一种基于充放电并行的电容电荷平衡控制方法及变换器技术

本发明专利技术公开了一种基于充放电并行的电容电荷平衡控制方法及变换器，针对现有技术中多端口变换器的电容电荷平衡控制技术中电压动态性能受充、放电串联运行模式影响、动态性能难以进一步提高的问题，以输出电压动态纹波最小化、收敛时间最短化为原则，首先优化选择工作端口并分配各端口充电和放电任务，使得充电和放电过程并列进行；其次根据电感电流变化率计算各端口对应开关管在不同开关模式下的开关状态和导通关断时间，保证一次性充电和一次性放电时间最短，且充电功能端口的充电电流安秒积与放电功能端口的放电电流安秒积相等，从而使得充电和放电过程并行运行完成后，输出电压即可收敛，输出电压动态峰值最小，无超调，收敛时间最短。敛时间最短。敛时间最短。

【技术实现步骤摘要】
一种基于充放电并行的电容电荷平衡控制方法及变换器


[0001]本专利技术涉及直流变换器控制
，主要涉及一种基于充放电并行的电容电荷平衡控制方法及变换器。

技术介绍

[0002]能源在人类社会的生存和发展中起到重要的作用，太阳能和风能储量丰富，是世界公认的清洁型能源，目前得到了较为广泛的开发和利用。但是同传统能源相比，新能源发电具有波动性和随机性。为了提高新能源发电的供电质量，发电系统需要加入储能装置，来改善功率波动。在带有储能装置的新能源发电系统中，经常使用多个直流变换器，分别将直流电源和储能单元升压到相同的电压等级，并连接到共同的直流母线。但是此结构存在系统结构复杂、变换器数量多、功率密度低、各个变换器需要协调控制的缺陷。多端口变换器具有很多优点,比如体积小成本低、可靠性高、功率密度高和效率高等，因此也逐渐成为目前研究的热点，在独立新能源发电系统中也有很重要并且广泛的应用。
[0003]PI控制是多端口变换器的经典控制方法，其中电压、电流调节器的存在导致系统中的任何扰动都需要传递到输出后，调节器才能对误差进行校正，系统的动态性能受到限制。
[0004]采用解耦矩阵法可以实现PI参数的优化，但是多端口变换器工作方式模式的多样性以及工作范围的宽广性导致系统难以通过一个传递函数进行精确建模，因此解耦矩阵设计困难。
[0005]文献“DongSheng Yang,Min Yang,Ruan.One
‑
Cycle Control for a Double Input DC/DC Converter[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2012,27(11):4646
‑
4655.”提出的应用于双输入Buck变换器的单周期控制作为一种非线性控制，虽然在理论上可以消除调节器，但在实际应用中还是引入电压外环来消除系统稳态误差，而电压外环的引入使其控制存在滞后。
[0006]文献“付宏伟，王宇。三端口变换器的电容电荷平衡控制技术研究，中国电机工程学报，2020，40(15)：4988
‑
4999。”提出了针对多端口变换器的负载突变的电容电荷平衡控制(capacitive charge balance control,CBC)方案，该算法基于电容电荷平衡原理,推导出最优动态响应曲线，通过控制系统动态过程中的开关状态,使系统按照最优动态响应曲线运行，负载突变时，输出电容经过一次放电、一次充电过程，输出电压和输出电感电流即可收敛提高了负载突变下的系统动态性能。然而，上述现有技术中提出的CBC方案，在负载突增时，其输出滤波电容的放电过程与充电过程是串联执行的，即放电过程完毕后，充电过程才能开始执行；同理，在负载突卸时，其输出滤波电容的充电过程与放电过程是串联执行的，即充电过程完毕后，放电过程才能开始执行，这种放电过程与充电过程串联执行的模式限制了动态性能的进一步提高。

技术实现思路

[0007]专利技术目的：本专利技术提供了一种基于充放电并行的电容电荷平衡控制方法及变换器，解决了现有多端口变换器的电容电荷平衡控制技术中电压动态性能受充、放电串联运行模式影响、动态性能难以进一步提高的问题。
[0008]技术方案：为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0009]一种基于充放电并行的电容电荷平衡控制方法的变换器，包括端口一U1，两端并联有滤波电容C1，所述滤波电容C1两端并联有单相桥臂1；所述单相桥臂1包括两个串联的开关管SA1和SA2，所述单相桥臂1的中点连接变压器1原边的一端；变压器1原边另一端连接由两个串联的开关管SA1和SA2组成的单相桥臂2的中点；所述单相桥臂2两端并联有滤波电容C2；所述滤波电容C2与端口二U2并联；所述变压器1原边激磁电感为L
m
；所述变压器1副边连接至由二极管D1，D2，D3，D4组成桥式整流电路1，具体地，所述桥式整流电路1包括由D1，D2组成的第一桥臂和由D3，D4组成的第二桥臂；所述变压器1副边两端分别与第一桥臂和第二桥臂中点相连；所述桥式整流电路1输出端一端串联输出滤波电感L
o
，与输出滤波电容C
o
的一端相连接，输出滤波电容C
o
的另一端与桥式整流电路1的另一输出端相连接，负载电阻并联在输出滤波电容C
o
的两端；所述输出滤波电容C
o
两端分别连接桥式整流电路2两端，其中一段连接段串联有输出滤波电感L
cp
；所述桥式整流电路2包括由二极管D7，D8组成的桥臂1和D9，D10组成的桥臂2；所述桥臂1和桥臂2的中点分别与变压器2副边的两端相连；所述电压器2原边的两端分别连接至单相桥臂3和单相桥臂4，具体地，所述单相桥臂3包括串联的开关管SC1和二极管D5，所述单相桥臂4包括串联的二极管D6和开关管SC2，所述变压器2原边的两端分别与单相桥臂3和单相桥臂4的中点连接；所述单相桥臂3和单相桥臂4分别并联在滤波电容C4两端，端口四U4也并联于滤波电容C4两端。
[0010]进一步地，所述输出滤波电感L
o
与第一电流传感器串联；所述负载电阻与第二电流传感器串联；所述负载电阻两端并联有电压传感器。
[0011]一种采用上述充放电并行的四端口变换器的电容电荷平衡控制方法，包括负载突加和负载突卸两种情况，具体地：
[0012]负载突加情况下：
[0013]步骤S1、设定输出电压的误差阀值|
△
U
oT
|，测量得到输出电压实际值U
o
，将所述输出电压实际值U
o
与输出电压的期望值做差，当输出电压的误差时，四端口变换器进入突加负载过程，记录这一时刻为t1；
[0014]步骤S2、测量得到输出滤波电感L
o
上电流i
L
，同时测量负载变换器负载电流i
o
；从t1时刻开始，当i
L
<i
o
时，当端口二处于不同状态下时，各开关管通断情况如下：
[0015]步骤S2.1、端口二处于0输出功率状态；此时对于端口一，SA1一直处于开通状态，SA2一直处于关断状态，对于端口二，SB1一直处于关断状态，SB2一直处于开通状态，i
L
处于持续增长状态，直至i
L
＝i
o
；
[0016]步骤S2.2、端口二处于输出功率状态；此时对于端口一，SA1一直处于关断状态，SA2一直处于开通状态，对于端口二，SB1一直处于开通状态，SB2一直处于关断状态，i
L
处于持续增长状态，直至i
L
＝i
o
；
[0017]步骤S2.3、端口二处于输入功率状态；此时对于端口一，SA1一直处于开通状态，SA2一直处于关断状态，对于端口二，SB1一直处于开通状态本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于充放电并行的电容电荷平衡控制方法的变换器，其特征在于，包括端口一U1，两端并联有滤波电容C1，所述滤波电容C1两端并联有单相桥臂1；所述单相桥臂1包括两个串联的开关管SA1和SA2，所述单相桥臂1的中点连接变压器1原边的一端；变压器1原边另一端连接由两个串联的开关管SA1和SA2组成的单相桥臂2的中点；所述单相桥臂2两端并联有滤波电容C2；所述滤波电容C2与端口二U2并联；所述变压器1原边激磁电感为L
m
；所述变压器1副边连接至由二极管D1，D2，D3，D4组成桥式整流电路1，具体地，所述桥式整流电路1包括由D1，D2组成的第一桥臂和由D3，D4组成的第二桥臂；所述变压器1副边两端分别与第一桥臂和第二桥臂中点相连；所述桥式整流电路1输出端一端串联输出滤波电感L
o
，与输出滤波电容C
o
的一端相连接，输出滤波电容C
o
的另一端与桥式整流电路1的另一输出端相连接，负载电阻并联在输出滤波电容C
o
的两端；所述输出滤波电容C
o
两端分别连接桥式整流电路2两端，其中一段连接段串联有输出滤波电感L
cp
；所述桥式整流电路2包括由二极管D7，D8组成的桥臂1和D9，D10组成的桥臂2；所述桥臂1和桥臂2的中点分别与变压器2副边的两端相连；所述电压器2原边的两端分别连接至单相桥臂3和单相桥臂4，具体地，所述单相桥臂3包括串联的开关管SC1和二极管D5，所述单相桥臂4包括串联的二极管D6和开关管SC2，所述变压器2原边的两端分别与单相桥臂3和单相桥臂4的中点连接；所述单相桥臂3和单相桥臂4分别并联在滤波电容C4两端，端口四U4也并联于滤波电容C4两端。2.根据权利要求1所述的基于充放电并行的电容电荷平衡控制方法的四端口变换器，其特征在于，所述输出滤波电感L
o
与第一电流传感器串联；所述负载电阻与第二电流传感器串联；所述负载电阻两端并联有电压传感器。3.根据权利要求1
‑
2任意一项所述充放电并行的四端口变换器的电容电荷平衡控制方法，其特征在于，包括负载突加和负载突卸两种情况，具体地：负载突加情况下：步骤S1、设定输出电压的误差阀值|
△
U
oT
|，测量得到输出电压实际值U
o
，将所述输出电压实际值U
o
与输出电压的期望值做差，当输出电压的误差时，四端口变换器进入突加负载过程，记录这一时刻为t1；步骤S2、测量得到输出滤波电感L
o
上电流i
L
，同时测量负载变换器负载电流i
o
；从t1时刻开始，当i
L
<i
o
时，当端口二处于不同状态下时，各开关管通断情况如下：步骤S2.1、端口二处于0输出功率状态；此时对于端口一，SA1一直处于开通状态，SA2一直处于关断状态，对于端口二，SB1一直处于关断状态，SB2一直处于开通状态，i
L
处于持续增长状态，直至i
L
＝i
o
；步骤S2.2、端口二处于输出功率状态；此时对于端口一，SA1一直处于关断状态，SA2一直处于开通状态，对于端口二，SB1一直处于开通状态，SB2一直处于关断状态，i
L
处于持续增长状态，直至i
L
＝i
o
；步骤S2.3、端口二处于输入功率状态；此时对于端口一，SA1一直处于开通状态，SA2一直处于关断状态，对于端口二，SB1一直处于开通状态，SB2一直处于关断状态，i
L
处于持续增长状态，直至i
L
＝i
o
；步...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宇，耿舒欣，张成糕，郝雯娟，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：