考虑死区效应的双有源桥DC-DC变换器最小电流应力控制方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑死区效应的双有源桥DC‑DC变换器最小电流应力控制方法，根据死区占比、内移相角、外移相角以及电流过零点位置的大小关系，构建一、二次侧电压波形以及流经电感的电流波形；根据所得电压电流波形，建立功率模型，根据所建立的输出功率模型及电流应力模型，利用遗传算法分析最小电流应力时的参数选取，并得出最小电流应力优化策略。本发明专利技术以电压匹配模式为代表，对DAB在双移相策略下的死区效应进行了详细分析，获得考虑死区效应的系统开关特性及输出功率模型，并在此基础上，借助遗传算法提出一种获得最小电流应力的优化方案。最后通过实验对所述理论进行了验证。

Considering the dual active bridge DC converter DC minimum current dead time effect stress control method

The invention discloses a method for considering the dead time effect of the current dual active bridge DC converter DC minimum stress control method, according to the size ratio, dead for phase shift, phase shift and current zero crossing position, constructing one or two side voltage waveform and the current waveform through the inductor; according to the voltage and current waveform the establishment of model, power, output power and current according to the model established by the stress model, using genetic algorithm to analysis the minimum current parameters of stress, and the stress optimization strategy with minimum current. The invention uses voltage matching mode as a representative, the dead time effect of DAB on two phase shift strategy is analyzed in detail, system switching characteristics and output power model considering the effect of the dead time, and on this basis, with the help of genetic algorithm, an optimization scheme to obtain the minimum current stress. Finally, the theory is verified by experiments.

【技术实现步骤摘要】
考虑死区效应的双有源桥DC-DC变换器最小电流应力控制方法
本专利技术涉及一种考虑死区效应的双有源桥DC-DC变换器最小电流应力控制方法。
技术介绍
DAB变换器因其高功率密度、双向功率流动、结构对称且易于实现零电压开通等优点，在分布式发电系统、交直流混合微电网等场合应用日趋广泛。为实现DAB高效运行，研究者在控制策略方面做出很大努力，在传统的单移相控制(single-phase-shift,SPS)的基础之上，通过增加移相角，实现增强型移相控制(enhanced-phase-shift,EPS)、双移相控制(dual-phase-shift,DPS)和三移相控制(triple-phase-shift,TPS)。随着移相角数量增加，系统的控制灵活度增加，便于优化，但与此同时，系统复杂性增加，控制难度增大。当前，针对DAB系统的优化控制不可谓不多，但这些优化策略都没有考虑死区效应的影响。为防止同一桥臂上下两个开关管直通，死区的加入必不可少。但死区的引入，在不同条件下，会造成不同程度的波形畸变和功率损失，包括电压极性反转、电压跌落、相位偏移等，而且随着开关频率的增加，死区造成的影响会越显著。已有研究者对DAB的死区效应进行了分析，但其关注点仅限于SPS策略下的波形畸变和相位偏移，对于EPS、DPS和TPS策略还没有系统的研究，而对于考虑死区的情况下如何选择移相角的大小，从而实现优化控制，更是没有涉及。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有技术中针对于DAB系统的优化控制均没有考虑死区效应的影响的问题，提出了一种考虑死区效应的双有源桥DC-DC变换器最小电流应力控制方法，本专利技术基于DPS控制策略，以电压匹配情况为代表，对DAB的运行模式进行了详细分析，得出各模式下的开关特性，并建立各模式的输出功率模型。另外，本专利技术的另一个目的是提供一种控制策略，选择电流应力作为系统优化的指标，建立起各模式下的电流应力模型，以实现电流应力最小。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种考虑死区效应的双有源桥DC-DC变换器最小电流应力控制方法，包括以下步骤：(1)根据死区占比、内移相角、外移相角以及电流过零点位置的大小关系，构建一、二次侧电压波形以及流经电感的电流波形；(2)根据所得电压电流波形，建立功率模型，根据所建立的输出功率模型及电流应力模型，利用遗传算法分析最小电流应力时的参数选取，并得出最小电流应力优化策略。所述步骤(1)中，死区占比M、内移相角D、外移相角D1都是与半个开关周期的比率，且要求0≤D，D1，M≤0.5，D+D1+M≤1。所述步骤(1)中，死区占比M、内移相角D、外移相角D1大小关系不同，表明八个开关器件的通断先后顺序不同，结合电流过零点位置，会出现多种运行情况，对这些运行情况进行总结归类，得出各运行模式。进一步的，所述步骤(1)中，当电压转换变比k等于传输比与输出电压的乘积后与输入电压的比值时并非所有的模式都存在。所述步骤(1)中，采用枚举法进行分析，并对所有情况进行总结，得出最终的多种运行模式，不符合这些运行模式约束条件的情况，其输出功率只能为0，这与死区造成的相位偏移有关。所述步骤(2)中，在遗传算法中，以电流应力表达式为目标函数，各比率的大小关系及输出电流约束条件，得出在不同输出功率的情况下，各模式的最小电流应力，以及实现该最小值时，各参数的取值。所述步骤(2)中，电流应力模型和输出功率模型都进行标幺化处理，且标幺化电流应力是电流应力与SPS控制下DAB最大输入平均电流的相对值，标幺化输出功率是输出功率与SPS控制下DAB最大传输功率的相对值。所述步骤(2)中，对DAB系统进行优化控制时，保证输出功率一定。所述步骤(2)中，以电流应力表达式作为目标函数，约束条件为各比率的大小关系以及输出功率值，得出各模式在不同输出功率时下的一系列最小电流应力值，以及实现最小电流应力时的参数值，在得到各模式最小电流应力值以后，比较各个模式之间最小电流应力的大小，获得所有模式中，最小电流应力值以及此时的参数选取。所述步骤(2)中，最小电流应力优化策略为:内移相角D为零、外移相角D1取调节器的输出值，死区占比M为调节器输出的一半。所述控制方法根据系统运行情况的改变实时在线调节。还包括步骤(3)，进行对比试验，以验证所提出的最小电流应力控制方法。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：本专利技术以电压匹配模式为代表，对DAB在双移相策略下的死区效应进行了详细分析，获得考虑死区效应的系统开关特性及输出功率模型，总结出了k＝1的情况下，考虑死区影响的DPS控制策略下的DAB的运行模式，在最优电流应力控制策略(optimal-DPS，ODPS)下，系统中的死区效应不会表现出来。解决了现有技术中随着高频DC-DC变压器的发展，死区造成的影响越来越明显，且随着期间开关频率的升高，死区效应越发显著。死区的引入是为了避免同一桥臂上下开关管直通问题，增强系统的可靠性，但与此同时，也造成了变压器波形畸变和能量损失的问题。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。图1为DAB拓扑图；图2为考虑死区效应且k＝1时，在DPS策略下DAB的典型波形；图3(a)为模式1下的Uab、Ucd、iL波形；图3(b)为模式2下的Uab、Ucd、iL波形；图3(c)为模式3下的Uab、Ucd、iL波形；图3(d)为模式4下的Uab、Ucd、iL波形；图3(e)为模式5下的Uab、Ucd、iL波形；图3(f)为模式6下的Uab、Ucd、iL波形；图3(g)为模式7下的Uab、Ucd、iL波形；图4为各模式下DAB运行的子状态；图5为遗传算法得出的数据绘制得到的P0—i0坐标图；图6为模式4、5、7交界处的波形图；图7为所提出的最小电流应力优化策略(ODPS)图；图8(a)为模式1下的实验波形；图8(b)为模式2下的实验波形；图8(c)为模式3下的实验波形；图8(d)为模式4下的实验波形；图8(e)为模式5下的实验波形；图8(f)为模式6下的实验波形；图8(g)为模式7下的实验波形；图9为本专利技术中所提出的优化策略与一般算法的比较图。具体实施方式：下面结合附图与实施例对本专利技术作进一步说明。应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。正如
技术介绍
所介绍的，现有技术中存在的优化策略都没有考虑死区效应的影响，并且对DAB的死区效应进行了分析，但其关注点仅限于SPS策略下的波形畸变和相位偏移，对于EPS、DPS和TPS策略还没有系统的研究，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种考虑死区效应的DAB最小电流应力控制策略。一、开关特性与输出功率模型分析图1为DAB拓本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种考虑死区效应的双有源桥DC‑DC变换器最小电流应力控制方法，其特征是：包括以下步骤：(1)根据死区占比、内移相角、外移相角以及电流过零点位置的大小关系，构建一、二次侧电压波形以及流经电感的电流波形；(2)根据所得电压电流波形，建立功率模型，根据所建立的输出功率模型及电流应力模型，利用遗传算法分析最小电流应力时的参数选取，确认得到最小电流应力优化策略。

【技术特征摘要】
1.一种考虑死区效应的双有源桥DC-DC变换器最小电流应力控制方法，其特征是：包括以下步骤：(1)根据死区占比、内移相角、外移相角以及电流过零点位置的大小关系，构建一、二次侧电压波形以及流经电感的电流波形；(2)根据所得电压电流波形，建立功率模型，根据所建立的输出功率模型及电流应力模型，利用遗传算法分析最小电流应力时的参数选取，确认得到最小电流应力优化策略。2.如权利要求1所述的一种考虑死区效应的双有源桥DC-DC变换器最小电流应力控制方法，其特征是：所述步骤(1)中，死区占比M、内移相角D、外移相角D1都是与半个开关周期的比率，且要求0≤D，D1，M≤0.5，D+D1+M≤1。3.如权利要求1所述的一种考虑死区效应的双有源桥DC-DC变换器最小电流应力控制方法，其特征是：所述步骤(1)中，死区占比M、内移相角D、外移相角D1大小关系不同，表明八个开关器件的通断先后顺序不同，结合电流过零点位置，会出现多种运行情况，对这些运行情况进行总结归类，得出各运行模式。4.如权利要求1所述的一种考虑死区效应的双有源桥DC-DC变换器最小电流应力控制方法，其特征是：所述步骤(1)中，当电压转换变比k等于传输比与输出电压的乘积后与输入电压的比值时并非所有的模式都存在。5.如权利要求1所述的一种考虑死区效应的双有源桥DC-DC变换器最小电流应力控制方法，其特征是：所述步骤(1)中，采用枚举法进行分析，并对所有情况进行总结，得出最终的多种运行模式，不符合这些运行模式约束条件的情况，其输出功率只能为0，这与死区造成的相位偏移有关。6.如权利要求1所述的一种考虑死区效应的双有源桥DC-DC变换...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈阿莲，宋超超，陈杰，杜春水，张承慧，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37