本發(fā)明涉及一種基于移向角斜坡前饋的雙向全橋DC-DC變換器控制方法及裝置，屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

雙向全橋DC-DC變換器(DAB)具有功率密度高、系統(tǒng)具有電氣隔離，并且不需要額外的無(wú)源器件就能實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)等優(yōu)點(diǎn)，在新能源發(fā)電、電力電子變壓器、儲(chǔ)能裝置等均有較多應(yīng)用。

目前，DAB常用的控制策略為移向控制，通過(guò)將檢測(cè)輸出側(cè)的直流母線電壓與給定的電壓指令做差，該差值作為PI控制器的輸入，經(jīng)過(guò)PI控制器調(diào)節(jié)得到移向角。但是，在突加、減載過(guò)程中，由于移向控制方法的動(dòng)態(tài)特性差，造成DAB直流母線電壓波動(dòng)以及電流超調(diào)較大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于移向角斜坡前饋的雙向全橋DC-DC變換器控制方法及裝置，用于解決在負(fù)載發(fā)生突變的情況下，傳統(tǒng)移向控制中直流母線電壓波動(dòng)以及電流超調(diào)較大這一技術(shù)問(wèn)題。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種基于移向角斜坡前饋的雙向全橋DC-DC變換器控制方法，包括以下方案：

方法方案一：包括以下步驟：

步驟1，獲取全橋DC-DC變換器的當(dāng)前移向角并計(jì)算全橋DC-DC變換器的移相角穩(wěn)態(tài)值

步驟2，若當(dāng)前移向角未達(dá)到移相角穩(wěn)態(tài)值以所述移相角穩(wěn)態(tài)值為目標(biāo)確定全橋DC-DC變換器在每個(gè)周期內(nèi)的移向角遞增量在N個(gè)周期中的第i個(gè)周期，在移相角控制指令上疊加移相角前饋量

方法方案二：在方法方案一的基礎(chǔ)上，全橋DC-DC變換器在每個(gè)周期的移向角遞增量為移相角穩(wěn)態(tài)值與當(dāng)前移向角的差值的1/N。

方法方案三、四：分別在方法方案一、二的基礎(chǔ)上，所述全橋DC-DC變換器的移相角穩(wěn)態(tài)值由全橋DC-DC變換器的輸入電壓、輸出功率、電感、開(kāi)關(guān)頻率、效率以及變壓器的變比確定。

方法方案五、六：分別在方法方案三、四的基礎(chǔ)上，所述全橋DC-DC變換器的移相角穩(wěn)態(tài)值的計(jì)算公式為：

其中，U_i為全橋DC-DC變換器的輸入電壓，U_o為全橋DC-DC變換器的輸出電壓，I_o為負(fù)載電流，L_s為全橋DC-DC變換器的電感，f_s為全橋DC-DC變換器的開(kāi)關(guān)頻率，n為全橋DC-DC變換器中變壓器的變比，η為全橋DC-DC變換器的功率傳輸效率。

本發(fā)明還提出了一種基于移向角斜坡前饋的雙向全橋DC-DC變換器控制裝置，包括以下方案：

裝置方案一：包括：

用于獲取全橋DC-DC變換器的當(dāng)前移向角并計(jì)算全橋DC-DC變換器的移相角穩(wěn)態(tài)值的單元；

用于若當(dāng)前移向角未達(dá)到移相角穩(wěn)態(tài)值以所述移相角穩(wěn)態(tài)值為目標(biāo)確定全橋DC-DC變換器在每個(gè)周期內(nèi)的移向角遞增量在N個(gè)周期中的第i個(gè)周期，在移相角控制指令上疊加移相角前饋量的單元。

裝置方案二：在裝置方案一的基礎(chǔ)上，全橋DC-DC變換器在每個(gè)周期的移向角遞增量為移相角穩(wěn)態(tài)值與當(dāng)前移向角的差值的1/N。

裝置方案三、四：分別在裝置方案一、二的基礎(chǔ)上，所述全橋DC-DC變換器的移相角穩(wěn)態(tài)值由全橋DC-DC變換器的輸入電壓、輸出功率、電感、開(kāi)關(guān)頻率、效率以及變壓器的變比確定。

裝置方案五、六：分別在裝置方案三、四的基礎(chǔ)上，所述全橋DC-DC變換器的移相角穩(wěn)態(tài)值的計(jì)算公式為：

其中，U_i為全橋DC-DC變換器的輸入電壓，U_o為全橋DC-DC變換器的輸出電壓，I_o為負(fù)載電流，L_s為全橋DC-DC變換器的電感，f_s為全橋DC-DC變換器的開(kāi)關(guān)頻率，n為全橋DC-DC變換器中變壓器的變比，η為全橋DC-DC變換器的功率傳輸效率。

本發(fā)明的有益效果是：通過(guò)在傳統(tǒng)移向控制過(guò)程中增加了移相角前饋控制，即在每個(gè)調(diào)整周期內(nèi)增加了一個(gè)移相角斜坡前饋值，減小了在每個(gè)調(diào)整周期內(nèi)移相角的變化幅度，提高了全橋DC-DC變換器的移相角的變化穩(wěn)定性，減小了全橋DC-DC變換器輸出側(cè)直流母線電壓的波動(dòng)，降低了直流電流的超調(diào)。

附圖說(shuō)明

圖1是雙向全橋DC-DC變換器的主回路拓?fù)洌?/p>

圖2是雙向全橋DC-DC變換器等效電路；

圖3是雙向全橋DC-DC變換器工作過(guò)程；

圖4是基于移向角斜坡前饋的雙向全橋DC-DC變換器控制方法的結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖以及具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

基于移向角斜坡前饋的雙向全橋DC-DC變換器控制方法實(shí)施例：

圖1給出了雙向全橋DC-DC變換器(DAB)的主回路拓?fù)洌蓤D1所示，DAB由H橋M1、H橋M2以及一個(gè)變比為n的高頻變壓器組成，其中H橋M1由開(kāi)關(guān)管S₁、S₂、S₃和S₄組成，H橋M2由開(kāi)關(guān)管S₁′、S₂′、S₃′和S₄′組成，DAB的輸入電壓為U_i，當(dāng)所接負(fù)載為R_L時(shí)，DAB的輸出電壓為U_o，輸出電流為i_o。忽略高頻變壓器的勵(lì)磁電流，其等效電路如圖2所示，其中，u_ab為H橋M1輸出的電壓，u_cd為H橋M2輸出的電壓，電感L_S為DAB的等效電感，R為DAB的等效電阻。

首先，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載發(fā)生突變時(shí)，對(duì)全橋DC-DC變換器的移相角穩(wěn)態(tài)值進(jìn)行推導(dǎo)，推導(dǎo)過(guò)程如下：

忽略系統(tǒng)損耗，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，DAB的穩(wěn)態(tài)工作過(guò)程如圖3所示，主要分為以下四個(gè)階段。

(1)階段一：

在t₀時(shí)刻，H橋M1的開(kāi)關(guān)管S₂與S₃關(guān)斷，經(jīng)過(guò)一定的死區(qū)時(shí)間，開(kāi)關(guān)管S₁與S₄開(kāi)通；t₁時(shí)刻，H橋M2的開(kāi)關(guān)管S₂′與S₃′關(guān)斷；在t₀＜t＜t₁這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，電感L_S兩端的電壓U_L的計(jì)算公式為：

其中，U_o′表示將輸出電壓U_o折算到變壓器一次側(cè)的電壓，U_o′＝nU_o，i_L表示流經(jīng)電感L_S的電流。

假設(shè)t＝t₀時(shí)，電感L_S的電流為-I_L，那么在t₀＜t＜t₁這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，電感L_S的電流

由于t＝t₁時(shí)電感L_S的電流為I_L，可得

在階段一內(nèi)從H橋M1傳輸至H橋M2的能量

(2)階段二

在t₁時(shí)刻，H橋M2的開(kāi)關(guān)管S₂′與S₃′關(guān)斷，經(jīng)過(guò)一定的死區(qū)時(shí)間，開(kāi)關(guān)管S₁′與S₄′開(kāi)通；t₂時(shí)刻，H橋M1開(kāi)關(guān)管S₁與S₄關(guān)斷。在t₁＜t＜t₂這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，電感L_S兩端的電壓U_L＝U_i-U_o′＝0，因此電感的電流不變。

在階段二內(nèi)從H橋M1傳輸至H橋M2的能量

(3)階段三

在t₂時(shí)刻，H橋M1的開(kāi)關(guān)管S₁與S₄關(guān)斷，經(jīng)過(guò)一定的死區(qū)時(shí)間，開(kāi)關(guān)管S₂與S₃導(dǎo)通；t₃時(shí)刻，H橋M2的開(kāi)關(guān)管S₁′與S₄′開(kāi)通；在t₂＜t＜t₃這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，電感L_S兩端的電壓U_L的計(jì)算公式為：

電感L_S的電流

在階段三內(nèi)從H橋M1傳輸至H橋M2的能量

(4)階段四

在t₃時(shí)刻，H橋M2的開(kāi)關(guān)管S₁′與S₄′關(guān)斷，經(jīng)過(guò)一定的死區(qū)時(shí)間，開(kāi)關(guān)管S₂′與S₃′開(kāi)通；t₄時(shí)刻，H橋M1的開(kāi)關(guān)管S₂與S₃關(guān)斷。在t₃＜t＜t₄這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，電感L_S兩端的電壓U_L＝U_i-U_o′＝0，因此電感電流不變。

在階段四內(nèi)從H橋M1傳輸至M2的能量

綜上所述，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，從H橋M1傳輸至H橋M2的能量

W_ab＝U_iI_L(t₂-t₁)+U_iI_L(t₄-t₃) (10)

負(fù)載R_L消耗的能量

W_L＝P_LT_s (11)

其中，P_L為負(fù)載功率，T_s為開(kāi)關(guān)周期。

結(jié)合式(3)、(10)和(11)，根據(jù)能量守恒定律W_ab＝W_L，可得

由于移向角

結(jié)合上述推導(dǎo)最終可得

考慮系統(tǒng)損耗時(shí)，假設(shè)系統(tǒng)的能量傳輸效率為η，那么有

ηW_ab＝W_L (15)

此時(shí)DAB的移向角

當(dāng)移向角發(fā)生突變時(shí)，會(huì)造成當(dāng)前開(kāi)關(guān)周期內(nèi)H橋M1的輸出電壓中含有直流分量，忽略系統(tǒng)損耗，假設(shè)前一個(gè)開(kāi)關(guān)周期的移向角為那么此時(shí)電感L_S的電流峰值

當(dāng)前開(kāi)關(guān)周期，移向角突變?yōu)殡姼须娏髟谕蛔冮_(kāi)關(guān)周期的峰值

此時(shí)移向角突變引起的直流電流

最惡劣工況為功率滿載反向傳輸所引起的直流電流，此時(shí)直流偏置電流I_dc達(dá)到最大值，即有

在DAB的開(kāi)關(guān)頻率很高的情況下，為了減小移向角突變引起的直流電流偏置，可通過(guò)移向角斜坡前饋來(lái)減小移向角所引起的直流電流，設(shè)該直流電流的變化過(guò)程為一階電路的零輸入響應(yīng)，其表達(dá)式

其中，I_dc0為移向角突變引起的直流電流偏置初始值，τ＝L_S/R，R為圖2中等效電路中的等效電阻R，L_S為圖2中等效電路中的等效電感L_S。

當(dāng)由空載突加至滿載時(shí)，按照由空載至突加滿載時(shí)造成的直流偏置最大值為額定電流的10％進(jìn)行移向角遞增時(shí)，此時(shí)每個(gè)開(kāi)關(guān)周期遞增的移向角

其中P_rate表示負(fù)載功率。

通過(guò)增加移相角斜坡前饋可大大減小移向角突變所引起的DAB直流電流偏置，且由于移向角斜坡上升時(shí)間短，以DAB的開(kāi)關(guān)頻率10kHz為例，空載至突加滿載，移向角的變化時(shí)間僅為1ms，此時(shí)直流電壓U_o的波動(dòng)較小。

基于上述分析，基于移向角前饋的基于移向角斜坡前饋的雙向全橋DC-DC變換器控制方法的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，其中Uo__ref為直流電壓指令，Uo為DAB輸出電壓即負(fù)載兩端的電壓，I_o為負(fù)載電流。在檢測(cè)到負(fù)載發(fā)生突變時(shí)，基于移向角斜坡前饋的雙向全橋DC-DC變換器控制方法主要包括以下步驟：

步驟1，獲取全橋DC-DC變換器的當(dāng)前移向角并計(jì)算全橋DC-DC變換器的移相角穩(wěn)態(tài)值

上述全橋DC-DC變換器的移相角穩(wěn)態(tài)值與全橋DC-DC變換器的輸入電壓、輸出功率、電感、開(kāi)關(guān)頻率、效率以及變壓器的變比有關(guān)。具體的，全橋DC-DC變換器的移相角穩(wěn)態(tài)值的計(jì)算公式為：

其中，U_o為全橋DC-DC變換器的輸出電壓，I_o為負(fù)載電流，L_s為全橋DC-DC變換器的電感，f_s為全橋DC-DC變換器的開(kāi)關(guān)頻率，n為全橋DC-DC變換器中變壓器的變比，η為全橋DC-DC變換器的效率，U_i為全橋DC-DC變換器的輸入電壓。

當(dāng)然，上述計(jì)算全橋DC-DC變換器的移相角穩(wěn)態(tài)值的表達(dá)式僅是一種具體的實(shí)施例，還包括該表達(dá)式的各種變形。

步驟2，若當(dāng)前移向角未達(dá)到移相角穩(wěn)態(tài)值以移相角穩(wěn)態(tài)值為目標(biāo)確定全橋DC-DC變換器在每個(gè)周期內(nèi)的移向角遞增量在N個(gè)周期中的第i個(gè)周期，在移相角控制指令上疊加移相角前饋量

在傳統(tǒng)的移相控制過(guò)程中，通過(guò)將檢測(cè)輸出側(cè)的直流母線電壓U_o與給定的電壓指令U_{o_ref}做差，將獲得的差值作為PI控制器的輸入，經(jīng)過(guò)PI控制器對(duì)移相角進(jìn)行調(diào)節(jié)，此時(shí)所獲得的移相角微調(diào)量為

在傳統(tǒng)的移相控制的基礎(chǔ)上，增加移向角斜坡前饋來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)移向角的最終控制，即若當(dāng)前移向角未達(dá)到移相角穩(wěn)態(tài)值在設(shè)定的N個(gè)周期內(nèi)，取全橋DC-DC變換器在每個(gè)周期的移向角遞增量為移相角穩(wěn)態(tài)值與當(dāng)前移向角的差值的1/N，那么在第i(0＜i≤N)個(gè)周期時(shí)，在移相角控制指令上疊加移相角前饋量其中全橋DC-DC變換器在每個(gè)周期內(nèi)的移向角遞增量的表達(dá)式為：

具體的，正整數(shù)N可取值為10、20或30等值，當(dāng)N越大，變換器輸出側(cè)直流母線電壓的波動(dòng)和直流電流的超調(diào)越小，但相應(yīng)的移向角的變化時(shí)間會(huì)變長(zhǎng)，在實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行確定。

經(jīng)過(guò)若干個(gè)周期的調(diào)節(jié)，移相角在本周期的基礎(chǔ)上，按照一定的上升速率升至移相角的目標(biāo)穩(wěn)態(tài)值將移向角前饋部分與微調(diào)部分相加，得到最終的DAB移向角

基于移向角斜坡前饋的雙向全橋DC-DC變換器控制裝置實(shí)施例：

該控制裝置包括：

用于獲取全橋DC-DC變換器的當(dāng)前移向角并計(jì)算全橋DC-DC變換器的移相角穩(wěn)態(tài)值的單元；

用于若當(dāng)前移向角未達(dá)到移相角穩(wěn)態(tài)值以所述移相角穩(wěn)態(tài)值為目標(biāo)確定全橋DC-DC變換器在每個(gè)周期內(nèi)的移向角遞增量在N個(gè)周期中的第i個(gè)周期，在移相角控制指令上疊加移相角前饋量的單元。

基于移向角斜坡前饋的雙向全橋DC-DC變換器控制裝置，實(shí)際上是建立在上述基于移向角斜坡前饋的雙向全橋DC-DC變換器控制方法上的一種計(jì)算機(jī)解決方案，即一種軟件構(gòu)架，該軟件可以運(yùn)行于雙向全橋DC-DC變換器的控制設(shè)備中。由于已對(duì)控制方法進(jìn)行了足夠清晰完整的介紹，故對(duì)該裝置中每個(gè)單元不再做詳細(xì)描述。