基于移向角斜坡前馈的双向全桥DC‑DC变换器控制方法及装置与流程

本发明涉及一种基于移向角斜坡前馈的双向全桥DC-DC变换器控制方法及装置，属于电力电子技术领域。

背景技术：

双向全桥DC-DC变换器(DAB)具有功率密度高、系统具有电气隔离，并且不需要额外的无源器件就能实现软开关等优点，在新能源发电、电力电子变压器、储能装置等均有较多应用。

目前，DAB常用的控制策略为移向控制，通过将检测输出侧的直流母线电压与给定的电压指令做差，该差值作为PI控制器的输入，经过PI控制器调节得到移向角。但是，在突加、减载过程中，由于移向控制方法的动态特性差，造成DAB直流母线电压波动以及电流超调较大。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于移向角斜坡前馈的双向全桥DC-DC变换器控制方法及装置，用于解决在负载发生突变的情况下，传统移向控制中直流母线电压波动以及电流超调较大这一技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于移向角斜坡前馈的双向全桥DC-DC变换器控制方法，包括以下方案：

方法方案一：包括以下步骤：

步骤1，获取全桥DC-DC变换器的当前移向角并计算全桥DC-DC变换器的移相角稳态值

步骤2，若当前移向角未达到移相角稳态值以所述移相角稳态值为目标确定全桥DC-DC变换器在每个周期内的移向角递增量在N个周期中的第i个周期，在移相角控制指令上叠加移相角前馈量

方法方案二：在方法方案一的基础上，全桥DC-DC变换器在每个周期的移向角递增量为移相角稳态值与当前移向角的差值的1/N。

方法方案三、四：分别在方法方案一、二的基础上，所述全桥DC-DC变换器的移相角稳态值由全桥DC-DC变换器的输入电压、输出功率、电感、开关频率、效率以及变压器的变比确定。

方法方案五、六：分别在方法方案三、四的基础上，所述全桥DC-DC变换器的移相角稳态值的计算公式为：

其中，U_i为全桥DC-DC变换器的输入电压，U_o为全桥DC-DC变换器的输出电压，I_o为负载电流，L_s为全桥DC-DC变换器的电感，f_s为全桥DC-DC变换器的开关频率，n为全桥DC-DC变换器中变压器的变比，η为全桥DC-DC变换器的功率传输效率。

本发明还提出了一种基于移向角斜坡前馈的双向全桥DC-DC变换器控制装置，包括以下方案：

装置方案一：包括：

用于获取全桥DC-DC变换器的当前移向角并计算全桥DC-DC变换器的移相角稳态值的单元；

用于若当前移向角未达到移相角稳态值以所述移相角稳态值为目标确定全桥DC-DC变换器在每个周期内的移向角递增量在N个周期中的第i个周期，在移相角控制指令上叠加移相角前馈量的单元。

装置方案二：在装置方案一的基础上，全桥DC-DC变换器在每个周期的移向角递增量为移相角稳态值与当前移向角的差值的1/N。

装置方案三、四：分别在装置方案一、二的基础上，所述全桥DC-DC变换器的移相角稳态值由全桥DC-DC变换器的输入电压、输出功率、电感、开关频率、效率以及变压器的变比确定。

装置方案五、六：分别在装置方案三、四的基础上，所述全桥DC-DC变换器的移相角稳态值的计算公式为：

其中，U_i为全桥DC-DC变换器的输入电压，U_o为全桥DC-DC变换器的输出电压，I_o为负载电流，L_s为全桥DC-DC变换器的电感，f_s为全桥DC-DC变换器的开关频率，n为全桥DC-DC变换器中变压器的变比，η为全桥DC-DC变换器的功率传输效率。

本发明的有益效果是：通过在传统移向控制过程中增加了移相角前馈控制，即在每个调整周期内增加了一个移相角斜坡前馈值，减小了在每个调整周期内移相角的变化幅度，提高了全桥DC-DC变换器的移相角的变化稳定性，减小了全桥DC-DC变换器输出侧直流母线电压的波动，降低了直流电流的超调。

附图说明

图1是双向全桥DC-DC变换器的主回路拓扑；

图2是双向全桥DC-DC变换器等效电路；

图3是双向全桥DC-DC变换器工作过程；

图4是基于移向角斜坡前馈的双向全桥DC-DC变换器控制方法的结构图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体的实施例对本发明进行详细说明。

基于移向角斜坡前馈的双向全桥DC-DC变换器控制方法实施例：

图1给出了双向全桥DC-DC变换器(DAB)的主回路拓扑，由图1所示，DAB由H桥M1、H桥M2以及一个变比为n的高频变压器组成，其中H桥M1由开关管S₁、S₂、S₃和S₄组成，H桥M2由开关管S₁′、S₂′、S₃′和S₄′组成，DAB的输入电压为U_i，当所接负载为R_L时，DAB的输出电压为U_o，输出电流为i_o。忽略高频变压器的励磁电流，其等效电路如图2所示，其中，u_ab为H桥M1输出的电压，u_cd为H桥M2输出的电压，电感L_S为DAB的等效电感，R为DAB的等效电阻。

首先，当系统负载发生突变时，对全桥DC-DC变换器的移相角稳态值进行推导，推导过程如下：

忽略系统损耗，在一个开关周期内，DAB的稳态工作过程如图3所示，主要分为以下四个阶段。

(1)阶段一：

在t₀时刻，H桥M1的开关管S₂与S₃关断，经过一定的死区时间，开关管S₁与S₄开通；t₁时刻，H桥M2的开关管S₂′与S₃′关断；在t₀＜t＜t₁这个时间段内，电感L_S两端的电压U_L的计算公式为：

其中，U_o′表示将输出电压U_o折算到变压器一次侧的电压，U_o′＝nU_o，i_L表示流经电感L_S的电流。

假设t＝t₀时，电感L_S的电流为-I_L，那么在t₀＜t＜t₁这个时间段内，电感L_S的电流

由于t＝t₁时电感L_S的电流为I_L，可得

在阶段一内从H桥M1传输至H桥M2的能量

(2)阶段二

在t₁时刻，H桥M2的开关管S₂′与S₃′关断，经过一定的死区时间，开关管S₁′与S₄′开通；t₂时刻，H桥M1开关管S₁与S₄关断。在t₁＜t＜t₂这个时间段内，电感L_S两端的电压U_L＝U_i-U_o′＝0，因此电感的电流不变。

在阶段二内从H桥M1传输至H桥M2的能量

(3)阶段三

在t₂时刻，H桥M1的开关管S₁与S₄关断，经过一定的死区时间，开关管S₂与S₃导通；t₃时刻，H桥M2的开关管S₁′与S₄′开通；在t₂＜t＜t₃这个时间段内，电感L_S两端的电压U_L的计算公式为：

电感L_S的电流

在阶段三内从H桥M1传输至H桥M2的能量

(4)阶段四

在t₃时刻，H桥M2的开关管S₁′与S₄′关断，经过一定的死区时间，开关管S₂′与S₃′开通；t₄时刻，H桥M1的开关管S₂与S₃关断。在t₃＜t＜t₄这个时间段内，电感L_S两端的电压U_L＝U_i-U_o′＝0，因此电感电流不变。

在阶段四内从H桥M1传输至M2的能量

综上所述，在一个开关周期内，从H桥M1传输至H桥M2的能量

W_ab＝U_iI_L(t₂-t₁)+U_iI_L(t₄-t₃) (10)

负载R_L消耗的能量

W_L＝P_LT_s (11)

其中，P_L为负载功率，T_s为开关周期。

结合式(3)、(10)和(11)，根据能量守恒定律W_ab＝W_L，可得

由于移向角

结合上述推导最终可得

考虑系统损耗时，假设系统的能量传输效率为η，那么有

ηW_ab＝W_L (15)

此时DAB的移向角

当移向角发生突变时，会造成当前开关周期内H桥M1的输出电压中含有直流分量，忽略系统损耗，假设前一个开关周期的移向角为那么此时电感L_S的电流峰值

当前开关周期，移向角突变为电感电流在突变开关周期的峰值

此时移向角突变引起的直流电流

最恶劣工况为功率满载反向传输所引起的直流电流，此时直流偏置电流I_dc达到最大值，即有

在DAB的开关频率很高的情况下，为了减小移向角突变引起的直流电流偏置，可通过移向角斜坡前馈来减小移向角所引起的直流电流，设该直流电流的变化过程为一阶电路的零输入响应，其表达式

其中，I_dc0为移向角突变引起的直流电流偏置初始值，τ＝L_S/R，R为图2中等效电路中的等效电阻R，L_S为图2中等效电路中的等效电感L_S。

当由空载突加至满载时，按照由空载至突加满载时造成的直流偏置最大值为额定电流的10％进行移向角递增时，此时每个开关周期递增的移向角

其中P_rate表示负载功率。

通过增加移相角斜坡前馈可大大减小移向角突变所引起的DAB直流电流偏置，且由于移向角斜坡上升时间短，以DAB的开关频率10kHz为例，空载至突加满载，移向角的变化时间仅为1ms，此时直流电压U_o的波动较小。

基于上述分析，基于移向角前馈的基于移向角斜坡前馈的双向全桥DC-DC变换器控制方法的结构图如图4所示，其中Uo__ref为直流电压指令，Uo为DAB输出电压即负载两端的电压，I_o为负载电流。在检测到负载发生突变时，基于移向角斜坡前馈的双向全桥DC-DC变换器控制方法主要包括以下步骤：

步骤1，获取全桥DC-DC变换器的当前移向角并计算全桥DC-DC变换器的移相角稳态值

上述全桥DC-DC变换器的移相角稳态值与全桥DC-DC变换器的输入电压、输出功率、电感、开关频率、效率以及变压器的变比有关。具体的，全桥DC-DC变换器的移相角稳态值的计算公式为：

其中，U_o为全桥DC-DC变换器的输出电压，I_o为负载电流，L_s为全桥DC-DC变换器的电感，f_s为全桥DC-DC变换器的开关频率，n为全桥DC-DC变换器中变压器的变比，η为全桥DC-DC变换器的效率，U_i为全桥DC-DC变换器的输入电压。

当然，上述计算全桥DC-DC变换器的移相角稳态值的表达式仅是一种具体的实施例，还包括该表达式的各种变形。

步骤2，若当前移向角未达到移相角稳态值以移相角稳态值为目标确定全桥DC-DC变换器在每个周期内的移向角递增量在N个周期中的第i个周期，在移相角控制指令上叠加移相角前馈量

在传统的移相控制过程中，通过将检测输出侧的直流母线电压U_o与给定的电压指令U_{o_ref}做差，将获得的差值作为PI控制器的输入，经过PI控制器对移相角进行调节，此时所获得的移相角微调量为

在传统的移相控制的基础上，增加移向角斜坡前馈来实现对移向角的最终控制，即若当前移向角未达到移相角稳态值在设定的N个周期内，取全桥DC-DC变换器在每个周期的移向角递增量为移相角稳态值与当前移向角的差值的1/N，那么在第i(0＜i≤N)个周期时，在移相角控制指令上叠加移相角前馈量其中全桥DC-DC变换器在每个周期内的移向角递增量的表达式为：

具体的，正整数N可取值为10、20或30等值，当N越大，变换器输出侧直流母线电压的波动和直流电流的超调越小，但相应的移向角的变化时间会变长，在实际应用中根据实际情况进行确定。

经过若干个周期的调节，移相角在本周期的基础上，按照一定的上升速率升至移相角的目标稳态值将移向角前馈部分与微调部分相加，得到最终的DAB移向角

基于移向角斜坡前馈的双向全桥DC-DC变换器控制装置实施例：

该控制装置包括：

用于获取全桥DC-DC变换器的当前移向角并计算全桥DC-DC变换器的移相角稳态值的单元；

用于若当前移向角未达到移相角稳态值以所述移相角稳态值为目标确定全桥DC-DC变换器在每个周期内的移向角递增量在N个周期中的第i个周期，在移相角控制指令上叠加移相角前馈量的单元。

基于移向角斜坡前馈的双向全桥DC-DC变换器控制装置，实际上是建立在上述基于移向角斜坡前馈的双向全桥DC-DC变换器控制方法上的一种计算机解决方案，即一种软件构架，该软件可以运行于双向全桥DC-DC变换器的控制设备中。由于已对控制方法进行了足够清晰完整的介绍，故对该装置中每个单元不再做详细描述。