谐振型隔离双向直流变换器的瞬态功率平衡方法及系统技术方案

本发明专利技术属于电力电子技术领域，尤其涉及一种谐振型隔离双向直流变换器的瞬态功率平衡方法及系统，包括：由主控制器对变换器的输入输出的电压电流、输出电压指令进行采集并对变流器工况进行判断，若当前控制周期较上一控制周期的输出电压参考值未发生改变、输出电压未发生明显改变而输出电流发生明显改变则选择瞬态功率平衡算法，否则选择离散PI算法，然后计算变换器各开关组态的持续时间；由有限状态机负责切换次序并控制变换器的开关动作。本发明专利技术可在1个开关周期内实现变换器传输功率与负载功率的快速平衡，基本消除输出电压的波动过程，减小变换器中无源元件在暂态过程中承受的电应力，有效提高变换器的动态特性和可靠性。

【技术实现步骤摘要】
谐振型隔离双向直流变换器的瞬态功率平衡方法及系统
本专利技术属于电力电子
，尤其涉及一种谐振型隔离双向直流变换器的瞬态功率平衡方法及系统。
技术介绍
近年来，分布式可再生能源、储能技术、电动汽车充电技术和电能路由器的快速发展对隔离DC-DC变换器的性能提出了更高的要求。LC串联谐振型双主动桥隔离双向DC-DC变换器(LC-Series-ResonantDual-Active-BridgeIsolatedBidirectionalDC-DCConverter，LC-SR-DAB，以下简称“LC串联谐振DAB”)是一种重要的直流电源接口设备。LC串联谐振DAB兼具传统谐振变换器和普通双主动桥隔离变换器(Dual-Active-BridgeConverter，DAB)的性能优点：与传统谐振变换器相比，LC串联谐振DAB具有固定的开关频率、采用移相控制，其工作原理和控制方法更为简单，且能够管理双向功率；与普通DAB相比，LC串联谐振DAB在相同的传输功率下具有更小的开关电流，谐振电容也能够防止高频变压器偏磁。此外，由于采用“两侧主动”的工作模式，设计LC串联谐振DAB时亦无需对高频隔离变压器的励磁电感做特殊要求。LC串联谐振DAB的关键特征是其LC谐振腔处存在着高频、大幅值的谐振电压、电流。有效控制谐振腔的这些高频行为，是改善变换器动态特性、降低无源原件和变压器电应力以及提高变换器可靠性的关键。同时，LC串联谐振DAB也会被用作电力电子变压器(Solid-StateTransformer)、电能路由器(ElectricalEnergyRouter)等更复杂的电能变换系统的高频隔离环节，其动态特性也将直接影响系统的整体性能。特别地，作为直流接口变换器，LC串联谐振DAB也应具备在负载功率的大小和方向发生剧烈波动时实现接口电压快速稳定的能力。目前直流负载类型的日益丰富、工作模式日益灵活，对直流接口电压控制能力的要求也在不断提高。经典的PI控制方法是误差驱动的。受其积分环节的影响，在上述目标工况中，只有输出电压出现明显偏差后，PI控制的反馈机制才会生效。除了对功率波动的响应存在延迟，PI控制下输出电压的暂态过程还会带有一定的波动和超调。在对输出电压的波动范围要求严格的应用场景中，传统控制方法的应用受到很大局限。从能量观点来看，变换器输出电压的波动，本质上是由传输功率和负载功率的不匹配造成的。在负载功率发生波动、而变换器的传输功率未被及时调整时，传输功率中过剩或亏损的部分将被输出电容吞吐，导致输出电压被泵升或跌落。如果能对负载功率的波动作出及时的辨识，并通过有效控制谐振腔的高频行为使传输功率与负载功率迅速重新平衡，就能对输出电压的动态特性实现本质上的改善。另一方面，状态轨迹法是一类研究LC谐振腔暂态行为的重要手段，状态轨迹的几何特性可以直观的揭示变换器的运行规律，可帮助确定变换器在对应不同传输功率的稳态工况间的时间最优过渡过程。
技术实现思路
为了保证变换器在负载功率的大小或方向发生剧烈波动时仍可保证输出电压高度稳定，本专利技术提出了一种谐振型隔离双向直流变换器的瞬态功率平衡控制方法，包括：步骤1：对变换器的输入输出的电压电流、输出电压指令进行采集；步骤2：根据步骤1采集的数据对变流器工况进行判断，若当前控制周期较上一控制周期的输出电压参考值未发生改变、输出电压未发生明显改变而输出电流发生明显改变则选择瞬态功率平衡算法，否则选择离散PI算法，然后计算变换器各开关组态的持续时间；步骤3：根据步骤2计算得到的持续时间切换次序并控制变换器的开关动作；步骤4：瞬态功率平衡算法执行完毕后，将离散PI算法中的误差积分值重置为新的稳态移相比和积分系数的比值。所述瞬态功率平衡算法在输出电压恒定、而负载功率的大小或方向发生剧烈波动时，根据变动前的移相比变动后的功率所对应的移相比，结合变换器的设计参数以及变换器的输入、输出电压，计算使变换器的传输功率沿时间最优轨迹调整至新功率的两个过渡开关组态的持续时间；根据新的稳态移相比计算过渡完成后的稳态开关组态持续时间。所述控制变换器的开关动作由有限状态机实现状态切换动作，在变换器进入起始开关组态后刷新各开关组态的持续时间为过渡时间，同时刷新状态切换次序；在变换器进入结束开关组态后，将起始开关组态的持续时间刷新为新稳态时间；在变换器离开结束开关组态后，将结束开关组态的持续时间刷新为新稳态时间。所述方法还包括：对于每一控制周期，只有控制器判断需要在维持输出电压恒定的条件下修改传输功率时，才选择瞬态功率平衡算法，否则选择离散PI算法；当瞬态功率平衡算法将控制权交还给离散PI算法时，须重置误差积分值。一种基于谐振型隔离双向直流变换器的瞬态功率平衡方法的系统，包括：实现控制逻辑的主控制器和负责执行控制的有限状态机；所述主控制器执行所述步骤1和所述步骤2，所述有限状态机执行所述步骤3和所述步骤4。所述有限状态机具有四个状态：结构1、结构2、结构3和结构4，分别对应分别对应LC串联谐振DAB在单移相工作机制下的4中开关组合状态，有限状态机的状态转移次序由主控制器下发的移相方向指令Dir控制：若Dir＝1，则副边H桥相位滞后原边，状态转移次序为“结构1→结构2→结构3→结构4→结构1→…”；若Dir＝0，则副边H桥相位超前原边，状态转移次序为“结构1→结构4→结构3→结构2→结构1→…”。所述有限状态机的驱动函数由开关组态定时器和主控制器下发的状态定时指令L1，3和L2，4决定，定时器工作在累加计数模式，其计数值记录在变量Timer中；若当前状态为结构1或3，则当Timer达到定时指令L1，3，若当前状态为结构2或4，则当Timer达到定时指令L2，4后，有限状态机按Dir指令决定的状态转移次序切换至下一状态，同时将定时器置零，并将切换后的新状态通过变量Struct上报主控制器；主控制器通过访问变量Struct和Timer的值确定变换器当前处于何种开关组态及该结构已持续的时间。所述有限状态机的输出方程为从当前状态到相应开关组态的驱动信号的映射关系，在状态切换时，开通信号添加适当的死区延迟。所述主控制器首先对输出电压指令和变换器端口电压、电流的采样值进行处理，然后通过状态定时指令L1，3、L2，4和移相方向指令Dir控制有限状态机的运行，进而控制变换器的开关动作、以实现预期控制效果。本专利技术的有益效果：1、将基于状态轨迹的瞬态功率平衡算法与传统PI控制算法按一定规律结合，在要求输出电压恒定、而负载功率的大小和方向发生剧烈波动的工况中，更充分地利用了移相工作机制下变换器的控制自由度，使传输功率和负载功率可在1个开关周期内快速平衡，大幅提升了变换器对输出电压的约束能力。2、基本消除了负载功率波动时输出电压的暂态过程，减小了装置中谐振电感、谐振电容和输出电容承受的电应力，提高了变换器的可靠性。3、由于传输功率和输出功率可在输出电压几乎不发生改变的情况下实现快速平衡，输出电容在暂态过程中所吞吐的能量相比传统控制方法将明显减小，故可采用容值更小的输出电容，提高变换器的功率密度。4、其他工况的调节可由PI控制算法完成。两种控制算法的有效配合，可让变换器在综合工况下安全、可靠运行。附图说明图1.LC串联谐振型双主动桥隔离本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种谐振型隔离双向直流变换器的瞬态功率平衡控制方法，其特征在于，包括：步骤1：对变换器的输入输出的电压电流、输出电压指令进行采集；步骤2：根据步骤1采集的数据对变流器工况进行判断，若当前控制周期较上一控制周期的输出电压参考值未发生改变、输出电压未发生明显改变而输出电流发生明显改变则选择瞬态功率平衡算法，否则选择离散PI算法，然后计算变换器各开关组态的持续时间；步骤3：根据步骤2计算得到的持续时间切换次序并控制变换器的开关动作；步骤4：瞬态功率平衡算法执行完毕后，将离散PI算法中的误差积分值重置为新的稳态移相比和积分系数的比值。

【技术特征摘要】
1.一种谐振型隔离双向直流变换器的瞬态功率平衡控制方法，其特征在于，包括：步骤1：对变换器的输入输出的电压电流、输出电压指令进行采集；步骤2：根据步骤1采集的数据对变流器工况进行判断，若当前控制周期较上一控制周期的输出电压参考值未发生改变、输出电压未发生明显改变而输出电流发生明显改变则选择瞬态功率平衡算法，否则选择离散PI算法，然后计算变换器各开关组态的持续时间；步骤3：根据步骤2计算得到的持续时间切换次序并控制变换器的开关动作；步骤4：瞬态功率平衡算法执行完毕后，将离散PI算法中的误差积分值重置为新的稳态移相比和积分系数的比值。2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述瞬态功率平衡算法在输出电压恒定、而负载功率的大小或方向发生剧烈波动时，根据变动前的移相比变动后的功率所对应的移相比，结合变换器的设计参数以及变换器的输入、输出电压，计算使变换器的传输功率沿时间最优轨迹调整至新功率的两个过渡开关组态的持续时间；根据新的稳态移相比计算过渡完成后的稳态开关组态持续时间。3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述控制变换器的开关动作由有限状态机实现状态切换动作，在变换器进入起始开关组态后刷新各开关组态的持续时间为过渡时间，同时刷新状态切换次序；在变换器进入结束开关组态后，将起始开关组态的持续时间刷新为新稳态时间；在变换器离开结束开关组态后，将结束开关组态的持续时间刷新为新稳态时间。4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述方法还包括：对于每一控制周期，只有控制器判断需要在维持输出电压恒定的条件下修改传输功率时，才选择瞬态功率平衡算法，否则选择离散PI算法；当瞬态功率平衡算法将控制权交还给离散PI算法时，须重置误差积分值。5.基于权利要求1～4任一方法的系统，其特征在于，包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：段任之，袁立强，谷庆，孙建宁，赵争鸣，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11