CN113328611A - 一种用于双有源桥的变压器偏磁电流抑制方法及装置 - Google Patents

一种用于双有源桥的变压器偏磁电流抑制方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于双有源桥的变压器偏磁电流抑制方法及装置，所述方法中通过H逆变桥中第一逆变开关管S1、H逆变桥中第四逆变开关管S4、H整流桥中第一整流开关管S5、H整流桥中第四整流开关管S8的关断角建立关断角组合，对关断角组合中关断角取值的不同得到瞬态周期的移相角给定值作为生成调制波，进而抑制变压器偏磁电流。本发明通过对开关管关断角取值的不同组合得到瞬态周期的移相角给定值作为生成调制波的方式，从而实现抑制电感电流和变压器偏磁电流的直流偏置。

Description

一种用于双有源桥的变压器偏磁电流抑制方法及装置
技术领域
本发明涉及DC/DC双向变换器技术领域，尤其涉及一种用于双有源桥的变压器偏磁电流抑制方法及装置。
背景技术
以光伏发电为代表的新能源发电***中，直流配电模式具有减少电网接入成本、***损耗以及提高供电质量等优点，成为当前研究热点。直流变换器是直流配电网中的关键组件之一，它需要具备电气隔离、易于控制、工作高效、适用于大功率场合等特性。双有源桥变换器因具有输入输出隔离、高功率密度、软开关、功率双向流动等优点非常适用于直流配电***。
双有源桥的拓扑如图1所示，双有源桥在传输功率变化时，电感电流与变压器偏磁电流产生瞬态直流偏置。直流偏置一方面导致流过开关器件的峰值电流增大，开关损耗增加，减短其使用寿命。另一方面导致磁心出现磁饱和甚至烧毁。因此，直流偏置的抑制对于双有源桥变换器的稳定运行非常关键。而在直流配电网中双有源桥两端接入的可以是无源电网或有源电网，多种工作模式的需求给双有源桥的直流偏置抑制提出了更高的要求。
现有技术中抑制直流偏置最简单的方法是在变压器原副边绕组串联电容，但是会增加变换器的体积、减缓***动态响应。
发明内容
技术目的：针对现有技术中的缺陷，本发明公开了一种用于双有源桥的变压器偏磁电流抑制方法及装置，通过对开关管关断角取值的不同组合得到瞬态周期的移相角给定值作为生成调制波的方式，从而实现抑制电感电流和变压器偏磁电流的直流偏置。
技术方案：为实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案。
一种用于双有源桥的变压器偏磁电流抑制方法，通过H逆变桥中第一逆变开关管S1、H逆变桥中第四逆变开关管S4、H整流桥中第一整流开关管S5、H整流桥中第四整流开关管S8的关断角建立关断角组合，对关断角组合中关断角取值的不同得到瞬态周期的移相角给定值作为生成调制波，进而抑制变压器偏磁电流。
优选地，所述关断角组合采用开环控制，根据关断角组合调整调制波内方波脉冲之间的角度关系，抑制变压器偏磁电流。
优选地，所述关断角组合包括关断角组合一，关断角组合一为：
设定H逆变桥中第一逆变开关管S1、H逆变桥中第四逆变开关管S4、H整流桥中第一整流开关管S5、H整流桥中第四整流开关管S8的移相角为当前瞬态周期移相角给定值；取H逆变桥中第一逆变开关管S1的关断角为当前瞬态周期移相角给定值一半的负值；取H逆变桥中第四逆变开关管S4的关断角为前一个瞬态周期移相角给定值一半的负值；取H整流桥中第一整流开关管S5的关断角为前一个周期的瞬态周期移相角给定值的一半；取H整流桥中第四整流开关管S8的关断角为当前瞬态周期移相角给定值的一半。
优选地，所述关断角组合包括关断角组合二，关断角组合二为：
设定H逆变桥中第一逆变开关管S1、H逆变桥中第四逆变开关管S4、H整流桥中第一整流开关管S5、H整流桥中第四整流开关管S8的移相角为当前瞬态周期移相角给定值；取H逆变桥中第一逆变开关管S1的关断角以及H逆变桥中第四逆变开关管S4的关断角均为前一个周期的瞬态周期移相角给定值和当前瞬态周期移相角给定值之和的四分之一的负值；取H整流桥中第一整流开关管S5的关断角以及H整流桥中第四整流开关管S8的关断角均为前一个瞬态周期移相角给定值和当前瞬态周期移相角给定值之和的四分之一。
一种用于双有源桥的变压器偏磁电流抑制装置，用于实现以上任一所述的一种用于双有源桥的变压器偏磁电流抑制方法，包括输入侧电容C1、H逆变桥、一次侧电感L′1、高频变压器、二次侧电感L2、H整流桥和输出侧电容C2；
所述输入侧电容C1后并联H逆变桥；所述H逆变桥与高频变压器一次侧相连；所述H整流桥与高频变压器二次侧相连；所述H整流桥后并联输出侧电容C2。
优选地，所述H逆变桥包括第一逆变开关管S1、第二逆变开关管S2、第三逆变开关管S3和第四逆变开关管S4；第一逆变开关管S1、第二逆变开关管S2位于同一桥臂；第三逆变开关管S3、第四逆变开关管S4位于同一桥臂，其中第一逆变开关管S1、第三逆变开关管S3位于上桥臂；第二逆变开关管S2、第四逆变开关管S4位于下桥臂；H逆变桥中，第一逆变开关管S1的集电极和第二逆变开关管S2的发射极与一次侧电感L′1的一端相连；一次侧电感L′1的另一端与高频变压器的一次侧相连；第三逆变开关管S3的集电极和第四逆变开关管S4的发射极与高频变压器一次侧相连。
优选地，所述H整流桥包含第一整流开关管S5、第二整流开关管S6、第三整流开关管S7和第四整流开关管S8；第一整流开关管S5、第二整流开关管S6位于同一桥臂；第三整流开关管S7、第四整流开关管S8位于同一桥臂，其中，第一整流开关管S5、第三整流开关管S7位于上桥臂；第二整流开关S6、第四整流开关管S8位于下桥臂；H整流桥中，第一整流开关管S5的集电极和第二整流开关管S6的发射极与二次侧电感L2的一端相连；二次侧电感L2的另一端与高频变压器二次侧相连；第三整流开关管S7的集电极和第四整流开关管S8的发射极与高频变压器二次侧相连。
有益效果：本发明通过对开关管关断角取值的不同组合得到瞬态周期的移相角给定值作为生成调制波的方式，从而实现抑制电感电流和变压器偏磁电流的直流偏置，同时本发明可减小对开关器件的冲击以及减少变压器。
附图说明
图1为本发明的电路示意图；
图2为本发明关断角组合一的示意图；
图3为在关断角组合一状态下双有源桥的工作波形示意图；
图4为本发明关断角组合二的示意图；
图5为实施例一的控制移相角瞬变一次侧电感L′1电流波形图；
图6为图5的局部波形放大图；
图7为实施例一的控制移相角瞬变偏磁电流波形图；
图8为图7的局部波形放大图；
图9为本发明实施例二中***控制框图；
图10为实施例二中本发明提出的控制下负载电阻突然减小一倍时双有源桥的一次侧电感L′1电流波形图；
图11为实施例二中本发明提出的控制下负载电阻突然减小一倍时双有源桥的偏磁电流波形图；
图12为实施例二中本发明提出的控制下负载电阻突然减小一倍时双有源桥的输出电压波形图；
图13为实施例二中本发明提出的控制下负载电阻突然增大一倍时双有源桥的一次侧电感L′1电流波形图；
图14为实施例二中本发明提出的控制下负载电阻突然增大一倍时双有源桥的偏磁电流波形图；
图15为实施例二中本发明提出的控制下负载电阻突然增大一倍时双有源桥的输出电压波形图；
图16为本发明的变压器二次侧等效电路图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的一种用于双有源桥的变压器偏磁电流抑制方法及装置做进一步的说明和解释。
一种用于双有源桥的变压器偏磁电流抑制方法，通过H逆变桥中第一逆变开关管S1、H逆变桥中第四逆变开关管S4、H整流桥中第一整流开关管S5、H整流桥中第四整流开关管S8的关断角建立关断角组合，对关断角组合中关断角取值的不同得到瞬态周期的移相角给定值作为生成调制波，进而抑制变压器偏磁电流，如附图1和附图2所示。
当DAB(Dual Active Bridge，双有源桥)处于稳态运行时，调制波在脉冲上升沿或下降沿的各个点更新的移相角相等，如
Figure BDA0003101588320000041
其中
Figure BDA0003101588320000042
为瞬态周期移相角给定值，
Figure BDA0003101588320000043
分别为前、后一个周期的移相角给定值。H逆变桥开关信号与H整流桥开关信号之间的移相角均为
Figure BDA0003101588320000044
θx(m)(x＝1～4，m为整数)为H逆变桥中开关管Sx的关断角，即移相角的一半。
在本发明中，关断角组合采用开环控制，根据关断角组合调整调制波内方波脉冲之间的角度关系，抑制变压器偏磁电流。
关断角组合包括关断角组合一，关断角组合一为：
如附图2所示，设定H逆变桥中第一逆变开关管S1、H逆变桥中第四逆变开关管S4、H整流桥中第一整流开关管S5、H整流桥中第四整流开关管S8的移相角为当前瞬态周期移相角给定值；取H逆变桥中第一逆变开关管S1的关断角为当前瞬态周期移相角给定值一半的负值；取H逆变桥中第四逆变开关管S4的关断角为前一个瞬态周期移相角给定值一半的负值；取H整流桥中第一整流开关管S5的关断角为前一个周期的瞬态周期移相角给定值的一半；取H整流桥中第四整流开关管S8的关断角为当前瞬态周期移相角给定值的一半，图中，
Figure BDA0003101588320000045
分别为第一逆变开关管S1、第四逆变开关管S4、第一整流开关管S5、第四整流开关管S8的关断角。公式如下：
Figure BDA0003101588320000051
其中，θx(m) (x＝1，4，5，8，m为整数)为相应开关管Sx的关断角，
Figure BDA0003101588320000052
为当前瞬态周期移相角给定值，
Figure BDA0003101588320000053
分别为前、后一个周期的移相角给定值，如附图3所示，附图3给出了各开关管关断角取值为式(1)时变换器的工作波形，当变换器运行在稳态时，各采样点所更新的调制波绝对值相同。
关断角组合包括关断角组合二，关断角组合二为：
设定H逆变桥中第一逆变开关管S1、H逆变桥中第四逆变开关管S4、H整流桥中第一整流开关管S5、H整流桥中第四整流开关管S8的移相角为当前瞬态周期移相角给定值；取H逆变桥中第一逆变开关管S1的关断角以及H逆变桥中第四逆变开关管S4的关断角均为前一个周期的瞬态周期移相角给定值和当前瞬态周期移相角给定值之和的四分之一的负值；取H整流桥中第一整流开关管S5的关断角以及H整流桥中第四整流开关管S8的关断角均为前一个瞬态周期移相角给定值和当前瞬态周期移相角给定值之和的四分之一。
公式如下：
Figure BDA0003101588320000054
如附图4所示，附图2给出了各开关管关断角取值为式(1)时变换器的工作波形。
一种用于双有源桥的变压器偏磁电流抑制装置，用于实现以上任一所述的一种用于双有源桥的变压器偏磁电流抑制方法，包括输入侧电容C1、H逆变桥、一次侧电感L′1、高频变压器、二次侧电感L2、H整流桥和输出侧电容C2；
所述输入侧电容C1后并联H逆变桥；所述H逆变桥与高频变压器一次侧相连；所述H整流桥与高频变压器二次侧相连；所述H整流桥后并联输出侧电容C2。
所述H逆变桥包括第一逆变开关管S1、第二逆变开关管S2、第三逆变开关管S3和第四逆变开关管S4；第一逆变开关管S1、第二逆变开关管S2位于同一桥臂；第三逆变开关管S3、第四逆变开关管S4位于同一桥臂，其中第一逆变开关管S1、第三逆变开关管S3位于上桥臂；第二逆变开关管S2、第四逆变开关管S4位于下桥臂；H逆变桥中，第一逆变开关管S1的集电极和第二逆变开关管S2的发射极与一次侧电感L′1的一端相连；一次侧电感L′1的另一端与高频变压器的一次侧相连；第三逆变开关管S3的集电极和第四逆变开关管S4的发射极与高频变压器一次侧相连。
所述H整流桥包含第一整流开关管S5、第二整流开关管S6、第三整流开关管S7和第四整流开关管S8；第一整流开关管S5、第二整流开关管S6位于同一桥臂；第三整流开关管S7、第四整流开关管S8位于同一桥臂，其中，第一整流开关管S5、第三整流开关管S7位于上桥臂；第二整流开关S6、第四整流开关管S8位于下桥臂；H整流桥中，第一整流开关管S5的集电极和第二整流开关管S6的发射极与二次侧电感L2的一端相连；二次侧电感L2的另一端与高频变压器二次侧相连；第三整流开关管S7的集电极和第四整流开关管S8的发射极与高频变压器二次侧相连。
实施例一：开环仿真
在Matlab\Simulink中搭建双有源桥变换器电路模型，其中电路模型如附图1和附图2所示。
开环仿真验证时，副边输出侧连接值为270V的直流电压源，即V2＝270V；设定移相角由π/10阶变为π/3，如附图5-8所示，附图5和附图7分别给出了电感电流iL与偏磁电流i0的波形示意图，其中，附图5所示的电感电流iL的波形示意图是在关断角组合一的控制下，附图7所示的偏磁电流i0的波形示意图是在关断角组合二的控制下，它们几乎不存在直流偏置，电感电流iL与偏磁电流i0的放大波形示意图分别如附图6和附图8所示。当移相角在2ms由π/10瞬变为π/3后，电感电流iL与偏磁电流i0分别约经过16μs、22μs后达到新的稳定状态，花费时间小于开关周期的一半25μs。附图5中电感电流iL在瞬态周期以多段不同斜率变化，附图7中偏磁电流i0在瞬态周期减小了电流峰值，开环仿真的结果验证了所提出控制方法对于抑制电流直流偏置的可行性。
实施例二：闭环仿真
在Matlab\Simulink中搭建双有源桥变换器电路模型，其中电路模型如附图1和附图2所示。
在闭环仿真实验中，通过电压闭环反馈生成，控制框图如附图9所示。采样输出电压V2，与值为270V的参考电压V2ref作差，误差信号Δy经过PI控制器输出移相角给定
Figure BDA0003101588320000071
生成周期性调制波，与载波比较生成开关驱动信号。
在仿真时间5ms处改变负载电阻大小，附图10至附图12为负载电阻减小一倍时本发明提出的控制下双有源桥变换器工作波形，附图13至附图15为负载电阻增大一倍时本发明提出的控制下双有源桥变换器工作波形。附图10至附图15中提到的电感均为一次侧电感L′1。
附图10至附图12中使用的本发明提出的控制原理如附图4所示。电感电流iL波形如附图10所示，当负载变化时，直流偏置被大大削减，最大为2.69A，恢复时间减少为50μs。偏磁电流i0波形如附图11所示，最大直流偏置仅为0.02A，恢复时间减少为50μs。附图12为输出电压波形，无振荡，且电压跌落小，约为6V。
附图13至附图15中负载电阻增加一倍的情况与附图10至附图12负载电阻减少一倍的情况类似，使用本发明提出的控制减少了电流直流偏置与输出电压跌落及其恢复时间。
从开环与闭环仿真结果分析，当双有源桥变换器传输功率发生变化时，利用本文所提出的控制方法能够有效减小电感电流与变压器偏磁电流的直流偏置和稳态恢复时间，保证变换器稳定、安全运行。
以上所述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 (7)

1.一种用于双有源桥的变压器偏磁电流抑制方法，其特征在于：通过H逆变桥中第一逆变开关管S1、H逆变桥中第四逆变开关管S4、H整流桥中第一整流开关管S5、H整流桥中第四整流开关管S8的关断角建立关断角组合，对关断角组合中关断角取值的不同得到瞬态周期的移相角给定值作为生成调制波，进而抑制变压器偏磁电流。
2.根据权利要求1所述的一种用于双有源桥的变压器偏磁电流抑制方法，其特征在于：所述关断角组合采用开环控制，根据关断角组合调整调制波内方波脉冲之间的角度关系，抑制变压器偏磁电流。
3.根据权利要求1所述的一种用于双有源桥的变压器偏磁电流抑制方法，其特征在于：所述关断角组合包括关断角组合一，关断角组合一为：
设定H逆变桥中第一逆变开关管S1、H逆变桥中第四逆变开关管S1、H整流桥中第一整流开关管S5、H整流桥中第四整流开关管S8的移相角为当前瞬态周期移相角给定值；取H逆变桥中第一逆变开关管S1的关断角为当前瞬态周期移相角给定值一半的负值；取H逆变桥中第四逆变开关管S4的关断角为前一个瞬态周期移相角给定值一半的负值；取H整流桥中第一整流开关管S5的关断角为前一个周期的瞬态周期移相角给定值的一半；取H整流桥中第四整流开关管S8的关断角为当前瞬态周期移相角给定值的一半。
4.根据权利要求1所述的一种用于双有源桥的变压器偏磁电流抑制方法，其特征在于：所述关断角组合包括关断角组合二，关断角组合二为：
设定H逆变桥中第一逆变开关管S1、H逆变桥中第四逆变开关管S4、H整流桥中第一整流开关管S5、H整流桥中第四整流开关管S8的移相角为当前瞬态周期移相角给定值；取H逆变桥中第一逆变开关管S1的关断角以及H逆变桥中第四逆变开关管S4的关断角均为前一个周期的瞬态周期移相角给定值和当前瞬态周期移相角给定值之和的四分之一的负值；取H整流桥中第一整流开关管S5的关断角以及H整流桥中第四整流开关管S8的关断角均为前一个瞬态周期移相角给定值和当前瞬态周期移相角给定值之和的四分之一。
5.一种用于双有源桥的变压器偏磁电流抑制装置，用于实现如权利要求1-4任一所述的一种用于双有源桥的变压器偏磁电流抑制方法，其特征在于：包括输入侧电容C1、H逆变桥、一次侧电感L′1、高频变压器、二次侧电感L2、H整流桥和输出侧电容C2；
所述输入侧电容C1后并联H逆变桥；所述H逆变桥与高频变压器一次侧相连；所述H整流桥与高频变压器二次侧相连；所述H整流桥后并联输出侧电容C2。
6.根据权利要求5所述的一种用于双有源桥的变压器偏磁电流抑制装置，其特征在于：所述H逆变桥包括第一逆变开关管S1、第二逆变开关管S2、第三逆变开关管S3和第四逆变开关管S4；第一逆变开关管S1、第二逆变开关管S2位于同一桥臂；第三逆变开关管S3、第四逆变开关管S4位于同一桥臂，其中第一逆变开关管S1、第三逆变开关管S3位于上桥臂；第二逆变开关管S2、第四逆变开关管S4位于下桥臂；H逆变桥中，第一逆变开关管S1的集电极和第二逆变开关管S2的发射极与一次侧电感L′1的一端相连；一次侧电感L′1的另一端与高频变压器的一次侧相连；第三逆变开关管S3的集电极和第四逆变开关管S4的发射极与高频变压器一次侧相连。
7.根据权利要求5所述的一种用于双有源桥的变压器偏磁电流抑制装置，其特征在于：所述H整流桥包含第一整流开关管S5、第二整流开关管S6、第三整流开关管S7和第四整流开关管S8；第一整流开关管S5、第二整流开关管S6位于同一桥臂；第三整流开关管S7、第四整流开关管S8位于同一桥臂，其中，第一整流开关管S5、第三整流开关管S7位于上桥臂；第二整流开关S6、第四整流开关管S8位于下桥臂；H整流桥中，第一整流开关管S5的集电极和第二整流开关管S6的发射极与二次侧电感L2的一端相连；二次侧电感L2的另一端与高频变压器二次侧相连；第三整流开关管S7的集电极和第四整流开关管S8的发射极与高频变压器二次侧相连。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1014550A2 (en) * 1998-12-18 2000-06-28 FORFAS, (trading as PEI Technologies) An AC/DC converter
US20150021998A1 (en) * 2013-07-18 2015-01-22 Solantro Semiconductor Corp. Stabilized power generation
CN108134405A (zh) * 2017-12-29 2018-06-08 特变电工新疆新能源股份有限公司 一种适用于光伏发电应用的双有源桥电路调制策略
CN108880217A (zh) * 2018-06-04 2018-11-23 东南大学 应用于智能配电网的双有源桥直流变换器软启动控制方法

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