CN114268232A - 一种9s-5l-anpc dab变换器的飞跨电容电压平衡控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种9S‑5L‑ANPCDAB变换器的飞跨电容电压平衡控制方法，属于多电平变换器控制领域。包括：对飞跨电容预充电，使飞跨电容电压不失衡；实时采样飞跨电容电压值；将当前采样电压值与飞跨电容稳定电压期望值进行比较，若大于，同时将交流侧输出电压等于Vdc/4和‑Vdc/4的占空比减去当前Δd，若小于，同时将交流侧输出电压等于Vdc/4和‑Vdc/4的占空比增加当前Δd，Vdc/4和‑Vdc/4的作用区间满足奇对称；判断经变占空比控制后采样电压是否超出飞跨电容电压不失衡区间，若超出该不失衡区间，将当前Δd取反，否则，当前Δd不变。本发明通过变占空比控制改变Vdc/4和‑Vdc/4的占空比，将飞跨电容电压控制为期望值，同时通过滞环控制改变Δd的符号，保证在电路运行条件改变时仍具有良好的控制效果。
Description
技术领域
本发明属于多电平DC-DC变换器控制领域，更具体地，涉及一种9S-5L-ANPCDAB(九开关管五电平有源中性点钳位双有源桥)变换器的飞跨电容电压平衡控制方法。
背景技术
在高压大功率应用场合，DAB变换器采用了多电平拓扑结构。五电平有源中性点钳位(5L-ANPC)拓扑能够降低电压应力，在中压大功率应用中具有优异性能。与应用于逆变器相比，5L-ANPC拓扑应用于构建DAB变换器时，需采用9S-5L-ANPC电路，其高压开关管能够实现全部软开关，因此更适合在高电压等级和开关频率的场合下应用。
专利CN113078820A提供一种飞跨电容电压的平衡控制方法，飞跨电容电压控制思想为：从相邻两个VP电平中或相邻两个VN电平中，选取输出电流平均值的绝对值较大的一个，对其开关状态的作用时间进行调整，改变飞跨电容的充电或放电电荷，从而维持飞跨电容电压处于正常水平。同时，为了避免流经变压器的电流含有直流分量而产生磁饱和现象，在每个输出周期内，以保证飞跨电容电压平衡进行变占空比调整得到的输出波形为基准，令其奇对称区间内输出电平的占空比作相同调整，以保证输出波形仍然具有奇对称性。
然而，该方法存在以下不足：该方法中Δd符号的判断不够精确，并且Δd为给定值，在动态调节的过程中保持不变，当系统从一个稳态变为另一个稳态时，给定的Δd值可能导致加速飞跨电容电压的失衡。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种9S-5L-ANPC DAB变换器的飞跨电容电压平衡控制方法，其目的在于保证在电路运行条件改变时仍然具有良好的控制效果，并降低控制算法对Δd初始值的依赖性。
为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种9S-5L-ANPC DAB变换器的飞跨电容电压平衡控制方法，该方法包括以下步骤：
S0.给定飞跨电容稳定电压期望值、飞跨电容电压不失衡区间和占空比变化量Δd初值，对飞跨电容预充电，使飞跨电容电压处于不失衡区间；
S1.实时采样9S-5L-ANPC电路中飞跨电容的电压值；
S2.将当前采样电压值与飞跨电容稳定电压期望值进行比较，若大于，同时将交流侧输出电压等于Vdc/4和-Vdc/4的占空比减去当前Δd，若小于，同时将交流侧输出电压等于Vdc/4和-Vdc/4的占空比增加当前Δd，所述Vdc/4和-Vdc/4的作用区间满足奇对称，其中，Vdc表示直流母线电压；
S3.判断经变占空比控制后的采样电压是否超出飞跨电容电压的不失衡区间，若超出该不失衡区间，则将当前Δd取反，否则，当前Δd不变。
优选地，步骤S3中，若Δd取反，则将步骤S3屏蔽，经若干控制周期后再重新开放。
有益效果：通过若干控制周期的闭锁，避免因控制效果的延迟造成短时间内多次满足电压失衡的条件，从而对Δd进行重复取反，最终导致控制紊乱。
优选地，该方法还包括：
S4.采用PI控制器，其输入为当前采样电压，其输出为Δd。
有益效果：通过PI控制，可以灵活地根据飞跨电容电压偏移程度改变Δd的值，当偏移程度较大时，较大的Δd可以提高平衡控制的速度；当偏移程度较小时，较小的Δd可以保证对原电路的影响较小。
优选地，所述9S-5L-ANPC采用的调制策略满足飞跨电容电压的自平衡。
有益效果：现有技术通过改变占空比的方式实现飞跨电容电压的充放电控制，从而使其保持为期望电压值，若调制策略理论上已经能够保证飞跨电容电压的自平衡，则|Δd|取值较小时即可获得较好的控制效果；反之，则需要设置较大的|Δd|才能实现有效控制。越小的|Δd|值对电路产生的影响越小。
优选地，所述调制策略为I-IV中任一种：
调制策略I中两种模式的开关序列分别为：
模式A：OUL-OL-P1-PP-P1-OL-OUL-OU-N1-NN-N1-OU-OUL
模式B：OUL-OL-P2-PP-P2-OL-OUL-OU-N2-NN-N2-OU-OUL
调制策略II中两种模式的开关序列分别为：
模式A：OUL-OL-P1-PP-P2-OL-OUL-OU-N1-NN-N2-OU-OUL
模式B：OUL-OL-P2-PP-P1-OL-OUL-OU-N2-NN-N1-OU-OUL
调制策略III中两种模式的开关序列分别为：
模式A：OUL-OL-P1-PP-P1-OL-OUL-OU-N2-NN-N2-OU-OUL
模式B：OUL-OL-P2-PP-P2-OL-OUL-OU-N1-NN-N1-OU-OUL
调制策略IV中两种模式的开关序列分别为：
模式A：OUL-OL-P1-PP-P2-OL-OUL-OU-N2-NN-N1-OU-OUL
模式B：OUL-OL-P2-PP-P1-OL-OUL-OU-N1-NN-N2-OU-OUL
其中，0UL状态表示为：
开关S1至开关S9的开关状态分别为：0.1.1.0.1.1.1.1.0；
0L状态表示为：
开关S1至开关S9的开关状态分别为：1.0.1.0.0.0.1.1.1；
0U状态表示为：
开关S1至开关S9的开关状态分别为：0.1.0.1.1.1.0.0.1；
P1状态表示为：
开关S1至开关S9的开关状态分别为：1.0.1.0.1.0.0.1.1；
P2状态表示为：
开关S1至开关S9的开关状态分别为：1.0.1.0.0.1.1.0.1；
N1状态表示为：
开关S1至开关S9的开关状态分别为：0.1.0.1.1.0.0.1.1；
N2状态表示为：
开关S1至开关S9的开关状态分别为：0.1.0.1.0.1.1.0.1；
PP状态表示为：
开关S1至开关S9的开关状态分别为：1.0.1.0.1.1.0.0.1；
NN状态表示为：
开关S1至开关S9的开关状态分别为：0.1.0.1.0.0.1.1.1。
有益效果：基于以上四种调制策略，一方面，飞跨电容能够保证较低的电压纹波水平，可以避免开关状态造成的飞跨电容电压偏移；另一方面，保证了中点电位的平衡，有利于电路的稳定运行。
优选地，若飞跨电容电压超过飞跨电容电压允许波动范围，则执行S2，否则，不执行S2。
有益效果：通过给定飞跨电容电压的允许波动范围，避免了每一个控制周期都对飞跨电容电压进行调节，从而减少占空比的改变次数，降低对原波形的影响。
为实现上述目的，按照本发明的第二方面，提供了一种计算机可读存储介质，包括存储的计算机程序；所述计算机程序被处理器执行时，控制所述计算机可读存储介质所在设备执行第一方面所述的9S-5L-ANPC DAB变换器的飞跨电容电压平衡控制方法。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
针对现有飞跨电容电压平衡控制方法在系统进行动态切换或改变运行方式时可能存在的飞跨电容电压失衡加速的问题，本发明通过变占空比控制改变Vdc/4和-Vdc/4的占空比，将飞跨电容电压控制为期望值，同时通过滞环控制改变Δd的符号，保证在电路运行条件改变时仍然具有良好的控制效果，并降低控制算法对Δd初始值的依赖性。
附图说明
图1为现有技术中对称9S-5L-ANPC DAB变换器的主电路拓扑示意图。
图2为现有技术中单个9S-5L-ANPC电路拓扑结构示意图。
图3为本发明提供的变占空比控制示意图，其中，(a)为充电调节，(b)为放电调节。
图4为本发明提供的Δd符号控制示意图。
图5为本发明提供的飞跨电容电压仿真波形图。
图6为本发明提供的负载变化动态性能，其中，(a)为B1侧，(b)为B2侧。
图7为本发明提供的输出参考电压变化动态性能。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种9S-5L-ANPC DAB变换器的飞跨电容电压平衡控制方法，该方法包括以下步骤：
S0.给定飞跨电容稳定电压期望值、飞跨电容电压不失衡区间和占空比变化量Δd初值，对飞跨电容预充电，使飞跨电容电压处于不失衡区间；
S1.实时采样9S-5L-ANPC电路中飞跨电容的电压值；
S2.将当前采样电压值与飞跨电容稳定电压期望值进行比较，若大于，同时将交流侧输出电压等于Vdc/4和-Vdc/4的占空比减去当前Δd，若小于，同时将交流侧输出电压等于Vdc/4和-Vdc/4的占空比增加当前Δd，所述Vdc/4和-Vdc/4的作用区间满足奇对称，其中，Vdc表示直流母线电压；
S3.判断经变占空比控制后的采样电压是否超出飞跨电容电压的不失衡区间，若超出该不失衡区间，则将当前Δd取反，否则，当前Δd不变。
该方法适用于9S-5L-ANPC DAB变换器，以图1所示的对称9S-5L-ANPC DAB变换器为例进行说明。在主电路的原边侧有源桥和副边侧有源桥电路中，至少有一侧包含9S-5L-ANPC电路。因此，以图2所示的单个9S-5L-ANPC电路为例进行详细说明。
对于如图2所示的9S-5L-ANPC电路，开关管S1-S4为高压开关管，承受的电压应力为Vdc/2；开关管S5-S9为低压开关管，承受的电压应力为Vdc/4；在正常运行条件下，两个直流母线分压电容C1和C2的参考电压为直流母线电压的1/2，即0.5Vdc；飞跨电容Cf的参考电压是直流侧母线电压的1/4，即0.25Vdc。Vdc、Vdc1、Vdc2、Vac和Vcf分别表示其直流侧电压、直流侧上母线电容电压、直流侧下母线电容电压、交流侧电压和飞跨电容电压。
表1给出了所选9S-5L-ANPC桥臂的开关状态，其中‘0’和‘1’分别表示开关管的关断和导通，VPP、VP、VO、VN和VNN分别表示相对于中性点Vdc/2、Vdc/4、0、-Vdc/4和-Vdc/2的桥臂输出电压水平，PP、NN分别表示输出VPP、VNN对应的开关状态，P1、P2和N1、N2分别表示输出VP、VN的两种冗余开关状态，0L、0UL、0U表示输出VO的三种冗余开关状态。并将输出VO电平的开关状态称为零状态，输出其他电平的开关状态称为非零状态。
表19S-5L-ANPC DAB的开关状态
(一)中点电位及飞跨电容电压的平衡条件
定义飞跨电容的电流为icf，中点电流为iNP，输出电流为I，各电流的正方向如图2所示。以I为正为例，各个开关状态下icf、iNP与I的关系如表2所示。可见，中点电位与飞跨电容电压之间存在耦合关系。
表2 9S-5L-ANPC电路各开关状态下的电流关系
DAB中，由于变压器的存在，9S-5L-ANPC半桥拓扑具有中点电位的自平衡能力，但是，应当避免开关状态对中点电位产生扰动；同时，为了使飞跨电容具有较低的电压纹波水平，同样应避免开关状态对其造成的电压偏移。
在一个开关周期内，考虑到电感电流的奇对称性，则中点电位的平衡条件为：P1的作用区间与N2的作用区间奇对称，且PP的作用区间与NN的作用区间奇对称；而飞跨电容电压的平衡条件为：P1的作用区间与N1的作用区间奇对称，且P2的作用区间与N2的作用区间奇对称。显然，二者的平衡条件互相矛盾，无法同时满足。因此，至少需要两个开关周期才能同时保证中点电位与飞跨电容电压的平衡。
(二)满足电压平衡条件的开关序列
在连续的两个开关周期内，能够保证中点电位和飞跨电容电压平衡的开关序列有四种，每一种分别包含两种模式，如表3所示。
表3 9S-5L-ANPC电路中满足电压平衡条件的开关序列
以开关序列I为例，第一个开关周期为模式A，第二个开关周期为模式B。四种开关序列中，序列Ⅰ和Ⅱ在每个模式下均能够保证飞跨电容电压的平衡，序列Ⅲ和Ⅳ在每个模式下均能够保证中点电位的平衡。
每个开关序列中两种模式的交替出现，可以保证NP和FC电压的平衡，同时也可保证损耗分布的均衡性。在此基础上，可以根据损耗分布的需求进一步提出优化控制算法，更好地改善损耗的分布特性。
(三)飞跨电容电压的平衡控制方法
基于前面的分析，在理想情况下，可以实现中点电位和飞跨电容电压的自然平衡，但显然，这种平衡控制为开环控制，容易受到各种扰动的影响。在DAB中，9S-5L-ANPC电路的中点电位具有自平衡能力，可以不采取额外的控制手段；但飞跨电容电压在实际运行中可能产生偏移，尤其在动态情况下，还可能会发散。因此，需要对飞跨电容电压实施闭环控制。
当FC电压出现偏移时，可通过改变P1和P2、N1和N2的占空比使FC充电或放电。如图3所示，选取波形奇对称的一对VP和VN电平，使二者占空比均变化Δd，则一个开关周期内FC的充电电荷与放电电荷不再相等，从而改变了FC电压。上述变占空比控制保证了输出电压的奇对称性，避免了在波形中出现直流分量。总的来说，飞跨电容电压的上升或下降是由电流平均值大的输出电平的占空比变化决定的。
Δd的大小既可以给定为常值，也可以由PI控制器给出。对于开关序列中的两种模式，Δd应取正负相反的值。此外，Δd的引入会影响中点电位的平衡，但由于其值很小，且中点电位有自平衡能力，其影响可以忽略。
采样FC电压后，控制原占空比增加还是减小，需要判断Δd的符号，即需要比较两个作用时间内FC充放电电荷量的大小。然而，9S-5L-DAB具有多个控制自由度，电荷量的计算较为复杂。本发明给出了一种利用滞环控制来确定Δd符号的控制方法，如图4所示，可以避免复杂的数学计算过程。图中，o-a表示FC的预充电过程；在a点，初始化时任意给定Δd的符号，若调节过程中FC电压偏离了给定值Vcf_ref，使其高于上限Vcf_max或低于下限Vcf_min，如图中b点所示，则改变Δd的符号；否则，不需要改变Δd的符号。
为了避免每一个周期都对占空比进行调节，减少输出电压的波动，可对飞跨电容电压设定一个给定范围(Vcf_ref-h，Vcf_ref+h)，若飞跨电容电压位于给定范围内，不对其进行变占空比控制；当电压超出给定范围时，采取变占空比控制，将飞跨电容电压重新调节回给定范围内。
本发明提供一种飞跨电容电压的平衡控制方法，通过检测飞跨电容实际电压并对其进行相应的充放电控制，可以将飞跨电容电压很好地控制在参考值附近，保证飞跨电容电压具有较低的纹波水平，从而选用容值低、体积小的飞跨电容。
通过仿真软件对上述发明所述方法进行仿真验证，电路结构为如图1所示的对称9S-5L-ANPC DAB变换器，仿真参数如表4所示。
表4仿真参数表
应用本发明提供的飞跨电容电压控制方法，B1和B2侧的飞跨电容电压如图5所示，可以将两侧飞跨电容电压Vcf1和Vcf2恒定控制在100V和40V左右，稳定效果好，波纹均限制在1V以内。
动态性能如图6和图7所示。在图6中，传输功率从p＝0.2变化到p＝0.5，在负载切换过程中，飞跨电容电压始终被控制在给定值附近，没有明显的偏离。图7给出了输出参考电压从160V变化到80V，再回到160V的波形，在动态过程中飞跨电容电压具有良好的动态控制性能。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种9S-5L-ANPC DAB变换器的飞跨电容电压平衡控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S0.给定飞跨电容稳定电压期望值、飞跨电容电压不失衡区间和占空比变化量Δd初值，对飞跨电容预充电，使飞跨电容电压处于不失衡区间；
S1.实时采样9S-5L-ANPC电路中飞跨电容的电压值；
S2.将当前采样电压值与飞跨电容稳定电压期望值进行比较，若大于，同时将交流侧输出电压等于Vdc/4和-Vdc/4的占空比减去当前Δd，若小于，同时将交流侧输出电压等于Vdc/4和-Vdc/4的占空比增加当前Δd，所述Vdc/4和-Vdc/4的作用区间满足奇对称，其中，Vdc表示直流母线电压；
S3.判断经变占空比控制后的采样电压是否超出飞跨电容电压的不失衡区间，若超出该不失衡区间，则将当前Δd取反，否则，当前Δd不变。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中，若Δd取反，则将步骤S3屏蔽，经若干控制周期后再重新开放。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括：
S4.采用PI控制器，其输入为当前采样电压，其输出为Δd。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述9S-5L-ANPC采用的调制策略满足飞跨电容电压的自平衡。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述调制策略为I-IV中任一种：
调制策略I中两种模式的开关序列分别为：
模式A：OUL-OL-P1-PP-P1-OL-OUL-OU-N1-NN-N1-OU-OUL
模式B：OUL-OL-P2-PP-P2-OL-OUL-OU-N2-NN-N2-OU-OUL
调制策略II中两种模式的开关序列分别为：
模式A：OUL-OL-P1-PP-P2-OL-OUL-OU-N1-NN-N2-OU-OUL
模式B：OUL-OL-P2-PP-P1-OL-OUL-OU-N2-NN-N1-OU-OUL
调制策略III中两种模式的开关序列分别为：
模式A：OUL-OL-P1-PP-P1-OL-OUL-OU-N2-NN-N2-OU-OUL
模式B：OUL-OL-P2-PP-P2-OL-OUL-OU-N1-NN-N1-OU-OUL
调制策略IV中两种模式的开关序列分别为：
模式A：OUL-OL-P1-PP-P2-OL-OUL-OU-N2-NN-N1-OU-OUL
模式B：OUL-OL-P2-PP-P1-OL-OUL-OU-N1-NN-N2-OU-OUL
其中，0UL状态表示为：
开关S1至开关S9的开关状态分别为：0.1.1.0.1.1.1.1.0；
0L状态表示为：
开关S1至开关S9的开关状态分别为：1.0.1.0.0.0.1.1.1；
0U状态表示为：
开关S1至开关S9的开关状态分别为：0.1.0.1.1.1.0.0.1；
P1状态表示为：
开关S1至开关S9的开关状态分别为：1.0.1.0.1.0.0.1.1；
P2状态表示为：
开关S1至开关S9的开关状态分别为：1.0.1.0.0.1.1.0.1；
N1状态表示为：
开关S1至开关S9的开关状态分别为：0.1.0.1.1.0.0.1.1；
N2状态表示为：
开关S1至开关S9的开关状态分别为：0.1.0.1.0.1.1.0.1；
PP状态表示为：
开关S1至开关S9的开关状态分别为：1.0.1.0.1.1.0.0.1；
NN状态表示为：
开关S1至开关S9的开关状态分别为：0.1.0.1.0.0.1.1.1。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，若飞跨电容电压超过飞跨电容电压允许波动范围，则执行S2，否则，不执行S2。
7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，包括存储的计算机程序；所述计算机程序被处理器执行时，控制所述计算机可读存储介质所在设备执行权利要求1至6任一项所述的9S-5L-ANPC DAB变换器的飞跨电容电压平衡控制方法。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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