一种双向AC‑DC‑DC单相变换器及其控制方法与流程

技术特征：

1.一种双向AC-DC-DC单相变换器控制方法，采用反馈线性化思想来设计控制器以实现对该变换器输出电压的二次纹波电压控制，包含如下的步骤：

步骤一、通过对双向AC-DC-DC单相变换器的建模分析，建立其大信号状态空间方程如式(1)所示：

$\left[\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{dv}}_1}{dt}\\ \frac{{\mathrm{dv}}_2}{dt}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}-\frac{1}{r_s{C}_1}& \frac{(D^2-D)}{2L_r{f}_s{C}_1}\\ \frac{(-D^2+D)}{2L_r{f}_s{C}_2}& -\frac{1}{r_s{C}_2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{v}_1\\ v_2\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\frac{1}{r_s{C}_1}\\ 0\end{array}\right]v_s---\left(1\right)$

其中v_s、r_s是双向AC-DC-DC单相变换器的输入端电源的等效电压和内阻，v₁、v₂、C₁、C₂分别是双向AC-DC-DC单相变换器的中间直流电压、输出电压、中间支撑电容与输出支撑电容，L_r是该变换器中隔离变压器的漏感，f_s是开关频率，D是移相角；

将式(1)中关于v₂的一项提取整理可得：

$\frac{{\mathrm{dv}}_2}{dt}=\frac{D-D^2}{2L_r{f}_s{C}_2}{v}_1-\frac{1}{{\mathrm{RC}}_2}{v}_2---\left(2\right)$

从式(2)得到双向AC-DC-DC单相变换器输出电压的动态特性与中间直流电压和移相角有关，且呈现非线性耦合关系；

步骤二、构建中间辅助变量：构建一个辅助变量u＝D-D²，定义误差变量

将其带入式(2)并化简可得：

$u^{\′}-\frac{1}{{\mathrm{RC}}_2}{v}_2^{*}+\frac{1}{{\mathrm{RC}}_2}e+\frac{de}{dt}=0---\left(3\right)$

又设：是AC-DC-DC单相变换器中间直流电压v₂的参考值，R为双向AC-DC-DC单相变换器电阻负载，将其带入式(3)并化简可得：

$\frac{d^{2}e}{{\mathrm{dt}}^2}+\frac{1}{{\mathrm{RC}}_2}\frac{de}{dt}+k_p\frac{de}{dt}+k_{i}e=0---\left(4\right)$

其中k_p与k_i是常数：式(4)是一个二阶齐次常系数线性微分方程，这就将原方程反馈解耦，使得系统输出侧电压不受干扰量的影响，实现系统的线性化；

步骤三、设计解耦后的线性化控制器：

根据线性化后的数学模型，同时考虑消除或抑制输入电压对输出电压的影响，且实现输出电压对其参考电压的无静差跟踪，设计控制规则为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}^{\′}=k_{p}e+k_i\∫edt+v_{2}f\left(BP\right)f\left(PR\right)\\ e=v_2^{*}-v_{2}f\left(Notch\right)\end{array}\right.---\left(5\right)$

其中f(BP)、f(PR)和f(Notch)分别是100Hz处的带通滤波器、比例谐振控制器和陷波器对应的时域函数；

由式(5)可得结合双向AC-DC-DC单相变换器移相控制方法下的控制规则为：

$\left\{\begin{array}{c}u=\frac{2{\mathrm{Lf}}_s{C}_2}{v_1}\[k_{p}e+k_i\∫edt+v_{2}f\left(BP\right)f\left(PR\right)+\frac{i_o}{C_2}\]\\ e=v_2^{*}-v_{2}f\left(Notch\right)\\ D=\frac{1-\sqrt{1-\frac{8L_r{f}_s{C}_2}{v_1}\[k_{p}e+k_i\∫edt+v_{2}f\left(BP\right)f\left(PR\right)+\frac{i_o}{C_2}\]}}{2}\end{array}\right.---\left(6\right)$

根据式(6)即可设计相应的控制器。

2.一种双向AC-DC-DC单相变换器，包括电感L_s、单相整流桥、中间支撑电容C₁、双向隔离DC-DC变换器和输出端支撑电容C₂，输入端a1串接电感L_s与单相整流器的一个输入端连接、输入端a2直接与单相整流器的另一个输入端连接；单相整流器的输出并联中间支撑电容C₁，同时连接到双向隔离DC-DC变换器的输入；双向隔离DC-DC变换器的输出与输出支撑电容C₂并联；其特征在于：双向AC-DC-DC单相变换器输出电压v₂接入带通滤波器BP，带通滤波器BP的输出与减法器Σ1的输入连接，该减法器Σ1的输出与比例谐振控制器PR的输入连接；双向AC-DC-DC单相变换器输出电压v₂同时接入陷波器Notch，陷波器Notch的输出和双向AC-DC-DC单相变换器的输出电压参考值设定器的输出分别与减法器Σ2的两个输入连接，该减法器Σ2的输出与比例积分控制器PI的输入连接；双向AC-DC-DC单相变换器的输出电流i_o，接入一个比例为1/C₂的比例控制器P；将比例谐振控制器PR、比例积分控制器PI和比例控制器P的输出连接到加法器Σ3的输入，该加法器Σ3的输出和双向隔离DC-DC变换器的输入电压v₁分别与连接到除法器DIV，该除法器DIV的输出与移相角计算器DCP的输入连接，移相角计算器DCP的输入与驱动信号的调制器PWM连接，最后调制器PWM输出双向AC-DC-DC单相变换器的开关器件驱动信号。

3.根据权利要求2所述的双向AC-DC-DC单相变换器，其特征在于：所述带通滤波器BP和陷波器Notch的频率均为100Hz。

4.根据权利要求2所述的双向AC-DC-DC单相变换器，其特征在于：所述带通滤波器的输出的参考值为“0”。