LCL型谐振变换器的扩展三自由度调制控制方法及系统

本发明涉及dc-dc变换器的调制控制，具体的涉及一种lcl型谐振变换器的扩展三自由度调制控制方法及系统。

背景技术：

1、传统海洋石油平台供电系统从船舶单独供电和平台单独供电，再到海上油气平台群联合供电、特大型深海工程船舶的智能化供电以及远岸海岛供电的复杂大环网。现如今随着新能源利用技术日趋发展成熟，充分利用海洋丰富的风能、潮汐能、波浪能等新能源进行发电，形成一个集发电、输电、储能为一体的直流微网系统。

2、dc-dc变换器作为直流微网系统中的接口电路，应用非常广泛。在储能、能量双向流动、双极性母线配电等方面扮演着不可或缺的角色。因此，具有高效率、高电压比的直流变换器的研究是有意义的。

3、双有源桥（dab）变换器因其高效率、高功率密度等特点成为研究和应用最广泛的双向功率转换器拓扑结构之一。此外，具有二阶及高阶的谐振变换器因结构特点，具有扩展zvs、减小回流功率及谐振电流等优点也被广泛研究及应用。

4、目前，为了提高变换器效率，学者们提出了不同调制方法。传统的单移相控制会使得变换器运行过程中存在回流功率的问题，且开关管难以实现zvs；拓展移相控制可以减少无功环流和电流应力，增加开关的软开关范围；双重移相控制也可以降低了变换器的无功环流和损耗；三重移相控制使变换器在轻载条件下也可以实现软开关，有效减少了无功环流和电流应力，但是加大了控制的复杂度。然而，无论哪种移相方法，都很难对回流功率和开关损耗同时进行优化，极大地限制了变换器性能的提升。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种lcl型谐振变换器的扩展三自由度调制控制方法及系统，在保证优化回流功率的条件下，又扩展了开关管zvs范围。同时采取最小导损控制策略优化导通损耗。从整体上提高了变换器的工作范围及效率，提高了电能变换的质量。

2、实现本发明目的的技术解决方案为：

3、一种lcl型谐振变换器的扩展三自由度调制控制方法，包括以下步骤：

4、s01：调节lcl型谐振变换器的输入侧全桥电压为三电平波形，调节输出侧全桥电压为三电平波形，所述输出侧全桥电压滞后输入侧全桥电压相位；

5、s02：输入侧全桥电压超前输入侧谐振电流的相位为，输出侧全桥电压滞后输入侧谐振电流的相位为，通过调节的大小，在保证优化回流功率的同时，扩展零电压开关；

6、s03：采用基波近似法进行稳态分析，根据lcl谐振变换器的电路结构得到相量域的等效电路，得到端口电压与电流关系以及系统导纳，得出基于扩展三自由度调制的功率模型。

7、优选的技术方案中，所述步骤s01中产生两侧交流电压的方法包括：

8、s11：控制输入输出侧所有开关管均以50%占空比工作，输入输出侧上下桥臂开关均互补导通；

9、s12：控制输入侧开关管与错开一定相位角，共同导通角度为；开关管与也错开一定相位角，共同导通角度也为，由此产生一个三电平输入侧全桥电压；

10、s13：控制输出侧开关管与，开关管与均错开一定相位角，共同导通角度为，由此产生一个三电平输出侧全桥电压，滞后相位。

11、优选的技术方案中，所述步骤s03中得到基于扩展三自由度调制的功率模型的方法包括：

12、根据lcl谐振变换器的电路结构得到相量域的等效电路，只提取输入侧全桥电压和输出侧全桥电压基波分量进行分析，得到：

13、

14、

15、其中， 、分别为输入和输出电压，为变换器电压增益，，为变压器变比，为波形角度自变量；

16、针对lcl变换器特点，对其输入输出特性进行分析，得到端口电压与电流关系以及系统导纳：

17、

18、其中，为输入侧谐振电流，为输出侧谐振电流，、、分别为三个支路的阻抗，，是第一谐振电感、是第二谐振电感，是谐振电容，为开关角频率；

19、根据lcl谐振网络运行特性，需满足：，记第一谐振电感与第二谐振电感感值相同为，其中开关角频率；

20、由此得到电感中电流和电感中电流：

21、

22、

23、得到输出功率：

24、。

25、优选的技术方案中，所述步骤s03之后还包括，根据最小导损控制策略，通过调节控制角度、、进行最小导损优化。

26、优选的技术方案中，所述最小导损控制策略包括：

27、在给定功率达到条件下，得到等效最小谐振电流与角度的组合；

28、求出等效谐振电流有效值：

29、

30、建立关于等效谐振电流与输出功率的拉格朗日方程，对方程中输入输出侧两个内移相角、分别求偏导并简化，得到变换器最小导损控制策略模型：

31、。

32、优选的技术方案中，还包括：

33、对于不同的电压增益，变换器工作在不同的模式：

34、模式1：当时，，此时为均压模式；

35、结合lcl谐振槽特点，有：

36、

37、根据得到的输出功率，最小导损控制策略模型，进一步进行优化，得：

38、

39、模式2：当时，，此时为降压模式；

40、结合lcl型谐振槽特点，有：

41、

42、根据得到的输出功率，最小导损控制策略模型，进一步进行优化，得：

43、；

44、模式3：当时，，此时为升压模式；

45、结合lcl型谐振槽特点，有：

46、

47、根据得到的输出功率，最小导损控制策略模型，进一步进行优化，得：

48、。

49、本发明还公开了一种lcl型谐振变换器的扩展三自由度调制控制系统，包括：

50、两侧交流电压产生模块，调节lcl型谐振变换器的输入侧全桥电压为三电平波形，调节输出侧全桥电压为三电平波形，所述输出侧全桥电压滞后输入侧全桥电压相位；

51、相位调节模块：输入侧全桥电压超前输入侧谐振电流的相位为，输出侧全桥电压滞后输入侧谐振电流的相位为，通过调节的大小，在保证优化回流功率的同时，扩展零电压开关；

52、功率模型计算模块，采用基波近似法进行稳态分析，根据lcl谐振变换器的电路结构得到相量域的等效电路，得到端口电压与电流关系以及系统导纳，得出基于扩展三自由度调制的功率模型。

53、功率模型计算模块，采用基波近似法进行稳态分析，根据lcl谐振变换器的电路结构得到相量域的等效电路，得到端口电压与电流关系以及系统导纳，得出基于扩展三自由度调制的功率模型。

54、优选的技术方案中，还包括最小导损优化模块，根据最小导损控制策略，通过调节控制角度、、进行最小导损优化；

55、所述最小导损控制策略包括：

56、在给定功率达到条件下，得到等效最小谐振电流与角度的组合；

57、求出等效谐振电流有效值：

58、

59、建立关于等效谐振电流与输出功率的拉格朗日方程，对方程中输入输出侧两个内移相角、分别求偏导并简化，得到变换器最小导损控制策略模型：

60、

61、本发明又公开了一种应用于海洋平台的微网系统，包括多个单元，各单元从第1个单元接入直流母线，顺时针方向，母线侧共顺次连接z个单元，各单元通过功率变换器接在环形网络上；环形网络结构决定了各新能源发电单元与负荷单元均有两条供电线路，所述功率变换器采用lcl型谐振变换器，所述lcl型谐振变换器采用上述的lcl型谐振变换器的扩展三自由度调制控制方法进行控制。

62、本发明又公开了一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现上述的lcl型谐振变换器的扩展三自由度调制控制方法。

63、本发明与现有技术相比，其显著优点为：

64、（1）本发明采用的lcl型谐振结构结合最小导损控制方法，可以使得电压和功率在宽范围进行高效转换，同时优化回流功率。

65、（2）扩展三自由度调制的低损耗控制方法，在优化回流功率的同时，扩展了零电压开关zvs的范围，优化了开关损耗。对于不同的电压增益m，变换器工作在不同的模式，可以实现海上石油平台微网系统不同工况下的高性能运行。

66、（3）基于lcl谐振变换器，提出整体低损耗控制方法，具体包括扩展三自由度调制和最小导损控制。既扩展了变换器零电压开关（zvs），优化开关损耗；又使变换器在最小谐振电流下运行，进一步优化导通损耗。此外，在低损耗控制下，根据电压增益的不同，变换器工作在不同的模式，契合了直流微网宽范围电压转换的需求。本发明旨在提高电能转换质量及效率，为海上石油平台微网系统变换器提供指导。