CN118133748A - 光储直柔建筑的dab建模及其等效阻抗分析、纹波抑制方法 - Google Patents

光储直柔建筑的dab建模及其等效阻抗分析、纹波抑制方法 Download PDF

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兰倢
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刘华勇
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Abstract

本发明属于光储直柔领域，具体涉及一种光储直柔建筑的DAB建模及其等效阻抗分析、纹波抑制方法，首先，DAB建模方法包括如下步骤：根据DAB的KVL方程与KCL方程建立电流电压输出平衡方程组；将电流电压输出平衡方程组从时变转换为时不变的状态方程，得到关于状态矩阵与输入矩阵的非线性模型；根据由占空比扰动引起的状态变量偏差将非线性模型转化为线性模型。然后，根据DAB的线性模型来分析不同占空比下的等效阻抗，最后根据权等效阻抗分析方法得到输出电流的值接近或等于参考值时的占空比，对DAB进行调制，从而抑制纹波的影响。本发明能准确描述DAB的工作原理和响应特性，并且对双有源全桥变换器的系统分析、控制设计和性能评估等方面具有重要的应用价值。

Description

光储直柔建筑的DAB建模及其等效阻抗分析、纹波抑制方法
技术领域
本发明属于光储直柔技术领域，具体涉及一种光储直柔建筑的DAB建模及其等效阻抗分析、纹波抑制方法。
背景技术
“光储直柔建筑”是指通过光伏等可再生能源发电、储能、直流配电和柔性用能来构建适应碳中和目标需求的新型直流建筑。光储直柔建筑中需要采用DC-DC变换器作为整流侧与逆变侧的中间转化环节，而整流与逆变都会带来二次纹波，二次纹波会导致直流建筑中的电气设备工作不稳定，甚至影响到设备的寿命和性能。
双有源全桥变换器(Dual Active Bridge，DAB)是一种广泛应用在光储直柔建筑中的DC-DC变换器，双有源全桥变换器DAB通过一定的控制策略(如PI控制或PIR控制)可以降低输出电压的二次纹波。为了更准确地描述DAB的工作过程，并提供精确的控制策略，需要开发出新的建模方法来分析和优化DAB的性能。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种光储直柔建筑的DAB建模及其等效阻抗分析、纹波抑制方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种光储直柔建筑中的DAB建模方法，所述DAB是指双有源全桥变换器，包括以下步骤：
根据DAB的KVL方程与KCL方程建立电流电压输出平衡方程组；
将所述电流电压输出平衡方程组从时变转换为时不变的状态方程组，得到关于状态矩阵与输入矩阵的非线性模型；
根据由占空比扰动引起的状态变量偏差将所述非线性模型转化为线性模型。
进一步的，在选择单移向法对DAB进行调制的前提下，所述电流电压输出平衡方程组如下：
式中，Lf和Cf分别为DAB输出端的滤波器的电感和电容；iL为流过所述滤波器的电感的电流，即DAB的输出电流；vi、vo分别为DAB的输入电压和输出电压；R表示负载的等效电阻；Sa、Sb分别表示DAB输出端的H型全桥变流器的开关状态、DAB输入端的H型全桥变流器的开关状态。
进一步的，采用傅里叶级数将所述电流电压输出平衡方程组从时变转换为时不变的状态方程组。
进一步的，所述关于状态矩阵与输入矩阵的非线性模型如下：
式中，vo0、iL1R、iL1I均为状态矩阵中的状态变量，并分别表示DAB的输出电压的直流分量、DAB的输出电流iL的基频分量的实部、DAB的输出电流iL的基频分量的虚部；矩阵中的d表示傅里叶级数变换定常化后的开关信号占空比；ωs表示电网系统的角频率；iN表示DAB的输入电流。
进一步的，根据由占空比扰动引起的状态变量偏差构建扰动方程组如下：
式中，D表示占空比的稳态值；Vo0、IL1R、IL1I分别表示对应状态变量vo0、iL1R、iL1I的稳态值；d(t)开关信号的占空比，表示占空比扰动，/> 分别表示由占空比扰动引起的对应状态变量vo0、iL1R、iL1I的状态变量偏差。
进一步的，将所述扰动方程组进行傅里叶级数变换定常化后代入所述非线性模型并进行化简后，得到所述线性模型如下：
式中，IL0I表示输出电流iL的直流分量的虚部，IL0R表示输出电流iL的直流分量的实部，表示经过傅里叶级数变换定常化后的占空比扰动。
本发明提供的一种DAB的等效阻抗分析方法，基于本发明所述的光储直柔建筑中的DAB建模方法得到的DAB的线性模型来分析不同占空比下的等效阻抗。
进一步的，将占空比代入所述线性模型计算出输出电压与输出电流的值，再用输出电压除以输出电流以得到等效阻抗。
进一步的，以DAB输出电流的平均值作为参考值，调整占空比以使通过所述线性模型计算出的输出电流的值接近或等于所述参考值，再用输出电压除以所述输出电流以得到等效阻抗。
本发明通过的一种DAB的纹波抑制方法，根据权利要求本发明所述的等效阻抗分析方法得到输出电流的值接近或等于所述参考值时的占空比，对DAB进行调制。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
1、本发明考虑了DAB在时域内的非线性特性，因此能够更准确的描述DAB的工作过程，并通过状态量偏差将非线性模型转化为线性模型，基于线性模型能够更准确的分析DAB的等效阻抗和稳定性。
2、本发明以流过滤波器的电感的电流作为DAB的输出电流，并将其和DAB的输出电压一起作为状态变量来评估对DAB的等效阻抗的影响，通过输出电压除以输出电流就能快速准确的得到等效阻抗，提升了模型的精确度。
3、通过本发明的线性模型能够通过调节占空比使输出电流接近或等于参考值(DAB输出电流的平均值)，那么通过模型计算的输出电流相对于参考值的波动就小，根据输出电流计算得到的等效阻抗的波动相应减小，等效电阻的计算精度得到提高。
4、总之，本发明能准确描述双有源全桥变换器的工作原理和响应特性，并且对双有源全桥变换器的系统分析、控制设计和性能评估等方面具有重要的应用价值。
附图说明
图1为双有源全桥变换器的拓扑结构图。
图2为实施例1中光储直柔建筑中的双有源全桥变换器的建模方法。
具体实施方式
参考图1所示，双有源全桥变换器(DAB)的拓扑结构包括两个H型全桥变流器，中间是一个高频变压器T，用来使两个H型全桥变流器相互隔离，DAB输入端的H型全桥变流器的输出端连接辅助电感L，DAB输出端连接LC滤波器。Rf表示滤波器的等效电阻，Cf是滤波器的等效电容，Lf是滤波器的等效电感。滤波器能有效提升输出直流电压电流的质量。
传统的DAB建模方法往往忽略了一些关键的因素，例如变换器的非线性特性、电感和电容元件的损耗等。
本发明考虑了DAB在时域内的非线性特性，提供了一种光储直柔建筑中的DAB建模方法，所述DAB是指双有源全桥变换器，包括以下步骤：
根据DAB的KVL方程与KCL方程建立电流电压输出平衡方程组；
将所述电流电压输出平衡方程组从时变转换为时不变的状态方程组，得到关于状态矩阵与输入矩阵的非线性模型；
根据由占空比扰动引起的状态变量偏差将所述非线性模型转化为线性模型。
本发明考虑了DAB在时域内的非线性特性，因此能够更准确的描述DAB的工作过程，并通过状态量偏差将非线性模型转化为线性模型，基于线性模型能够更准确的分析DAB的等效阻抗和稳定性。
实施例1
参考图2所示，本实施例针对光储直柔建筑中的DAB建模方法中的对各个步骤进行详细描述。
S1：根据DAB的KVL方程与KCL方程建立电流电压输出平衡方程组。
本具体实施方式选择单移向法对双有源变换器进行调制，其输出方程为：
式中，Lf和Cf分别为DAB输出端的滤波器的电感和电容；iL为流过所述滤波器的电感的电流，即DAB的输出电流；vi、vo分别为DAB的输入电压和输出电压；R表示负载的等效电阻；Sa、Sb分别表示DAB输出端的H型全桥变流器的开关状态、DAB输入端的H型全桥变流器的开关状态。
例如，当Sa等于1时，表示S1、S3导通，S2、S4关断；当Sa等于0时，表示S1、S4导通或S2、S3关断；当Sa等于-1时，表示S2、S4导通，S1、S3关断。当Sb等于1时，表示Q1、Q3导通，Q2、Q4关断；当Sb等于0时，表示Q1、Q4导通或Q2、Q3关断；当Sb等于-1时，表示Q2、Q4导通，Q1、Q3关断。
S2：采用傅里叶级数将所述电流电压输出平衡方程组从时变转换为时不变的状态方程组。
根据电流电压输出平衡方程组可知输出端涉及到的状态变量为vo、iL，vo、iL均为时变周期信号，需要转化为时不变信号，即定常化，本实施例采用傅里叶级数进行转化。
傅里叶级数变换属于现有技术，因此只简要介绍傅里叶级数变换的原理如下：
时变周期信号的傅里叶级数变换为：
式中x(τ)为一个周期的时域信号，其满足ω为系统角频率，满足ω＝2πf；<x>k表示预处理信号的k阶傅里叶级数，其计算公式如下：
由上式可得，傅里叶级数的微分形式为：
傅立叶级数系数频域卷积定理为：
<xy>0＝<x>0<y>0+2(<x1R><y1R>+<x1I><y1I>)
<xy>1R＝<x>0<y>1R+<x>1R<y>0
<xy>1I＝<x>0<y>1I+<x>1I<y>0
该定理仅当f(x,y)＝xy，x、y都与时间t相关，且两者均存在傅里叶变换时有效。
通过傅立叶级数变换得到的关于状态矩阵与输入矩阵的非线性模型如下：
式中，vo0、iL1R、iL1I均为状态矩阵中的状态变量(分别通过对vo、iL进行傅立叶级数变换得到)，并分别表示DAB的输出电压的直流分量、DAB的输出电流iL的基频分量的实部、DAB的输出电流iL的基频分量的虚部；矩阵中的d表示经过傅里叶级数变换定常化后的开关信号的占空比；ωs表示电网系统的角频率(如50Hz标准工况)；iN表示DAB的输入电流。另外，需要说明的是仅表示微分运算。
S3：根据由占空比扰动引起的状态变量偏差将所述非线性模型转化为线性模型。
虽然非线性模型符合DAB的非线性特性，能够更准确的描述DAB的工作过程，但是，由于在非线性模型中等效阻抗与输出电压及输出电流的关系为非线性的，无法直接根据输出电压与输出电流来计算等效阻抗，因此需要设法将非线性模型转化为线性模型。
发明人意识到当占空比d(t)存在扰动时，上述状态变量将会与其稳态值有所偏差，根据由占空比扰动引起的状态变量偏差构建扰动方程组如下：
式中，D表示占空比的稳态值；Vo0、IL1R、IL1I分别表示对应状态变量vo0、iL1R、iL1I的稳态值；d(t)开关信号的占空比，表示占空比扰动，/> 分别表示由占空比扰动引起的对应状态变量vo0、iL1R、iL1I的状态变量偏差。
将所述扰动方程组进行傅里叶级数变换定常化后代入所述非线性模型并进行化简后，得到所述线性模型如下：
式中，IL0I表示输出电流iL的直流分量的虚部，IL0R表示输出电流iL的直流分量的实部，表示傅里叶级数变换定常化后的占空比扰动。
上述线性模型反映了双有源全桥变换器的占空比d与输出的状态变量 之间的关系，通过该线性模型可以分析双有源全桥变换器的等效阻抗和稳定性。
实施例2
本实施例基于DAB的线性模型进行等效阻抗分析与纹波抑制。
一种DAB的等效阻抗分析方法，基于实施例1的光储直柔建筑中的DAB建模方法得到的DAB的线性模型来分析不同占空比下的等效阻抗。
具体的，将占空比代入所述线性模型计算出输出电压与输出电流的值，再用输出电压除以输出电流以得到等效阻抗。
优选的，以DAB输出电流的平均值作为参考值，调整占空比以使通过所述线性模型计算出的输出电流的值接近或等于所述参考值，再用输出电压除以所述输出电流以得到等效阻抗。输出电流
根据等效阻抗分析方法得到输出电流的值接近或等于所述参考值时的占空比，对DAB进行调制(如PI控制或PIR控制)，按照该占空比进行调制能够使得DAB的输出电流稳定在参考值附近，能够有效降低二次纹波造成的输出电流不稳定。
另外，利用奈奎斯特判据对求得的等效阻抗进行分析，可知DAB是否稳定。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
上述技术方案只是本发明的具体实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施例所描述的技术方案，因此前面描述的只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (10)

1.一种光储直柔建筑中的DAB建模方法，所述DAB是指双有源全桥变换器，其特征在于，包括以下步骤：
根据DAB的KVL方程与KCL方程建立电流电压输出平衡方程组；
将所述电流电压输出平衡方程组从时变转换为时不变的状态方程组，得到关于状态矩阵与输入矩阵的非线性模型；
根据由占空比扰动引起的状态变量偏差将所述非线性模型转化为线性模型。
2.根据权利要求1所述的光储直柔建筑中的DAB建模方法，其特征在于，在选择单移向法对DAB进行调制的前提下，所述电流电压输出平衡方程组如下：
式中，Lf和Cf分别为DAB输出端的滤波器的电感和电容；iL为流过所述滤波器的电感的电流，即DAB的输出电流；vi、vo分别为DAB的输入电压和输出电压；R表示负载的等效电阻；Sa、Sb分别表示DAB输出端的H型全桥变流器的开关状态、DAB输入端的H型全桥变流器的开关状态。
3.根据权利要求2所述的光储直柔建筑中的DAB建模方法，其特征在于，采用傅里叶级数将所述电流电压输出平衡方程组从时变转换为时不变的状态方程组。
4.根据权利要求3所述的光储直柔建筑中的DAB建模方法，其特征在于，所述关于状态矩阵与输入矩阵的非线性模型如下：
式中，vo0、iL1R、iL1I均为状态矩阵中的状态变量，并分别表示DAB的输出电压的直流分量、DAB的输出电流iL的基频分量的实部、DAB的输出电流iL的基频分量的虚部；矩阵中的d表示傅里叶级数变换定常化后的开关信号的占空比；ωs表示电网系统的角频率；iN表示DAB的输入电流。
5.根据权利要求3所述的光储直柔建筑中的DAB建模方法，其特征在于，根据由占空比扰动引起的状态变量偏差构建扰动方程组如下：
式中，D表示占空比的稳态值；Vo0、IL1R、IL1I分别表示对应状态变量vo0、iL1R、iL1I的稳态值；d(t)开关信号的占空比，表示占空比扰动，/> 分别表示由占空比扰动引起的对应状态变量vo0、iL1R、iL1I的状态变量偏差。
6.根据权利要求5所述的光储直柔建筑中的DAB建模方法，其特征在于，将所述扰动方程组进行傅里叶级数变换定常化后代入所述非线性模型并进行化简后，得到所述线性模型如下：
式中，IL0I表示输出电流iL的直流分量的虚部，IL0R表示输出电流iL的直流分量的实部，表示傅里叶级数变换定常化后的占空比扰动。
7.一种DAB的等效阻抗分析方法，其特征在于，基于如权利要求1～6任一所述的光储直柔建筑中的DAB建模方法得到的DAB的线性模型来分析不同占空比下的等效阻抗。
8.根据权利要求7所述的等效阻抗分析方法，其特征在于，将占空比代入所述线性模型计算出输出电压与输出电流的值，再用输出电压除以输出电流以得到等效阻抗。
9.根据权利要求8所述的等效阻抗分析方法，其特征在于，以DAB输出电流的平均值作为参考值，调整占空比以使通过所述线性模型计算出的输出电流的值接近或等于所述参考值，再用输出电压除以所述输出电流以得到等效阻抗。
10.一种DAB的纹波抑制方法，其特征在于，根据权利要求9所述的等效阻抗分析方法得到输出电流的值接近或等于所述参考值时的占空比，对DAB进行调制。
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