一种隔离型双向DC-DC双极性输出电压均衡方法

一种隔离型双向dc-dc双极性输出电压均衡方法
技术领域
1.本发明属于电气控制的技术领域，具体涉及一种隔离型双向dc-dc双极性输出电压均衡方法。


背景技术：

2.随着直流型分布式能源以及直流负载接入数量的增加，直流微电网相对于交流微电网具有更高的能量转换效率、更高的功率密度等优势得到广泛研究，由于双极性直流母线结构可靠性高且可以同时给两种负载供电，其在直流微电网中得到了越来越广泛的应用。隔离型双向三电平dab变换器具有输入\输出电压宽范围变化、电气隔离、功率密度高、双向传输等优势，且由于三电平半桥结构的特殊性，通过中性点可以构成双极性输出，适宜大规模应用于双极性直流微电网中。
3.双极性直流微电网运行时可同时匹配光伏电池阵列、风力发电、储能电池等多类型负载，不同类型负载致使隔离型双向三电平dab的输出侧支撑电容电压不均衡，此时会给双极性直流母线的平衡控制带来很大挑战，因此需要一种输出侧支撑电容电压均衡方法来稳定直流母线电压。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种隔离型双向dc-dc双极性输出电压均衡方法，以解决不同类型负载致使隔离型双向三电平dab的输出侧支撑电容电压不均衡的问题。
5.为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
6.一种隔离型双向dc-dc双极性输出电压均衡方法，其包括以下步骤：
7.s1、采集隔离型双向dc-dc变换器输出侧的电容电压；
8.s2、根据采集的隔离型双向dc-dc变换器输出侧的电容电压，计算得到功率传输周期和电压均衡周期的控制参数；
9.s3、将功率传输周期和电压均衡周期中的不同控制参数分别输入各自隶属的调制模块，得到对应的开关管控制信号；
10.s4、将电压均衡周期的开关管控制信号插入功率传输周期之间，组成混合序列控制法，采用该混合序列控制法控制开关器件的通断，以实现变换器支撑电容电压均衡。
11.本方法进一步的技术方案为，步骤s1中隔离型双向dc-dc变换器输出侧的电容电压，包括：采集变换器的输出侧上支撑电容电压v
up
和变换器的输出侧下支撑电容电压v
down
。
12.本方法进一步的技术方案为，步骤s2包括以下步骤：
13.s2.1、基于上支撑电容电压v
up
和下支撑电容电压v
down
，计算得到输出侧电压v2、上支撑电容电压v
up
和下支撑电容电压v
down
的差值δv；
14.s2.2、将输出侧电压v2与输出电压参考值v
ref
做比较后经比例-积分模块调节，得到功率传输周期的控制量
15.s2.3、将上支撑电容电压v
up
和下支撑电容电压v
down
的差值δv与给定值0做比较后经比例-积分模块调节，得到电压均衡周期的控制量v
_error
。
16.本方法进一步的技术方案为，步骤s3包括以下步骤：
17.s3.1、根据控制量计算得到隔离型双向dc-dc变换器的变压器原边端口电压占空比d
p
和副边端口电压占空比ds；
18.s3.2、将控制量d
p
和ds输入功率传输周期调制模块，产生8个开关管的控制信号；
19.s3.3、根据电压均衡周期的控制量v
_error
，计算得到电压均衡周期占空比d
vb
和电压均衡策略选择位flag，并将结果输入电压均衡周期调制模块，产生8个开关管的控制信号。
20.本方法进一步的技术方案为，计算步骤s3.3中电压均衡周期占空比d
vb
为：
21.d
vb
＝|v
_error
|
22.计算电压均衡策略选择位flag为：
[0023][0024]
本方法进一步的技术方案为，步骤s4包括以下步骤：
[0025]
s4.1、计算一个混合序列中的功率传输周期个数m；
[0026]
s4.2、将m个功率传输周期和1个电压均衡周期排序形成混合序列，以控制整个工作序列8个开关器件的通断，实现变换器支撑电容电压均衡。
[0027]
本方法进一步的技术方案为，步骤s4.1中计算功率传输周期个数m为：
[0028][0029]
λ＝(r
up-r
down
)/(r
up
r
down
)
[0030]
设定：r
up
》r
down
[0031]
其中，k为等效电压比，且k＝nv2/2v1，v1为输入电压，v2为输出电压；m为变换器自身参数，且m＝n2/8lfs，n为变压器的匝数之比，l为等效电感，fs为开关频率；λ为负载不平衡度；r
up
为输出侧上端口负载，r
down
为输出侧下端口负载
[0032]
本发明提供的隔离型双向dc-dc双极性输出电压均衡方法，具有以下有益效果：
[0033]
本发明针对直流微电网中双极性输出匹配不平衡负载的电压不均衡问题，将基于三个控制自由度的tps调制策略视为功率传输周期，在电压均衡周期引入均压占空比d
vb
对变换器的原、副边端口电压的高、低和零电平进行重组以实现功率不平衡分配，在原有功率传输周期之间按照特定规律插入电压均衡周期，二者组合构成混合序列控制法，完成功率传输的同时解决双极性输出匹配不平衡负载电压不均衡问题，提高变换器的稳定性，减小电压不均衡对双极性直流微网系统中直流母线的不利影响，并且该均衡方法易于实现，可移植性强，具备高度经济性与适用性。
[0034]
本发明与传统硬件电路层面的电压均衡方法相比，本发明不需要引入多余的开关管或者电感，减少研发成本，减少系统体积，提高功率密度。
[0035]
本发明从控制算法角度提出了均衡电压方法，该方法可拓展性强，可以应用在一、二、三控制自由度的变换器控制策略中；且该方法可移植性强，可广泛应用于双极性直流微电网中。
附图说明
[0036]
图1为隔离型双向dc-dc双极性输出电压均衡方法的流程图。
[0037]
图2为本发明实施例提供的电压均衡控制方法所适用的双向dc-dc拓扑图。
[0038]
图3为本发明实施例提供的隔离型双向dc-dc双极性输出电压均衡方法控制框图。
[0039]
图4为本发明实施例提供的功率传输周期与电压均衡周期组成混合序列控制原理图。
[0040]
图5为本发明实施例提供的功率传输周期与电压均衡周期变换器的主要工作波形。
[0041]
图6为本发明实施例提供的双极性输出电压均衡方法控制与基于tps调制的功率传输周期对比仿真的波形图。
具体实施方式
[0042]
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
[0043]
当传统隔离型双向dc-dc变换器的副边为三电平半桥结构时，通过输出中点可以自然实现双端口输出并完美适用于双极性直流微电网系统。隔离型双向dc-dc双极性输出并匹配双极性直流微网系统中的不同类型负载时，流过不同类型负载的电流不再相等，导致上下支撑电容在一个开关动作周期内对负载释放的能量出现差异，进而出现电容电压不均衡现象。隔离型双向dc-dc变换器的控制信号是由输出侧电压的反馈量经相应的控制器调整后给定，基于tps调制框架的隔离型双向dc-dc由3个控制自由度d
p
、ds共同决定能量的流动和传输，在此基础上，新增控制信号d
vb
可以完成一个开关周期(该周期称为电压均衡周期)内的功率不均衡分配，那么，通过在各个基于tps调制的传统功率传输周期之间按照特定规律插入电压均衡周期就能解决变换器匹配不平衡负载时，双极性输出电压不均衡问题。
[0044]
实施例1，基于上述内容，参考图1～图4，本方案提供一种隔离型双向dc-dc双极性输出电压均衡方法，其包括以下步骤：
[0045]
步骤s1、采集隔离型双向dc-dc变换器输出侧的电容电压，其具体包括：
[0046]
采集变换器的输出侧上支撑电容电压v
up
；
[0047]
采集变换器的输出侧下支撑电容电压v
down
。
[0048]
步骤s2、根据采集的隔离型双向dc-dc变换器输出侧的电容电压，计算得到功率传输周期和电压均衡周期的控制参数，其具体包括：
[0049]
步骤s2.1、基于上支撑电容电压v
up
和下支撑电容电压v
down
，相加得到输出侧电压v2，并计算得到上支撑电容电压v
up
和下支撑电容电压v
down
的差值δv；
[0050]
步骤s2.2、将输出侧电压v2与输出电压参考值v
ref
做比较后经比例-积分模块调节，得到功率传输周期的控制量
[0051]
步骤s2.3、将上支撑电容电压v
up
和下支撑电容电压v
down
的差值δv与给定值0做比较后经比例-积分模块调节，得到电压均衡周期的控制量v
_error
。
[0052]
步骤s3、将功率传输周期和电压均衡周期中的不同控制参数分别输入各自隶属的调制模块，得到对应的开关管控制信号，其具体包括：
[0053]
步骤s3.1、根据控制量计算得到隔离型双向dc-dc变换器的变压器原边端口电压占空比d
p
和副边端口电压占空比ds；
[0054]
步骤s3.2、将控制量d
p
和ds输入功率传输周期调制模块，产生8个开关管的控制信号；
[0055]
步骤s3.3、根据电压均衡周期的控制量v
_error
，计算得到电压均衡周期占空比d
vb
和电压均衡策略选择位flag，并将结果输入电压均衡周期调制模块，产生8个开关管的控制信号。
[0056]
其中，计算电压均衡周期占空比d
vb
为：
[0057]dvb
＝|v
_error
|
[0058]
计算电压均衡策略选择位flag为：
[0059][0060]
步骤s4、将电压均衡周期的开关管控制信号插入功率传输周期之间，组成混合序列控制法，采用该混合序列控制法控制开关器件的通断，以实现变换器支撑电容电压均衡，其具体包括：
[0061]
s4.1、计算一个混合序列中的功率传输周期个数m；
[0062]
s4.2、将m个功率传输周期和1个电压均衡周期排序形成混合序列，以控制整个工作序列8个开关器件的通断，实现变换器支撑电容电压均衡。
[0063]
参考图4，功率传输周期和电压均衡周期的组合原理，m个功率传输周期(m)与1个电压均衡周期(n)合成为1个混合序列，m的取值与变换器双输出端口的负载不平衡程度相匹配：m越大，负载不平衡程度越小；m越小，负载不平衡程度越大。本质上：功率传输周期实现能量传输，电压均衡周期实现负载功率的不平衡分配，二者组合为混合序列解决双极性输出支撑电容电压不均衡问题。
[0064]
其中，步骤s4计算功率传输周期个数m为：
[0065][0066]
λ＝(r
up-r
down
)/(r
up
r
down
)
[0067]
设定：r
up
》r
down
[0068]
其中，k为等效电压比，且k＝nv2/2v1，v1为输入电压，v2为输出电压；m为变换器自身参数，且m＝n2/8lfs，n为变压器的匝数之比，l为等效电感，fs为开关频率；λ为负载不平衡
度；r
up
为输出侧上端口负载，r
down
为输出侧下端口负载。
[0069]
参考图5，本实施例隔离型双向dc-dc变换器功率传输周期和电压均衡周期的主要工作波形。图5说明了变换器工作在功率传输周期时，端口电压和高、低以及零电平对称分布，正常进行功率传输；工作在电压均衡周期时，通过端口电压的高、低以及零电平的重新分配，实现两个负载的功率不均衡分配，进一步和功率传输周期组成混合序列，实现功率传输并同时解决双极性输出电压不均衡问题。
[0070]
参考图6，隔离型双向dc-dc变换器双极性输出匹配不平衡负载时支撑电容电压波形，对比整个工作时间段内的工作波形，基于tps调制的传统功率传输周期会出现支撑电容电压不均衡问题，偏离平均值，本发明加入电压均衡周期与传统功率传输周期组成周混合序列控制法能够有效解决支撑电容电压不均衡问题，有效提高变换器的稳定性。
[0071]
本发明可以有效解决隔离型双向dc-dc变换器双极性输出支撑电容电压不均衡问题，显著提高系统运行可靠性。
[0072]
虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。