全负载范围ZVS下DAB变换器电流应力的优化方法

本发明属新能源应用领域，具体包含储能、微电网、电动汽车等需要实现功率双向流动的领域，涉及一种全负载范围zvs下dab变换器电流应力的优化方法。

背景技术：

1、以风、光、储、氢等多种可再生能源的多态能源微电网系统越来越被广泛使用。作为能量传递的核心部件，dab变换器因其具有功率密度高、电气隔离、易于实现功率的双向流动、宽输出电压范围、高增益等优点，与多dab能量转换系统广泛应用于微电网系统中以解决风、光、储、氢等多种能源输出电压波动范围宽的问题，但在轻载、大电压波动范围下系统存在转换效率低的问题。

2、dab的效率提升主要是通过优化电流应力或回流功率来减小导通损耗以及实现开关管的软开关来降低开关损耗。dab的单移相控制(sps)具有控制简单、易于实现等特点，但当输入输出电压不匹配时，系统电流应力和回流功率增大，以及无法实现全负载范围软开关。扩展移相(eps)、双移相(dps)调制通过优化移相比，能进一步减小电流应力，扩大zvs的范围、但优化得到的只是局部最优解，部分开关管仍处于硬开关。而tps由于存在三个控制自由度，控制更加灵活性，在实现开关管的软开关方面具有更大的优势，通过采用优化控制方法，能进一步的扩大zvs范围，降低系统开关损耗和导通损耗。

3、然而，基于三自由度的tps调制，现有的dab变换器整机效率优化仍然有一定的缺陷和不足，主要集中在：

4、1、在减小变换器开关损耗方面，一部分控制策略只能实现部分开关管的zvs，其他开关管仍处于硬开关；或者部分开关管实现zvs，另一部分只能实现zcs，无法实现全器件的zvs。这对于工作在高频、高压应用场景的宽禁带器件，其开通损耗占开关损耗的主要部分，系统开关损耗大，效率低。

5、2、现有文献针对dab变换器的研究大多都是在降压情况，对于升降压双向分析较少，变换器的增益范围窄，很难应用于实际系统中dab变换器的宽输出电压波动情况；且控制策略较少分析反向传输功率的情况，当功率反向传输时，控制策略优化不足。

技术实现思路

1、本发明为了克服现有技术存在的不足之处，并考虑实际工况中电压波动的宽范围，提出了种全负载范围zvs下dab变换器电流应力的优化方法，以期能在升降压情况下，dab变换器在全负载范围内所有开关管都能实现零电压开通zvs，并且具有优化的电流应力，从而减小dab变换器的开关损耗和导通损耗，并能提升变换器整机运行效率。

2、本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：

3、本发明一种全负载范围zvs下dab变换器电流应力的优化方法的特点在于，是按照以下步骤进行：

4、步骤1：令dab变换器的原边桥内移相比为d1、原副边桥间移相比为d2以及副边桥内移相比为d3；

5、当dab变换器工作在升降压情况时，所述dab变换器满足升压和降压的零电压开通zvs条件下的六种工作模式包括：模式b、模式d、模式f、模式g、模式j、模式k；

6、且每个模式的移相比范围包括：

7、模式b：d3-1≤d1≤d2；1≤d3≤1+d2；0≤d2≤1；

8、模式d：0≤d1≤d2；d2≤d3≤1；0≤d2≤1；

9、模式f：d3≤d1≤1；d2≤d3≤1；0≤d2≤1；

10、模式g：0≤d1≤d3；0≤d3≤d2+1；-1≤d2≤0；

11、模式j：0≤d1≤1+d2；d2≤d3≤0；-1≤d2≤0；

12、模式k：1+d2≤d1≤1+d3；d2≤d3≤0；-1≤d2≤0；

13、当dab变换器工作在降压情况时，所述dab变换器满足升压和降压的零电压开通zvs条件下的五种工作模式包括：模式b、模式d、模式f、模式j、模式k；

14、当dab变换器工作在升压情况时，所述dab变换器满足升压和降压的零电压开通zvs条件下的五种工作模式包括：模式b、模式d、模式g、模式j、模式k；

15、步骤2：根据式(1)得到各工作模式对应的电感电流的零电压开通zvs条件：

16、

17、式(1)中，il(t0)、il(t1)、il(t2)、il(t3)、il(t4)分别表示半个周期内t0、t1、t2、t3、t4时刻下dab变换器的开关管动作时刻的电感电流标幺值；k表示电压传输比，且k＝vi/(nvo)，vi为dab变换器的输入电压，vo为dab变换器的输出电压，n为高频变压器变比，当k>1时，表示dab变换器工作在降压情况，当k<1时，表示dab变换器工作在升压情况；

18、步骤3：利用式(2)求解六种工作模式下的传输功率标幺值；

19、

20、式(2)中，pb、pd、pf、pg、pj、pk分别表示模式b、模式d、模式f、模式g、模式j、模式k下的传输功率标幺值；

21、步骤4：利用式(3)得到dab变换器在单移相sps控制和六种工作模式下的电流应力标幺值；

22、

23、式(3)中，ipb、ipd、ipf、ipg、ipj、ipk为模式b、模式d、模式f、模式g、模式j、模式k下的电流应力标幺值，ip-sps为单移相sps控制下的电流应力标幺值；p为传输功率标幺值；

24、步骤5：利用式(4)建立软开关约束条件下最小电流应力的数学模型：

25、

26、式(4)中，ipi为模式i下的电流应力；i＝b、d、f、g、j、k；pi为模式i的传输功率；gi为模式i下对应的电感电流的零电压开通zvs条件以及移相比范围条件；

27、步骤6：采用卡鲁什库恩塔克法对式(4)进行求解，并优化dab变换器的移相比以实现全负载范围内全部开关管零电压开通zvs，从而得到在升、降压情况下全负载范围内零电压开通zvs条件下的电流最优功率范围以及最优移相比统一表达式；

28、步骤7：所述dab变换器工作在升降压双向全负载范围内，依据所述最优移相比统一表达式对dab变换器进行闭环控制，从而使得dab变换器在升降压双向全负载范围内实现全部开关管的电压开通zvs且具有优化的电流应力。

29、本发明所述的一种全负载范围zvs下dab变换器电流应力的优化方法的特点也在于，所述步骤6中的电流最优功率范围以及最优移相比统一表达式包括：

30、降压情况下，对模式b，模式d，模式f，模式j，模式k分别进行电流应力优化，得到模式d和模式f的电流最优的功率范围，包括：模式d的电流最优的功率范围为2(k-1)/k2～1，模式f的电流最优的功率范围为0～2(k-1)/k2；

31、进一步对模式f的移相比进行优化，得到如式(5)所示的模式d与模式f的最优移相比统一表达式：

32、

33、式(5)中，d1opt(d)、d2opt(d)、d3opt(d)为模式d的最优原边桥内移相比、原副边桥间移相比以及副边桥内移相比，d1opt(f)、d2opt(f)、d3opt(f)为模式f的最优原边桥内移相比、原副边桥间移相比以及副边桥内移相比；α为模式f的移相比偏移系数；

34、在升压情况下，对模式b，模式d，模式g，模式j，模式k进行电流应力优化，得到模式d和模式f的电流最优的功率范围，包括：模式d的电流最优的功率范围为2k(1-k)～1，模式g的电流最优的功率范围为0～2k(1-k)；

35、进一步对模式g的移相比进行优化，得到如式(6)所示的模式d与模式g的最优移相比统一表达式：

36、

37、式(6)中，d1opt(g)、d2opt(g)、d3opt(g)为模式g的最优原边桥内移相比、原副边桥间移相比以及副边桥内移相比；β为模式g的移相比偏移系数。

38、本发明一种电子设备，包括存储器以及处理器的特点在于，所述存储器用于存储支持处理器执行所述优化方法的程序，所述处理器被配置为用于执行所述存储器中存储的程序。

39、本发明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程序的特点在于，所述计算机程序被处理器运行时执行所述优化方法的步骤。

40、与已有技术相比，本发明的有益效果是：

41、1、本发明通过对tps控制的12种工作模式的划分，筛选出满足zvs条件的模式，在1/2≤k≤2的宽电压范围内，当k>1时，采用tps模式d与f优化控制策略；k<1时，采用tps模式d与g优化控制策略，并给出了全负载范围内的电流最优移相比统一表达式，从而实现了升降压双向全负载范围全部开关管的zvs。

42、2、本发明优化控制策略在全功率范围内实现全部开关管的zvs。对于高频高压应用场合，损耗降低的更为明显，所提优化控制策略更有优势。并且对电流应力进行优化，降低了变换器的导通损耗。相比于传统单移相控制有效地提升系统效率，尤其是轻载时效率提升效果更为显著。