基于雙向全橋變換器的軟開關(guān)寬輸出電壓范圍的控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及直流變換器領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種基于雙向全橋變換器的軟開關(guān)寬輸出 電壓范圍的控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 作為智能電網(wǎng)儲能系統(tǒng)的能量緩沖環(huán)節(jié)，儲能系統(tǒng)獲得廣泛的應(yīng)用。例如蓄電池、 飛輪和超級電容等儲能單元通過雙向直流變換器作為中間環(huán)節(jié)不僅能實(shí)現(xiàn)電能的雙向流 動，也能夠改善電能質(zhì)量。因此，提高雙向直流變換器的效率是儲能任務(wù)的核屯、?？紤]到儲 能電池的放電深度，變換器將工作于寬功率變化范圍，為了提高變換器的效率，必須實(shí)現(xiàn)在 要求的功率范圍內(nèi)的實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)工作，而傳統(tǒng)的雙向變換器只能在某一個功率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn) 軟開關(guān)，無法滿足儲能電池的寬功率工作范圍，從而降低了系統(tǒng)的效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種基于雙向全橋變換器的軟開關(guān)寬輸出電壓 范圍的控制方法，本發(fā)明引入另外一個控制變量-調(diào)制移相角，確定軟開關(guān)范圍的約束條 件，在滿足約束條件的前提下尋找最優(yōu)解，能夠保證變換器輸出最大功率前提下實(shí)現(xiàn)全功 率范圍內(nèi)的軟開關(guān)。
[0004] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0005] -種基于雙向全橋變換器的軟開關(guān)寬輸出電壓范圍的控制方法，包括W下步驟：
[0006] (1)將雙向全橋變換器的所有開關(guān)管工作頻率設(shè)有相同，設(shè)置同一橋臂的上下開 關(guān)管的死區(qū)時間；
[0007] (2)確定功率移相角和調(diào)制移相角為可調(diào)節(jié)變量，計算出電感初始電流和平均功 率，確定輸出功率約束條件；
[000引（3)根據(jù)功率移相角、半個周期時的電流約束條件，得到雙向全橋變換器的原邊橋 的實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的條件，確定功率移相角的范圍；
[0009] (4)對輸出功率進(jìn)行微分處理，使其微分值為零，確定最大功率條件下功率移相角 和調(diào)制移相角之間的關(guān)系，將采樣得到的輸出電壓/電流信號作為反饋信號，進(jìn)行PI運(yùn)算 后，得到功率移相角給定，然后根據(jù)調(diào)制移相角計算得到調(diào)制移相角，根據(jù)得到的計算結(jié)果 來改變同步時序。
[0010] 所述雙向全橋變換器，包括原邊橋和畐腳橋，其中，原邊橋和畐腳橋均為包括四個 開關(guān)管的全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，原邊橋的中點(diǎn)通過諧振電感連接變壓器的原邊;副邊橋的中點(diǎn)連 接變壓器的副邊。
[0011] 進(jìn)一步的，所述原邊橋和副邊橋均并聯(lián)有電容。
[0012] 所述原邊橋和副邊橋的開關(guān)管均并聯(lián)有電容，并連接有一個反向二極管。
[0013] 所述步驟(1)中，雙向全橋變換器8個開關(guān)管工作頻率相同，占空比均為50%。
[0014] 所述步驟(2)中，在一個周期內(nèi)，電感電流必須得到復(fù)位，因此電感電流必須滿足：
[0015] Il(O) = -Il(H)
[0016] 根據(jù)上式可W計算出電感初始電流：
[001引根據(jù)平均功率計算公式：
[0020]得到輸出功率約束條件為：
[0022] 其中，W為角頻率，Lr為諧振電感量，Vi為變壓器的輸入電源值，V2為變壓器的輸出 電源值，iL為變壓器的輸入電流值，S為功率移相角，T為調(diào)制移相角。
[0023] 所述步驟(3)中，雙向移相全橋?qū)崿F(xiàn)軟開關(guān)條件：
[0024] iL(S)〉〇iL(3T)〉〇
[0025] 得到BI橋?qū)崿F(xiàn)軟開關(guān)的條件：
[0027]其中d為折算后的電壓比，m為原邊側(cè)調(diào)制度：
[0029] Vl為輸入電壓，V2為輸出電壓，N為變壓器應(yīng)比。
[0030] 所述步驟(4)中，對輸出功率做進(jìn)一步的微分處理：
[0032]令上式等于0, W尋找功率最大點(diǎn)，確定最大功率條件下的功率移相角和調(diào)制移相 角之間的關(guān)系為：
[0034]所述步驟(4)中，將最大功率條件下的功率移相角和調(diào)制移相角之間的關(guān)系帶入 輸出功率約束條件，得到功率表達(dá)式：
[0036] 控制功率移相角S控制能量流動的大小和方向，當(dāng)變壓器輸入電壓Vi超前于V2時， 能量正向流動，當(dāng)V2超前于Vi時，能量反向流動，當(dāng)S = V2時，傳遞功率最大，計算出調(diào)制移 相角為。
[0037] 所述步驟(4)中PI調(diào)節(jié)的具體算法為:使用增量型數(shù)字PI調(diào)節(jié)器，結(jié)合控制方法： 5k=Kp(ek-ek-i)+Kiek+Sk-i，
[0038] 其中Sk為本次給定功率移相角，Sk-I為上一次給定功率移相角，ek為本次電壓/電流 誤差，ek-1為上一次電壓/電流誤差，Kp為比例系數(shù)，Ki為積分系數(shù)。
[0039] 本發(fā)明的有益效果為：
[0040] (1)本發(fā)明提供一種雙調(diào)制實(shí)現(xiàn)雙向全橋全功率范圍軟開關(guān)的一種控制方法，使 雙向變換器兼有了化C可W實(shí)現(xiàn)全功率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)和全橋變換器容易實(shí)現(xiàn)輸出電壓 的寬范圍調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)，從空載到滿載寬電壓輸出范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了原副邊所有功率管的零電壓 開關(guān)。
[0041] (2)本發(fā)明在傳統(tǒng)控制方式的基礎(chǔ)上，引入了調(diào)制移相角的控制策略，通過巧妙的 設(shè)置該角度，使得變換器在輸出最大功率的基礎(chǔ)上，減少了變換器的環(huán)路電流，減少了諧振 電感的續(xù)流時間，從而使得軟開關(guān)工作范圍得到拓寬。
【附圖說明】
[0042] 圖1為本發(fā)明方法控制的雙向全橋直流變換器的拓?fù)鋱D；
[0043] 圖2為本發(fā)明所述方法不考慮死區(qū)W及雜散參數(shù)條件下的工作典型波形圖；
[0044] 圖3(a)為本發(fā)明所述控制方法一個周期內(nèi)模態(tài)分析圖；
[0045] 圖3(b)為本發(fā)明所述控制方法一個周期內(nèi)模態(tài)分析圖；
[0046] 圖3(c)為本發(fā)明所述控制方法一個周期內(nèi)模態(tài)分析圖；
[0047] 圖3(d)為本發(fā)明所述控制方法一個周期內(nèi)模態(tài)分析圖；
[004引圖3(e)為本發(fā)明所述控制方法一個周期內(nèi)模態(tài)分析圖；
[0049] 圖3(f)為本發(fā)明所述控制方法一個周期內(nèi)模態(tài)分析圖；
[0050] 圖3(g)為本發(fā)明所述控制方法一個周期內(nèi)模態(tài)分析圖；
[0051 ]圖3化)為本發(fā)明所述控制方法一個周期內(nèi)模態(tài)分析圖；
[0052] 圖3(i)為本發(fā)明所述控制方法一個周期內(nèi)模態(tài)分析圖；
[0053] 圖4為漏感量為3加 H、工作頻率為IOOIfflz條件下的全功率實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的最大功率 曲線圖；
[0054] 圖5為恒壓輸出模式下控制框圖。
【具體實(shí)施方式】：
[0055] 下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0056] 本發(fā)明中的雙向全橋直流變換器的拓?fù)鋱D如圖1所示。該變換器主要兩個全橋變 換器Bl和B2, 一個諧振電感Lr, 一個高頻變壓器，輸入輸出電源Vl和V2。其中變換橋Bl由開 關(guān)管Q11-Q14四個開關(guān)管組成，B2由Q21-Q24四個開關(guān)管組成。
[0057] 本發(fā)明掲示的雙調(diào)制實(shí)現(xiàn)雙向全橋全功率范圍軟開關(guān)的控制過程如下：
[005引1)雙向全橋變換器8個開關(guān)管工作頻率相同，占空比均為50%。同一橋臂的上下開 關(guān)管設(shè)置死區(qū)時間。
[0059] 2)本發(fā)明的控制方式包含兩個可調(diào)節(jié)變量:功率移相角S和調(diào)制移相角T。典型工 作波形圖如圖2所示，由于在一個周期內(nèi)，兩個半周期內(nèi)的工作波形完全對稱，下面W正半 周期為例共=個時序說明變換器的工作時序圖：
[0060] 時序一：
[0061 ] 〇<0<5；
[0063] 時序二：
[0064] 5<0T：
[0066] 時序 S:
[0067] T<0<JT；
[0069] 由于在一個周期內(nèi)，電感電流必須得到復(fù)位，因此電感電流必須滿足：
[0070] Il(O) = -Il(U)
[0071] 根據(jù)上式可W計算出電感初始電流：
[0073]根據(jù)平均功率計算公式：
[0075]得到輸出功率約束條件為：
[0077] 其中，CO為角頻率，Lr為漏感量。
[0078] 3)根據(jù)雙向移相全橋?qū)崿F(xiàn)軟開關(guān)條件：
[0079] iL(S)〉〇iL(3T)〉〇
[0080] 得到BI橋?qū)崿F(xiàn)軟開關(guān)的條件(降壓）：
[0082]其中d為折算后的電壓比，m為原邊側(cè)調(diào)制度：
[0084] Vl為輸入電壓，V2為輸出電壓，N為變壓器應(yīng)比。
[0085] 4)按照3)描述的軟開關(guān)和功率約束條件選取合適的調(diào)制度，就可W實(shí)現(xiàn)寬電壓輸 出全功率范圍內(nèi)的軟開關(guān)條件。
[0086] 5)為了實(shí)現(xiàn)在全功率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)ZVS軟開關(guān)的前提下，保證變換器能夠輸出最大 功率，因此，對輸出功率做進(jìn)一步的微分處理：
[0088] 為了找到功率最大點(diǎn)，令上式等于0。
[0089] 最終得到關(guān)系式如下：
[0091]將上式帶入2)得到的功率表達(dá)式，化簡得：
[0093] 從上式可W看出，通過控制S可W控制能量流動的大小和方向。當(dāng)Vl超前于V2時， 能量正向流動，當(dāng)V2超前于Vl時，能量反向流動，并且顯而易見，當(dāng)S = ji/2時，傳遞功率最 大。
[0094] 6)將S = t/2帶入軟開關(guān)約束條件關(guān)系式：
，該關(guān)系式恒成立。因