三相双有源桥式直流变换器的瞬时电流控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种三相双有源桥式直流变换器的瞬时电流控制方法，在三相双有源桥式直流变换器处于稳态的情况下，当V1侧和V2侧两个三相桥式电路的占空比指令D1,1和D2,1单独或同时改变为D1,2和D2,2时，通过两种调节过渡区间内占空比大小的方法，使得变压器三相电感电流分别仅经过1/3个开关周期或2/3个开关周期的过渡区间就可达到平衡，大大降低因为三相电感电流不平衡而引起的变换器两侧直流电流振荡的幅值和时间，从而改善了变换器的动态性能。
【专利说明】
三相双有源桥式直流变换器的瞬时电流控制方法
技术领域：
[0001 ]本发明属于三相双有源桥式直流变换器技术领域，具体涉及一种三相双有源桥式 直流变换器的瞬时电流控制方法。
【背景技术】：
[0002] 现有的三相双有源桥式直流变换器由一个三相高频变压器和两个三相桥式电路 构成，其拓扑结构如图1所示。它是一种隔离型双向直流变换器。它具有高功率密度、较低的 开关应力和易于实现软开关等优点。另外，与单相的变换器相比，这种变换器采用三相交错 的结构，提高了功率等级的同时也减小了电流纹波。它适用于中、大功率场合，适合应用于 混合动力汽车、电力电子变压器以及智能电网能量存储系统等。
[0003] 对于三相双有源桥式直流变换器，在处于稳态状态下，改变其控制变量，会造成三 相高频变压器中的三相电流出现不平衡的现象，引起变换器两侧的直流电流产生振荡，并 以T = Ls/Rs为时间常数逐渐衰减。其中，Ls为三相变压器中每相等效电感值，Rs为三相变压 器中每相等效电阻值。在实际的变换器设计过程中，为了实现两个直流侧较宽的电压变化 范围，三相变压器中每相等效电感值L s需要被设计得较大，同时三相变压器中每相等效电 阻值Rs则需要被设计得较小以减小线路损耗。因此，时间常数往往会变得比较大，进而使得 变换器两侧直流电流的振荡衰减时间较长。
[0004] 现有的改善上述现象的控制方法，都是针对传统的移相调制策略所提出的。这种 调制策略只有一个控制量，即两个三相桥中相应开关器件的驱动信号之间的移相角识，通过 改变移相角的大小和正负，就可以控制传输功率的大小和方向。此时，两个三相桥式电路的 占空比固定且均为0.5。相应的控制方法是在移相角变化的时候引入一个过渡区间，通过对 该区间内移相角大小进行调节，从而使得三相电感电流在过渡区间内迅速达到新的平衡。 然而，对于引入两个三相桥式电路的占空比作为另外两个控制变量的占空比加移相调制策 略来说，当改变两个占空比指令时，三相电感电流同样会出现不平衡的现象，从而引起变换 器两侧的直流电流产生振荡。
【发明内容】
：
[0005] 为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种三相双有源桥式 直流变换器的瞬时电流控制方法，该控制方法在单独或同时改变两个占空比指令时，能够 通过调节过渡区间内占空比大小，使得变压器三相电感电流分别仅经过1/3个开关周期或 2/3个开关周期的过渡区间就可达到平衡，从而减小变换器两侧的直流电流振荡。
[0006] 为达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现的：
[0007]三相双有源桥式直流变换器的瞬时电流控制方法，在三相双有源桥式直流变换器 处于稳态的情况下，当V1侧和V2侧两个三相桥式电路的占空比指令Dlll和D 2>1单独或同时改 变为D1,2和D2, 2时，通过两种调节过渡区间内占空比大小的方法，使得变压器三相电感电流 分别仅经过1/3个开关周期或2/3个开关周期的过渡区间就可达到平衡;其中，三相桥式电 路的占空比是指在一个开关周期Ts内每个相臂的开关函值为1的时间占整个开关 周期的比例，且占空比均小于或等于0.5;开关函数的值为1代表上桥臂开关器件导通而下 桥臂开关器件关断，其值为〇代表下桥臂开关器件导通而上桥臂开关器件关断，m= 1或2，分 另IJ代表Vi侧和V2侧的三相桥式电路，所以占空比指令D1, i、D2, JPD1,2、D2,2简写为Dm, i、Dm, 2; X = a，b, c，分别代表三个相臂。
[0008] 本发明进一步的改进在于，所述的过渡区间为1/3个开关周期的瞬时电流控制方 法为：
[0009] 对于任一侧三相桥式电路，在稳态运行时占空比为Dm,i，以a相开关函数S m,a(t)从0 变为1后再经过(Dm,iTs)/〗后的时刻为0时刻，进入过渡区间;在0时刻将a相占空比指令改为 过渡占空比D m>1△，即从0时刻继续使a相开关函数Sm,a(t)保持为1的状态，持续(D m,^ · Ts)/2 的时间后变为0;同时令b相占空比指令改为过渡占空比EU,2△，即从0时刻继续使b相开关函 数S b,m(t)保持为0的状态，持续(2-3Dm)Ts/6的时间后变为1;在T s/3时刻将三相占空比指 令均改SDm, 2，结束过渡区间。
[0010] 本发明进一步的改进在于，过渡区间内的两个过渡占空比的表达式分别为：
[0011] (1)
[0012] (2)
[0013] 其中，无=fs = Ι/Ts，为开关频率;τ = Ls/Rs，为时间常数;Ls为三相变压器中 每相等效电感值;Rs为三相变压器中每相等效电阻值。
[0014] 本发明进一步的改进在于，通常情况下，时间常数与开关频率的乘积较大，使得k ~1，因此过渡区间内的两个过渡占空比的表达式能够分别简写为：
[0015] (3)
[0016] (4)。'
[0017] 本发明进一步的改进在于，所述的过渡区间为2/3个开关周期的瞬时电流控制方 法为：
[0018] 对于任一侧三相桥式电路，在稳态运行时占空比为Dm, i，以a相开关函数Sm, a( t)从0 变为1后再经过(Dm,^)/2后的时刻为0时刻，进入过渡区间;将0时刻至Ts/3时刻记为过渡区 间1，将T s/3时刻至2Ts/3时刻记为过渡区间2;
[0019] 在过渡区间1中将三相占空比指令均改为过渡占空比Dm,:△，即从0时刻继续使a相 开关函数Sm, a(t)保持为1的状态，持续(Dm,^ · Ts)/2的时间后变为0;b相开关函数Sm,b(t)保 持为〇的状态，持续(2_3D m, ) Ts/6的时间后变为1;
[0020] 在过渡区间2中将三相占空比指令均改为过渡占空比Dm,2△，即从Ts/3时刻继续使b 相开关函数Sm,b(t)保持为1的状态，持续(Dm · Ts)/2的时间后变为0;c相开关函数Sm,c(t) 保持为〇的状态，持续(2_3D m, 2λ ) Ts/6的时间后变为1;
[0023] (5)
[0021] 在2Ts/3时刻将三相占空比指令均改SDm, 2，结束过渡区间。[0022] 本发明进一步的改进在于，两段过渡区间内的过渡占空比的表达式分别为：
[0024] (6)
[0025] 其中，& = /s = Ι/Ts，为开关频率;τ = Ls/Rs，为时间常数;Ls为三相变压器中 每相等效电感值;Rs为三相变压器中每相等效电阻值。
[0026] 本发明进一步的改进在于，通常情况下，时间常数与开关频率的乘积较大，使得k ~1，因此过渡区间内的两个过渡占空比的表达式能够分别简写为：
[0027] (7)
[0028] (8) C-
[0029] 与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
[0030] 本发明能够在单独或同时改变两个占空比指令时，通过调节过渡区间内占空比大 小，使得变压器三相电感电流分别仅经过1/3个开关周期或2/3个开关周期的过渡区间就可 达到平衡。
[0031] 进一步地，本发明解决了在两个占空比控制量在发生变化的瞬时，大大降低因为 三相电感电流不平衡而引起的变换器两侧直流电流的振荡幅值和时间，从而改善了变换器 的动态性能。
【附图说明】：
[0032]图1为三相双有源桥式直流变换器拓扑结构；
[0033] 图2为传统控制方式下变换器六个相臂开关函数变化情况1;
[0034] 图3为传统控制方式下变换器六个相臂开关函数变化情况2;
[0035] 图4为传统控制方式下变换器三相电流及V2侧直流电流的仿真结果；
[0036] 图5为以1/3开关周期为过渡区间的瞬时电流控制方式下变换器六个相臂开关函 数变化过程图；
[0037] 图6为以2/3开关周期为过渡区间的瞬时电流控制方式下变换器六个相臂开关函 数变化过程图；
[0038] 图7为以1/3开关周期为过渡区间的瞬时电流控制方式下变换器三相电流及％侧 直流电流的仿真结果；
[0039] 图8为以2/3开关周期为过渡区间的瞬时电流控制方式下变换器三相电流及％侧 直流电流的仿真结果。
【具体实施方式】：
[0040] 下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而 不是限定。
[0041] 三相双有源桥式直流变换器的拓扑结构如图1所示。其中，假设功率是WV1侧流向 V2侧，则V1是输入侧直流电压，V2是输出侧直流电压。考虑三相对称的情况，L a、Lb和Lc分别是 变压器的三相漏感或附加电感，其感值均为Ls; Ra、Rb和Rc分别是三相线路电阻，其感值均为 Rs;ia、ib和ic分别是变压器三相电感电流。三相高频变压器的变比为N:l。
[0042] 设定三相双有源桥式直流变换器的一组基本参数如表1所示。
[0043] 表 1
[0045] 在三相双有源桥式直流变换器的稳态运行时，采用可以实现电感电流有效值最低 的占空比加移相调制策略。这种调制策略下有三个控制变量:…侧和％侧两个三相桥式电路 的占空比分别SDjPD 2，以及两侧三相桥式电路相应相开关函数基波之间的移相比Df。其中 占空比指在一个开关周期1内每个相臂的开关函数S m,x(t)值为1的时间占整个开关周期的 比例。开关函数的值为1代表上桥臂开关器件导通而下桥臂开关器件关断，其值为〇代表下 桥臂开关器件导通而上桥臂开关器件关断。m= 1或2，分别代表％侧和V2侧的三相桥式电路； x = a，b，c，分别代表三个相臂。对于表1中的基本参数，可以得到在这种调制策略下，变换器 处于稳态时的三个控制变量分别为：占空比D 1SO. 2598、D2为0.3885，移相角Df为0.2006。
[0046] 假设此时由于传输功率或其它控制需求的变化，两个占空比^和仏需要发生变化， 分别从稳态情况下的D1, 1 = 0.2598和D2,1 = 0.3885,改变至D1,2 = 0.4159和D2,2 = 0.4643,移 相比保持不变。在传统控制方式下，两个占空比会直接完成改变，可能会出现两种作用情 况:第一种是在三相开关函数中距离占空比发生改变的时刻最近的一个上升沿开始产生效 果，如图2所示，其中0时刻为各自三相桥式结构中改变占空比的时刻;第二种是在三相开关 函数中距离占空比发生改变的时刻最近的一个下降沿开始产生效果，如图3所示。然而，不 论是哪一种作用情况，都会出现三相电流不对称以及两侧直流侧电流振荡的现象，其仿真 结果如图4所不。
[0047] 当使用本发明中具有1/3个开关周期的过渡区间的瞬时电流控制方法时，三相双 有源桥式直流变换器的六个开关函数变化过程图如图5所示。过渡区间内的两个过渡占空 比的表达式为： (9)
[0049]
(10)
[0050] 式中，灸=f s = I/Ts，为开关频率;τ = Ls/Rs，为时间常数。根据表1中变换器 的参数可以得到τ = Ls/Rs = 1.75 X I (T4，Λ = e_ J = ()j(W丨6。将其占空比始末值分别代 入式(9)和式（10)，可以得到￥!侧三相桥的两个过渡占空比分别为D1, ^ = 0.373^^,24 = 0.3216，￥2侧三相桥的两个过渡占空比分别为02,^ = 0.4439和02,2^ = 0.4184。
[0051] 对于以则三相桥，以a相开关函数S1>a(t)从0变为1后再经过(D1;1Ts)/2后的时刻为0 时刻，进入过渡区间。在〇时刻将a相占空比指令改为过渡占空KD 1,μ ;将b相占空比指令改 为过渡占空比D1,2△。在Ts/3时刻将三相占空比指令均改为0 1; 2，结束过渡区间。
[0052] 对于％侧三相桥，以a相开关函数S2,a(t)从0变为1后再经过(D2>1T s)/2后的时刻为0 时刻，进入过渡区间。在〇时刻将a相占空比指令改为过渡占空比D2,μ ;将b相占空比指令改 为过渡占空比D2,2△。在Ts/3时刻将三相占空比指令均改为D 2,2，结束过渡区间。
[0053] 三相电流及％侧输出直流电流i。的仿真结果如图7所示。
[0054]当使用本发明中具有2/3个开关周期的过渡区间的瞬时电流控制方法时，三相双 有源桥式直流变换器的六个开关函数变化过程图如图6所示。过渡区间内的两个过渡占空 比的表达式为：
[0055] (11)
[0056] (12)
[0057] 根据表1中变换器的参数可以得至I」t = Ls/Rs = 1.75X10-4，々=e-'..(._ =α9〇91()。 将其占空比始末值分别代入式（11)和式（12)，可以得到％侧三相桥的两个过渡占空比分别 为Dm = 0.316^PDm = 0.3687, V2侧三相桥的两个过渡占空比分别为Dm = 0.4162和 D2,2a = 0.4414〇
[0058] 对于以则三相桥，以a相开关函数S1,a(t)从0变为1后再经过(DuTs)A后的时刻为0 时亥Ij，进入过渡区间。将0时刻至Ts/3时刻记为过渡区间1，将Ts/3时刻至2T s/3时刻记为过渡 区间2。在过渡区间1中将三相占空比指令均改为过渡占空比Di, ιδ ;在过渡区间2中将三相占 空比指令均改为过渡占空比D1>2△。在2Ts/3时刻将三相占空比指令均改为0 1>2,结束过渡区 间。
[0059] 对于％侧三相桥，以a相开关函数S2,a(t)从0变为1后再经过(D2>1T s)/2后的时刻为0 时刻，进入过渡区间。在过渡区间1中将三相占空比指令均改为过渡占空比D2, 1Δ ;在过渡区 间2中将三相占空比指令均改为过渡占空比D2,2△。在2Ts/3时刻将三相占空比指令均改为 D2,2,结束过渡区间。
[0060] 三相电流及％侧输出直流电流i。的仿真结果如图8所示。
【主权项】
1. =相双有源桥式直流变换器的瞬时电流控制方法，其特征在于，在=相双有源桥式 直流变换器处于稳态的情况下，当Vi侧和V2侧两个=相桥式电路的占空比指令化,1和化,1单 独或同时改变为化,2和化,2时，通过两种调节过渡区间内占空比大小的方法，使得变压器= 相电感电流分别仅经过1/3个开关周期或2/3个开关周期的过渡区间就可达到平衡;其中， S相桥式电路的占空比是指在一个开关周期Ts内每个相臂的开关函数Sm,x(t)值为1的时间 占整个开关周期的比例，且占空比均小于或等于0.5;开关函数的值为1代表上桥臂开关器 件导通而下桥臂开关器件关断，其值为0代表下桥臂开关器件导通而上桥臂开关器件关断， m=l或2,分别代表Vi侧和V2侧的立相桥式电路，所W占空比指令Di,i、D2,i和Di,2、D2,2简写为 Dm, 1、Dm, 2 ; X = a，b，C，分别代表S个相臂。2. 根据权利要求1所述的=相双有源桥式直流变换器的瞬时电流控制方法，其特征在 于，所述的过渡区间为1/3个开关周期的瞬时电流控制方法为： 对于任一侧S相桥式电路，在稳态运行时占空比为Dm, 1，Wa相开关函数Sm, a(t)从0变为 1后再经过(Dm,iTs)/2后的时刻为0时刻，进入过渡区间；在加寸刻将a相占空比指令改为过渡 占空比Dm,lA，即从0时刻继续使a相开关函数Sm,a(t)保持为1的状态，持续(Dm,lA ? Ts)/2的时 间后变为0;同时令b相占空比指令改为过渡占空比Dm, 2A，即从0时刻继续使b相开关函数Sb,m (t)保持为0的状态，持续(2-3Dm, 2 A) Ts/6的时间后变为1;在Ts/3时刻将=相占空比指令均改 为Dm, 2,结束过渡区间。3. 根据权利要求2所述的=相双有源桥式直流变换器的瞬时电流控制方法，其特征在 于，过渡区间内的两个过渡占空比的表达式分别为：(1) (2) T=Ls/Rs，为时间常数;13为；相变压器中每相 等效电感值;私为=相变压器中每相等效电阻值。4. 根据权利要求3所述的=相双有源桥式直流变换器的瞬时电流控制方法，其特征在 于，通常情况下，时间常数与开关频率的乘积较大，使得1，因此过渡区间内的两个过渡 占空比的表达式能够分别简写为：0) (4)，5. 根据权利要求1所述的=相双有源桥式直流变换器的瞬时电流控制方法，其特征在 于，所述的过渡区间为2/3个开关周期的瞬时电流控制方法为： 对于任一侧S相桥式电路，在稳态运行时占空比为Dm,1，Wa相开关函数Sm,a(t)从0变为 1后再经过(Dm,iTs)/2后的时刻为加寸刻，进入过渡区间；将加寸刻至Ts/3时刻记为过渡区间1， 将Ts/3时刻至2Ts/3时刻记为过渡区间2; 在过渡区间I中将=相占空比指令均改为过渡占空比Dm, IA，即从O时刻继续使a相开关 函数Sm,a(t)保持为1的状态，持续(Dm,lA ? Ts)/2的时间后变为0;b相开关函数Sm,b(t)保持为 O的状态，持续(2-3Dm, 1A ) Ts/6的时间后变为1 ; 在过渡区间2中将=相占空比指令均改为过渡占空比Dm, 2A，即从Ts/3时刻继续使b相开 关函数Sm,b(t)保持为1的状态，持续(Dm,2A ? Ts)/2的时间后变为0;C相开关函数Sm,c(t)保持 为O的状态，持续(2-3Dm, 2 A ) Ts/6的时间后变为1 ; 在2Ts/3时刻将=相占空比指令均改为Dm, 2，结束过渡区间。6. 根据权利要求5所述的=相双有源桥式直流变换器的瞬时电流控制方法，其特征在 于，两段过渡区间内的过渡占空比的表达式分别为：(5) (6) I频率;T = Ls/Rs，为时间常数;13为；相变压器中每相 等效电感值;私为=相变压器中每相等效电阻值。7. 根据权利要求6所述的=相双有源桥式直流变换器的瞬时电流控制方法，其特征在 于，通常情况下，时间常数与开关频率的乘积较大，使得1，因此过渡区间内的两个过渡 占空比的表达式能够分别简写为：所 ㈱。
【文档编号】H02M3/335GK106033932SQ201610474806
【公开日】2016年10月19日
【申请日】2016年6月24日
【发明人】王跃, 李卓强, 施伶, 崔耀, 黄珺, 雷万钧
【申请人】西安交通大学