CN107612344A - 一种isos组合型dc/dc变换器的均压控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种ISOS组合型DC/DC变换器的输入均压控制方法，通过对变换器的输入电压分别独立计算，判断单模块变换器是否偏离电压平衡工作点。当某个DC/DC变换器偏离电压平衡工作点时，采用拓展移相控制方法，通过闭环控制调整其输入电压，迫使该DC/DC变换器回到电压平衡工作点，实现输入均压。拓展移相控制方法在DC/DC变换中能够改善功率回流，针对ISOS组合型DC/DC变换器，采用该控制方法可以调整传输功率，保证各模块之间的功率均衡，实现输入电压均分和输出电压稳定；本发明实用性强，控制简单，可靠性高。

Description

一种ISOS组合型DC/DC变换器的均压控制方法

技术领域

本发明涉及直流变换领域，尤其涉及一种ISOS组合型DC/DC变换器的均压控制方法。

背景技术

随着当前工业的不断发展，人类对电力的需求日益增加。传统的交流输电技术出现越来越多的不足，使直流输电技术得到了快速的发展。与交流输电相比，直流输电克服了输电线路中的电感损耗，只有导线电阻的损耗；直流输电的线路造价和运行费用较低，相关数据表明，在一定的功率范围内，直流输电等价距离远大于交流输电，而且直流输电更易于实现地下或海底电缆输电，可预见发展直流输电的必要性。

而直流DC/DC变换器作为直流输电技术的核心内容，得到广泛的研究。DC/DC变换技术主要依托电力电子技术的快速发展而不断进步，电力电子装置也在朝着集成化、模块化和高频化的方向发展。将多个基本的DC/DC变换器通过串联和并联的方式来满足不同需求已经成为当前电力电子集成技术的一个重要研究点。

DC/DC串联组合型结构主要分为两类，即ISOP(串联输入并联输出)和ISOS(串联输入和串联输出)结构，其中ISOP组合型变换器适用于高电压输入和大电流输出的场合，例如轨道交通行业，而ISOS组合型变换器适用于输入输出电压都较高的场合，例如直流输电***中电压等级的变换。

对于ISOS组合型的DC/DC变换器，其关键技术就输要保证输入输出电压的均分，从而使***稳定工作，抑制各单模块之间的功率环流。而当前针对ISOS组合变换器的研究相对较少，美国利桑纳州立大学的Ayyanar教授提出了一种三环控制方法，包括了***输出电压、模块输入电压和输出电流三闭环，保证整个变换器的***输出电压稳定、输入电压和输出电压的均分。东南大学陈武教授针对DC/DC的四种结构提出了采用双闭环控制的通用均压方法。上述方法针对非移相DC/DC变换器具有很好的通用性，但移相控制DC/DC变换器工作时会产生功率回流，会影响均压效果，造成***的输入输出电压不能均分。

针对ISOS组合型DC/DC变换器，当前提出的均压控制方法较多，但这些方法控制量只有一个，应用在移相DC/DC变换中会产生较大功率回流问题。而多重移相能够很好的抑制功率回流，减小电流应力。本发明结合拓展移相控制策略对ISOS组合型DC/DC变换器的均压策略进行改进。

发明内容

为了解决上述存在的问题，本发明提供一种ISOS组合型DC/DC变换器的均压控制方法，使ISOS组合变换器各模块之间功率均衡，输入输出电压能够均分，且单模块DC/DC变换器的功率回流在拓展移相控制下功率回流得到抑制，为达此目的，本发明提供一种ISOS组合型DC/DC变换器的均压控制方法。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种ISOS组合型DC/DC变换器的均压控制方法，包括以下步骤，

S01，构建单模块的DC/DC变换器；

S02，n个单模块的DC/DC变换器构建n模块的ISOS组合型的DC/DC变换器；n个单模块的DC/DC变换器的两端通过电容串联连接后，一侧为输入电压端，输入电压端连接输入均压控制器，另一侧为输出电压端，输出电压端连接输出电压闭环控制器；

S03，基于每个单模块的DC/DC变换器的输入电压U_{in_i}(i＝1,2……n)进行计算，判断ISOS组合型的DC/DC变换器是否偏离电压平衡点；

S04，通过原边移相拓展移相控制方法实现输入电压均分：当第i个单模块的输入电压变大时，输入均压控制器调整原边移相值，使第i个单模块的输入电压减小；当第j个单模块(j＝1,2……n)的输入电压变小时，输入均压控制器调整原边移相值，使第j个模块的输入电压增大；

S05，通过原副边移相拓展移相控制方法实现输出电压的稳定：取ISOS组合型的DC/DC变换器的输出电压，与ISOS组合型的DC/DC变换器的输出电压给定值(输出电压给定值为***电压参考值)进行比较，通过输出电压闭环控制器调整原副边之间的移相值，实现***输出电压的稳定。

所述步骤S03具体步骤包括：根据n个单模块的DC/DC变换器的输入电压U_{in_i}计算出输入电压平均值将输入电压平均值作为输入电压的参考值U_{in_ref}，进而判断各个单模块是否处在电压平衡工作点；电压平衡工作点判断过程为：输入电压U_{in_i}是否和电压参考值U_{in_ref}相等，相等则为平衡，反之不平衡。输入均压控制器采用的是比例积分控制器；输入均压控制器(图3)得到的原边移相值，为拓展移相控制时的原边侧对角之间的移相值；

步骤S04具体包括以下步骤，当单模块i(i＝1,2……n)的输入电压U_{in_i}增大时，单模块i离开稳态工作点，U_{in_i}与U_{in_ref}作差的结果大于零，产生一个调节信号U_{in_i}-U_{in_ref}，所述调节信号经过单模块i的输入电压控制器后得到调整单模块i原边移相值，使原边移相值增大，从而减小模块i的输入功率，使输入电压单减小，模块i重新回到输入电压均分工作点；

当单模块j(j＝1,2……n)的输入电压U_{in_j}减小时，单模块j离开稳态工作点，U_{in_j}与U_{in_ref}作差的结果小于零，产生一个调节信号U_{in_ref}-U_{in_j}，输入电压控制器减小单模块j的原边移相值，从而增加单模块j的输入功率，从而使单模块j重新回到输入电压均分工作点。

输出电压闭环控制器采用的是比例积分控制器；输出电压闭环控制器得到的移相值为拓展移相控制时的原副边之间的移相值。

较优地，单模块的DC/DC变换器包括MMC串联H桥结构和双有源桥DAB结构；

MMC串联H桥结构左边为MMC(模块化多电平变换器)串联构成结构，右侧为H桥；左侧、右侧通过变压器连接；双有源桥DAB结构变压器两边都是连接的H桥；单模块DC/DC变换都采用的是移相控制方法实现对功率的传递。

原副边移相拓展移相控制方法和原边移相拓展移相控制方法实现输出电压的稳定和输入电压的均分，根据ISOS组合变换器的结构特性，输入电压的均衡能够保证各模块之间的功率和输出电压的均分，同时单模块DC/DC变换器的功率回流得到抑制。

本发明的有益效果包括：

本发明一种ISOS组合型DC/DC变换器的均压控制方法，通过对变换器的输入电压分别独立计算，判断该变换器是否偏离电压平衡工作点。当某个DC/DC变换器偏离电压平衡工作点时，采用拓展移相控制方法，通过闭环控制调整其输入电压，迫使该DC/DC变换器回到电压平衡工作点，实现输入均压。拓展移相控制方法在DC/DC变换中能够改善功率回流，针对ISOS组合型DC/DC变换器，采用该控制方法可以调整传输功率，保证各模块之间的功率均衡，实现输入输出电压平衡。该发明实用性强，控制简单，可靠性高。

附图说明

图1为DC/DC变换器，其左侧由MMC、右侧用H桥，通过变压器连接构成的；

图2为传统双有源桥DC/DC变换器；

图3为单模块DC/DC变换器进行ISOS组合时的拓扑，其中控制框图包括输出电压闭环控制和输入均压控制；

图4为采用拓展移相控制时的工作原理波形；

图5为组合变换器的控制框图，

图6为采用图1所示结构工作原理波形图，桥臂上子模块个数为2；

图7为仿真实例中ISOS组合型变换器的逆变桥输出功率波形；

图8为负载突变时ISOS组合变换器的各模块输入输出电压波形；

图9为输入电压变化时该组合变换器的各模块输入输出电压波形。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

本发明提供一种ISOS组合型DC/DC变换器的均压控制方法，使ISOS组合变换器各模块之间功率均衡，输入输出电压能够均分，且单模块DC/DC变换器的功率回流在拓展移相控制下功率回流得到抑制。

一种ISOS组合型DC/DC变换器的均压控制方法，包括以下步骤，

S01，构建单模块的DC/DC变换器，采用移相控制方法实现对功率的传递；如图1和图2所示，本实施例，单模块的DC/DC变换器包括MMC串联H桥结构和双有源桥DAB结构；

MMC串联H桥结构左边为MMC(模块化多电平变换器)串联构成结构，右侧为H桥；左侧、右侧通过变压器连接；双有源桥DAB结构变压器两边都是连接的H桥；单模块DC/DC变换都采用的是移相控制方法实现对功率的传递。

S02，n个单模块的DC/DC变换器构建n模块的ISOS组合型的DC/DC变换器；n个单模块的DC/DC变换器的两端通过电容串联连接后，一侧为输入电压端，输入电压端连接输入均压控制器，另一侧为输出电压端，输出电压端连接输出电压闭环控制器；

S03，基于每个单模块的DC/DC变换器的输入电压U_{in_i}(i＝1,2……n)进行计算，判断ISOS组合型的DC/DC变换器是否偏离电压平衡点；

S04，通过原边移相拓展移相控制方法实现输入电压均分：当第i个单模块的输入电压变大时，输入均压控制器调整原边移相值，使第i个单模块的输入电压减小；当第j个单模块(j＝1,2……n)的输入电压变小时，输入均压控制器调整原边移相值，使第j个模块的输入电压增大；

S05，通过原副边移相拓展移相控制方法实现输出电压的稳定：取ISOS组合型的DC/DC变换器的输出电压，与ISOS组合型的DC/DC变换器的输出电压给定值(输出电压给定值为***电压参考值)进行比较，通过输出电压闭环控制器调整原副边之间的移相值，实现***输出电压的稳定。

所述步骤S03具体步骤包括：根据n个(图3设定的是n个变换器模块组合)单模块的DC/DC变换器的输入电压U_{in_i}计算出输入电压平均值将输入电压平均值作为输入电压的参考值U_{in_ref}，进而判断各个单模块是否处在电压平衡工作点；电压平衡工作点判断过程为：输入电压U_{in_i}是否和电压参考值U_{in_ref}相等，相等则为平衡，反之不平衡。输入均压控制器采用的是比例积分控制器；输入均压控制器(图3)得到的原边移相值，为拓展移相控制时的原边侧对角之间的移相值；

步骤S04具体包括以下步骤，当单模块i(i＝1,2……n)的输入电压U_{in_i}增大时，单模块i离开稳态工作点，U_{in_i}与U_{in_ref}作差的结果大于零，产生一个调节信号U_{in_i}-U_{in_ref}，所述调节信号经过单模块i的输入电压控制器后得到调整单模块i原边移相值，使原边移相值增大，从而减小单模块i的输入功率，使输入电压减小，模块i重新回到输入电压均分工作点；

当单模块j(j＝1,2……n)的输入电压U_{in_j}减小时，单模块j离开稳态工作点，U_{in_j}与U_{in_ref}作差的结果小于零，产生一个调节信号U_{in_ref}-U_{in_j}，输入电压控制器减小单模块j的原边移相值，从而增加单模块j的输入功率，从而使单模块j重新回到输入电压均分工作点。

输出电压闭环控制器采用的是比例积分控制器；输出电压闭环控制器得到的移相值为拓展移相控制时的原副边之间的移相值。

原副边移相拓展移相控制方法和原边移相拓展移相控制方法实现输出电压的稳定和输入电压的均分，根据ISOS组合变换器的结构特性，输入电压的均衡能够保证各模块之间的功率和输出电压的均分，同时单模块DC/DC变换器的功率回流得到抑制。

结合图1和图2的单模块构成图3所示的ISOS组合型的DC/DC变换器。

图4为采用拓展移相控制时，通用工作原理波形。

对于该ISOS组合型的DC/DC变换器提出具体控制方法如图5所示。

实例：组合型ISOS变换器的输入输出电压均分很重要，每一个变换器都具有相同的输出输出特性，并且是成正比的线性关系。控制器实时地对模块输入电压和输出电压进行采样，根据采集的数据实现输入均压和输出电压的稳定。

下面对本发明控制方法进行详尽的解释。针对n模块的组合型DC/DC变换器，假设由于外界的扰动导致了模块1的输入电压U_{in_1}增大和模块2的输入电压U_{in_2}减小，并且***输出电压保持不变。根据n模块的输入电压U_{in_i}计算其平均值作为输入电压参考值U_{in_ref}。

当模块1的输入电压U_{in_1}增大时，模块1离开稳态工作点，U_{in_1}与U_{in_ref}作差的结果大于零，产生一个调节信号，该信号经过模块输入电压控制器后得到调整该模块原边移相值，使原边移相值增大，从而减小该模块的输入功率，迫使输入电压减小，从而模块1重新回到输入电压均分工作点。

同理针对模块2，输入电压控制器减小该模块的原边移相值，从而增加该模块的输入功率，从而使模块2重新回到输入电压均分工作点。

根据图1的结构和图5的控制方法，搭建Simulink仿真，仿真参数如表一所示。观察其仿真结果。图5中θ中代表原副边之间的移相，表示单模块i的原边对角之间移相，(S₁-S₄，Q₁-Q₄)_i分别表示第i个变换器的控制信号，其中S_i对应的原边控制信号，Q_i对应副变控制信号；

表一仿真参数

图6为采用图1所示结构工作原理波形图，桥臂上子模块个数为2。

图7为逆变桥输出功率，可以看出很好的抑制了功率回流。

图8给出了负载电流在16A和20A之间突变时两个模块的输入电压和输出压波形，可以看出，稳态和负载突变时，ISOS组合型DC/DC变换器能够很好的实现各模块的输入输出电压均分，并且保证了输出电压的稳定。图9给出了输入电压在200V和210V之间突变时两个模块的输入输出电压波形，可以看出在输入电压突变时，ISOS组合型DC/DC变换器能够很好地实现输入输出电压的均分和保持输出电压的稳定，实现各个模块之间的功率均衡。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种ISOS组合型DC/DC变换器的均压控制方法，其特征在于，包括以下步骤，

S01，构建单模块的DC/DC变换器；

S02，n个单模块的DC/DC变换器构建n模块的ISOS组合型的DC/DC变换器；n个单模块的DC/DC变换器的两端通过电容串联连接后，一侧为输入电压端，输入电压端连接输入均压控制器，另一侧为输出电压端，输出电压端连接输出电压闭环控制器；

S03，基于每个单模块的DC/DC变换器的输入电压U_{in_i}(i＝1,2……n)进行计算，判断ISOS组合型的DC/DC变换器是否偏离电压平衡点；

S04，通过原边移相拓展移相控制方法实现输入电压均分：当第i个单模块的输入电压变大时，输入均压控制器调整原边移相值，使第i个单模块的输入电压减小；当第j个单模块(j＝1,2……n)的输入电压变小时，输入均压控制器调整原边移相值，使第j个模块的输入电压增大；

S05，通过原副边移相拓展移相控制方法实现输出电压的稳定：取ISOS组合型的DC/DC变换器的输出电压，与ISOS组合型的DC/DC变换器的输出电压给定值进行比较，通过输出电压闭环控制器调整原副边之间的移相值，实现***输出电压的稳定。

2.根据权利要求1所述的一种ISOS组合型DC/DC变换器的均压控制方法，其特征在于：

所述步骤S03具体步骤包括：根据n个单模块的DC/DC变换器的输入电压U_{in_i}计算出输入电压平均值将输入电压平均值作为输入电压的参考值U_{in_ref}，进而判断各个单模块是否处在电压平衡工作点；

电压平衡工作点判断过程为：输入电压U_{in_i}是否和电压参考值U_{in_ref}相等，相等则为平衡，反之不平衡。

3.根据权利要求1所述的一种ISOS组合型DC/DC变换器的均压控制方法，其特征在于：所述输入均压控制器采用的是比例积分控制器；输入均压控制器得到的原边移相值，为拓展移相控制时的原边侧对角之间的移相值；

步骤S04具体包括以下步骤，当单模块i(i＝1,2……n)的输入电压U_{in_i}增大时，单模块i离开稳态工作点，U_{in_i}与U_{in_ref}作差的结果大于零，产生一个调节信号U_{in_i}-U_{in_ref}，所述调节信号经过单模块i的输入电压控制器后得到调整单模块i原边移相值，使原边移相值增大，减小模块i的输入功率，使输入电压减小，单模块i重新回到输入电压均分工作点；

当单模块j(j＝1,2……n)的输入电压U_{in_j}减小时，单模块j离开稳态工作点，U_{in_j}与U_{in_ref}作差的结果小于零，产生一个调节信号U_{in_ref}-U_{in_j}，输入电压控制器减小模块j的原边移相值，增加模块j的输入功率，从而使模块j重新回到输入电压均分工作点。

4.根据权利要求1所述的一种ISOS组合型DC/DC变换器的均压控制方法，其特征在于：

所述输出电压闭环控制器采用的是比例积分控制器。

5.根据权利要求1所述的一种ISOS组合型DC/DC变换器的均压控制方法，其特征在于：

输出电压闭环控制器得到的移相值为拓展移相控制时的原副边之间的移相值。

6.根据权利要求1所述的一种ISOS组合型DC/DC变换器的均压控制方法，其特征在于：

单模块的DC/DC变换器包括MMC串联H桥结构和双有源桥DAB结构；

所述MMC串联H桥结构左边为MMC串联构成结构，右侧为H桥；左侧、右侧通过变压器连接；双有源桥DAB结构变压器两边都是连接的H桥；单模块DC/DC变换都采用的是移相控制方法实现对功率的传递。