基于z源的雙向dc-dc變換器的控制方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于Z源的雙向DC-DC變換器的控制方法，目的是提供一種能夠控制變換器寬范圍的升降壓、短路保護(hù)、能量流動(dòng)控制及正反向能量流動(dòng)切換的方法。技術(shù)方案是改進(jìn)變換器中的控制單元，使控制單元由電壓計(jì)算單元、電壓偏差計(jì)算單元、電壓控制器、電流計(jì)算單元、電流偏差計(jì)算單元、電流控制器、故障監(jiān)控單元組成，然后采用對(duì)電流、電壓進(jìn)行單獨(dú)閉環(huán)控制的雙并聯(lián)閉環(huán)控制方法對(duì)變換器的能量流動(dòng)進(jìn)行控制。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了輸出大范圍的升壓、降壓控制；實(shí)現(xiàn)了電流、電壓的單獨(dú)控制和各變量間的解耦控制；使得變換器不停機(jī)就能實(shí)現(xiàn)能量流動(dòng)的平滑切換；且可對(duì)輸入、輸出短路故障進(jìn)行快速判斷及故障保護(hù)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于Z源的雙向DC-DC變換器的控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于雙向大功率DC-DC變換領(lǐng)域，尤其是基于Z源的大功率DC-DC變換器 的控制方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 雙向大功率DC-DC變換器在分布式發(fā)電、電動(dòng)汽車(chē)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、新能源發(fā)電等領(lǐng)域 具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0003] 雙有源全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由于其功率器件電流/電壓應(yīng)力小，同樣容量的器件傳輸?shù)?功率更大，是隔離型大功率雙向DC-DC變換器領(lǐng)域中的首選拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
[0004] 雙有源全橋雙向DC-DC變換器（DualActiveBridgeBi-directional Converter，簡(jiǎn)稱DABBC)主電路中，原邊有源橋由四個(gè)開(kāi)關(guān)功率管構(gòu)成全橋電路，工作在逆 變狀態(tài)，其導(dǎo)通和關(guān)斷由控制單元發(fā)出PWM(PulseWidthModulation，脈沖寬度調(diào)制）信號(hào) 來(lái)控制；副邊有源橋由四個(gè)功率開(kāi)關(guān)管構(gòu)成全橋，工作在整流狀態(tài)，其導(dǎo)通和關(guān)斷由控制單 元發(fā)出PWM信號(hào)來(lái)控制。
[0005] 但DABBC受直流母線電壓的限制，其升壓范圍有限，影響其使用范圍；且其全橋電 路的上下橋臂開(kāi)關(guān)管不能同時(shí)導(dǎo)通，若因控制失誤或電磁干擾造成上下開(kāi)關(guān)管直通會(huì)造成 短路，損壞器件，影響DABBC的可靠性。
[0006] 阻抗源網(wǎng)絡(luò)（Z源網(wǎng)絡(luò)），是由浙江大學(xué)彭方正教授在《Z源逆變器》中首次提出， Z源網(wǎng)絡(luò)是由兩個(gè)電感和兩個(gè)電容的二端口網(wǎng)絡(luò)接成X形，以提供一個(gè)阻抗源，將變換器和 直流電源或負(fù)載耦合在一起；Z源網(wǎng)絡(luò)的最大優(yōu)點(diǎn)是其允許短路，并通過(guò)短路提供大范圍

【權(quán)利要求】
1. 一種基于Z源的雙向DC-DC變換器的控制方法，其特征在于包括以下步驟： 第一步，改進(jìn)基于Z源的雙向DC-DC變換器中的控制單元，方法是： 控制單元由電壓計(jì)算單元、電壓偏差計(jì)算單元、電壓控制器、電流計(jì)算單元、電流偏差 計(jì)算單元、電流控制器、故障監(jiān)控單元組成； 電壓計(jì)算單元計(jì)算原邊有源橋的輸入直流母線電壓參考值，電壓計(jì)算單元與電壓偏差 計(jì)算單元相連，從外部指令接收輸出電壓參考值V M，根據(jù)V 計(jì)算出原邊有源橋直流母線 電壓給定參考值Vin Mf，并將Vin 輸出至電壓偏差計(jì)算單元； 電壓偏差計(jì)算單元與電壓計(jì)算單元、電壓控制器相連，電壓偏差計(jì)算單元接收電壓計(jì) 算單元輸出的Vin ，接收主電路的原邊有源橋輸入直流母線電壓Vin，根據(jù)Vin 和V in計(jì)算 得到原邊有源橋輸入直流母線電壓偏差值A(chǔ)v in，將Av in輸出至電壓控制器； 電壓控制器與電壓偏差計(jì)算單元、主電路、故障監(jiān)控單元相連，電壓控制器從電壓偏差 計(jì)算單元接收Δν_?η，根據(jù)Δν_?η^制出控制原邊有源橋通斷的PWM信號(hào)pwm pwm 14，將 口￥11111?？￥1]114傳輸給主電路 ；電壓控制器根據(jù)八￥」11得到插入的直通零矢量時(shí)間！';31^，并 將T shOTt輸出至故障監(jiān)控單元，若從故障監(jiān)控單元接收到短路故障保護(hù)信號(hào)Fault，則封鎖 口￥11111?口￥1]1 14，進(jìn)行短路故障保護(hù)；所述封鎖是指不輸出信號(hào)； 電流計(jì)算單元與電流偏差計(jì)算單元相連，電流計(jì)算單元從外部指令接收輸出功率參考 值P_Mf，接收主電路的副邊有源橋直流母線輸出電壓Vtjut，根據(jù)P_M、Vwt計(jì)算出副邊有源橋 輸出直流母線電流參考值，將輸出給電流偏差計(jì)算單元； 電流偏差計(jì)算單元計(jì)算副邊有源橋直流母線輸出電流偏差△ Uut，電流偏差計(jì)算單元 與電流計(jì)算單元、電流控制器相連，電流偏差計(jì)算單元從電流計(jì)算單元接收接收主 電路副邊有源橋直流母線輸出電流Itjut，根據(jù)I wt_Mf、Iwt計(jì)算得到副邊有源橋直流母線輸出 電流偏差Δ Ι (ΛΛ，將Al wt輸出至電流控制器； 電流控制器與電流偏差計(jì)算單元、主電路、故障監(jiān)控單元相連，電流控制器接收電流偏 差計(jì)算單元輸出的Δ ^ut，根據(jù)Δ ^ut調(diào)制出控制副邊有源橋通斷的PWM信號(hào)pwm21?pwm24， 將pwm 21? pwm24輸出給主電路，若電流控制器從故障監(jiān)控單元接收到故障保護(hù)信號(hào)Fault， 則電流控制器封鎖PWM信號(hào)，進(jìn)行短路故障保護(hù)； 故障監(jiān)控單元與主電路相連，對(duì)主電路的輸入、輸出過(guò)流故障進(jìn)行監(jiān)控，接收主電路的 輸入電流Iin和輸出電流I wt，若1&或I _大于等于基于Z源的雙向DC-DC變換器的最大正 常運(yùn)行值且持續(xù)時(shí)間超過(guò)Tstort則判定發(fā)生短路故障，向電壓控制器和電流控制器輸出故障 信號(hào)Fault，電壓控制器和電流控制器接收到故障信號(hào)Fault后立即封鎖PWM脈沖信號(hào)，從 而完成短路故障保護(hù)； 第二步，采用對(duì)電流、電壓進(jìn)行單獨(dú)閉環(huán)控制的雙并聯(lián)閉環(huán)控制方法對(duì)基于Z源的 DC-DC變換器的能量流動(dòng)進(jìn)行控制，包含步驟2. 1?2. 6,上電初始階段執(zhí)行步驟2. 1，在 每個(gè)PWM周期T依次執(zhí)行一遍步驟2. 2?步驟2. 5,在控制單元的電壓計(jì)算單元、電壓偏差 計(jì)算單元、電壓控制器、電流計(jì)算單元、電流偏差計(jì)算單元、電流控制器部件循環(huán)執(zhí)行步驟 2. 2?步驟2. 5時(shí)，故障監(jiān)控單元并行執(zhí)行步驟2. 6,具體步驟如下： 步驟2. 1進(jìn)行系統(tǒng)初始化，設(shè)置插入短路零矢量時(shí)間TstaJP插入關(guān)斷零矢量時(shí)間T 均為〇,設(shè)置橋臂正常導(dǎo)通時(shí)間Tm為半個(gè)PWM周期即0. 5 X T，設(shè)置副邊有源橋相對(duì)于原邊 有源橋的移相角度Φ為〇 ; 步驟2. 2根據(jù)從外部指令接收的輸出副邊有源橋直流電壓參考值V Mf，電壓計(jì)算單元 計(jì)算主電路的原邊有源橋直流母線電壓給定參考值Vin Mf= k iXV#，其中Ic1為選取的輸 入母線直流電壓與輸出直流母線電壓比例系數(shù)，根據(jù)實(shí)際使用工況選取；同時(shí)，電流計(jì)算單 元根據(jù)從外部接收的外部指令輸出功率參考值？_#的絕對(duì)值和從主電路接收到的副邊有 源橋直流母線輸出電壓V rat，計(jì)算出副邊有源橋直流母線輸出電流參考值Iwt Mf:
步驟2. 3電壓偏差計(jì)算單元將步驟2. 2得到的Vin 與從主電路接收的V in作差值，計(jì) 算原邊有源橋直流母線電壓差值Λ V in為： Δν_?η= V in_ref-Vin； 同時(shí)，電流偏差計(jì)算單元根據(jù)步驟2. 2得到的Irat 與主電路的副邊有源橋直流母線 輸出電流Itjut作差值，計(jì)算副邊有源橋直流母線電流差值Δ I ()Ut為： Δ = T -T . I_out x out_ref 丄out， 步驟2. 4若電壓控制器和電流控制器接收到故障監(jiān)控單元發(fā)出的Fault信號(hào)，電壓控 制器封鎖輸出的PWM信號(hào)pwmn? pwm14，電流控制器封鎖輸出的PWM信號(hào)pwm21? pwm24，轉(zhuǎn) 第三步；若電壓控制器和電流控制器都沒(méi)有接收到Fault信號(hào)，電壓控制器根據(jù)步驟2. 3得 到的Δν_?η調(diào)制輸出控制原邊有源橋的PWM信號(hào)pwm pwm 14，同時(shí)電流控制器根據(jù)步驟 2. 3得到的Λ : _向主電路的副邊有源橋輸出PWM信號(hào)pwm 21?pwm 24，具體方法如下： 步驟2. 4. 1電壓控制器將每一個(gè)PWM周期T按順序分為五個(gè)時(shí)間片，即 Γ^2οη'ν ，^2short? 其中T lm和T 2m時(shí)間長(zhǎng)度均等于T "時(shí)間長(zhǎng)度；T lshjP T 2_時(shí)間長(zhǎng)度相等，均 為^寸間長(zhǎng)度；Ttjff的時(shí)間長(zhǎng)度為：I\ ff= T-2XTm-2XTshOTt;同時(shí)電流控制器根據(jù)Λ L wt調(diào)整副邊有源橋相對(duì)于原邊有源橋的移相角度9::若A1 wt為負(fù)，則增大φ的值，且保證 φ小于90°電角度；若Al tjut為正，則減小φ的值，且保證φ大于零； 步驟2. 4. 2電壓控制器依據(jù)Av in得出每個(gè)周期中的T m、TshOTt、Irff的時(shí)間：若Λ ν in為正且T不為零，則減小T增大T "的時(shí)間，T。"的范圍為0彡T。"彡Τ，保證T Qn= 0· 5XT-0. 5XTQff，TshOTt= 0 ;若Λ Vin為正且T Qff已為零，則減小T "增大T shOTt，TshOTt的范圍 為0 彡 TshOTt< 0· 25XT，且保證 Tm= 0· 5XT-TshOTt，TQff= 0 ;若 Λ v in為負(fù)且!'切不為零， 則減小 Tstort增大 T m，1^,的范圍為 0 彡 T shOTt< 0· 25 X T，且保證 T Qn= 0· 5 X T-T shOTt，Irff =〇 ;若Δ v in為負(fù)且T shOTt已為零，則增大T的減小T m，1^的范圍為0彡T。"彡T，保證 Ton= 0. 5XT-0. 5ΧΤ off, Tshort= 0 ； 步驟2. 4. 3在Tlm、TlshOTt、U、T2m、Ut間片，電壓控制器輸出PWM信號(hào)p碰 n? Pwm14，方法如下：在Tlm時(shí)間片，電壓控制器輸出pwm pwm 14為導(dǎo)通信號(hào)，輸出pwm 12和 Pwm13為關(guān)斷信號(hào)；在T lshOTt時(shí)間片，電壓控制器輸出Pwm1JP pwm12為導(dǎo)通信號(hào)，輸出Pwm1JP Pwm14為關(guān)斷信號(hào)；在T時(shí)間片，電壓控制器輸出pwm pwm 14均為關(guān)斷信號(hào)；在T 2m時(shí)間 片，電壓控制器輸出pwmjP pwm 13為導(dǎo)通信號(hào)，輸出pwm jP pwm 14為關(guān)斷信號(hào)；在T 2shOTt時(shí) 間片，電壓控制器輸出Pwm1Jp pwm 14為導(dǎo)通信號(hào)，輸出pwm jP pwm 12為關(guān)斷信號(hào)； 步驟2. 4. 4將從PWM周期T的^ X T時(shí)間點(diǎn)開(kāi)始的長(zhǎng)度等于T的一段時(shí)間按順序分 為3個(gè)時(shí)間片，Tslm、TS()ff、Tsw TsljP T s2m的時(shí)間長(zhǎng)度均為步驟2. 4得到的T m，Tstjff的時(shí) 間長(zhǎng)度為 Tstjff= T-2 X Tm; 步驟2. 4. 5電流控制器在PWM周期T的:^ X Tl時(shí)間點(diǎn)開(kāi)始依據(jù)Tm調(diào)制輸出控制副邊 .IoU 有源橋開(kāi)關(guān)管動(dòng)作的PWM信號(hào)pwm21? pwm24，方法如下：在Tslm時(shí)間片，電流控制器輸出副 邊有源橋開(kāi)關(guān)管的控制信號(hào)pwm^P pwm24為導(dǎo)通信號(hào)，pwmjP pwm23為關(guān)斷信號(hào)；接著，在 Tstjff時(shí)間片，電流控制器輸出副邊有源橋開(kāi)關(guān)管的控制信號(hào)pwm 21、pwm22、pwm23、pwm24為關(guān)斷 信號(hào)；最后，在T s2m時(shí)間片，電流控制器輸出副邊有源橋開(kāi)關(guān)管的控制信號(hào)？麗122和？麗123為 導(dǎo)通信號(hào)，Pwm 2Jp pwm24為關(guān)斷信號(hào)； 步驟2. 5若接收到故障監(jiān)控單元發(fā)出的Fault信號(hào)，電流控制器和電壓控制封鎖PWM 信號(hào)pwmn?pwm 14、pwm21?pwm 24，轉(zhuǎn)第三步；若沒(méi)有接收到Fault信號(hào)且控制單元接收到 的外部指令輸出功率？_#的符號(hào)發(fā)生改變即由正變?yōu)樨?fù)或由負(fù)變?yōu)檎?，控制單元控制基?Z源的雙向DC-DC變換器完成能量正反向流動(dòng)切換，含有如下步驟： 步驟2. 5. 1電壓控制器將TshOT^為零，T m保持不變，T的值改變?yōu)門(mén)。"= T-2XT m， 按步驟2. 4. 3所述的方法電壓控制器依次執(zhí)行Tlm、TlshOTt、Τ'#、T2m、T 2shOT#間片，輸出控 制原邊有源橋開(kāi)關(guān)管的PWM信號(hào)pwmn? pwm 14;pwm pwm 14控制主電路的原邊有源橋的 開(kāi)關(guān)管動(dòng)作；步驟2. 5. 2 :電流控制器將移相角度<P置為零，按步驟2. 4. 5的方法依次執(zhí)行 Tslm、TS()ff、Ts2()n時(shí)間片的控制副邊有源橋開(kāi)關(guān)管的PWM信號(hào)動(dòng)作，輸出副邊有源橋的控制信 號(hào) Pwm21 ?pwm 步驟2. 5. 3執(zhí)彳丁完步驟2. 5. 2后，原邊和副邊的能量流動(dòng)將變?yōu)榱?，此時(shí)進(jìn)彳丁能量的反 向流動(dòng)控制：將正向能量流動(dòng)的輸入變?yōu)榉聪蚰芰苛鲃?dòng)的輸出、正向能量流動(dòng)的輸出變?yōu)?反向能量流動(dòng)的輸入、正向能量流動(dòng)的輸入Z源網(wǎng)絡(luò)變?yōu)榉聪蚰芰苛鲃?dòng)的輸出Z源網(wǎng)絡(luò)、正 向能量流動(dòng)的輸出Z源網(wǎng)絡(luò)變?yōu)榉聪蚰芰苛鲃?dòng)的輸入Z源網(wǎng)絡(luò)，正向能量流動(dòng)的原邊有源 橋變?yōu)榉聪蚰芰苛鲃?dòng)的副邊有源橋、正向能量流動(dòng)的副邊有源橋變?yōu)榉聪蚰芰苛鲃?dòng)的原邊 有源橋，此時(shí)即完成能量的正向流動(dòng)向反向流動(dòng)的切換；能量由反向流動(dòng)向正向流動(dòng)切換 方法相同； 步驟2. 5. 4轉(zhuǎn)步驟2. 2 ; 步驟2. 6故障監(jiān)控單元根據(jù)Iin、1_和T shOTt判定輸入側(cè)和輸出側(cè)是否發(fā)生短路故障， 若輸入側(cè)發(fā)生短路故障或輸出側(cè)發(fā)生短路故障則輸出短路故障信號(hào)Fault至電壓控制器、 電流控制器； 第三步，結(jié)束。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種基于Z源的雙向DC-DC變換器的控制方法，其特征在于所 述匕滿足0· 5彡k# L 5。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種基于Z源的雙向DC-DC變換器的控制方法，其特征在于步 驟2. 6故障監(jiān)控單元判定輸入側(cè)和輸出側(cè)是否發(fā)生短路故障的方法是：若原邊有源橋直流 母線輸入電流Iin的值大于等于基于Z源的雙向DC-DC變換器的最大正常運(yùn)行值且持續(xù)時(shí) 間超過(guò)T shOTt，則故障監(jiān)控單元判定輸入側(cè)發(fā)生短路故障；若副邊有源橋直流母線輸出電流 Iwt的值大于等于基于Z源的雙向DC-DC變換器的最大正常運(yùn)行值且持續(xù)時(shí)間超過(guò)T shOTt， 則故障監(jiān)控單元判定輸出側(cè)發(fā)生短路故障。
4. 如權(quán)利要求1所述的一種基于Z源的雙向DC-DC變換器的控制方法，其特征在于所 述最大正常運(yùn)行值是指不超過(guò)額定值2倍。
【文檔編號(hào)】H02M3/00GK104518659SQ201510037888
【公開(kāi)日】2015年4月15日 申請(qǐng)日期:2015年1月26日 優(yōu)先權(quán)日:2015年1月26日
【發(fā)明者】張濤, 劉帥, 查亞兵, 雷洪濤, 劉亞杰, 王銳 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)