本發(fā)明涉及電力電子變壓器控制方法技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種隔離型雙向直流變換器最小回流功率移相控制方法。

背景技術(shù)：

隔離型雙向直流變換器(isolatedbidirectionaldc-dcconverter，ibdc)具有分布式、模塊化和即插即用的軟硬件結(jié)構(gòu)，可以作為直流配電網(wǎng)中各級母線間的接口電路，通過高壓端采用串聯(lián)技術(shù)提高電壓等級，低壓端采用并聯(lián)技術(shù)以提高功率等級，進而實現(xiàn)能量變換和電氣隔離。隔離型雙向直流變換器目前普遍采用移相控制的方式，雙移相(dual-phase-shift，dps)是ibdc最廣泛使用的算法，該控制靈活，動態(tài)性能好。在傳統(tǒng)的雙移相控制方法中，ibdc存在峰值電流過大、開關(guān)應(yīng)力過大等缺點，大量回流功率是引起峰值電流過大、系統(tǒng)通路損耗增大、電能傳輸效率降低的主要原因。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是如何提供一種控制簡單、容易實現(xiàn)的隔離型雙向直流變換器最小回流功率移相控制方法。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：一種隔離型雙向直流變換器最小回流功率移相控制方法，其特征在于包括如下步驟：

控制系統(tǒng)控制采樣芯片采集隔離型雙向直流變換器的輸出電壓v2和輸出電流i2，通過輸出電壓v2和輸出電流i2確定變換器輸出功率；

傳輸功率除以隔離型雙向直流變換器的最大傳輸功率pn，得到標(biāo)幺化傳輸功率p；

根據(jù)標(biāo)幺化傳輸功率p的不同取值范圍，按最小回流功率計算內(nèi)移相角d1；

由輸出電壓v2與給定輸出電壓v2ref作差，經(jīng)過pi控制器得到外移相角d2；

根據(jù)內(nèi)移相角d1與外移相角d2進行脈沖生成，并通過閉環(huán)調(diào)節(jié)外移相角d2的值使輸出電壓v2恒定。

進一步的技術(shù)方案在于：控制系統(tǒng)通過現(xiàn)場可編程門陣列芯片fpga控制采樣芯片采集所述輸出電壓v2和所述輸出電流i2。

進一步的技術(shù)方案在于：當(dāng)0≤p≤2/3時，最小回流功率移相控制方法如下：

實現(xiàn)回流功率最小控制時d1＝d2，此時將雙移相控制方式簡化為單變量移相控制方式，令d＝d1＝d2，則最小回流功率移相控制下ibdc的傳輸功率p1為

式中：d為內(nèi)、外移相角度，v為輸入、輸出電壓，p1為傳輸功率，r為等效電阻，l為變壓器漏感和輔助電感之和，f為開關(guān)頻率，n為變壓器匝數(shù)比；根據(jù)上式和最大傳輸功率pn的計算公式可得最小回流功率移相控制下標(biāo)幺化傳輸功率p1為

式中：0≤d≤1/2，0≤p1≤2/3，可以求出零回流功率運行點為

根據(jù)p1與給定標(biāo)幺化傳輸功率p1(0≤p≤2/3)確定移相角d，實現(xiàn)回流功率為0。

進一步的技術(shù)方案在于：當(dāng)2/3≤p≤1時，最小回流功率移相控制方法如下：

當(dāng)2/3≤p≤1時，依據(jù)雙移相控制下標(biāo)幺化傳輸功率p的計算公式和零回流功率運行點的計算公式：求出最小回流功率運行點為

令d＝d2，d1＝1-2d，最小回流功率移相控制下隔離型雙向直流變換器的傳輸功率p2為

根據(jù)最大傳輸功率pn和傳輸功率p2，得到隔離型雙向直流變換器在2/3≤p≤1情況下，最小回流功率移相控制下標(biāo)幺化傳輸功率p為

式中：1/3≤d≤1/2，

根據(jù)p2與給定標(biāo)幺化傳輸功率p2(2/3≤p≤1)確定(d1，d2)移相角的組合，實現(xiàn)回流功率最小。

進一步的技術(shù)方案在于：最大傳輸功率其中，v1為電源側(cè)輸入電壓，v2為負載側(cè)輸出電壓，r為等效電阻，l為變壓器漏感和輔助電感之和，f為開關(guān)頻率，n為變壓器匝數(shù)比。

進一步的技術(shù)方案在于：在數(shù)字信號處理器dsp中由輸出電壓v2與給定輸出電壓v2ref作差，經(jīng)過pi控制器得到外移相角d2。

采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于：所述方法控制簡單，容易實現(xiàn)。通過所述方法控制的功率運行點可實現(xiàn)源側(cè)、負載側(cè)回流功率最小，較為顯著的減小了峰值電流和電流應(yīng)力，提高了變換效率。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細的說明。

圖1為本發(fā)明實施例中隔離型雙向直流變換器的電路拓撲圖；

圖2為本發(fā)明實施例中隔離型雙向直流變換器的等效電路圖；

圖3為本發(fā)明實施例中雙移相控制方法的時序圖；

圖4為本發(fā)明實施例中隔離型雙向直流變換器的功率流動方向圖；

圖5為本發(fā)明實施例中隔離型雙向直流變換器的的電源側(cè)和負載側(cè)回流功率圖；

圖6為本發(fā)明實施例中最小回流功率移相控制的原理框圖；

圖7為本發(fā)明實施例中所述方法的流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

在下面的描述中闡述了很多具體細節(jié)以便于充分理解本發(fā)明，但是本發(fā)明還可以采用其他不同于在此描述的其它方式來實施，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的情況下做類似推廣，因此本發(fā)明不受下面公開的具體實施例的限制。

如圖7所示，本發(fā)明實施例公開了一種隔離型雙向直流變換器最小回流功率移相控制方法，所述方法包括如下步驟：

s101：控制系統(tǒng)通過現(xiàn)場可編程門陣列芯片fpga控制采樣芯片采集所述變換器的輸出電壓v2和輸出電流i2，通過v2和i2確定變換器輸出功率；

s102：傳輸功率除以隔離型雙向直流變換器的最大傳輸功率pn，得到標(biāo)幺化傳輸功率p；

s103：根據(jù)標(biāo)幺化傳輸功率p的不同取值范圍，按最小回流功率計算內(nèi)移相角d1；

s104：在數(shù)字信號處理器dsp中由輸出電壓v2與給定輸出電壓v2ref作差，經(jīng)過pi控制器得到外移相角d2；

s105：dsp將內(nèi)移相角d1與外移相角d2傳遞到fpga中進行脈沖生成，并通過閉環(huán)調(diào)節(jié)外移相角d2的值使輸出電壓v2恒定。

具體分析如下：

所述的隔離型雙向直流變換器的電路拓撲如圖1所示。主要包括電源側(cè)輸入電壓v1，負載側(cè)輸出電壓v2，輸出電流i2；變換器兩端h橋輸出電壓vab、vcd；輔助電感l(wèi)r；電感電流il；電源側(cè)緩沖電容和負載側(cè)支撐電容c1、c2；變換器負載電阻r組成。

隔離型雙向直流變換器主電路的等效電路如圖2所示。圖2中：l為變壓器漏感和輔助電感l(wèi)r的等效電感；vl為l兩端電壓；在雙移相控制下，ibdc兩側(cè)全橋的開關(guān)頻率相同，輸出交流電壓vab和vcd均是三電平波，通過控制vab和vcd之間的相位可以控制功率的流向。當(dāng)v1側(cè)h橋開關(guān)管相位超前v2側(cè)h橋開關(guān)管時，ibdc功率正向傳輸,由v1側(cè)傳輸?shù)絭2側(cè)，即由vab流向vcd。當(dāng)v2側(cè)h橋開關(guān)管相位超前v1側(cè)h橋開關(guān)管時，ibdc功率反向傳輸，由v2側(cè)傳輸?shù)絭1側(cè)，即由vcd流向vab。由于ibdc的v1側(cè)和v2側(cè)拓撲具有對稱性，變換器的功率正反向傳輸?shù)脑眍愃?。本文以功率由v1側(cè)傳輸?shù)絭2側(cè)(vab相位超前vcd)為例分析ibdc的最小回流功率移相控制方法，所提控制方法在功率反向傳輸時同樣適用。

隔離型雙向直流變換器的雙移相控制方法示意圖如圖3所示。圖3中，q1-q8為對應(yīng)開關(guān)的控制信號，其頻率相同且占空比都為0.5，同一橋臂上下兩開關(guān)管的控制信號互補；d1/2f表示一次(側(cè))開關(guān)管q1和q3、二次(側(cè))開關(guān)管q5和q7之間的相位差，d1為內(nèi)移相角；d2/2f為開關(guān)管q1與q5的相位差，d2為外移相角，0≤d1≤d2≤1且0≤d1+d2≤1。設(shè)v1≥nv2，電感電流il過零點在t1-t2和t5-t6。令t0＝0可得t1＝d1/2f，t2＝d2/2f，t3＝(d1+d2)/2f，t4＝1/2f，t5＝(d1+1)/2f，t6＝(d2+1)/2f，t7＝(d1+d2+1)/2f，t8＝1/f，k＝v1/nv2，n為(中高頻)變壓器匝數(shù)比。

根據(jù)圖3不考慮變換器傳輸功率損耗，雙移相控制下ibdc的傳輸功率為

將雙移相的傳輸功率標(biāo)幺化，當(dāng)d1＝0，d2＝0.5時，雙移相控制下ibdc的傳輸功率最大，定義最大傳輸功率pn為

根據(jù)式(1)和(2)，可以得到雙移相控制下標(biāo)幺化傳輸功率p為

ibdc在雙移相控制下標(biāo)幺化電流i'l(t2)、i'l(t3)為

ibdc在雙移相控制下標(biāo)幺化電流有效值i'rms為

在雙移相控制下，ibdc電源側(cè)通過dc/ac、變壓器、ac/dc環(huán)節(jié)將功率傳輸?shù)截撦d側(cè)，功率傳輸方向如圖4所示。功率正向傳輸過程中，雙移相控制下ibdc中存在的電源側(cè)回流功率和負載側(cè)回流功率，如圖5所示。

從圖3和圖5可以看出，由于vab與vcd間存在相移，在功率傳輸過程中的t1-t1'及t5-t5'時間段內(nèi)，電感電流il與電源側(cè)h橋輸出電壓vab相位相反，電源側(cè)傳輸功率p1為負，功率由變壓器回流到電源中，定義此功率為電源側(cè)回流功率。在t1'-t2及t5'-t6時間段內(nèi)，電感電流il與負載側(cè)h橋輸出電壓vcd相位相反，傳輸功率p2為負，功率從負載側(cè)回流到變壓器，定義此功率為負載側(cè)回流功率。在傳輸功率一定時，為補償電源側(cè)和負載側(cè)回流的功率，將會有更多的功率從電源側(cè)流向負載側(cè)，將導(dǎo)致ibdc的電流應(yīng)力增大，增大了功率器件、磁性元件的損耗，從而降低變換器效率。

根據(jù)對回流功率的定義，在雙移相控制下，ibdc的電源側(cè)回流功率為

ibdc的負載側(cè)回流功率為

在雙移相控制下，定義雙移相控制下回流功率pcir為電源側(cè)回流功率與負載側(cè)回流功率之和

根據(jù)式(2)和(9)，可以得到在雙移相控制下的標(biāo)幺化回流功率mcir為

實際應(yīng)用中，直流配電網(wǎng)高低壓直流母線的比值恒定，作為直流配電網(wǎng)中的能量變換環(huán)節(jié)，隔離型雙向直流變換器的輸入與輸出電壓比值應(yīng)保持恒定。故令k＝v1/nv2＝1，以簡化控制算法。

式(9)經(jīng)簡化后，回流功率pcir為

式(11)經(jīng)簡化后，標(biāo)幺化回流功率mcir為

mcir＝2(d1-d2)²(12)

由式(12)可知，實現(xiàn)回流功率最小就是控制(d1-d2)²最小。

工況一：0≤p≤2/3情況下最小回流功率移相控制方法

由式(12)中mcir＝0，經(jīng)過計算得到d1＝d2。此時可將雙移相控制方式化簡為單變量移相控制方式，令d＝d1＝d2，則最小回流功率移相控制下ibdc的傳輸功率p1為

式(13)中：d為內(nèi)、外移相角度，v為輸入、輸出電壓，p1為傳輸功率，r為等效電阻，l為變壓器漏感和輔助電感之和，f為開關(guān)頻率。根據(jù)式(2)和式(13)，可以得到最小回流功率移相控制下標(biāo)幺化傳輸功率p1為

式(14)中：0≤d≤1/2，0≤p1≤2/3。可以求出零回流功率運行點為

根據(jù)p1與給定標(biāo)幺化傳輸功率p(0≤p≤2/3)確定移相角d，實現(xiàn)回流功率為0。

工況二：2/3≤p≤1情況下最小回流功率移相控制方法

當(dāng)2/3≤p≤1時，依據(jù)式(3)和式(15)可以求出最小回流功率運行點為

令d＝d2，d1＝1-2d，最小回流功率移相控制下ibdc的傳輸功率p2為

根據(jù)式(2)和式(17)，可以得到ibdc在2/3≤p≤1情況下，最小回流功率移相控制下標(biāo)幺化傳輸功率p2為

式(16)-(18)中：1/3≤d≤1/2。

根據(jù)p2與給定標(biāo)幺化傳輸功率p2(2/3≤p≤1)確定(d1，d2)移相角的組合，實現(xiàn)回流功率最小。

0≤p≤2/3和2/3≤p≤1兩種工況下dab最小回流功率移相控制方法的控制框圖如圖6所示。

需要說明的是，本發(fā)明所涉及到的參數(shù)是針對圖1所示的隔離型雙向直流變換器所說的。

所述方法控制簡單，容易實現(xiàn)。通過所述方法控制的功率運行點可實現(xiàn)源側(cè)、負載側(cè)回流功率最小，較為顯著的減小了峰值電流和電流應(yīng)力，提高了變換效率。