CN114244130A - 一种可实现dab变换器统一移相的最优移相控制法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可实现DAB变换器统一移相的最优移相控制法(OPS)，该方法可以等效为多种控制方法的转换，具有较高的灵活性。步骤为：第一，在每个开关周期开始时，采集DAB变换器的输出电压U o、输入电压U in和输出负载电流i o；第二，给定输出侧直流电压参考值U ref，将直流电压参考值U ref与输出电压实测值U o相减后作为反馈量输入PI比例积分控制器得到传输功率P；第三，将第二步中得到的传输功率P与输入输出电压实测信号值U o、U in输入OPS调制单元模块，得到相移比D 1、D 2、D 3的大小；第四，将判断选择的相移比输入PWM调制波形，产生相应的调制信号，从而控制H桥开关通断，实现DAB变换器的稳定控制。

Description

一种可实现DAB变换器统一移相的最优移相控制法
技术领域
本发明涉及一种可实现DAB变换器统一移相的最优移相控制法，特别涉及一种通过采用统一移相控制的方法来实现DAB变换器的良好性能。
背景技术
为保证数据中心的可靠性，不间断供电是非常重要的。通常，数据中心需要隔离的DC-DC 变换器来转换合适的低电压，而双有源全桥双向DC-DC变换器由于具有高功率密度、零电压开关、双向功率传输以及易于级联和并联等优点，得到越来越多的关注。常用的DAB变换器的控制方法包括单移相控制法(SPS)，其运用最广泛，具有最佳的电流应力，但缺乏变换器的灵活性，无法实现出色的性能；双移相控制法(DPS)，其可以消除无功功率，降低输出电压纹波，提高系统传输效率；扩展移相控制法(EPS)，可以最小化DC-DC变换器损耗，在降低无功功率基础上提高系统效率；三移相控制方法(TPS)，实现DC-DC变换器稳定控制。但传统的研究中缺乏对TPS控制方法的研究分析以及对多种控制方法之间相关性转换的研究。因此，本发明提出了一种最优移相控制方法(OPS)。
本发明提出一种可实现DAB变换器统一移相的最优移相控制法(OPS)。该方法与其他移相控制方法相当，可以等效为多种控制方法的转换，具有较高的灵活性。使用最优移相控制方法等效为在特定情境下使用特定控制方式，可以通过简单的转换方式，获得最佳性能，无需对移相控制方法进行严格分类，可以充分发挥多种控制方式的优势，消除无功功率，降低输出电压和电流应力纹波，提高系统效率。由于最优移相控制法可以等价于其他移相控制方法，可以说最优移相控制法提供了一种不区分移相控制方法而获得各种最优控制的有效方法。
发明内容
本发明的目的是为了填补现有技术的空白，提出一种最优移相控制法(OPS)通过不区分移相控制方法，等效为在特定情景下使用特定移相控制方法，实现多种控制方法在不同情景下的应用，充分发挥各种控制方式的优势，从而获得最优的变换器性能。该方法能够避免传统控制方法的缺陷，充分发挥各种移相控制方法的优势。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种可实现DAB变换器统一移相的最优移相控制法。以双有源全桥双向DC-DC变换器(DAB)为例，图1是本发明在该工况下具体实施方式的拓扑图，图2是本发明在该工况下等效拓扑图。如图1所示，双有源全桥DC-DC变换器由两个H桥单元和一个高频隔离变压器连接而成，直流侧可接入电池、光伏、直流负荷等源荷设备。其中，Uin和Uo分别为输入和输出电压，n为变压器变比，L为变压器漏感与辅助电感之和，Uab和Ucd分别是H1和H2在电源侧和负载侧的等效交流输出电压，UL和iL分别是电感L的电压和电流。
本发明提出的最优移相控制法(OPS)的调制波形图如图3所示。其中，Ts为开关周期， D1为S1与S3的相移比，D2为S1与S5的相移比，D3为S1和S7之间的相移比。与传统的移相控制方法不同，该方法的相移比都具有相同的参考调制信号S1，便于实现数字控制。
该控制方法主要包括以下步骤：
步骤S1：在每个开关周期开始时，采集DAB变换器的输出电压Uo、输入电压Uin和输出负载电流io；
步骤S2：给定输出侧直流电压参考值Uref，将直流电压参考值Uref与输出电压实测值Uo相减后作为反馈量输入PI比例积分控制器得到传输功率P；
步骤S3：将步骤S2中得到的传输功率P与输入输出电压实测信号值Uo、Uin输入OPS调制单元模块，得到相移比D1、D2、D3的大小；
步骤S4：将判断选择的相移比输入PWM调制波形，产生相应的调制信号，从而控制H桥开关通断，实现DAB变换器的稳定控制。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
该方法采用统一移相控制产生相移比信号，避免了传统控制方法的缺点，不区分移相控制方法而获得最优控制的有效方法。
附图说明
图1是本发明中DAB变换器的拓扑结构。
图2是本发明中DAB变换器的等效拓扑图。
图3是本发明中最优移相控制方案调制波形图。
图4是本发明中采用OPS控制的DAB变换器的控制图。
图5是本发明中最优移相控制方案分析图。
图6是本发明中各种移相方案调制波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
图1是本发明所述的双有源全桥双向DC-DC变换器的拓扑结构图，图2是本发明中DAB 变换器的等效拓扑图。
本发明为一种可实现DAB变换器统一移相的最优移相控制法(OPS)。以下为本发明更具体的实施方式：
双有源全桥DC-DC变换器由两个H桥单元和一个高频隔离变压器连接而成，直流侧可接入电池、光伏、直流负荷等源荷设备。其中，Uin和Uo分别为输入和输出电压，n为变压器变比，L为变压器漏感与辅助电感之和，Uab和Ucd分别是H1和H2在电源侧和负载侧的等效交流输出电压，UL和iL分别是电感L的电压和电流。
本发明提出的最优移相控制方法(OPS)的调制波形图如图3所示。其中，Ts为开关周期， D1为S1与S3的相移比，D2为S1与S5的相移比，D3为S1和S7之间的相移比。与传统的移相控制方法不同，该方法的相移比都具有相同的参考调制信号S1，便于实现数字控制。
首先，通过图2的等效电路图可以定义每个区间的电感电流iL为：
Figure BDA0003402190630000031
采用OPS控制方式的DAB变换器的平均传输功率可表示为：
Figure BDA0003402190630000032
显然，当D2大于或小于D3时，不会影响相同电压Ucd的传输功率。那么，为便于分析，OPS控制方式下DAB变换器的传输功率可表示为：
Figure BDA0003402190630000033
其中PN表示为：
Figure BDA0003402190630000034
则DAB变换器的电流应力可以表示为：
Figure BDA0003402190630000035
其中，k＝Uin/nUo，iN表示为：
Figure BDA0003402190630000041
最优移相控制(OPS)的具体控制方法为：
步骤S1中：在每个开关周期开始时，采集DAB变换器的输出电压Uo、输入电压Uin和输出负载电流io；
步骤S2中：给定输出侧直流电压参考值Uref，将直流电压参考值Uref与输出电压实测值 Uo相减后作为反馈量输入PI比例积分控制器得到传输功率P；
Figure BDA0003402190630000042
其中，Kp为PI控制器的比例系数，Ki为PI控制器的积分系数。
步骤S3中：将步骤S2中得到的传输功率P与输入输出电压实测信号值Uo、Uin输入OPS 调制单元模块，得到相移比D1、D2、D3的大小；且根据三个相移比的大小关系可以判断OPS 调制等效为哪种移相控制方法：
当D1≤D2≤D3≤1和D2≤D1≤D3≤1时，OPS控制相当于两种TPS控制，如图6(a)和图6(b)所示；
当D3-D2＝D1时，两种TPS控制等于对应的两种DPS，分别如图6(c)和图6(d)所示；
当TPS控制中D3-D2＝0或D1＝0时(D1≤D2≤D3≤1)，TPS控制等效为EPS控制，如图6(e)和图6(f)所示；
当D1＝D2＝0时，TPS控制满足D2≤D1≤D3≤1，相当于EPS控制的一个特例。
另外，当满足D3-D2＝0的EPS控制(同时满足D1＝0)，或者满足D3-D2＝D1的DPS控制(同时满足D1＝0)时，得到SPS控制，如图6(g)。
步骤S4中：将判断选择的相移比输入PWM调制波形，产生相应的调制信号，从而控制 H桥开关通断，实现DAB变换器的稳定控制。
综上：本发明提出的一种可实现DAB变换器统一移相的最优移相控制法(OPS)，最优移相控制方法可以等效为其他移相控制方法，具有最高的灵活性。当Uin＝nUo时，采用单相移控制方法存在最小电流应力，但当Uin≠nUo时，双移相和扩展移相控制方法不同的优化结果会有所不同。尤其DAB变换器采用单移相控制方法可能无法达到最佳性能，但使用最优移相控制方法可以简单地获得最佳性能，无需严格分类移相控制方法，可以消除无功功率，降低输出电压和电流应力的纹波，提高系统效率。可以说最优移相控制提供了一种不区分移相控制方法而获得各种最优控制的有效方法。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.可实现DAB变换器统一移相的最优移相控制法。DAB变换器由两个H桥单元通过一个高频隔离变压器连接而成，直流侧可接入直流负载，采用最优移相控制法(OPS)进行控制。该控制方法包括以下步骤：
步骤S1：在每个开关周期开始时，采集DAB变换器的输出电压Uo、输入电压Uin和输出负载电流io；
步骤S2：给定输出侧直流电压参考值Uref，将直流电压参考值Uref与输出电压实测值Uo相减后作为反馈量输入PI比例积分控制器得到传输功率P；
步骤S3：将步骤S2中得到的传输功率P与输入输出电压实测信号值Uo、Uin输入OPS调制单元模块，得到相移比D1、D2、D3的大小；
步骤S4：将判断选择的相移比输入PWM调制波形，产生相应的调制信号，从而控制H桥开关通断，实现DAB变换器的稳定控制。
2.根据权利要求1所述的一种可实现DAB变换器统一移相的最优移相控制法，其特征在于，步骤S3中根据三个相移比的大小关系可以判断OPS调制等效为哪种移相控制方法：
当D1≤D2≤D3≤1和D2≤D1≤D3≤1时，OPS控制相当于两种TPS控制，如图6(a)和图6(b)所示；
当D3-D2＝D1时，两种TPS控制等于对应的两种DPS，分别如图6(c)和图6(d)所示；
当TPS控制中D3-D2＝0或D1＝0时(D1≤D2≤D3≤1)，TPS控制等效为EPS控制，如图6(e)和图6(f)所示；
当D1＝D2＝0时，TPS控制满足D2≤D1≤D3≤1，相当于EPS控制的一个特例。
另外，当满足D3-D2＝0的EPS控制(同时满足D1＝0)，或者满足D3-D2＝D1的DPS控制(同时满足D1＝0)时，得到SPS控制，如图6(g)。
由此可以看出，最优移相控制法可以等效为其他移相控制方法，具有较高的灵活性，可以消除无功功率，降低输出电压和电流应力的纹波，提高系统效率。可以说最优移相控制提供了一种不区分移相控制方法而获得最优控制的有效方法。
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