谐振型DC/DC变换器功率均衡控制方法和控制系统与流程

本发明涉及谐振型DC/DC变换器功率均衡控制方法和控制系统，属于DC/DC变换器功率均衡控制技术领域。

背景技术：

DC/DC变换器的主流拓扑为一侧串联一侧并联型，如图1所示，DC/DC变换器包括n个变换单元，这些变换单元一侧串联设置，也称为级联设置，另一侧并联设置，那么，将变换单元串联设置的一侧称为变换器的串联侧，将变换单元并联设置的一侧称为变换器的并联侧，如果拿图1来说，高压侧串联设置，低压侧并联设置，那么，高压侧为变换器的串联侧，低压侧为变换器的并联侧。以大功率双向CLLLC谐振型DC/DC变换器为例，这种变换器不仅可实现直流电压变压、双向传输能量和电气隔离的功能而且具有功率密度高，效率高等优点，在可再生能源、直流配电系统及电力电子变压器等领域得到了广泛的应用。

这种变换器在运行时，由于变换单元之间损耗、谐振电感、谐振电容、高频变压器漏抗和变比的差异性，会造成各变换单元传输的有功功率不均衡，引起变换单元直流电压不一致，导致变换器不能正常运行。

针对DC/DC变换器串联侧直流电压和变换单元有功功率不均衡的问题，目前的解决方法为硬件均压，在功率变换单元串联侧的直流电容两端并联均压电阻，通过不同直流电压作用在电阻上损耗的差异性来减小直流电压和有功功率的不均衡，这种方法是一种有差控制，只能减小变换单元间直流电压和有功功率的不均衡程度，可靠性不高，并且增加了变换器的损耗和成本，降低了变换器运行效率。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种谐振型DC/DC变换器功率均衡控制方法，用以解决传统的功率均衡方法可靠性低的问题。本发明同时提供一种谐振型DC/DC变换器功率均衡控制系统。

为实现上述目的，本发明的方案包括一种谐振型DC/DC变换器功率均衡控制方法，所述DC/DC变换器具有串联侧和并联侧，所述控制方法包括两层控制，分别是变换器总有功功率控制和变换器有功功率均衡控制，所述变换器总有功功率控制为：对变换器并联侧直流电压进行闭环控制，经过处理后得到变换器的移相角，根据所述移相角调整各换流单元两侧对应交流电压的相位差，实现总有功功率控制；

所述变换器有功功率均衡控制包括以下步骤：

(1)计算变换单元串联侧直流电压的平均值U_{dc_av}，将各换流单元串联侧直流电压U_dci分别与平均值U_{dc_av}做差，并对做差结果进行闭环控制，得到各换流单元对应的开关频率的修正量Δf_si；

(2)将各修正量Δf_si与初始开关频率f_s相加，经过处理后得到修正后的各换流单元对应的开关频率f_si；

(3)根据各换流单元修正后的开关频率f_si对对应的换流单元进行控制；

其中，i＝1、2、……、N。

实现变换器并联侧直流电压闭环控制的手段为：检测变换器实际的并联侧直流电压U_o，将变换器并联侧直流电压指令值U_o^*与实际的并联侧直流电压U_o做差，利用PI调节器进行闭环控制。

所述对做差结果进行闭环控制采用PI调节器实现，所述PI调节器的输入信号是各换流单元串联侧直流电压U_dci与串联侧直流电压的平均值U_{dc_av}的差值。

所述变换器的移相角由角度限幅器的处理后得到。

所述修正后的各换流单元对应的开关频率f_si由频率限幅器的处理后得到。

一种谐振型DC/DC变换器功率均衡控制系统，所述DC/DC变换器具有串联侧和并联侧，所述控制系统包括：

变换器总有功功率控制模块，用于对变换器并联侧直流电压进行闭环控制，经过处理后得到变换器的移相角，根据所述移相角调整各换流单元两侧对应交流电压的相位差，实现总有功功率控制；

变换器有功功率均衡控制模块，包括以下单元：

闭环控制单元，用于计算变换单元串联侧直流电压的平均值U_{dc_av}，将各换流单元串联侧直流电压U_dci分别与平均值U_{dc_av}做差，并对做差结果进行闭环控制，得到各换流单元对应的开关频率的修正量Δf_si；

计算单元，用于将各修正量Δf_si与初始开关频率f_s相加，经过处理后得到修正后的各换流单元对应的开关频率f_si；

均衡控制单元，用于根据各换流单元修正后的开关频率f_si对对应的换流单元进行控制；

其中，i＝1、2、……、N。

实现变换器并联侧直流电压闭环控制的手段为：检测变换器实际的并联侧直流电压U_o，将变换器并联侧直流电压指令值U_o^*与实际的并联侧直流电压U_o做差，利用PI调节器进行闭环控制。

所述对做差结果进行闭环控制采用PI调节器实现，所述PI调节器的输入信号是各换流单元串联侧直流电压U_dci与串联侧直流电压的平均值U_{dc_av}的差值。

所述变换器的移相角由角度限幅器的处理后得到。

所述修正后的各换流单元对应的开关频率f_si由频率限幅器的处理后得到。

本发明提供的功率均衡控制方法包括两层控制，分别是变换器总有功功率控制和变换器有功功率均衡控制，变换器总有功功率控制是对变换器并联侧直流电压进行闭环控制，以得到变换器的移相角；变换器有功功率均衡控制是对各个变换单元的串联侧的直流电压进行闭环控制，通过调整开关频率来均衡变换单元传输的有功功率，从而消除了由于变换单元之间损耗、谐振电感、谐振电容、高频变压器漏抗和变比的差异性等引起的有功功率不能均衡地传输至低压侧的问题。本发明以变换单元直流电压平衡和功率均衡等价为基础，实现了变换器串联侧直流电压平衡和传输功率均衡，功率均衡可靠性较高，保证了谐振型DC/DC变换器的稳定运行，并且，与传统的利用硬件实现功率均衡的方法相比，无需添加专门的硬件结构，降低了投入成本，只需在控制设备中加入相应的控制软件程序，实现简单，均衡可靠性高，并且变换器的损耗较小，相应地，变换器运行效率较高。

附图说明

图1是DC/DC变换器的拓扑示意图；

图2是双向CLLLC谐振型DC/DC变换单元的电路示意图；

图3是双向CLLLC谐振型DC/DC变换单元的等效电路示意图；

图4是功率均衡控制方法原理示意图。

具体实施方式

谐振型DC/DC变换器功率均衡控制方法实施例

本发明提供的谐振型DC/DC变换器功率均衡控制方法适用于多种DC/DC变换器，DC/DC变换器除了由如图2所示的双向CLLLC谐振型DC/DC变换单元构成之外，还可以由其他电路结构的DC/DC变换单元构成，本实施例以双向CLLLC谐振型DC/DC变换单元为例，下面结合附图对功率均衡控制方法做进一步详细的说明。另外，本实施例中，如图1所示，高压侧串联设置，低压侧并联设置，那么，变换器的高压侧为变换器的串联侧，变换器的低压侧为变换器的并联侧。

DC/DC变换器包括n个双向CLLLC谐振型DC/DC变换单元，如图1所示。

首先，以下给出DC/DC变换器功率不均衡的原因。

双向CLLLC谐振型DC/DC变换单元等效电路如图3所示，占空比为50％时，假设电压u_ab的初始相位为0°，电压u_cd的初始相位为根据傅里叶分析，可得输入输出的基波电压的计算公式为：

其中，U_i为输入直流电压(即高压侧直流电压)，U_o为输出直流电压(低压侧直流电压)，ω_s为开关角频率。

谐振电路的阻抗的计算公式为：

式(3)中，将变换单元变压器低压侧参数等效至高压侧，等效谐振电感为L₂'＝n²(L_ls2+L₂)，等效谐振电容为C₂'＝C₂/n²，R为系统等效损耗。

变换单元输入功率(高压侧功率)的计算公式为：

P_i＝U_ii_dci＝P_o+P_loss (4)

式(4)中，i_dci为变换单元高压侧直流电流。

在一个开关周期，变换单元输出功率(低压侧功率)的平均值为：

各个变换单元输出侧(低压侧)直流电压并联，因此各变换单元的低压侧直流电压U_o相同。由于谐振腔阻抗大小、高频变压器变比等存在一定的差异性，导致了变换单元传输功率P_o的不均衡。变换单元高压侧串联，高压侧直流电流i_dci相同，当变换单元输出功率P_o和损耗P_loss不同时，会引起各变换单元高压侧直流电压不平衡。

上述给出了功率不均衡的原因，以下结合上述原因对DC/DC变换器功率均衡控制策略进行详细说明。

从式(3)可知，当变换单元的电路参数确定后，改变变换单元的开关频率就改变了谐振电路的阻抗，从式(5)可知，谐振电路的阻抗调整后，其输出功率也发生改变，因此通过调整各个变换单元的开关频率可实现功率和电压均衡的目的。

DC/DC变换器控制策略包括两层控制，上层是变换器总有功功率控制，下层是变换器有功功率均衡控制。

其中，变换器总有功功率控制是在整个变换器层面上进行控制，目的是计算变换器的移相角。变换器有功功率均衡控制是在变换单元层面上实现功率均衡控制。

变换器总有功功率控制策略整体思路是：对变换器低压侧直流电压进行闭环控制，经过处理后得到变换器的移相角，具体为：

检测DC/DC变换器的低压侧实际直流电压U_o，将变换器低压侧直流电压指令值U_o^*与实际直流电压U_o做差，利用PI调节器进行闭环控制，经过角度限幅器的处理，即经过角度高低限幅处理后得到变换器的移相角如图4所示。根据得到的移相角调整各变换单元高压侧和低压侧对应交流电压的相位差，进而实现变换器总有功功率控制，由于这一部分属于常规技术，这里就不再具体说明。另外，由于DC/DC变换器的原理是将直流变交流，然后将交流变直流，即DC/DC变换器由高压侧交直流变换部分和低压侧交直流变换部分构成，因此，高压侧交流电压是指高压侧交直流变换部分中交流侧电压，低压侧交流电压是指低压侧交直流变换部分中交流侧电压，即变换单元高压侧和低压侧交流电压是指图2中的变压器两侧的交流电。

变换器功率均衡控制策略包括以下步骤：

(1)采集所有的变换单元高压侧直流母线电压，计算变换单元高压侧直流电压的平均值U_{dc_av}；

将各换流单元高压侧直流电压U_dci分别与平均值U_{dc_av}做差(i＝1、2、……、N)，利用PI调节器进行闭环控制，得到各换流单元对应的开关频率的修正量Δf_si；

(2)将各换流单元对应的开关频率的修正量Δf_si与变换器的初始开关频率f_s相加，经过频率限幅器的处理，即经过频率高低限幅后得到修正后的各换流单元对应的开关频率f_si；

(3)经过上述步骤得到了各换流单元修正后的开关频率f_si，即对各个变换单元的开关频率均进行了相应地调整，以调整后的开关频率实时改变各变换单元中IGBT的开关频率，进而调整各变换单元中相应交流电压的频率(比如电能输出一侧对应交流电的频率)，实现功率和电压均衡的目的，由于这一控制过程属于常规技术，这里就不再具体说明。

因此，这两层控制中，一般情况下先进行上层控制，即先进行变换器总有功功率控制，然后进行下层控制，即变换器有功功率均衡控制。

上述实施例中，高压侧为串联侧，低压侧为并联侧，作为其他的实施方式，如果高压侧为并联侧，低压侧为串联侧的话，那么，均衡控制策略就需要相应地改变，其中的与低压侧相关的控制策略就需要改变为对高压侧进行控制，与高压侧相关的控制策略就需要改变为对低压侧进行控制，但是，基于的基本原理是不变的。

谐振型DC/DC变换器功率均衡控制系统实施例

本实施例中的谐振型DC/DC变换器功率均衡控制系统，包括两个模块，分别是：变换器总有功功率控制模块和变换器有功功率均衡控制模块。其中，

变换器总有功功率控制模块，用于对变换器并联侧直流电压进行闭环控制，经过处理后得到变换器的移相角，根据移相角调整各换流单元两侧对应交流电压的相位差，实现总有功功率控制；

变换器有功功率均衡控制模块，包括以下单元：

闭环控制单元，用于计算变换单元串联侧直流电压的平均值U_{dc_av}，将各换流单元串联侧直流电压U_dci分别与平均值U_{dc_av}做差，并对做差结果进行闭环控制，得到各换流单元对应的开关频率的修正量Δf_si；

计算单元，用于将各修正量Δf_si与初始开关频率f_s相加，经过处理后得到修正后的各换流单元对应的开关频率f_si；

均衡控制单元，用于根据各换流单元修正后的开关频率f_si对对应的换流单元进行控制；

其中，i＝1、2、……、N。

因此，该控制系统中的两个控制模块分别对应控制方法中的两个控制策略，即该控制系统本质上仍旧是控制方法，由于上述控制方法实施例中已对其做出了详细地描述，这里就不再具体说明。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。