一种基于双有源桥式变换器的多占空比调制策略和系统的制作方法

本发明属于直流储能系统用dc/dc变换器控制与调制，特别涉及一种基于双有源桥式变换器的多占空比调制策略和系统。

背景技术：

1、随着可再生能源及其发电技术的发展，直流分布式能源发电系统因具有运行可靠性高和连接不同分布式能源能力强等优点引起了人们的重视。直流分布式发电系统中的直流变换器是连接不同直流电压母线和可再生能源的接口电路，其性能与直流分布式能源发电系统的经济性、可靠性和稳定性密切相关。

2、因此直流变换器技术已成为业界研究的热点，当前最常采用的非谐振式直流变换器是双有源桥式变换器。双有源桥式变换器可以实现对传输功率的灵活操控，在输入电压存在扰动的情况下控制输出电压的恒定，并具有高效率和高功率密度的特点。在储能系统的运用中，双有源桥式变换器的高效运行能够缩短充电时间以减少对电池寿命的损害。

3、当前双有源桥式变换器的基本控制技术是移相控制，主要包括单移相控制、扩展移相控制、双重移相控制和三移相控制等。这些双有源桥式控制技术存在的主要问题是：触发脉冲占空比固定，增加了软开关区域的调制难度，限制了双有源桥式的工作范围和效率。针对移相控制软开关范围难以调整的缺点而提出的非对称占空比调制，减少了开关管电流应力并优化了软开关范围，但该调制策略的控制策略自由度仅为二，限制了控制的灵活性。

4、公开号为cn111049392a的中国发明专利公开了一种基于坐标变换的双有源桥拓展移相最小回流功率控制方法，针对拓展移相控制进行改进，提出一种基于坐标变换的双有源桥拓展移相最小回流功率控制方法，能实现降低回流功率的目标，但该专利无法在全功率等级内将回流功率优化至0且未对软开关区域进行优化控制。

5、公开号为cn114825968a的中国发明专利公开了一种一种非对称占空比加内移相混合控制方法，以原边桥的内移相比和副边桥的占空比二者为控制变量，通过优化回流功率实现减小开关管电流应力和提高双有源桥式变换器效率的目的，但由于回流功率、开关管电流应力和软开关范围三者之间关系是强耦合且非线性的，两个控制变量难以满足回流功率、开关管电流应力和软开关范围三者在不同功率等级下的同时优化。因此，需要一种更优的调制策略对双有源桥式变换器进行控制。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种基于双有源桥式变换器的多占空比调制策略和系统，提高控制的灵活性，降低相同传输功率下的电流有效值，扩展双有源桥式变换器开关管的软开关工作范围，提升双有源桥式变换器效率。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种基于双有源桥式变换器的多占空比调制策略，双有源桥式变换器包括通过电感l和高频变压器连接的一次侧h桥和二次侧h桥，一次侧h桥包括开关管q11、q12、q13、q14，二次侧h桥包括q21、q22、q23、q24，一次侧h桥的桥臂中点通过电感l与高频变压器一次侧相连，二次侧h桥的桥臂中点直接与高频变压器连接，一次侧h桥的输入端连接储能设备，二次侧h桥的输出端连接储能系统直流母线，调制策略为通过控制一次侧h桥中开关管q11触发信号和q13触发信号的占空比d1、一次侧h桥开关管q11触发信号和二次侧h桥开关管q21触发信号的外移相角度比d2以及二次侧h桥开关管q21触发信号与开关管q24触发信号的内移相角度比d3，降低相同传输功率下的电流有效值，扩展双有源桥式变换器中开关管的零电压开关范围，提升双有源桥式变换器效率，实现双有源桥式变换器控制器的优化运行。

4、进一步的，一次侧h桥中开关管q11和q13的触发信号占空比d1相等；一次侧h桥中开关管q12的触发信号与开关管q14的触发信号占空比为(1-d1)；一次侧h桥中开关管q11的触发信号与二次侧h桥中开关管q21的触发信号外移相角度比d2、一次侧h桥中开关管q12的触发信号与二次侧h桥中开关管q22的触发信号外移相角度比d2均相等；二次侧h桥开关管q21的触发信号与开关管q24的触发信号的内移相角度比d3与开关管q22的触发信号与开关管q23的触发信号内移相角度比d3相等。

5、进一步的，调制策略包括以下步骤：

6、步骤1，根据测量得到的输入电压v1和输出电压v2，计算出电压匹配比k；

7、步骤2，根据测量得到的输出电压v2与输出电压给定值v2ref，作差后经过比例积分控制器得到一次侧h桥开关管q11触发信号和二次侧h桥开关管q21触发信号的外移相角度比d2；

8、步骤3，确定当前工作模式及其功率给定值pref和运行边界约束条件；

9、步骤4，根据计算得到的传输功率p和功率给定值pref，计算出传输功率的标幺值p*；

10、步骤5，根据电压匹配比k、外移相角度比d2，基于matlab中的fmincon函数，求解得到最优运行状态(d1(opt)、d2(opt)、d3(opt))；

11、步骤6，根据最优运行状态(d1(opt)、d2(opt)、d3(opt))，得到开关管q11、q12、q13、q14、q21、q22、q23、q24的触发信号。

12、进一步的，双有源桥式变换器包括正向升压工作模式、反相升压工作模式，其中，正向升压工作模式的多占空比调制策略中一次侧h桥触发信号占空比d1、一次侧h桥与二次侧h桥的外移相角度比d2、二次侧h桥的内移相角度比d3应当满足边界约束条件：

13、

14、反相升压工作模式的多占空比调制策略中一次侧h桥触发信号占空比d1、一次侧h桥与二次侧h桥的外移相角度比d2、二次侧h桥的内移相角度比d3应当满足边界约束条件：

15、

16、进一步的，正向升压工作模式中，全部开关管q11、q12、q13、q14、q21、q22、q23、q24均可实现零电压开关。

17、进一步的，正向升压工作模式和反向升压工作模式下，双有源桥式变换器的传输功率最大值其中n为高频变压器变比，fs为开关频率，v1为输入电压，v2为输出电压，l为电感值。

18、进一步的，根据电感的伏秒原理和正向升压工作模式稳态下的电流得到正向升压工作模式的传输功率表达式为：

19、

20、式中，n为高频变压器变比，fs为开关频率，v1为输入电压，v2为输出电压，l为电感值。

21、进一步的，根据电感的伏秒原理和反相升压工作模式稳态下的电流得到反相升压工作模式的传输功率表达式为：

22、

23、式中，n为高频变压器变比，fs为开关频率，v1为输入电压，v2为输出电压，l为电感值。

24、进一步的，matlab中的fmincon函数为：

25、min f(x)

26、

27、其中，f(x)为优化目标，x为影响影响求解目标的相关变量，ax≤b为待优化目标的非等式约束，aeqx＝beq为待优化目标的等式约束；

28、优化目标为电流有效值，其表达式为：

29、

30、其中电压匹配比为给定值，占空比d1,d2和d3为待求解量；

31、每个开关瞬间，双有源桥式变换器的开关管电流存在约束条件：

32、ijk(tswtich)<0,(j＝1,2；k＝1,2,3,4)

33、此约束条件即是fmincon函数优化的不等式约束条件；

34、p＝pref

35、此约束条件为fmincon函数优化的等式约束条件。

36、本发明还提供一种应用基于双有源桥式变换器的多占空比调制策略的系统，系统包括：

37、传感器模块，用于实时采集输入电压v1、输出电压v2与传输功率p；

38、数据处理模块，用于将输出电压v2与输出电压给定值v2ref作差，将偏差值进行pi控制，得到一次侧h桥与二次侧h桥的外移相角度比d2，根据基于双有源桥式变换器的多占空比调制策略，计算出最优运行状态(d1(opt)、d2(opt)、d3(opt))，由最优运行状态计算出双有源桥式变换器所有开关管的触发信号；

39、开关管驱动模块，用于将触发信号转换成驱动信号以控制双有源桥式变换器的开关管的通断。

40、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

41、本发明提供的一种基于双有源桥式变换器的多占空比调制策略，相比于非对称占空比调制和传统移相控制仅具有一个或两个控制变量，难以兼顾开关管电流应力和软开关范围等与变换器效率指标密切相关的优化目标，本发明提供的调制策略具有三个控制变量，从而提高了控制灵活度，能够在不同功率等级下实现开关管电流应力和软开关范围的同步优化，进而提高双有源桥式变换器的效率；

42、本发明提供的一种基于双有源桥式变换器的多占空比调制策略，相比于非对称占空比调制和传统移相控制，扩展了zvs区域，降低了相同传输功率下的电流有效值，扩展了双有源桥式变换器开关管的软开关工作范围，有效提升了双有源桥式变换器效率。

43、本发明提供的调制策略中具有较多的控制变量，且开关管电流应力和软开关范围二者之间存在复杂的非线性耦合关系。多控制变量和优化目标之间的复杂非线性关系是实现变换器运行状态优化的主要障碍。本发明提供的调制策略优化算法，借助matlab中fmincon函数实现，相较于传统优化方法，具有操作复杂度低和优化速度快的优点。