双向DC-DC变换器的导通损耗优化方法及多模态平滑切换方法技术

本发明专利技术涉及一种双向DC‑DC变换器的导通损耗优化方法及多模态平滑切换方法，属于电力电子领域的储能用的双向DC‑DC变换器领域。本发明专利技术基于隔离型双有源桥DC‑DC变换器，主电路一次侧和二次侧均为全桥电路，通过串联电感和变压器把两个全桥连接在一起，一次侧链接蓄电池，二次侧可以链接任意负载，通过控制变换器一次侧和二次侧全桥的占空比和两个全桥逆变的电压波形相对应的移相角实现双向功率流的控制。本发明专利技术实现了DAB变换器的软开关且导通损耗最小，同时仍然能够保证随负载和电压变化时各个工作模态的平滑过渡切换。

Conduction Loss Optimization Method and Multimodal Smooth Switching Method for Bidirectional DC-DC Converters

【技术实现步骤摘要】
双向DC-DC变换器的导通损耗优化方法及多模态平滑切换方法
本专利技术涉及一种双向DC-DC变换器的导通损耗优化方法及多模态平滑切换方法，属于电力电子领域的储能用的双向DC-DC变换器领域。
技术介绍
储能系统已经成为了微电网等供电系统的重要支撑。尤其针对新能源供电系统，可以补偿分布式电源和负载之间的功率的差值。双有源桥DC-DC变换器已经成为了储能系统里双向DC-DC变换器的主要电路拓扑。图1示出为本专利技术针对的典型双有源桥DC-DC变换器电路拓扑。此拓扑不在本专利技术的保护范围。双有源桥(dualactivebridge,DAB)DC-DC变换器由一次侧和二次侧路的全桥电路通过串联电感和变压器组成。一次侧和二次侧可以逆变产生两电平方波，通过两个方波的移相控制实现DAB变换器的双向功率流控制。当一次侧和二次侧电压匹配时变换器可以实现很高的效率。当一次侧和二次侧电压不匹配时，开关管无法实现软开关，并且环流损耗增大，转换效率急剧降低。为了减小变换器的环流损耗，2016年在IEEETransactionsonPowerElectronics【电力电子期刊】发表了“Minimum-Current-StressSchemeofDualActiveBridgeDC–DCConverterwithUnifiedPhase-ShiftControl”一文，文中提出了双移相(dualphaseshift,DPS)的优化控制策略控制方法，通过一次侧或者二次侧的全桥通过移相产生三电平的波形，且两侧全桥的占空比相同，从而可以减小变换器的环流损耗，但是变压器中的电流峰值作为优化的目标，从而实现在DPS调制策略下变压器中电流峰值最小。然而此控制策略无法实现所有开关管的软开关。由于变压器两侧的占空比相等，控制维度只有占空比和移相角，优化目标不是全局的优化目标。2016年在IEEETransactionsonIndustrialElectronics【工业电子期刊】发表了“UnifiedTriple-Phase-ShiftControltoMinimizeCurrentStressandAchieveFullSoft-SwitchingofIsolatedBidirectionalDC–DCConverter”一文，文中提出了一次侧和二次侧的全桥均产生三电平波形的三移相(triplephaseshift,TPS)控制，两侧全桥的占空比独立调节。针对不同工作模态，以变压器中的峰值电流为优化目标，使变压器中的在不同模态下的峰值电流最小，保证了在变压器中的电流峰值为全局最优。然而，变换器中的导通损耗直接应与变压器中的电流有效值有关，与变压器中的峰值电流没有直接联系。因此从导通损耗的角度分析，此方案也不是最优的方法。为了综合优化变换器的导通损耗，2018年在IEEETransactionsonPowerElectronics【电力电子期刊】发表了“ModelingandAnalysisofaDual-Active-Bridge-IsolatedBidirectionalDC/DCConvertertoMinimizeRMSCurrentWithWholeOperatingRange”一文，文中提出的控制方法综合了TPS和EPS的控制方法。然而此方法无法实现轻载的软开关。因此，开关损耗仍然很大。并且文中无法保证变换器正向和反向功率控制策略的统一，因此也无法实现双向功率的平滑切换。为了综合优化DAB变换器在轻载和重载下的开关损耗和导通损耗，需要提供一种控制策略，实现DAB变换器的软开关且导通损耗最小，但是仍然需要保证各个工作模态的平滑过渡切换。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有技术方法无法实现宽电压变化范围的导通损耗大且无法实现各个工作模态的平滑过渡和切换的问题，提供了一种双向DC-DC变换器的导通损耗优化方法及多模态平滑切换方法。本专利技术目的是通过下述技术方案实现的。双向DC-DC变换器的导通损耗优化方法及多模态平滑切换方法，基于隔离型双有源桥DC-DC变换器，主电路一次侧和二次侧均为全桥电路，通过串联电感和变压器把两个全桥连接在一起，一次侧连接蓄电池，二次侧可以连接任意负载，通过控制变换器一次侧和二次侧全桥的占空比和两个全桥逆变的电压波形相对应的移相角实现双向功率流的控制。具体控制步骤如下；步骤一：通过电压参考Vref和二次侧电压反馈V2相减得到的电压误差，经输出电压控制器输出为两个全桥逆变的电压波形相对的移相角步骤二：限制移相角的大小在-π/2到π/2之间，采样二次侧电压V2和一次侧电压V1，计算变换器的等效电压增益M，M表示为nV1/V2；n为变压器变比；步骤三：判断M值；如果M小于等于1：计算一次侧全桥电路的占空比D1＝min(1,D1_Mode1,D1_Mode2)，其中Lr为串联电感的感值，Ts为开关周期，为一次侧全桥开关管实现软开关的最小电流幅值.再计算二次侧全桥电路的占空比IZVS2为二次侧全桥开关管实现软开关的最小电流幅值.如果M大于1：计算二次侧全桥电路的占空比D2＝min(1,D2_Mode3,D2_Mode4)，其中再计算一次侧全桥电路的占空比步骤四：根据步骤一和步骤三所得到的D1、D2，产生一次侧和二次侧全桥开关管对应的驱动信号，信号用于驱动八只开关管工作，实现多模态平滑切换；有益效果1、本专利技术首先针对等效增益小于1的情况，分析并提取出轻载下可以实现软开关的工作模态，且导通损耗最小；再提取重载下的变压器中电流有效值最小值对应的模态。再次针对等效增益大于1的情况，分析并提取出轻载下可以实现软开关的工作模态，再提取重载下的变压器中电流有效值最小值对应的工作模态。由于各个工作模态可以实现软开关且可以实现变压器的电流有效值的最小值，因此变换器可以实现宽电压范围的高效率。2、本专利技术根据上述实现软开关且最小导通损耗的工作模态，提出一种用于双有源桥双向DC-DC变换器的控制策略，电压给定与二次侧电压比较，经过电压控制器得到变压器两侧全桥的移相角，通过移相角计算一次侧和二次侧两个全桥对应的占空比，通过占空比和移相角产生两侧全桥电路的八个开关管的驱动信号。实现双有源桥DC-DC变换器的双向功率控制。通过控制策略可以实现各个工作模态的平滑过渡切换，实现变换器的稳定工作。3、本专利技术可以实现双有源桥DC-DC变换器宽电压变化时实现软开关的最小导通损耗。附图说明图1示出本实施例的双有源桥双向DC-DC变换器电路结构示意图；图2示出本专利技术的调制流程框图；图3示出本专利技术的闭环控制框图；图4为电压和电流波形示意图；其中a示出本专利技术中模态Mode1(M小于1且轻载)的电流的电压和电流波形；b示出本专利技术中模态Mode2(M小于1且重载)的电流的电压和电流波形；c示出本专利技术中模态Mode3(M大于1且轻载)的电流的电压和电流波形；d示出本专利技术中模态Mode4(M大于1且重载)的电流的电压和电流波形；图5示为D1和D2随选电池电压和移相角变化的曲面。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。展示本电路是为了更清楚的说明本专利技术控制方法的具体实施方式。如图1所示为双有源桥双向DC-DC变换器电路结构示意图，变换器由八只开关管组成，一次侧和二本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.双向DC‑DC变换器的导通损耗优化方法及多模态平滑切换方法，其特征在于：基于隔离型双有源桥DC‑DC变换器，主电路一次侧和二次侧均为全桥电路，通过串联电感和变压器把两个全桥连接在一起，一次侧连接蓄电池，二次侧可以连接任意负载，通过控制变换器一次侧和二次侧全桥的占空比和两个全桥逆变的电压波形相对应的移相角实现双向功率流的控制；具体控制步骤如下；步骤一：通过电压参考Vref和二次侧电压反馈V2相减得到的电压误差，经输出电压控制器输出为两个全桥逆变的电压波形相对的移相角

【技术特征摘要】
1.双向DC-DC变换器的导通损耗优化方法及多模态平滑切换方法，其特征在于：基于隔离型双有源桥DC-DC变换器，主电路一次侧和二次侧均为全桥电路，通过串联电感和变压器把两个全桥连接在一起，一次侧连接蓄电池，二次侧可以连接任意负载，通过控制变换器一次侧和二次侧全桥的占空比和两个全桥逆变的电压波形相对应的移相角实现双向功率流的控制；具体控制步骤如下；步骤一：通过电压参考Vref和二次侧电压反馈V2相减得到的电压误差，经输出电压控制器输出为两个全桥逆变的电压波形相对的移相角步骤二：限制移相角的大小在-π/2到π/2之间，如果大于π/2，则等于π/2；如果小于-π/2，则等于-π/2。采样二次侧电压V2和一次侧电压V1，计算变换器的等效电压增益M，M表示为nV1/V2；n为变压器变比；步骤三：判断M值；如果M小于等于1：计算一次侧全桥电路的占空比D1＝min(1,D1_Mode1,D1_Mode2)，其中Lr为串联电感的感值，Ts为开关周期，IZVS1为一次侧全桥开关管...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭志强，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11