CN115118161A - 三电平双向变换器中点电压平衡控制方法和装置 - Google Patents

三电平双向变换器中点电压平衡控制方法和装置 Download PDF

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Abstract

本申请提供三电平双向变换器中点电压平衡控制方法及装置，包括：获取第一电容和第二电容电性中点的中点电压、以及第一电容和第二电容的总电压，根据总电压得到中点平衡电压；将中点电压与中点平衡电压进行比较，得到误差电压；将误差电压输入极性因子判断模型，得到极性因子；将获取的滤波电感电流输入环路增益模型，计算得到环路增益因子；将误差电压、极性因子和环路增益因子相乘，并输入PI控制器，得到平衡控制因子；将平衡控制因子叠加至第一开关管和第三开关管的驱动控制信号，所述驱动控制信号用于控制三电平双向变换器的中点电压平衡。上述方法能够控制三电平双向变换器中点电压平衡，避免变换器工作异常导致电路元器件损坏的情况。

Description

三电平双向变换器中点电压平衡控制方法和装置
技术领域
本发明涉及变压器技术领域，具体涉及一种三电平双向变换器中点电压平衡控制方法和装置。
背景技术
双向变换器具有灵活升降压及能量双向流动的优点，随着混合储能的发展成为新的研究热点。在可再生能源领域，双向变换器连接发电单元、储能装置与负载实现功率管理与控制，可有效解决新能源发电间歇性和波动性的问题。双向变换器也可应用在混合动力汽车、卫星电源等系统中。与传统的两电平变换器相比，三电平变换器具有减小开关管电压应力，减小电流纹波及滤波器提及等优点，在高输入、输出电压的应用场合中具有广泛的应用场景。
在三电平双向变换器中，当电感电流方向与滤波电感的参考方向一致时，电路处于降压模式；当电感电流方向与滤波电感的参考方向相反时，电路处于升压模式。然而，在实际电路中，由于各开关管驱动电路的不对称性和性能参数不完全一致，导致分压电容中点电压偏离平衡点，使得三电平双向变换器无法正常地工作，甚至会造成功率开关管损坏或电容过应力过大的问题。
发明内容
基于此，本发明提供三电平双向变换器中点电压平衡控制方法和装置，能够控制三电平双向变换器中点电压平衡，避免变换器工作异常导致电路元器件损坏的情况。
第一方面，本发明提供三电平双向变换器中点电压平衡控制方法，包括:
获取三电平双向变压器中第一电容和第二电容电性中点的中点电压，以及第一电容和第二电容的总电压，并根据所述总电压计算得到中点平衡电压；
将所述中点电压与中点平衡电压进行比较，得到误差电压；
将所述误差电压输入极性因子判断模型，得到极性因子；
将获取的三电平双向变压器的滤波电感电流输入环路增益模型，计算得到环路增益因子；
将所述误差电压、极性因子和环路增益因子相乘，并输入PI控制器，得到平衡控制因子；
将所述平衡控制因子叠加至三电平双向变压器中第一开关管和第三开关管的驱动控制信号，所述驱动控制信号用于控制三电平双向变换器的中点电压平衡。
第二方面，本发明提供三电平双向变换器中点电压平衡控制装置，包括：
参数获取模块，用于获取三电平双向变压器中第一电容和第二电容电性中点的中点电压、以及第一电容和第二电容的总电压，并根据所述总电压计算得到中点平衡电压；
误差电压计算模块，用于将所述中点电压与预设的中点平衡电压进行比较，得到误差电压；
极性因子计算模块，用于将所述误差电压输入极性因子判断模型，得到极性因子；
环路增益因子计算模块，用于将获取的三电平双向变压器的滤波电感电流输入环路增益模型，计算得到环路增益因子；
平衡控制因子计算模块，用于将所述误差电压、极性因子和环路增益因子相乘，并输入PI控制器，得到平衡控制因子；
电压平衡模块，用于将所述平衡控制因子叠加至三电平双向变压器中第一开关管和第三开关管的驱动控制信号，所述驱动控制信号用于控制三电平双向变换器的中点电压平衡。
第三方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现第一方面中任一项三电平双向变换器中点电压平衡控制方法的步骤。
第四方面，本发明提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时，执行第一方面中任一项三电平双向变换器中点电压平衡控制方法。
采用上述技术方案的有益效果为：本申请通过误差电压、极性因子和环路增益因子得到平衡控制因子，并将平衡控制因子叠加至驱动控制信号，从而调整三电平双向变换器中点电压平衡，使变换器能够正常工作，避免变换器电路元器件损坏。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本申请一个实施例中提供的三电平双向变换器拓扑图；
图2为本申请一个实施例中提供的三电平双向变换器工作状态示意图；
图3为本申请一个实施例中提供的三电平双向变换器中点电压平衡控制方法示意图；
图4为本申请一个实施例中提供的三电平双向变换器中点电压平衡控制方法的控制示意图；
图5为本申请一个实施例中提供的三电平双向变换器中点电压平衡控制方法中获取极性因子的流程示意图；
图6为本申请一个实施例中提供的三电平双向变换器发生极性反转时设置第一电压阈值增量和未设置第一电压阈值增量的误差电压示意图；
图7为本申请一个实施例中提供的三电平双向变换器中点电压平衡控制方法的测试控制示意图；
图8为本申请一个实施例中提供的三电平双向变换器中点电压平衡控制方法的测试结果示意图；
图9为本申请一个实施例中提供的三电平双向变换器中点电压平衡控制装置的示意图。
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。为了更详细说明本发明，下面结合附图对本发明提供的三电平双向变换器中点电压平衡控制方法和装置，进行具体地描述。
三电平双向变换器具有减小开关管电压应力(开关管电压应力只有母线电压的一半)，减小电流纹波和滤波器体积的优点，在高输入输出电压有广泛的应用前景。所述三电平双向变换器的具体拓扑图如附图1所示，当电感电流方向与滤波电感的参考方向一致时，电路处于降压模式，也就是BUCK模式；当电感电流方向与滤波电感的参考方向相反时，电路处于升压模式，也就是BOOST模式。然而在实际电路中，由于各开关管驱动电路的不对称性和性能参数不完全一致，导致分压电容中点电压偏离平衡点，使得三电平双向变换器无法正常地工作，甚至会造成功率开关管损坏或电容过应力损坏的问题。因此，需要对三电平双向变换器的中点电压进行平衡控制。
本实施例提供了一种三电平双向变换器中点电压平衡控制方法的具体应用场景。如附图1所示，该具体应用场景包括实施例提供的三电平双向变换器，所述三电平双向变换器包括高压母线电源UHVDC、第一电容C1、第二电容C2、母线电容CBUS、第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4和滤波电感L，其中第一开关管Q1的漏极与高压母线电源UHVDC的正极以及第一电容C1的一端共同连接，第一开关管Q1的源极与第二开关管Q2的漏极以及滤波电感L的一端共同连接，第三开关管Q3的源极与高压母线电源UHVDC的负极以及第二电容C2的一端共同连接，第三开关管Q3的漏极与第四开关管Q4的源极以及母线电容CBUS的一端共同连接，第一电容C1的另一端与第二电容C2的另一端连接，所述第二开关管Q2的源极与第四开关管Q4的漏极连接，第一电容C1和第二电容C2的电性中点A、与第二开关管Q2和第四开关管Q4的电性中点B连接，滤波电感L的零一端与母线电容CBUS的另一端连接。在上述三电平双向变换器中，第一开关管和第二开关管的驱动信号互补，第三开关管和第四开关管的驱动信号互补，第一开关管和第二开关管的驱动信号始终保持180°相位差，第三开关管和第四开关管的驱动信号始终保持180°相位差；母线电容在多级拓扑中为中间母线电容，连接后级DC-DC变换器，在单级拓扑中可直接与电池或电压母线并联。本发明提供的三电平双向变换器中点电压平衡控制方法应用于上述三电平双向变换器，具体过程请参见三电平双向变换器中点电压平衡控制方法实施例。
首先，对三电平双向变换器中点电压不平衡的状态进行说明：
如表1所示，三电平双向变换器在一个开关周期内具有四种开关管工作状态组合：
Figure BDA0003744639570000051
Figure BDA0003744639570000061
表1三电平双向变换器的四种开关管工作状态
如附图2所示，在上述四种开关管工作状态的基础上，再结合滤波电感电流的方向，即变压器处于降压模式(BUCK模式)和升压模式(BOOST模式)，得到三电平双向变换器共有八种工作状态，具体如表2所示：
Figure BDA0003744639570000062
表2三电平双向变换器的八种工作状态
根据表2的结果可知，八个工作状态序号中共有四种工作状态会对中点电压平衡造成影响，其中对应的开关管工作状态为S01和S10。
因此，针对上述三电平双向变换器中点电压不平衡的工作状态，本发明实施例提供一种三电平双向变压器中点电压平衡控制方法，结合附图3及附图4示出的三电平双向变压器中点电压平衡控制方法示意图进行说明。
步骤S101：获取第一电容和第二电容电性中点的中点电压，即附图1中A点电压，记为Vmid；并获取第一电容和第二电容的总电压，并根据所述总电压计算得到中点平衡电压。
步骤S102：将所述中点电压与中点平衡电压进行比较，得到误差电压。
其中，所述预设的中点平衡电压取值为总电压的一半，记为V1/2，所述误差电压的具体表达式为：VDiff＝|V1/2-Vmid|，VDiff为误差电压。
步骤S103：将所述误差电压输入极性因子判断模型，得到极性因子。
具体的，结合附图5，将误差电压输入极性因子判断模型，得到极性因子，包括：
所述极性因子的取值为1或-1，极性因子的初值可任意选取为1或-1；
步骤S201：获取误差电压VDiff，比较误差电压VDiff和预设的第一电压阈值VBadTh的大小，若所述误差电压VDiff大于所述第一电压阈值VBadT，则输出极性反转的极性因子，并增大第一电压阈值VBadT。
所述第一电压阈值用于判断当前的极性是否错误需要做出反转。所述极性反转的极性因子用于控制当前的极性做出反转。
另外，在发生极性反转时，增大第一电压阈值VBadTh，所述第一电压阈值的增量设置为VBadThInc，通过上述增大第一电压阈值VBadT的设置，考虑可能存在的过冲预留缓冲空间，避免因为频繁出发极性反转导致电压不平衡的现象恶化，具体可参见附图6。
步骤S202：若所述误差电压VDiff小于或等于第一电压阈值VBadT，比较误差电压VDiff和预设的第二电压阈值VGoodTh。其中，所述第二电压阈值VGoodTh用于判断当前中点电压平衡是否进入正常状态。
步骤S203：若所述误差电压VDiff小于所述第二电压阈值VGoodTh，将所述第一电压阈值VBadTh恢复至第一电压阈值初值VBadThIni，并输出极性不变的极性因子。所述极性不变的极性因子用于控制当前的极性保持原来状态，不发生极性反转。
进一步的，若所述误差电压VDiff大于或等于第二电压阈值VGood，则直接结束判断进程，进入下一轮误差电压与电压阈值的判断。
步骤S104：将获取的滤波电感电流输入环路增益模型，计算得到环路增益因子。
具体地，环路增益模型的表达式为：
LoopGain＝min((max(a*|IL|+b)，Gmin)，Gmax)，
其中，LoopGain为环路增益因子，a为第一系数，本实施例中a取值为-0.067，b为第二系数，本实施例中b取值为5.0，IL为滤波电感电流，Gmin为最小增益因子，本实施例中Gmin取值为1.0，Gmax为最大增益因子，本实施例中Gmax取值为5.0。所述环路增益因子用于平衡电流对环路的影响，在重载条件下，|IL|较大，较小的平衡控制因子能产生足够大的中点平衡电流；相反，在轻载条件下，|IL|较小，需要较大的平衡控制因子才能产生足够的中点平衡电流用于实现电容主动平衡。
另外，在滤波电感电流输入环路增益模型之前，对滤波电感电流进行滤波处理，去除电流中的杂波。
步骤S105：将所述误差电压VDiff、极性因子和环路增益因子LoopGain相乘，并输入PI控制器，得到平衡控制因子d。
另外，所述误差电压在输入PI控制器之前，对所述误差电压进行低通滤波处理，以去除杂波；并且在经过PI控制器处理后，得到平衡控制因子d之前，还包括对PI控制器的输出结果进行限幅处理和滤波处理，以得到更加稳定平滑的平衡控制因子。
步骤S106：将所述平衡控制因子d叠加至第一开关管和第三开关管的驱动控制信号，所述驱动控制信号用于控制三电平双向变换器的中点电压平衡。
通过上述三电平双向变换器中点电压平衡控制方法，能够控制三电平双向变换器中点电压平衡，避免变换器工作异常导致电路元器件损坏的情况；并且不需要通过监测滤波电感电流的方向来判断平衡控制的极性，不需要高精度的实施电流检测技术，容易实现。
对此，本实施例还给出相应的测试数据，该测试应用于液流储能场合，用于PCS与电池间的双向能量转换，为双向DC-DC变换器。该测试数据应用环境中高压母线电源的电压范围为700～1000V，采用三电平双向变换器+LLC的拓扑结构，其具体控制方式如附图7所示，其中虚线部分为本实施例中的三电平双向变换器中点电压平衡控制部分。如附图8所示为各个负载跳变情况下分压电容的电压波形，测试结果表示，本实施例的三电平双向变换器中点电压平衡控制方法能够保证中点电压在各种工作模式以及负载切换条件下保持平衡。
应该理解的是，虽然附图3及附图5的流程图中各个步骤按照箭头额定指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以按其他的顺序执行。而且附图3及附图5中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者子阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其他步骤或者其他步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
上述本发明公开的实施例中详细描述了三电平双向变换器中点平衡控制方法，对于本发明公开的上述方法可以采用多种形式的设备实现，因此本发明还公开了对应上述方法的三电平双向变换器中点电压平衡控制装置，结合附图9，下面给出具体的实施例进行详细说明。
本发明提供三电平双向变换器中点电压平衡控制装置，该装置应用于三电平双向变换器，所述三电平双向变换器包括高压母线电源、第一电容、第二电容、母线电容、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管和滤波电感，所述第一开关管的漏极与高压母线电源的正极以及第一电容的一端共同连接，所述第一开关管的源极与第二开关管的漏极以及滤波电感的一端共同连接，所述第三开关管的源极与高压母线电源的负极以及第二电容的一端共同连接，所述第三开关管的漏极与第四开关管的源极以及母线电容的一端共同连接，所述第一电容的另一端与第二电容的另一端连接，所述第二开关管的源极与第四开关管的漏极连接，所述第一电容和第二电容的电性中点与第二开关管和第四开关管的电性中点连接，所述滤波电感的另一端与母线电容的另一端连接；该装置包括：
参数获取模块301，用于获取第一电容和第二电容电性中点的中点电压、以及第一电容和第二电容的总电压，并根据所述总电压计算得到中点平衡电压；
误差电压计算模块302，用于将所述中点电压与中点平衡电压进行比较，得到误差电压；
极性因子计算模块303，用于将所述误差电压输入极性因子判断模型，得到极性因子；
环路增益因子计算模块304，用于将获取的滤波电感电流输入环路增益模型，计算得到环路增益因子；
平衡控制因子计算模块305，用于将所述误差电压、极性因子和环路增益因子相乘，并输入PI控制器，得到平衡控制因子；
电压平衡模块306，用于将所述平衡控制因子叠加至第一开关管和第三开关管的驱动控制信号，所述驱动控制信号用于控制三电平双向变换器的中点电压平衡。
关于三电平双向变换器中点电压平衡控制装置的具体限定可以参见上文中对于方法的限定，在此不再赘述。上述装置中的各个模块可全部或者部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或者独立于终端设备的处理器中，也可以以软件形式存储于终端设备的存储器中，以便处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
在一个实施例中，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述第一方面三电平双向变换器中点电压平衡控制方法的步骤。
所述计算机可读存储介质可以是诸如闪存、EEPROM(电可擦除可编只读程存储器)、EPROM(可擦除可编只读程存储器)、硬盘或者ROM之类的电子存储器。可选的，计算机可读存储介质包括非瞬时性计算机可读介质(non-transitory computer-readable storagemedium)。计算机可读存储介质具有执行上述方法中的任何方法步骤的程序代码的存储空间。这些程序代码可以从一个或者多个计算机程序产品中读出或者写入这一个或者多个计算机程序产品中，所述程序代码可以以适当形式进行压缩。
在一个实施例中，本发明提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时执行上述三电平双向变换器中点电压平衡控制方法步骤。
所述计算机设备包括存储器、处理器以及一个或多个计算机程序，其中一个或多个计算机程序可以被存储在存储器中并被配置为由一个或多个处理器执行，一个或多个应用程序配置用于执行上述三电平双向变换器中点电压平衡控制方法。
处理器可以包括一个或多个处理核。处理器利用各种接口和线路连接整个计算机设备内的各个部分，通过运行或执行存储在存储器内的指令、程序、代码集或指令集，以及调用存储在存储器内的数据，执行计算机设备的各种功能和处理数据。可选地，处理器可以采用数字信号处理(Digital Signal Processing，DSP)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)、可编程逻辑阵列(Programmable Logic Array，PLA)中的至少一种硬件形式来实现。处理器可集成中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、埋点数据的上报验证器(Graphics Processing Unit，GPU)和调制解调器等中的一种或几种的组合。其中，CPU主要处理操作系统、用户界面和应用程序等；GPU用于负责显示内容的渲染和绘制；调制解调器用于处理无线通信。可以理解的是，上述调制解调器也可以不集成到处理器中，单独通过一块通信芯片进行实现。
存储器可以包括随机存储器(Random Access Memory，RAM)，也可以包括只读存储器(Read-Only Memory)。存储器可用于存储指令、程序、代码、代码集或指令集。存储器可包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储用于实现操作系统的指令、用于实现至少一个功能的指令(比如触控功能、声音播放功能、图像播放功能等)、用于实现上述各个方法实施例的指令等。存储数据区还可以存储终端设备在使用中所创建的数据等。
以上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精神和范围。

Claims (10)

1.一种三电平双向变换器中点电压平衡控制方法，其特征在于，该方法包括:
获取三电平双向变压器中第一电容和第二电容电性中点的中点电压，以及第一电容和第二电容的总电压，并根据所述总电压计算得到中点平衡电压；
将所述中点电压与中点平衡电压进行比较，得到误差电压；
将所述误差电压输入极性因子判断模型，得到极性因子；
将获取的三电平双向变压器的滤波电感电流输入环路增益模型，计算得到环路增益因子；
将所述误差电压、极性因子和环路增益因子相乘，并输入PI控制器，得到平衡控制因子；
将所述平衡控制因子叠加至三电平双向变压器中第一开关管和第三开关管的驱动控制信号，所述驱动控制信号用于控制三电平双向变换器的中点电压平衡。
2.如权利要求1所述的三电平双向变换器中点电压平衡控制方法，其特征在于，所述将所述误差电压输入极性因子判断模型，得到极性因子，包括：
比较误差电压和预设的第一电压阈值的大小，若所述误差电压大于所述第一电压阈值，则输出极性反转的极性因子，并增大第一电压阈值。
3.如权利要求2所述的三电平双向变换器中点电压平衡控制方法，其特征在于，所述将所述误差电压输入极性因子判断模型，得到极性因子，还包括：
若所述误差电压小于或等于第一电压阈值，比较误差电压和预设的第二电压阈值；
若所述误差电压小于所述第二电压阈值，将所述第一电压阈值恢复至第一电压阈值初值，并输出极性不变的极性因子。
4.如权利要求1所述的三电平双向变换器中点电压平衡控制方法，其特征在于，所述环路增益模型的表达式为：
LoopGain＝min((max(a*|IL|+b),Gmin),Gmax)，
其中，LoopGain为环路增益因子，a为第一系数，b为第二系数，IL为滤波电感电流，Gmin为最小增益因子，Gmax为最大增益因子。
5.一种三电平双向变换器中点电压平衡控制装置，其特征在于，该装置包括：
参数获取模块，用于获取三电平双向变压器中第一电容和第二电容电性中点的中点电压、以及第一电容和第二电容的总电压，并根据所述总电压计算得到中点平衡电压；
误差电压计算模块，用于将所述中点电压与中点平衡电压进行比较，得到误差电压；
极性因子计算模块，用于将所述误差电压输入极性因子判断模型，得到极性因子；
环路增益因子计算模块，用于将获取的三电平双向变压器的滤波电感电流输入环路增益模型，计算得到环路增益因子；
平衡控制因子计算模块，用于将所述误差电压、极性因子和环路增益因子相乘，并输入PI控制器，得到平衡控制因子；
电压平衡模块，用于将所述平衡控制因子叠加至三电平双向变压器中第一开关管和第三开关管的驱动控制信号，所述驱动控制信号用于控制三电平双向变换器的中点电压平衡。
6.如权利要求5所述的三电平双向变换器中点电压平衡控制装置，其特征在于，所述将所述误差电压输入极性因子判断模型，得到极性因子，包括：
比较误差电压和预设的第一电压阈值的大小，若所述误差电压大于所述第一电压阈值，则输出极性反转的极性因子，并增大第一电压阈值。
7.如权利要求6所述的三电平双向变换器中点电压平衡控制装置，其特征在于，所述将所述误差电压输入极性因子判断模型，得到极性因子，还包括：
若所述误差电压小于或等于第一电压阈值，比较误差电压和预设的第二电压阈值；
若所述误差电压小于所述第二电压阈值，将所述第一电压阈值恢复至第一电压阈值初值，并输出极性不变的极性因子。
8.如权利要求5所述的三电平双向变换器中点电压平衡控制装置，其特征在于，所述环路增益模型的表达式为：
LoopGain＝min((max(a*|IL|+b),Gmin),Gmax)，
其中，LoopGain为环路增益因子，a为第一系数，b为第二系数，IL为滤波电感电流，Gmin为最小增益因子，Gmax为最大增益因子。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-4中任一项三电平双向变换器中点电压平衡控制方法的步骤。
10.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时，执行权利要求1-4中任一项三电平双向变换器中点电压平衡控制方法。
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CN115664167A (zh) * 2022-10-17 2023-01-31 山东艾诺仪器有限公司 一种非共地式三电平直流变换器中点电位控制电路及方法

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