一种基于直流微电网的DAB变换器优化控制方法及装置

发电;变电;配电装置的制造技术一种基于直流微电网的dab变换器优化控制方法及装置技术领域1.本发明涉及直流微电网领域，尤其是涉及一种基于直流微电网的dab变换器优化控制方法及装置。背景技术：2.近年来，随着分布式电源以及储能系统的快速发展，双向隔离变换器的需求越来越大。双向隔离变换器应用于直流微电网系统的示意图如图2所示。双有源全桥双向dc-dc变换器(dab变换器)由于结构对称，控制简单、功率密度高、效率高、模块化等优点成为双向隔离变换器中的核心拓扑结构，被广泛应用于电力电子变压器、电动汽车等。同时，直流微电网是完全可控且接受大电网调度的，各个微源通过变换器同时与直流母线相连，进行能量流动。直流微电网作为一直新型的能源供应方案，为居民生活以及工厂生产作出了巨大的贡献。3.随着电源技术的不断发展，基于传统理论的供电模式带来的弊端越来越明显，如支持双向传输的变换器，只能用在中小功率应用场合中；在大功率场合下，无法实现多设备的功率均衡。另外，常规变换器采用单移相控制，只有一个自由度，当电压变比不匹配时，开关管失去全功率范围内的zvs特性，导致变换器电感电流应力、回流功率、损耗增加，运行效率较低等缺点。4.cn113765408a公开了一种基于预测控制的dab变换器关断损耗优化控制方法，包括：获取双有源桥式变换器的输入电压、输出电压、输出参考电压和输出电流；根据获取的输入电压、输出电压、输出参考电压、输出电流和单重移相预测控制器，获得单重移相控制下的相移量；根据单重移相控制下的相移量，获取传输功率；根据传输功率和关断损耗优化计算模型，获取扩展移相控制下的内相移量和外相移量，其中，关断损耗优化计算模型的获取过程为：根据变换器电感电流与开关元件关断损耗的关系，获取关断损耗的；以在当前传输功率下关断损耗最小化为目标，对关断损耗进行最优求解，获得关断损耗优化计算模型；根据内相移量和外相移量对各开关元件进行控制。该方法虽然通过扩展移相控制方式降低了dab变换器的关断损耗，一定程度上提高了传输效率，但是未考虑电感电流应力和回流功率，限制了传输效率的进一步提高。技术实现要素：5.本发明的目的就是为了提供一种基于直流微电网的dab变换器优化控制方法及装置，基于dab变换器电感电流的计算得出控制双有源全桥变换器的控制变量，进而实现dab变换器的优化调制，解决了现有技术中存在回流功率和器件损耗等因素而造成系统运行效率低的问题，同时在大功率直流供电的应用场合，将多个dab变换器并联可以实现功率的平衡分配。6.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：7.一种基于直流微电网的dab变换器优化控制方法，包括以下步骤：8.获取dab变换器的拓扑结构，所述dab变换器的拓扑结构包括依次连接的直流输入电压、原边h桥、电感、隔离变压器、副边h桥、直流输出电压；9.基于扩展移相控制策略，通过控制dab变换器的原边和副边的h桥臂、桥间的开关相位，得到电感电流应力和传输功率；10.基于电感电流应力条件确定实现开关管的软开关的调节方式，其中，所述电感电流应力条件基于原、副边h桥开关管的zvs状态确定；11.建立基于电压传输比、传输功率与电感电流应力的扩展移相控制策略优化函数，通过kkt调节法，在满足软开关的调节方式前提下，进行最优化求解；12.对输入输出侧直流母线电压和传输功率进行采样计算，得到电压传输比和实时基准传输功率；13.将电压传输比和实时基准传输功率输入扩展移相控制策略优化函数，得到最优移相比组合和最小电流应力，所述最优移相比组合包括内移相比和外移相比；14.基于最优工作点设计闭环控制器实现开关管的控制，所述最优工作点为最优移相比组合和最小电流应力对应的工作点。15.所述扩展移相控制策略包括两种工作模式：16.模式1：0≤d1≤d2≤1；17.模式2：0≤d2＜d1≤1；18.其中，d1为内移相比；d2为外移相比。19.所述传输功率为：[0020][0021]其中，d1为内移相比；d2为外移相比；peps*为传输功率，以标幺值形式表示。[0022]所述电感电流应力为：[0023][0024]其中，d1为内移相比；d2为外移相比；il*(t)为电感电流应力；k为电压传输比且k＞1，k＝vin/(nvo)，vin为输入电压，vo为输出电压，n为高频变压器的变比。[0025]所述电感电流应力条件为：il(t1)≤0,il(t3)≥0，该条件下，原、副边h桥开关管处于zvs状态；其中，il为电感电流应力，t1为原边h桥软开关实现临界时刻，t3为副边h桥软开关实现临界时刻。[0026]所述模式1下，实现开关管的软开关的调节方式为：[0027][0028]其中，k为电压传输比且k＞1，k＝vin/(nvo)，vin为输入电压，vo为输出电压，n为高频变压器的变比。[0029]所述扩展移相控制策略优化函数的标准形式为：[0030][0031]其中，x＝(d1,d2)；y(x)为目标函数；peps*-p0*为等式约束条件，peps*为传输功率，p0*为实时基准传输功率，peps*和p0*均以标幺值形式表示；bj(j＝1,2,…,q)是不等式约束条件，q表示不等式的个数。[0032]所述扩展移相控制策略包括两种工作模式：[0033]模式1：0≤d1≤d2≤1；[0034]模式2：0≤d2＜d1≤1；[0035]在模式1下，扩展移相控制策略优化函数的最优解满足kkt条件：[0036][0037]求解得到最优移相比组合和最小电流应力为：[0038][0039][0040]其中，d1为内移相比；d2为外移相比；k为电压传输比且k＞1，k＝vin/(nvo)，vin为输入电压，vo为输出电压，n为高频变压器的变比；λ为实时传输功率等式约束条件的乘子；μ1,μ2,μ3,μ4,μ5为每个不等式约束条件对应的乘子。[0041]所述模式1下，内移相比d1和对应的实时基准传输功率p0*的范围分别为：[0042][0043]一种基于直流微电网的dab变换器优化控制装置，包括：[0044]数据获取模块，用于获取dab变换器的拓扑结构并传输给扩展移相控制模块；[0045]扩展移相控制模块，包括存储器、处理器，以及存储于所述存储器中的程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的方法；[0046]开关管控制模块，用于基于扩展移相控制模块的输出实现开关管的控制。[0047]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：[0048]本发明基于扩展移相控制策略增加一个内移相比，通过kkt条件法，在不改变原来拓扑结构以及电路参数情况下，对电感电流应力进行优化，降低电感电流应力，降低损耗，使得变换器的传输效率得到提高，对推动直流配电网以及可再生能源的发展均具有重要的意义。附图说明[0049]图1为本发明的方法流程图；[0050]图2为直流微电网系统框图；[0051]图3为dab变换器拓扑结构图，其中，v1为输入电压，v2为输出电压，c1、c2为隔离电容，s1、s2、s3、s4为原边开关管，q1、q2、q3、q4为副边开关管，l为电感，vp为原边h桥的输出端电压，vs为高频变压器的原边电压；[0052]图4为扩展移相控制时序图，其中，d1ts为原边桥式对角驱动信号之间的角度，d2ts为两个全桥开关管之间的驱动信号角度。具体实施方式[0053]下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。[0054]一种基于直流微电网的dab变换器优化控制方法，如图1所示，包括以下步骤：[0055](1)获取dab变换器的拓扑结构；[0056]能量双向流动正是本发明的核心，实现能量双向流动有多种拓扑结构，为了能够在大功率场合应用，选择双有源全桥拓扑结构(即dab变换器拓扑结构)。所述dab变换器的拓扑结构包括依次连接的直流输入电压、原边h桥、电感、隔离变压器、副边h桥、直流输出电压，如图3所示。dab变换器，由两个h桥和高频隔离变压器构成，具备电气隔离，高功率密度，开关应力小，实现zvs特性，模块化的对称结构等优势。[0057](2)基于扩展移相控制策略，通过控制dab变换器的原边和副边的h桥臂、桥间的开关相位，得到电感电流应力和传输功率；[0058]电路的拓扑结构确定后，为了使变压器的能量能够双向流动，输入输出电压有良好的宽适用性，只有加入合适的控制策略才能实现双向电能传输模式的切换。[0059]分析单重移相控制的基本原理和工作特性，推导得出其传输功率、电流应力与移相比的表达式，以及开关管的zvs特性。通过调节移相比可以改变传输功率的方向，并改变输出电压的大小。然而，当变换器两端电压变比不匹配或轻载工作时，会出现电感电流应力大，回流功率增加、软开关难以实现等问题。因此，针对单重移相控制下，dab变换器存在的问题，在本实施例中，采用扩展移相控制策略，增加了一个移相角度，以及控制的程度不过于复杂，使得变换器可以增大传输功率的调节范围，操作更加灵活，明显减小了电流应力。[0060]所述扩展移相控制策略根据两个自由度大小关系可以分为两种工作模式：[0061]模式1：0≤d1≤d2≤1；[0062]模式2：0≤d2＜d1≤1；[0063]其中，d1为内移相比；d2为外移相比。[0064]所述传输功率为：[0065][0066]其中，d1为内移相比；d2为外移相比；peps*为传输功率，以标幺值形式表示。[0067]所述电感电流应力为：[0068][0069]其中，il*(t)为电感电流应力；k为电压传输比且k＞1，k＝vin/(nvo)，vin为输入电压，vo为输出电压，n为高频变压器的变比。后续仅以模式1进行进一步分析，模式2可以依此类推。[0070](3)基于电感电流应力条件确定实现开关管的软开关的调节方式，其中，所述电感电流应力条件基于原、副边h桥开关管的zvs状态确定；[0071]开关损耗对传输效率有着较大的影响，为确保高效传输，需要实现开关管的软开关。所述电感电流应力条件为：il(t1)≤0,il(t3)≥0，该条件下，原、副边h桥开关管处于zvs状态；其中，il为电感电流应力，t1为原边h桥软开关实现临界时刻，t3为副边h桥软开关实现临界时刻。[0072]在模式1下，实现开关管的软开关的调节方式为：[0073][0074](4)建立基于电压传输比、传输功率与电感电流应力的扩展移相控制策略优化函数，通过kkt调节法，在满足软开关的调节方式前提下，进行最优化求解；[0075]针对扩展移相控制策略下，不同的移相比组合导致电流应力、回流功率不同的问题，进一步对扩展移相控制策略进行改进，以减小电感电流应力为优化目标，通过kkt条件法，建立优化函数，寻找合适的移相比组合，使得在变换器电压变比不匹配或轻载工况下，可以降低损耗，保持高的传输效率。[0076]所述扩展移相控制策略优化函数的标准形式为：[0077][0078]其中，x＝(d1,d2)；y(x)为目标函数；peps*-p0*为等式约束条件，peps*为传输功率，p0*为实时基准传输功率，peps*和p0*均以标幺值形式表示；bj(j＝1,2,…,q)是不等式约束条件，q表示不等式的个数。[0079]在模式1下，扩展移相控制策略优化函数的最优解满足kkt条件：[0080][0081]求解得到最优移相比组合和最小电流应力为：[0082][0083][0084]其中，λ为实时传输功率等式约束条件的乘子；μ1,μ2,μ3,μ4,μ5为每个不等式约束条件对应的乘子。[0085]内移相比d1和对应的实时基准传输功率p0*的范围分别为：[0086][0087]该最优解下，扩展移相控制的时序图如图4所示。通过优化函数的求解，可以得到，在给定实时基准传输功率和电压传输比的条件下，dab变换器最优的一组内移相比与外移相比，又考虑到此时所有开关管都能实现zvs的约束条件，因此该最优解也使得dab获得了最优的软开关性能。绘制出传统移相控制与优化后的扩展移相控制策略下，变换器电感电流应力曲线进行对比，结果表现为，优化后的控制移相控制下电感电流应力更小。随着输入输出电压变比的增大，电感电流应力减小的更明显。[0088](5)对输入输出侧直流母线电压和传输功率进行采样计算，得到电压传输比k和实时基准传输功率p0*；[0089](6)将电压传输比k和实时基准传输功率p0*输入扩展移相控制策略优化函数，得到最优移相比组合和最小电流应力，所述最优移相比组合包括内移相比和外移相比；[0090](7)基于最优工作点设计闭环控制器实现开关管的控制，所述最优工作点为最优移相比组合和最小电流应力对应的工作点。[0091]以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依据本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理、或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在权利要求书所确定的保护范围内。









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