一种DAB变换器软开关域优化控制方法及系统与流程

一种dab变换器软开关域优化控制方法及系统
技术领域
1.本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种dab变换器软开关域优化控制方法及系统。


背景技术：

2.为应对全球气候变化问题，风电、光伏等新能源发电渗透率与日俱增，光伏发电正向规模化和并网集中化发展。双有源dc/dc变换器(dab)因功率双向流动、电气隔离以及运行效率高等优点，在大规模光伏发电领域具有巨大应用潜力。提高dab的功率密度，降低其成本，利用软开关优化提升dab的运行效率是关键。传统单移相控制方式(sps)在dab两侧电压不匹配时，易出现软开关失败情况，器件开关损耗大幅增加，降低了转换效率，增加了冷却系统的成本。继而采用双移相控制方式(dps)可扩展软开关运行范围，但增加了控制算法的复杂度。


技术实现要素：

3.因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的传统单移相控制方式在dab两侧电压不匹配时，易出现软开关失败情况，器件开关损耗大幅增加的缺陷，以及双移相控制方式增加了控制算法的复杂度的缺陷，从而提供一种dab变换器软开关域优化控制方法及系统。
4.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
5.第一方面，本发明实施例提供一种dab变换器软开关域优化控制方法，dab变换器一次侧连接光伏电池板，dab变换器二次侧连接并网装置直流单元，包括：根据光伏电压参考值、实时获取dab变换器一次侧分压电容电压及二次侧输出电压，计算软开关区域控制量边界值、零电压占空比及移相比；根据软开关区域控制量边界值、零电压占空比及移相比，结合滞环控制方法，确定dab变换器的占空比指令及移相比指令；根据实时获取dab变换器一次侧分压电容电压，利用电压平衡方法，对dab变换器的占空比指令进行修正；基于修正后的dab变换器的占空比指令及移相比指令，利用预设调制方法，得到dab变换器的开关触发信号，开关触发信号用于控制dab变换器的运行状态。
6.在一实施例中，dab变换器由anpc变换器、高频变压器及h全桥变换器构成，anpc变换器及h全桥变换器通过高频变压器连接，计算软开关区域控制量边界值的过程，包括：采集dab变换器一次侧分压电容电压及二次侧输出电压；基于分压电容电压、二次侧输出电压以及高频变压器变比，计算dab两侧电压匹配系数；基于dab变换器内部器件死区时间、开关频率以及dab两侧电压匹配系数，计算软开关区域控制量边界值，软开关区域控制量边界值包括：移相比上边界值、占空比上边界值、占空比下边界值。
7.在一实施例中，计算零电压占空比及移相比的过程，包括：采集dab变换器一次侧两个分压电容的电压及二次侧输出电压；基于dab变换器一次侧两个分压电容的电压及二次侧输出电压，计算光伏电压；将光伏电压参考值与光伏电压的差值进行比例积分后，得到
零电压占空比，将光伏参考值与光伏电压的差值取反后进行比例积分后，得到移相比。
8.在一实施例中，根据软开关区域控制量边界值、零电压占空比及移相比，结合滞环控制方法，确定dab变换器的占空比指令及移相比指令的过程，包括：利用软开关区域控制量边界值，将dab变换器分为两个不同运行功率对应的运行模式；根据移相比、移相比的边界附加极小量、软开关区域控制量边界值、滞环控制参数，选择对应的运行模式，以确定dab变换器的占空比指令及移相比指令。
9.在一实施例中，选择对应的运行模式，以确定dab变换器的占空比指令及移相比指令的过程，包括：根据移相比的边界附加极小量，判断移相比是否处于移相比上边界值预设范围内；当移相比未处于移相比上边界值预设范围内时，比较移相比与移相比上边界值大小，并基于比较结果，确定dab变换器的占空比指令及移相比指令；当移相比处于移相比上边界值预设范围内时，根据滞环控制参数，确定dab变换器的软开关占空比指令及软开关移相比指令。
10.在一实施例中，基于比较结果，确定dab变换器的占空比指令及移相比指令的过程，包括：当移相比大于移相比上边界值时，将占空比下边界值作为dab变换器的占空比指令，将移相比作为dab变换器的移相比指令；当移相比小于移相比上边界值时，将占空比上边界值作为dab变换器的占空比指令，将移相比作为dab变换器的移相比指令；当移相比等于移相比上边界值时，将零电压占空比作为dab变换器的占空比指令，将移相比上边界值作为dab变换器的移相比指令。
11.在一实施例中，设置两个滞环，则计算滞环控制参数过程，包括：将移相比上边界值与移相比的边界附加极小量的和值，作为上滞环的第一参数；将上滞环的第一参数与滞环宽度的和值作为上滞环的第二参数；将移相比上边界值与移相比的边界附加极小量的差值，作为下滞环的第一参数；将下滞环的第一参数与滞环宽度的差值作为下滞环的第二参数。
12.在一实施例中，根据滞环控制参数，确定dab变换器的占空比指令及移相比指令的过程，包括：当上滞环位于高位时，将占空比下边界值作为dab变换器的占空比指令，将移相比作为dab变换器的移相比指令；当下滞环位于低位时，将占空比上边界值作为dab变换器的占空比指令，将移相比作为dab变换器的移相比指令；当上滞环不位于高位，且下滞环不位于低位时，将零电压占空比作为dab变换器的占空比指令，将移相比上边界值作为dab变换器的移相比指令。
13.在一实施例中，根据实时获取dab变换器一次侧分压电容电压，利用电压平衡方法，对dab变换器的占空比指令进行修正的过程，包括：采集dab变换器一次侧两个分压电容的电压；将两个分压电容的电压的差值进行比例、限幅控制后，得到占空比微调量；利用占空比微调量对anpc变换器正负电平的占空比进行修正。
14.第二方面，本发明实施例提供一种dab变换器软开关域优化控制系统，包括：第一计算模块，用于根据光伏电压参考值、实时获取dab变换器一次侧分压电容电压及二次侧输出电压，计算软开关区域控制量边界值、零电压占空比及移相比；第二计算模块，用于根据软开关区域控制量边界值、零电压占空比及移相比，结合滞环控制方法，确定dab变换器的占空比指令及移相比指令；修正模块，用于根据实时获取dab变换器一次侧分压电容电压，利用电压平衡方法，对dab变换器的占空比指令进行修正；调制模块，用于基于修正后的dab
变换器的占空比指令及移相比指令，利用预设调制方法，得到dab变换器的开关触发信号，开关触发信号用于控制dab变换器的运行状态。
15.第三方面，本发明实施例提供一种计算机设备，包括：至少一个处理器，以及与至少一个处理器通信连接的存储器，其中，存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器执行本发明实施例第一方面的dab变换器软开关域优化控制方法。
16.第四方面，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机指令，计算机指令用于使计算机执行本发明实施例第一方面的dab变换器软开关域优化控制方法。
17.本发明技术方案，具有如下优点：
18.本发明提供的dab变换器软开关域优化控制方法及系统，根据光伏电压参考值、实时获取dab变换器一次侧分压电容电压及二次侧输出电压，计算软开关区域控制量边界值、零电压占空比及移相比；根据软开关区域控制量边界值、零电压占空比及移相比，结合滞环控制方法，确定dab变换器的占空比指令及移相比指令；根据实时获取dab变换器一次侧分压电容电压，利用电压平衡方法，对dab变换器的占空比指令进行修正；基于修正后的dab变换器的占空比指令及移相比指令，利用预设调制方法，得到dab变换器的开关触发信号，开关触发信号用于控制dab变换器的运行状态。本发明利用占空比可调能力，采用优化移相控制策略，相比于传统单移相控制策略，显著提高了dab半载附近的软开关运行能力，提升了光伏变换器全工况范围内的运行效率。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为本发明实施例提供的dab变换器拓扑图；
21.图2为本发明实施例提供的anpc半桥型dab交流电压电流波形；
22.图3为本发明实施例提供的dab软开关运行边界示意图；
23.图4为本发明实施例提供的优化控制方法一个具体示例的流程图；
24.图5为本发明实施例提供的dab优化控制策略框图；
25.图6为本发明实施例提供的dab控制模式切换流程图；
26.图7为本发明实施例提供的优化控制系统一个具体示例的组成图；
27.图8为本发明实施例提供的计算机设备一个具体示例的组成图。
具体实施方式
28.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
29.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
30.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
31.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
32.实施例1
33.随着光伏组件直流电压的提升，光伏变换器单元越来越多采用三电平拓扑结构，三电平半桥可自然输出占空比可调的电压方波，前级为三电平半桥，后级为h全桥结构的dab同样具有双控制自由度，可以优化dab的运行状态。图1为光伏用dab电路结构，该dab变换器一次侧采用有源中点钳位型三电平电路(anpc)，二次侧为h全桥电路，两侧由高频变压器相连，一次侧接光伏电池板，二次侧接并网装置直流单元，其中l1表示换流电感，包括高频变压器等效漏感和辅助电感总和，u1和u2分别表示处于变压器光伏侧的anpc和h桥方波电压。
34.图2为本发明实施例的dab变换器，运行电压电流波形图，由图2可知，控制占空比和移相比即可调节电感电流平均值，进而控制dab传输功率。
35.图3为不同电压匹配条件系数k下，dab运行在软开关的功率区域，以u1为基准，u2用k进行表示，功率以最大功率pn为基准进行标幺，得不同k时的功率边界如下：
[0036][0037]
式中p
min
表示k《1时软开关功率边界值，低于此值将软开关失败，p
edg
表示k》1时两种软开关模式的功率切换边界。以光伏最高电压1500v，输出电压1000v考虑，光伏基本均可处于软开关状态。
[0038]
本发明实施例为了实现光伏全工况范围内软开关运行，综合优化anpc半桥占空比和两侧电压波形移相角，使dab达到高效运行状态。本发明实施例提供的dab变换器软开关域优化控制方法，如图4所示，包括：
[0039]
步骤s11：根据光伏电压参考值、实时获取dab变换器一次侧分压电容电压及二次
侧输出电压，计算软开关区域控制量边界值、零电压占空比及移相比。
[0040]
可选地，dab变换器由anpc变换器、高频变压器及h全桥变换器构成，anpc变换器及h全桥变换器通过高频变压器连接，计算软开关区域控制量边界值的过程，包括：
[0041]
(1)采集dab变换器一次侧分压电容电压及二次侧输出电压。
[0042]
(2)基于分压电容电压、二次侧输出电压以及高频变压器变比，计算dab两侧电压匹配系数。
[0043]
具体地，采集dab一次侧分压电容电压u
c1
和u
c2
、输出电压u
dc2
，计算的光伏电压u
pv
为分压电容之和，以及dab两侧电压匹配系数k，表达式为：
[0044][0045]
式中，n表示高频变压器二次侧对一次侧的变比。
[0046]
(3)基于dab变换器内部器件死区时间、开关频率以及dab两侧电压匹配系数，计算软开关区域控制量边界值，软开关区域控制量边界值包括：移相比上边界值、占空比上边界值、占空比下边界值。
[0047]
具体地，根据电压匹配系数k计算软开关区域控制量边界值，两重控制量定义为：
[0048][0049]
式中，d
α
、d
β
分别是零电压占空比及移相比。
[0050]
控制量边界表达式为：
[0051][0052]
式中，td表示器件死区时间，fs表示开关频率，d
αmin
为占空比下边界值，d
αedg
为占空比上边界值，d
βedg
为移相比上边界值。
[0053]
可选地，计算零电压占空比及移相比的过程，包括：
[0054]
(1)采集dab变换器一次侧两个分压电容的电压及二次侧输出电压。
[0055]
(2)基于dab变换器一次侧两个分压电容的电压及二次侧输出电压，计算光伏电压。
[0056]
(3)将光伏电压参考值与光伏电压的差值进行比例积分后，得到零电压占空比d
α1
，将光伏参考值与光伏电压的差值取反后进行比例积分后，得到移相比d
β1
。
[0057]
具体地，图5为本发明的dab优化控制策略框图，光伏电压参考值u
pvref
与光伏电压实际值u
pv
作差得误差量δu
pv
输入pi控制器生成控制量，其中pi控制器ⅰ生成零电压占空比d
α1
，pi控制器ⅱ生成反向的移相比-d
β1
。
[0058]
步骤s12：根据软开关区域控制量边界值、零电压占空比及移相比，结合滞环控制方法，确定dab变换器的占空比指令及移相比指令。
[0059]
具体地，本发明实施例为避免移相比d
β1
在移相比上边界d
βedg
附近波动时，计算得到的dab变换器的占空比指令及移相比指令频繁改变，采用滞环来避免上述情况。
[0060]
可选地，根据软开关区域控制量边界值、零电压占空比及移相比，结合滞环控制方法，确定dab变换器的占空比指令及移相比指令的过程，包括：(1)利用软开关区域控制量边界值，将dab变换器分为两个不同运行功率对应的运行模式；(2)根据移相比、移相比的边界附加极小量、软开关区域控制量边界值、滞环控制参数，选择对应的运行模式，以确定dab变换器的占空比指令及移相比指令。
[0061]
可选地，选择对应的运行模式，以确定dab变换器的占空比指令及移相比指令的过程，包括：
[0062]
(1)根据移相比的边界附加极小量，判断移相比是否处于移相比上边界值预设范围内。
[0063]
具体地，通过零电压移相比d
β1
、移相比的边界附加极小量δ以及滞环宽度，判断零电压移相比d
β1
是否在移相比上边界值d
βdeg
附近，其中，设置两个滞环，则计算滞环控制参数过程，包括：
[0064]
①
将移相比上边界值与零电压移相比的边界值极小量的和值，作为上滞环的第一参数；将上滞环的第一参数与滞环宽度的和值作为上滞环的第二参数。
[0065]
②
将移相比上边界值与零电压移相比的边界值极小量的差值，作为下滞环的第一参数；将下滞环的第一参数与滞环宽度的差值作为下滞环的第二参数。
[0066]
具体地，设定滞环宽度为h，则d
β1
在穿越边界时的上、下滞环表达式为：
[0067][0068]
式中，δ为确保d
β
可以运行在其边界值的极小量，h
′1为下滞环的第一参数，h1为下滞环的第二参数，h
′2为上滞环的第一参数，h2为上滞环的第二参数。
[0069]
(2)当移相比未处于移相比上边界值预设范围内时，比较移相比与移相比上边界值大小，并基于比较结果，确定dab变换器的占空比指令及移相比指令。
[0070]
具体地，当移相比d
β1
不在dab变换器的移相比上边界值d
βdeg
附近时，则确定dab变换器的占空比指令及移相比指令的过程包括：
[0071]
①
当移相比大于移相比上边界值时，将占空比下边界值作为dab变换器的占空比指令，将移相比作为dab变换器的移相比指令。
[0072]
②
当移相比小于移相比上边界值时，将占空比上边界值作为dab变换器的占空比指令，将移相比作为dab变换器的移相比指令。
[0073]
③
当移相比等于移相比上边界值时，将零电压占空比作为dab变换器的占空比指
令，将移相比上边界值作为dab变换器的移相比指令。
[0074]
具体地，根据d
β1
与控制边界的大小关系选择dab运行模式：若d
β1
＞d
βedg
，则取dab变换器的移相比d
βref
＝d
β1
，dab变换器的占空比d
αref
＝d
αmin
；若d
β1
＜d
βedg
，则取d
βref
＝d
β1
，d
αref
＝d
αedg
；若d
β1
＝d
βedg
，则取d
βref
＝d
βedg
，d
αref
＝d
α1
。为防anpc半桥直通，d
αref
最小限幅于d
αmin
。
[0075]
(3)当移相比处于移相比上边界值预设范围内时，根据滞环控制参数，确定dab变换器的软开关占空比指令及软开关移相比指令。
[0076]
具体地，当移相比d
β1
在移相比上边界值d
βedg
附近时，则确定dab变换器的占空比指令及移相比指令的过程包括：
[0077]
①
当上滞环位于高位时，将占空比下边界值作为dab变换器的占空比指令，将移相比作为dab变换器的移相比指令。
[0078]
②
当下滞环位于低位时，将占空比上边界值作为dab变换器的占空比指令，将移相比作为dab变换器的移相比指令。
[0079]
③
当上滞环不位于高位，且下滞环不位于低位时，将零电压占空比作为dab变换器的占空比指令，将移相比上边界值作为dab变换器的移相比指令。
[0080]
具体地，如图6所示，为防止d
β1
在d
βedg
附近波动时模式频繁切换，引入两个滞环进行模式切换，下滞环h1处于低位时，d
αref
＝d
αedg
，dab变换器的移相比指令d
βref
＝d
β1
；上滞环h2处于高位时，d
αref
＝d
αmin
，dab变换器的移相比指令d
βref
＝d
β1
；其余状态将d
β1
冻结于d
βedg
，且d
αref
＝d
α1
。
[0081]
步骤s13：根据实时获取dab变换器一次侧分压电容电压，利用电压平衡方法，对dab变换器的占空比指令进行修正。
[0082]
可选地，为防anpc分压电容失衡，占空比中加入电压平衡策略，包括：
[0083]
①
采集dab变换器一次侧两个分压电容的电压。
[0084]
②
将两个分压电容的电压的差值进行比例、限幅控制后，得到占空比微调量。
[0085]
③
利用占空比微调量对anpc变换器正负电平的占空比指令进行修正。
[0086]
具体地，如图5所示，上下分压电容电压差值经过p控制器，得到占空比微调量δd，上下桥占空比表达式为：
[0087][0088]
式中，d
αpref
、d
αnref
修正后的anpc上下桥臂器件占空比，kb为p控制器比例系数。
[0089]
步骤s14：基于修正后的dab变换器的占空比指令及移相比指令，利用预设调制方法，得到dab变换器的开关触发信号，开关触发信号用于控制dab变换器的运行状态。
[0090]
具体地，如图5所示，将d
αpref
、d
αnref
和d
βref
均输入anpc调制模块，副边h桥调制模块输出恒定50％电压方波调制信号并作为参考。
[0091]
需要说明的是，本发明实施例提供的anpc半桥型dab软开关区域优化控制策略，不局限于光伏发电领域用dab模块，还可用于直流变压器等其他变换器所属的dab模块；全工况软开关区域表示方法包括但不限于anpc半桥型dab变换器、两侧h桥dab变换器等拓扑结
构。
[0092]
实施例2
[0093]
本发明实施例提供一种dab变换器软开关域优化控制系统，如图7所示，包括：
[0094]
第一计算模块1，用于根据光伏电压参考值、实时获取dab变换器一次侧分压电容电压及二次侧输出电压，计算软开关区域控制量边界值、零电压占空比及移相比；此模块执行实施例1中的步骤s11所描述的方法，在此不再赘述。
[0095]
第二计算模块2，用于根据软开关区域控制量边界值、零电压占空比及移相比，结合滞环控制方法，确定dab变换器的占空比指令及移相比指令；此模块执行实施例1中的步骤s12所描述的方法，在此不再赘述。
[0096]
修正模块3，用于根据实时获取dab变换器一次侧分压电容电压，利用电压平衡方法，对dab变换器的占空比指令进行修正；此模块执行实施例1中的步骤s13所描述的方法，在此不再赘述。
[0097]
调制模块4，用于基于修正后的dab变换器的占空比指令及移相比指令，利用预设调制方法，得到dab变换器的开关触发信号，开关触发信号用于控制dab变换器的运行状态；此模块执行实施例14中的步骤s1所描述的方法，在此不再赘述。
[0098]
实施例3
[0099]
本发明实施例提供一种计算机设备，如图8所示，包括：至少一个处理器401，例如cpu(central processing unit，中央处理器)，至少一个通信接口403，存储器404，至少一个通信总线402。其中，通信总线402用于实现这些组件之间的连接通信。其中，通信接口403可以包括显示屏(display)、键盘(keyboard)，可选通信接口403还可以包括标准的有线接口、无线接口。存储器404可以是高速ram存储器(ramdom access memory，易挥发性随机存取存储器)，也可以是非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。存储器404可选的还可以是至少一个位于远离前述处理器401的存储装置。其中处理器401可以执行实施例1的dab变换器软开关域优化控制方法。存储器404中存储一组程序代码，且处理器401调用存储器404中存储的程序代码，以用于执行实施例1的dab变换器软开关域优化控制方法。
[0100]
其中，通信总线402可以是外设部件互连标准(peripheral component interconnect，简称pci)总线或扩展工业标准结构(extended industry standard architecture，简称eisa)总线等。通信总线402可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图8中仅用一条线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
[0101]
其中，存储器404可以包括易失性存储器(英文：volatile memory)，例如随机存取存储器(英文：random-access memory，缩写：ram)；存储器也可以包括非易失性存储器(英文：non-volatile memory)，例如快闪存储器(英文：flash memory)，硬盘(英文：hard disk drive，缩写：hdd)或固降硬盘(英文：solid-state drive，缩写：ssd)；存储器404还可以包括上述种类的存储器的组合。
[0102]
其中，处理器401可以是中央处理器(英文：central processing unit，缩写：cpu)，网络处理器(英文：network processor，缩写：np)或者cpu和np的组合。
[0103]
其中，处理器401还可以进一步包括硬件芯片。上述硬件芯片可以是专用集成电路(英文：application-specific integrated circuit，缩写：asic)，可编程逻辑器件(英文：
programmable logic device，缩写：pld)或其组合。上述pld可以是复杂可编程逻辑器件(英文：complex programmable logic device，缩写：cpld)，现场可编程逻辑门阵列(英文：field-programmable gate array，缩写：fpga)，通用阵列逻辑(英文：generic array logic,缩写：gal)或其任意组合。
[0104]
可选地，存储器404还用于存储程序指令。处理器401可以调用程序指令，实现如本技术执行实施例1中的dab变换器软开关域优化控制方法。
[0105]
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令可执行实施例1的dab变换器软开关域优化控制方法。其中，存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-only memory，rom)、随机存储记忆体(random access memory，ram)、快闪存储器(flash memory)、硬盘(hard disk drive，缩写：hdd)或固降硬盘(solid-state drive，ssd)等；存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。
[0106]
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。