CN111884497B - 用于双有源桥直流变换器的快速软启动控制方法及*** - Google Patents

用于双有源桥直流变换器的快速软启动控制方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于双有源桥直流变换器的快速软启动控制方法及***，通过设定所有开关管在启动时刻同时移相
Figure DDA0002571670110000011
角度，
Figure DDA0002571670110000012
为π/2或‑π/2，从而保证启动的第一个周期内传输电感电流不含直流量，避免了变压器的磁饱和，同时启动电流的幅值降为原来的一半，保证了双有源桥启动第一个周期内的稳定性；同时本发明采用移相角分拍次改变的控制方法，即第K+1个开关半周期的内移相角α(K+1)由第K个开关半周期的内移相角指令值α’(K)和第K+1个开关半周期的内移相角指令值α’(K+1)取平均值决定，外移相角β(K+1)同理取均值，从而保证闭环启动快速性的前提下，避免了移相角信号突变导致传输电感电流产生直流分量的问题。如此，不仅大大降低了器件的过流风险，同时提高了变换器的效率。

Description

用于双有源桥直流变换器的快速软启动控制方法及***
技术领域
本发明属于电力电子技术的直流变换器领域，更具体地，涉及一种用于双有源桥直流变换器的快速软启动控制方法及***。
背景技术
近年来，随着新能源发电及能源互联网的飞速发展，直流配电网得到了深入的研究。直流电力电子变压器是直流配电网的核心设备，而双有源桥直流变换器相比于其它电路拓扑，具有很多优点：1)能量双向流动；2)高频电气隔离；3)效率及功率密度高；4)调控迅速。因此其是构建直流变压器的首选电路之一。
对于双有源桥式直流变换器，在电路开机之后，直到达到稳定运行状态之前，这个阶段都叫做双有源桥的启动过程。在启动的瞬间，双有源桥的等效电路相当于输入电源直接施加在传输电感上，并由于传输电感上的电流初始值为0，在根据伏秒平衡原理，传输电感电流将会在启动的前半个开关周期内产生一个含有直流偏置的冲击电流，该冲击电流会导致开关器件的损坏，且直流偏置的衰减需要一定的时间，直流偏置的存在将会大大降低***的效率，严重的话，直流偏置会导致变压器磁饱和。
现有的双有源桥软启动方法仍存在不足：(1)利用辅助电路引入预充电概念的启动方法，该方法额外增加了***的成本，同时增加了控制的复杂性；(2)输入侧串联电阻的启动方法，该方法可以有限减小启动的冲击电流，但这种方法会大大增加***的损耗；(3)采用较小的控制信号占空比的软启动，该方法可抑制启动电流，但不能保证消除直流偏置。可知，现有的改善方法都是通过减小启动的传输功率来抑制电流，与此同时也大大延长了双有源桥的启动过程，对启动过程的快速性不利；此外，在通常使用的输出电压的稳压闭环PI调节方法中，PI的输出用来控制开关管的移相，当输出电压达到参考值时，PI输出的瞬变会导致开关管控制信号的瞬变，从而给传输电感电流带来新的直流偏置。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明一种用于双有源桥直流变换器的快速软启动控制方法及***，其目的在于克服现有的双有源桥直流变换器软启动技术中的不足，提供一种保证双有源桥启动过程中的稳定性，同时提高启动快速性的控制方法，从而保证在尽可能短的时间里使直流变换器的输出达到稳定，同时保证启动的整个过程传输电感电流无冲击、无振荡。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种用于双有源桥直流变换器的快速软启动控制方法，包括以下步骤：
S1：设定所述全桥H1中串联的开关管Q1和Q2的控制信号互补，串联的Q3和Q4的控制信号互补，Q1和Q4的控制信号相差为α；设定所述全桥H2中串联的开关管Q5和Q6的控制信号互补，串联的Q7和Q8的控制信号互补，Q5和Q8的控制信号相差为α；设定所述全桥H1和所述全桥H2之间的移相角度为β；其中，α为内移相角，调节范围为0～π/2，β为外移相角，调节范围为0～π/2；
S2：设定所有开关管在***启动时刻，同时移相
Figure BDA0002571670090000021
角度，其中，
Figure BDA0002571670090000022
为π/2或-π/2；
S3：令K＝k，其中，K为开关半周期的重复次数，k为大于等于1的整数；
S4：采样第K个开关半周期结束时刻双有源桥的输出电压值V2(K)；
S5：将输出电压误差信号ΔV(K)作为PI调节器的输入，经过稳态优化算法得到下半个周期的内移相角指令值α’(K+1)以及下半个周期的外移相角指令值β’(K+1)；其中，ΔV(K)＝Vref-V2(K)，Vref为双有源桥直流变换器最终稳态输出电压的给定值；
S6：设定在第K+1个开关半周期内的内移相角度
Figure BDA0002571670090000031
设定在第K+1个开关半周期内的外移相角度
Figure BDA0002571670090000032
S7：令K＝k+1，重复步骤S4～S6，使得双有源桥直流变换器的输出电压逐渐上升至输出电压给定值Vref；
其中，所述双有源桥直流变换器包括：直流电源V1、输入电容C1、一个原边全桥H1、一个传输电感Lt、一个匝比为N:1的高频隔离变压器T、一个副边全桥H2、一个输出电容C2和一个负载电阻RL。
进一步地，所述双有源桥直流变换器中，输入电容C1并联在原边全桥H1上，输出电容C2并联在副边全桥H2上，传输电感Lt串接在原边全桥H1与变压器T之间，启动初始时刻，输出电压V2为0V。
进一步地，原边全桥H1由开关管Q1～Q4组成，且开关管Q1和Q2串联，开关管Q3和Q4串联，并分别构成原边全桥H1的两个桥臂，两桥臂的中点引出作为H1的交流端口，该交流端口电压为VH1；
副边全桥H2由开关管Q5～Q8组成，且开关管Q5和Q6串联，开关管Q7和Q8串联，并分别构成副边全桥H2的两个桥臂，两桥臂的中点引出作为H2的交流端口，该交流端口电压为VH2；
在起始的第一个开关周期内，双有源桥直流变换器的高频链电压VH1和VH2通过傅里叶级数分解，表示为：
Figure BDA0002571670090000033
其中，V1为直流电源，α为内移相角，ωs为***角频率，
Figure BDA0002571670090000041
为π/2或-π/2。
进一步地，对于流经传输电感Lt的高频链电流iL(t)，在第一个开关周期内满足：
Figure BDA0002571670090000042
启动第一个周期内iL(t)的傅里叶级数表示为：
Figure BDA0002571670090000043
进一步地，启动第一个周期内，流经传输电感Lt的高频链电流的幅值表达式为：
Figure BDA0002571670090000044
本发明另一方面提供了一种用于双有源桥直流变换器的快速软启动控制***，包括：
第一设定单元，设定所述全桥H1中串联的开关管Q1和Q2的控制信号互补，串联的Q3和Q4的控制信号互补，Q1和Q4的控制信号相差为α；设定所述全桥H2中串联的开关管Q5和Q6的控制信号互补，串联的Q7和Q8的控制信号互补，Q5和Q8的控制信号相差为α；设定所述全桥H1和所述全桥H2之间的移相角度为β；其中，α为内移相角，调节范围为0～π/2，β为外移相角，调节范围为0～π/2；
第二设定单元，用于设定所有开关管在***启动时刻同时移相
Figure BDA0002571670090000045
角度，其中，
Figure BDA0002571670090000046
为π/2或-π/2；
采样单元，用于令K＝k，其中，K为开关半周期的重复次数，k为大于等于1的整数；采样第K个开关半周期结束时刻双有源桥的输出电压值V2(K)；
第三设定单元，用于将输出电压误差信号ΔV(K)作为PI调节器的输入，经过稳态优化算法得到下半个周期的内移相角指令值α’(K+1)以及下半个周期的外移相角指令值β’(K+1)；其中，ΔV(K)＝Vref-V2(K)，Vref为双有源桥直流变换器最终稳态输出电压的给定值；设定在第K+1个开关半周期内的内移相角度
Figure BDA0002571670090000051
设定在第K+1个开关半周期内的外移相角度
Figure BDA0002571670090000052
循环单元，用于令K＝k+1，再经过所述采样单元和所述第三设定单元，使得双有源桥直流变换器的输出电压逐渐上升至输出电压给定值Vref；
其中，所述双有源桥直流变换器包括：直流电源V1、输入电容C1、一个原边全桥H1、一个传输电感Lt、一个匝比为N:1的高频隔离变压器T、一个副边全桥H2、一个输出电容C2和一个负载电阻RL。
进一步地，所述双有源桥直流变换器中，输入电容C1并联在原边全桥H1上，输出电容C2并联在副边全桥H2上，传输电感Lt串接在原边全桥H1与变压器T之间，启动初始时刻，输出电压V2为0V。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明通过在启动初时刻，给所有开关管信号引入移相角度
Figure BDA0002571670090000053
Figure BDA0002571670090000054
为π/2或-π/2，从而保证启动的第一个周期内传输电感电流iL(t)不含直流量，避免了变压器的磁饱和，同时启动电流的幅值降为原来的一半，保证了双有源桥启动第一个周期内的稳定性。
(2)本发明采用移相角分拍次改变的控制方法，即第K+1个开关半周期的内移相角α(K+1)由PI控制器输出的第K个开关半周期的内移相角指令值α’(K)和PI控制器输出的第K+1个开关半周期的内移相角指令值α’(K+1)取平均值决定，外移相角β(K+1)同理取均值，从而保证闭环启动快速性的前提下，避免了移相角信号突变导致传输电感电流产生直流分量的问题。
附图说明
图1为双有源桥直流变换器的拓扑结构示意图；
图2为直接启动时双有源桥直流变换器的启动波形图；
图3为同时使用较小信号占空比，以及输出电压给定值斜坡上升的双有源桥直流变换器的启动波形图；
图4为采用本发明提出的快速软启动控制方法的启动波形图；
图5为未采用本发明提供的方法的PWM脉冲信号波形图；
图6为本发明提供的控制***框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，为双有源桥直流变换器的拓扑示意图。本发明所涉及的双有源桥直流变换器包括：直流电源V1、输入电容C1、一个原边全桥H1、一个传输电感Lt、一个匝比为N:1的高频隔离变压器T、一个副边全桥H2、一个输出电容C2和一个负载电阻RL。***的开关频率为fs，***角频率为ωs，定义***半个开关周期为Ts。
原边全桥H1由开关管Q1～Q4组成，且开关管Q1和Q2串联，开关管Q3和Q4串联，并分别构成原边全桥H1的两个桥臂，两桥臂的中点引出作为H1的交流端口，该交流端口电压为VH1；副边全桥H2由开关管Q5～Q8组成，且开关管Q5和Q6串联，开关管Q7和Q8串联，并分别构成副边全桥H2的两个桥臂，两桥臂的中点引出作为H2的交流端口，该交流端口电压为VH2。
设定所述全桥H1中开关管Q1和Q2的控制信号互补，Q3和Q4的控制信号互补，Q1和Q4的控制信号相差为α；设定所述全桥H2中开关管Q5和Q6的控制信号互补，Q7和Q8的控制信号互补，Q5和Q8的控制信号相差为α；设定所述全桥H1和所述全桥H2之间的移相角度(即开关管Q1和开关管Q5之间的移相角度)为β；其中，α为内移相角，调节范围为0～π/2，β为外移相角，调节范围为0～π/2。
传输电感Lt两端的压降与VH1、VH2和变压器匝比N相关，流经传输电感Lt的电流为iL(t)。对于高频链电流iL(t)，在第一个开关周期内满足：
Figure BDA0002571670090000071
在起始的第一个开关周期内，输出电容C2上几乎无电压，双有源桥直流变换器的高频链电压VH1和VH2通过傅里叶级数分解，表示为：
Figure BDA0002571670090000072
因此启动的第一个开关周期内，iL(t)可近似按下式计算：
Figure BDA0002571670090000073
对该表达式积分可得该周期内的传输电感电流直流偏置表达式：
Figure BDA0002571670090000074
由上式可看出该直流偏置量无法通过移相角的改变消除，直流偏置的存在会影响偏磁，同时会带来iL(t)的冲击电流：
Figure BDA0002571670090000075
为解决双有源桥传输电感在启动第一个周期内的冲击电流和直流偏置问题，本发明提供的具体控制方法为：在***启动时刻，引入VH1、VH2的共同移相角度
Figure BDA0002571670090000076
则在起始的第一个开关周期内，双有源桥直流变换器的高频链电压VH1和VH2通过傅里叶级数分解，表示为：
Figure BDA0002571670090000081
因此启动的第一个开关周期内，iL(t)可近似按下式计算：
Figure BDA0002571670090000082
对其积分后得到启动第一个周期内iL(t)的直流偏置表达式：
Figure BDA0002571670090000083
为使传输电感电流在启动第一个周期内无直流偏置，令idc＝0，计算得到
Figure BDA0002571670090000084
此时，启动电流的幅值表达式为：
Figure BDA0002571670090000085
因此，在***启动时刻，给所有开关管信号引入移相角度
Figure BDA0002571670090000086
即可保证启动的第一个周期内传输电感电流iL(t)不含直流量，避免了变压器的磁饱和，同时启动电流的幅值降为原来的一半，保证了双有源桥启动第一个周期内的稳定性。
每隔一个开关半周期采样双有源桥直流变换器输出电容C2两端的电压，并记为第K个开关半周期末的输出电压V2(K)，设定Vref为双有源桥直流变换器最终稳态输出电压的给定值。将采样得的V2(K)与参考电压值Vref作差得到输出电压误差信号ΔV(K)＝Vref-V2(K)，将输出电压误差信号ΔV(K)作为PI调节器的输入，PI调节的输出经过稳态优化算法(需要说明的是，该稳态优化算法意在表明启动过程按照稳态过程的算法就可以，在输出电压达到给定值时不需要引入控制模式切换)得到下半个周期的内移相角指令值α’(K+1)以及下半个周期的外移相角指令值β’(K+1)。
在传统的PI闭环控制中，当输出电压达到输出电压给定值时，误差信号的变化会导致PI输出的突变，从而导致下半个周期的内移相角指令值α’(K+1)以及下半个周期的外移相角指令值β’(K+1)的突变，若将突变的内移相角指令值α’(K+1)和外移相角指令值β’(K+1)直接作用在开关管信号上，会使得传输电感电流产生直流分量，也可能导致变压器的磁饱和，该直流分量的衰减也需要一定时间，同时对启动过程的快速性和稳定性不利。
为使得闭环调节在输出电压达到输出电压给定值时，以及启动后任意时刻内传输电感电流不因移相角信号的突变而产生直流分量，可采取分拍次改变移相角的方式：第K+1个开关半周期的内移相角α(K+1)由PI控制器输出的第K个开关半周期的内移相角指令值α’(K)和PI控制器输出的第K+1个开关半周期的内移相角指令值α’(K+1)取平均值决定；第K+1个开关半周期的外移相角β(K+1)由PI控制器输出的第K个开关半周期的外移相角指令值β(K)和PI控制器输出的第K+1个开关半周期的外移相角指令值β’(K+1)取平均值决定。公式表达如下：
Figure BDA0002571670090000091
Figure BDA0002571670090000092
采用该移相角分拍次改变的控制方法，即可保证闭环启动快速性的前提下，避免移相角信号突变，从而抑制传输电感电流直流分量的产生。
为了验证本发明的实用性，设定双有源桥电路的参数如下：
参数 数值
输入电压稳态值V<sub>1</sub> 200V
输出电压稳态值V<sub>2</sub> 100V
输入侧电容C<sub>1</sub> 1360uf
输出侧电容C<sub>2</sub> 680uf
开关频率f<sub>s</sub> 10kHz
变压器匝数比N 2:1
传输电感L<sub>t</sub> 250uH
负载电阻R<sub>L</sub> 10Ω
在MATLAB/Simulink中的双有源桥隔离直流变换器的仿真参数如上表。采用输出电压的闭环控制方法，该发明的重点在于所有开关管(Q1～Q8)的控制信号在***启动时刻，均移相
Figure BDA0002571670090000101
角度，闭环PI调节器的输出经过优化算法后得到下半个周期的内移相角指令值α’(K+1)，该指令值与前半个周期的内移相角指令值α’(K)取平均值得到作用于开关管控制的第K+1个开关半周期的内移相角α(K+1)，闭环PI调节器的输出经过优化算法后得到下半个周期的外移相角指令值β’(K+1)，该指令值与前半个周期的外移相角指令值β’(K)取平均值得到作用于开关管控制的第K+1个开关半周期的外移相角β(K+1)。控制框图如图6所示。
在仿真中，双有源桥隔离直流变换器的启动从0s开始。图2为双有源桥闭环直接启动的波形，可见虽然输出电压的建立过程时间短，但启动的第一个周期内产生了电感电流的直流偏置，且启动冲击电流幅值较大；同时在输出电压达到给定值时，电感电流再次出现了直流偏置。图3为双有源桥应用较小移相角启动，且给定电压斜坡上升的方法启动的波形，可见该方法可有效避免启动瞬间的电流冲击，但大大延长了启动的时间，同时在输出电压达到给定值时，电感电流也出现了直流偏置。本发明提出的方法的启动波形如图4所示，该方法保证了输出电压建立的快速性，且在整个启动过程中电感电流都不会出现直流偏置，保证***的稳定性。
通过以上仿真结果可知，本发明所提出的应用于直流配电网的双有源桥直流变换器的启动方法可有效保证直流变换器启动过程的快速性，同时有效抑制冲击电流及直流偏置，不存在直流偏磁现象。该方法可保证双有源桥启动过程的快速性及稳定性。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于双有源桥直流变换器的快速软启动控制方法，所述双有源桥直流变换器包括：直流电源V1、输入电容C1、一个原边全桥H1、一个传输电感Lt、一个匝比为N:1的高频隔离变压器T、一个副边全桥H2、一个输出电容C2和一个负载电阻RL，其特征在于，包括以下步骤：
S1：设定所述全桥H1中串联的开关管Q1和Q2的控制信号互补，串联的Q3和Q4的控制信号互补，Q1和Q4的控制信号相差为α；设定所述全桥H2中串联的开关管Q5和Q6的控制信号互补，串联的Q7和Q8的控制信号互补，Q5和Q8的控制信号相差为α；设定所述全桥H1和所述全桥H2之间的移相角度为β；其中，α为内移相角，调节范围为0～π/2，β为外移相角，调节范围为0～π/2；
S2：设定在***启动时刻，所有开关管同时移相
Figure FDA0003236375250000013
角度，其中，
Figure FDA0003236375250000014
为π/2或-π/2，以使启动的第一个周期内传输电感电流不含直流量，且启动电流的幅值降为原来的一半；
S3：令K＝k，其中，K为开关半周期的重复次数，k为大于等于1的整数；
S4：采样第K个开关半周期结束时刻双有源桥的输出电压值V2(K)；
S5：将输出电压误差信号ΔV(K)作为PI调节器的输入，经过稳态优化算法得到下半个周期的内移相角指令值α’(K+1)以及下半个周期的外移相角指令值β’(K+1)；其中，ΔV(K)＝Vref-V2(K)，Vref为双有源桥直流变换器最终稳态输出电压的给定值；
S6：设定在第K+1个开关半周期内的内移相角度
Figure FDA0003236375250000011
设定在第K+1个开关半周期内的外移相角度
Figure FDA0003236375250000012
S7：令K＝k+1，重复步骤S4～S6，使得双有源桥直流变换器的输出电压逐渐上升至输出电压给定值Vref。
2.如权利要求1所述的用于双有源桥直流变换器的快速软启动控制方法，其特征在于，所述双有源桥直流变换器中，输入电容C1并联在原边全桥H1上，输出电容C2并联在副边全桥H2上，传输电感Lt串接在原边全桥H1与变压器T之间，启动初始时刻，输出电压V2为0V。
3.如权利要求1所述的用于双有源桥直流变换器的快速软启动控制方法，其特征在于，
原边全桥H1由开关管Q1～Q4组成，且开关管Q1和Q2串联，开关管Q3和Q4串联，并分别构成原边全桥H1的两个桥臂，两桥臂的中点引出作为H1的交流端口，该交流端口电压为VH1；
副边全桥H2由开关管Q5～Q8组成，且开关管Q5和Q6串联，开关管Q7和Q8串联，并分别构成副边全桥H2的两个桥臂，两桥臂的中点引出作为H2的交流端口，该交流端口电压为VH2；
传输电感Lt两端的压降为VL＝VH1-NVH2；
在起始的第一个开关周期内，双有源桥直流变换器的高频链电压VH1和VH2通过傅里叶级数分解，表示为：
Figure FDA0003236375250000021
其中，V1为直流电源，α为内移相角，ωs为***角频率，
Figure FDA0003236375250000022
为π/2或-π/2。
4.如权利要求3所述的用于双有源桥直流变换器的快速软启动控制方法，其特征在于，对于流经传输电感Lt的高频链电流iL(t)，在第一个开关周期内满足：
Figure FDA0003236375250000023
启动第一个周期内iL(t)的傅里叶级数表示为：
Figure FDA0003236375250000031
5.如权利要求4所述的用于双有源桥直流变换器的快速软启动控制方法，其特征在于，启动第一个周期内，流经传输电感Lt的高频链电流的幅值表达式为：
Figure FDA0003236375250000032
6.一种用于双有源桥直流变换器的快速软启动控制***，所述双有源桥直流变换器包括：直流电源V1、输入电容C1、一个原边全桥H1、一个传输电感Lt、一个匝比为N:1的高频隔离变压器T、一个副边全桥H2、一个输出电容C2和一个负载电阻RL，其特征在于，包括：
第一设定单元，设定所述全桥H1中串联的开关管Q1和Q2的控制信号互补，串联的Q3和Q4的控制信号互补，Q1和Q4的控制信号相差为α；设定所述全桥H2中串联的开关管Q5和Q6的控制信号互补，串联的Q7和Q8的控制信号互补，Q5和Q8的控制信号相差为α；设定所述全桥H1和所述全桥H2之间的移相角度为β；其中，α为内移相角，调节范围为0～π/2，β为外移相角，调节范围为0～π/2；
第二设定单元，用于设定所有开关管在***启动时刻同时移相
Figure FDA0003236375250000034
角度，其中，
Figure FDA0003236375250000033
为π/2或-π/2，以使启动的第一个周期内传输电感电流不含直流量，且启动电流的幅值降为原来的一半；
采样单元，用于令K＝k，其中，K为开关半周期的重复次数，k为大于等于1的整数；采样第K个开关半周期结束时刻双有源桥的输出电压值V2(K)；
第三设定单元，用于将输出电压误差信号ΔV(K)作为PI调节器的输入，经过稳态优化算法得到下半个周期的内移相角指令值α’(K+1)以及下半个周期的外移相角指令值β’(K+1)；其中，ΔV(K)＝Vref-V2(K)，Vref为双有源桥直流变换器最终稳态输出电压的给定值；设定在第K+1个开关半周期内的内移相角度
Figure FDA0003236375250000041
设定在第K+1个开关半周期内的外移相角度
Figure FDA0003236375250000042
循环单元，用于令K＝k+1，再经过所述采样单元和所述第三设定单元，使得双有源桥直流变换器的输出电压逐渐上升至输出电压给定值Vref。
7.如权利要求6所述的用于双有源桥直流变换器的快速软启动控制***，其特征在于，所述双有源桥直流变换器中，输入电容C1并联在原边全桥H1上，输出电容C2并联在副边全桥H2上，传输电感Lt串接在原边全桥H1与变压器T之间，启动初始时刻，输出电压V2为0V。
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