电流，T_hs是变换器一个开关周期的一半，n是变压器变比，K变换器的电压转换比，D₁是变换器H桥的内移相角，D₂是变换器两个H桥之间的外移相角；

公式(1)中T_hs是变换器一个开关周期的一半，其中设变换器的功率基值公式(2)为：

式中：P_N为变换器的功率基值，V₁为变换器输入电压，V₂为变换器输出电压，L为变换器的储能电感，f_s为变换器的频率；

传输功率为：

式中：P_C为变换器的传输功率，v_AB为变换器左侧H桥的输出电压；

由公式(3)传输功率可以得到传输功率的标幺值：

式中：p_M为变换器传输功率的标幺值；

移相控制下回流功率的标幺值为：

式中：q_DPS为回流功率的标幺值；

双有源桥DC-DC变换器在双重移相调制下软开关范围的推导，双移相调制下变换器原副边开关管实现软开关ZVS的约束条件为：

式中：i_L(t₁)、i_L(t₃)是变换器开关周期内的电感电流；

由公式(6)与公式(1)结合，可以推出软开关的条件范围为：

式中：K变换器的电压转换比，且

将软开关边界条件带入变换器的传输功率公式(3)中，经标幺化后可分别得到原边桥与副边桥的软开关边界功率：

式中：p₁、p₂分别是原边桥与副边桥的软开关边界的功率；

由此可得变换器的软开关的边界功率范围：

式中：p_软为变换器的软开关的边界功率范围；

经上述步骤构建以软开关为目标函数的优化，在以双有源桥变换器回流功率与软开关为优化目标下构建拉格朗日函数：

附加约束条件：P-p_M＝0 (11)

软开关目标函数：

回流功率目标函数：

拉格朗日函数公式为：

L(D₁,D₂,λ)＝q_DPS-p_软+λ(P-p_M) (14)

式中：λ为拉格朗日乘子；

在拉格朗日函数公式(14)中要求变换器的回流功率最小，但软开关的范围尽可能的大，所以回流功率目标函数与软开关目标函数相减，再在以传输功率为约束条件的拉格朗日函数中求取优化的移相角；

步骤2，将经步骤1得到的软开关的范围条件变成边界条件的等式带入变换器传输功率公式中得到软开关功率边界优化目标函数，以回流功率和软开关功率边界为优化目标，以DAB变换器的传输功率为约束条件，求解出DAB变换器工作在不同传输功率模态和电压转换比下的优化移相角，使所述变换器的回流功率最小，同时变换器的开关管工作在软开关状态，具体内容为：采样得到输入电压V₁、输出电压V₂、输出电流I₂，根据采样的电压、电流参数计算期望输出电压V_2ref时的输出功率以及变换器的电压转换比为/>由直接功率模型预测控制判断变换器在不同输出功率和电压转换比的情况下，各模式软开关条件下的最小回流功率，以及实现该最小值时DAB变换器内移相角D₁的取值；

采样变换器的实际输出电压V₂，并根据采集到的实际输出电压与期望输出电压V_2ref的差值，通过PI控制得到外移相角D₂的取值，稳定变换器输出电压；最后根据直接功率模型预测与PI复合控制输出的内移相比D1和外移相比D₂，控制原边单相全桥电路和副边单相全桥电路中的开关管实现软开关，同时使变换器的回流功率最小；

步骤3，回流功率的优化分析，具体内容为：回流功率的优化分析是在传输功率一定的前提下，由拉格朗日求极值方法求解回流功率的优化参数；以回流功率优化目标，以DAB变换器的传输功率和软开关范围为约束条件，求解出DAB变换器工作在不同传输功率模态和电压转换比下，变换器的优化移相角D1取值，通过内移相角D1对变换器一二次侧开关管的调制，使所述变换器的回流功率最小，同时变换器的开关管工作在软开关状态。

2.根据权利要求1所述的一种直接功率模型预测与PI复合控制的DAB多目标优化方法，其特征在于，所述步骤3中根据步骤1中拉格朗日函数求极值计算得到的优化移相角，划分DAB变换器工作于下述3种模态；

1)当变换器处在低功率工作模态1时：

2)当变换器处在中功率工作模态2时：

3)当变换器处在高功率工作模态3时：

在DAB变换器的实际控制中，通过判断变换器在不同功率段和电压变比的优化移相角，就可以对变换器状态的实时优化控制。