CN114553010A - 多相输入并联输出并联双有源全桥变换器及均流控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了多相输入并联输出并联双有源桥变换器自动均流方法，多相输入并联输出并联双有源桥变换器中的每个子模块由第一开关电路、串联电感、隔离变压器、第二开关电路以及直流端口侧电容组成，通过一种循环扰动参数估算算法来估算各模块的参数不匹配度，一旦估算出各模块的参数，便可以计算出并联系统各子模块满足均流的补偿移相比，从而实现系统均流。本发明实现多相输入并联输出并联双有源桥变换器的自动均流，使每个子模块功率均衡分配；可用于新能源发电、电动汽车、航空航天、不间断电源、直流配电系统、储能系统等大功率并联开关电源场合，具有方法合理、实现方便、通用性好、体积小、成本低等诸多优点。

Description

多相输入并联输出并联双有源全桥变换器及均流控制方法

技术领域

本发明涉及属于电力电子级联技术领域，尤其涉及多相输入并联输出并联双有源全桥变换器均流控制方法。

背景技术

近年来，电力电子系统中的变换器正朝着大功率、集成化、低成本、高功率密度以及高效率等方向发展。双有源桥变换器具备功率双向传输、电气隔离、高变比升降压、易于实现软开关控制等诸多优点，并能通过并联组合实现多重模块化方案，已发展成为新能源发电、电动汽车、航空航天、不间断电源、直流配电系统、储能系统等场合的大功率并联开关电源的核心拓扑之一。模块化并联方案可以有效提升功率容量，降低功率管应力，增强系统冗余能力。然而，在实际电路中，各子模块的串联电感等参数无法保证完全一致，会导致各子模块电流不均衡，从而引发部分模块的电流应力过高等严重问题。现有的方案多是采用电流传感器实现各子模块均流。因此，需要大量的电流传感器和采样调理电路，不仅增加了系统的成本和体积，也降低了系统可靠性。除此之外，采用耦合电感来实现个子模块的均流也是一种常用的方法。然而，耦合电感的加入同样增加了系统的体积、重量以及成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的缺陷，本发明通过一种循环扰动参数估算算法来估算各模块的参数不匹配度，一旦估算出各模块的参数，便能够计算出并联系统各子模块满足均流的补偿移相比，从而能够实现系统均流。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

多相输入并联输出并联双有源全桥变换器，所述多相输入并联输出并联双有源全桥变换器由两个及两个以上的双有源全桥变换器子模块，所述双有源全桥变换器子模块并联构成；

所述双有源全桥变换器子模块P1，包括第一开关电路S11、第一串联电感L1、第一隔离型变压器T1、第二开关电路S12以及变换器直流端口侧电容C11、C12，所述的第一串联电感L1和第一隔离变压器T1的一次侧绕组串联，所述的第一开关电路S11具有输入端口1-1和输出端口1-2，所述的第二开关电路S12具有输入端口1-3和输出端口1-4。

多相输入并联输出并联双有源全桥变换器均流控制方法，用于上述中多相输入并联输出并联双有源全桥变换器，包括：

步骤S1：确定输入并联输出并联双有源全桥变换器均流的实现条件；

步骤S2：基于开关频率扰动方案估算M_i/M₁值；

步骤S3：进行开关频率补偿实现输入并联输出并联双有源全桥变换器均流。

优选的，所述步骤S1具体方法为：

根据双有源全桥变换器的传输功率表达式推导各子模块输出电流方程：

其中：I_2i是第i个子模块的输出电流；P_i是第i个子模块的传输功率；f_si是第i个子模块的开关频率；n_i是第i个子模块的匝数比；L_i是第i个子模块变压器漏感和辅助电感之和；D_1i和D_2i是第i个子模块的内移相角和外移相角；

对于双有源全桥变换器，由(1)可以看出，各子模块的输出电流表达式中有两个可控变量，包括：D_2i和f_si；在各子模块电路参数不匹配时，可以在并联系统共同移相控制的基础上(D₂₁＝D₂₂…＝D_2m)，调整每个子模块的开关频率f_si来实现并联系统均流；实现均流时，各子模块的移相角和开关频率有以下关系：

其中，D₂₁～D_2m是第一个子模块至第m个子模块的外移相角并且相等；Δf₁～Δf_m-1是以第一个子模块开关频率为基准，第二个子模块至第m个子模块开关频率补偿值，从而实现各子模块均流；对于输入并联输出并联双有源全桥变换器，各子模块输入电压、输出电压均相等；当系统实现均流时，各子模块的输出电流需满足：

I₂₁＝I₂₂＝…I_2m (3)

将(2)代入公式(1)，结合(3)可以计算得到：

其中M₁＝n₁/L₁，M_i＝n_i/L_i，定义M₁为第一个子模块的内部参数，M_i为第i个子模块的内部参数；根据(4)，当知道M_i/M₁的值，则可以计算出各子模块开关频率补偿值Δf₁～Δf_m-1，然后通过式(2)调整每个子模块的开关频率，便可以实现系统均流；因此，下一步需要估算出M_i/M₁的值。

优选的，所述步骤S2具体方法为：

以两个子模块为例，首先由系统输出电压闭环产生一组共同移相角(用D_M表示)来同时控制两个子模块，两个子模块的外移相角关系为D₂₁＝D₂₂＝D_M；然后，将第一个子模块的开关频率减去Δf_s分量实施扰动，在Δf_s的扰动下，当系统达到新的稳态后，并联系统的输出电压闭环产生的共同外移相角D_M将调整为

两个子模块的共同外移相角在扰动前有以下关系：

(5)中的Δd为扰动前后，两个子模块的共同外移相角偏移量；将(5)代入(1)，扰动后的两个子模块输出电流分别为I'₂₁，I'₂₂：

由(1)，(6)，扰动前后，两个子模块的输出电流的变化可以表示为：

根据能量守恒定律，扰动前后两个子模块的电流变化之和为0，有：

ΔI₂₁+ΔI₂₂＝0 (8)

结合(6)-(8)，第一个子模块与第二个子模块内参数比M₂/M₁为：

其中，Δd在实践中可以由DSP控制器得到，D_M为扰动前的共同外移相角，通过上式即可估算出M₂/M₁；

基于两个子模块参数估计方法，选择第一个子模块作为主模块，其他m-1个子模块作为从模块，通过每次扰动两个子模块，并固定其他子模块的外移相角和开关频率，可以将两个子模快参数估计过程扩展到多个子模块中；通过依次扰动两个子模块，经过m-1次扰动，便可以循环估算出M_i/M₁的值，M_i/M₁的参数估算表达式为：

式中，Δd_i为第一个子模块与第i个子模块进行扰动时，两个子模块扰动后的共同外移相角偏移量。

优选的，所述步骤S3具体方法为：

当M_i/M₁得到时，由(4)，每个子模块满足输出均流的开关频率补偿值就知道了，进一步根据(2)，对各子模块的开关频率进行调节，实现系统的均流。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

1.本发明提供的多相输入并联输出并联双有源全桥变换器均流控制方法，过循环扰动参数估算算法可以估算各子模块参数不匹配度，进一步计算出各模块的外移相角补偿值，从而实现并联系统均流。

2.本发明提供的多相输入并联输出并联双有源全桥变换器均流控制方法，没有引入任何额外的电路器件，不需要任何电流传感器，控制方法简单且均流效果好。

3.本发明提供的多相输入并联输出并联双有源全桥变换器均流控制方法，相比于传统的解决方案可以省去具有方法合理、实现方便、系统体积小、成本低等诸多优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

附图1为多相输入并联输出并联双有源全桥变换器；

附图2为本发明实施例一两相输入并联输出并联双有源全桥变换器扰动方案示意图；

附图3为本发明实施例一多相输入并联输出并联双有源全桥变换器扰动方案；

附图4为未采用本发明方法时，三相输入并联输出并联双有源全桥变换器的电感电流i_L1、i_L2、i_L3仿真波形；

附图5是采用本发明方法时，三相输入并联输出并联双有源全桥变换器的电感电流i_L1、i_L2、i_L3仿真波形；

附图中的V_p，V_s是多相输入并联输出并联双有源全桥变换器的直流侧端口电压。附图4和附图5中i_L1、i_L2、i_L3为三相输入并联输出并联双有源全桥变换器各子模块的电感电流，附图中的v_h1、v_h2为隔离变压器一次侧、二次侧交流电压。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

多相输入并联输出并联双有源全桥变换器，所述多相输入并联输出并联双有源全桥变换器由两个及两个以上的双有源全桥变换器子模块，所述双有源全桥变换器子模块并联构成；

所述双有源全桥变换器子模块P1，包括第一开关电路S11、第一串联电感L1、第一隔离型变压器T1、第二开关电路S12以及变换器直流端口侧电容C11、C12，所述的第一串联电感L1和第一隔离变压器T1的一次侧绕组串联，所述的第一开关电路S11具有输入端口1-1和输出端口1-2，所述的第二开关电路S12具有输入端口1-3和输出端口1-4。

多相输入并联输出并联双有源全桥变换器均流控制方法，用于上述中多相输入并联输出并联双有源全桥变换器，包括：

步骤S1：确定输入并联输出并联双有源全桥变换器均流的实现条件；

步骤S2：基于开关频率扰动方案估算M_i/M₁值；

步骤S3：进行开关频率补偿实现输入并联输出并联双有源全桥变换器均流。

作为一种具体的实施方式，所述步骤S1具体方法为：

根据双有源全桥变换器的传输功率表达式推导各子模块输出电流方程：

其中：I_2i是第i个子模块的输出电流；P_i是第i个子模块的传输功率；f_si是第i个子模块的开关频率；n_i是第i个子模块的匝数比；L_i是第i个子模块变压器漏感和辅助电感之和；D_1i和D_2i是第i个子模块的内移相角和外移相角；

对于双有源全桥变换器，由(1)可以看出，各子模块的输出电流表达式中有两个可控变量，包括：D_2i和f_si；在各子模块电路参数不匹配时，可以在并联系统共同移相控制的基础上(D₂₁＝D₂₂…＝D_2m)，调整每个子模块的开关频率f_si来实现并联系统均流；实现均流时，各子模块的移相角和开关频率有以下关系：

其中，D₂₁～D_2m是第一个子模块至第m个子模块的外移相角并且相等；Δf₁～Δf_m-1是以第一个子模块开关频率为基准，第二个子模块至第m个子模块开关频率补偿值，从而实现各子模块均流；对于输入并联输出并联双有源全桥变换器，各子模块输入电压、输出电压均相等；当系统实现均流时，各子模块的输出电流需满足：

I₂₁＝I₂₂＝…I_2m (3)

将(2)代入公式(1)，结合(3)可以计算得到：

其中M₁＝n₁/L₁，M_i＝n_i/L_i，定义M₁为第一个子模块的内部参数，M_i为第i个子模块的内部参数；根据(4)，当知道M_i/M₁的值，则可以计算出各子模块开关频率补偿值Δf₁～Δf_m-1，然后通过式(2)调整每个子模块的开关频率，便可以实现系统均流；因此，下一步需要估算出M_i/M₁的值。

作为一种具体的实施方式，所述步骤S2具体方法为：

以两个子模块为例，首先由系统输出电压闭环产生一组共同移相角(用D_M表示)来同时控制两个子模块，两个子模块的外移相角关系为D₂₁＝D₂₂＝D_M；然后，将第一个子模块的开关频率减去Δf_s分量实施扰动，在Δf_s的扰动下，当系统达到新的稳态后，并联系统的输出电压闭环产生的共同外移相角D_M将调整为

两个子模块的共同外移相角在扰动前有以下关系：

(5)中的Δd为扰动前后，两个子模块的共同外移相角偏移量；将(5)代入(1)，扰动后的两个子模块输出电流分别为I'₂₁，I'₂₂：

由(1)，(6)，扰动前后，两个子模块的输出电流的变化可以表示为：

根据能量守恒定律，扰动前后两个子模块的电流变化之和为0，有：

ΔI₂₁+ΔI₂₂＝0 (8)

结合(6)-(8)，第一个子模块与第二个子模块内参数比M₂/M₁为：

其中，Δd在实践中可以由DSP控制器得到，D_M为扰动前的共同外移相角，通过上式即可估算出M₂/M₁；

基于两个子模块参数估计方法，选择第一个子模块作为主模块，其他m-1个子模块作为从模块，通过每次扰动两个子模块，并固定其他子模块的外移相角和开关频率，可以将两个子模快参数估计过程扩展到多个子模块中；通过依次扰动两个子模块，经过m-1次扰动，便可以循环估算出M_i/M₁的值，M_i/M₁的参数估算表达式为：

式中，Δd_i为第一个子模块与第i个子模块进行扰动时，两个子模块扰动后的共同外移相角偏移量。

作为一种具体实施方式，所述步骤S3具体方法为：

当M_i/M₁得到时，由(4)，每个子模块满足输出均流的开关频率补偿值就知道了，进一步根据(2)，对各子模块的开关频率进行调节，实现系统的均流

由附图3三相输入并联输出并联双有源全桥变换器扰动阶段的仿真波形，可以看到依次扰动两个子模块并固定其它子模块外移相比的扰动方案实施良好；由附图4和附图5可见，在未采用本发明时，三相输入并联输出并联双有源全桥变换器的电感电流i_L1、i_L2、i_L3电感电流仿真波形差别巨大，非常的不均衡，均流误差达到了11.7％；而采用本发明后，三相输入并联输出并联电路的电感电流i_L1、i_L2、i_L3电感电流仿真波形差别很小，非常均衡，均流误差为了0.5％。仿真参数为：Vp＝48V，Vs＝110V，L1＝2.0μH，L2＝1.9μH，L3＝1.8μH，传输功率6kW，开关频率50kHz，Δf_p＝5kHz。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.多相输入并联输出并联双有源全桥变换器，其特征在于，所述多相输入并联输出并联双有源全桥变换器由两个及两个以上的双有源全桥变换器子模块，所述双有源全桥变换器子模块并联构成；

所述双有源全桥变换器子模块P1，包括第一开关电路S11、第一串联电感L1、第一隔离型变压器T1、第二开关电路S12以及变换器直流端口侧电容C11、C12，所述的第一串联电感L1和第一隔离变压器T1的一次侧绕组串联，所述的第一开关电路S11具有输入端口1-1和输出端口1-2，所述的第二开关电路S12具有输入端口1-3和输出端口1-4。

2.多相输入并联输出并联双有源全桥变换器均流控制方法，用于上述权利要求1中多相输入并联输出并联双有源全桥变换器，其特征在于，包括：

步骤S1：确定输入并联输出并联双有源全桥变换器均流的实现条件；

步骤S2：基于开关频率扰动方案估算M_i/M₁值；

步骤S3：进行开关频率补偿实现输入并联输出并联双有源全桥变换器均流。

3.根据权利要求2所述的多相输入并联输出并联双有源全桥变换器均流控制方法，其特征在于，所述步骤S1具体方法为：

根据双有源全桥变换器的传输功率表达式推导各子模块输出电流方程：

其中：I_2i是第i个子模块的输出电流；P_i是第i个子模块的传输功率；f_si是第i个子模块的开关频率；n_i是第i个子模块的匝数比；L_i是第i个子模块变压器漏感和辅助电感之和；D_1i和D_2i是第i个子模块的内移相角和外移相角；

对于双有源全桥变换器，由(1)可以看出，各子模块的输出电流表达式中有两个可控变量，包括：D_2i和f_si；在各子模块电路参数不匹配时，可以在并联系统共同移相控制的基础上(D₂₁＝D₂₂…＝D_2m)，调整每个子模块的开关频率f_si来实现并联系统均流；实现均流时，各子模块的移相角和开关频率有以下关系：

其中，D₂₁～D_2m是第一个子模块至第m个子模块的外移相角并且相等；Δf₁～Δf_m-1是以第一个子模块开关频率为基准，第二个子模块至第m个子模块开关频率补偿值，从而实现各子模块均流；对于输入并联输出并联双有源全桥变换器，各子模块输入电压、输出电压均相等；当系统实现均流时，各子模块的输出电流需满足：

I₂₁＝I₂₂＝…I_2m (3)

将(2)代入公式(1)，结合(3)可以计算得到：

其中M₁＝n₁/L₁，M_i＝n_i/L_i，定义M₁为第一个子模块的内部参数，M_i为第i个子模块的内部参数；根据(4)，当知道M_i/M₁的值，则可以计算出各子模块开关频率补偿值Δf₁～Δf_m-1，然后通过式(2)调整每个子模块的开关频率，便可以实现系统均流；因此，下一步需要估算出M_i/M₁的值。

4.根据权利要求2所述的多相输入并联输出并联双有源全桥变换器均流控制方法，其特征在于，所述步骤S2具体方法为：

以两个子模块为例，首先由系统输出电压闭环产生一组共同移相角(用D_M表示)来同时控制两个子模块，两个子模块的外移相角关系为D₂₁＝D₂₂＝D_M；然后，将第一个子模块的开关频率减去Δf_s分量实施扰动，在Δf_s的扰动下，当系统达到新的稳态后，并联系统的输出电压闭环产生的共同外移相角D_M将调整为

两个子模块的共同外移相角在扰动前有以下关系：

(5)中的Δd为扰动前后，两个子模块的共同外移相角偏移量；将(5)代入(1)，扰动后的两个子模块输出电流分别为I'₂₁，I'₂₂：

由(1)，(6)，扰动前后，两个子模块的输出电流的变化可以表示为：

根据能量守恒定律，扰动前后两个子模块的电流变化之和为0，有：

ΔI₂₁+ΔI₂₂＝0 (8)

结合(6)-(8)，第一个子模块与第二个子模块内参数比M₂/M₁为：

其中，Δd在实践中可以由DSP控制器得到，D_M为扰动前的共同外移相角，通过上式即可估算出M₂/M₁；

基于两个子模块参数估计方法，选择第一个子模块作为主模块，其他m-1个子模块作为从模块，通过每次扰动两个子模块，并固定其他子模块的外移相角和开关频率，可以将两个子模快参数估计过程扩展到多个子模块中；通过依次扰动两个子模块，经过m-1次扰动，便可以循环估算出M_i/M₁的值，M_i/M₁的参数估算表达式为：

式中，Δd_i为第一个子模块与第i个子模块进行扰动时，两个子模块扰动后的共同外移相角偏移量。

5.根据权利要求2所述的多相输入并联输出并联双有源全桥变换器均流控制方法，其特征在于，所述步骤S3具体方法为：

当M_i/M₁得到时，由(4)，每个子模块满足输出均流的开关频率补偿值就知道了，进一步根据(2)，对各子模块的开关频率进行调节，实现系统的均流。

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