三端口双向DC‑DC变换器多模态切换建模与分析方法技术

一种三端口双向DC‑DC变换器多模态切换建模与分析方法，属于电动车与新能源系统DC‑DC变换技术领域。该方法针对一类三端口隔离式双向DC‑DC变换器，建立离散多模态切换模型，描述其多种模态并存特性，然后设计状态反馈控制器，推导出闭环系统渐进稳定性条件和控制器存在条件，仿真结果表明该方法不仅实现各模态间的无痕迹切换而且能够有效抑制电流纹波和电压波动。优点在于，解决现有电动车三端口双向DC‑DC变换技术的控制精度低、带载能力差和电能回馈储能不理想的问题。

Three port bidirectional DC converter DC multi mode switching method of modeling and analysis

A three port bidirectional DC converter DC multi mode switching modeling and analysis method, belonging to the electric vehicles and new energy system DC DC transform technology. The method for a class of three port isolation type bidirectional DC DC converter, a discrete multi mode switching model, describes the various modes of the coexistence of characteristics, and then design a state feedback controller is derived, the closed-loop systems asymptotically stability conditions and controller existence condition, the simulation results show that the method not only realizes no traces of switching between each mode and can effectively restrain the ripple current and voltage fluctuation. Has the advantages of precision control to solve the existing electric vehicle three port bidirectional DC DC transform technology is low, low load capacity and power feedback energy is not ideal problem.

【技术实现步骤摘要】
三端口双向DC-DC变换器多模态切换建模与分析方法
本专利技术属于电动车储能装置与负载连接技术研究领域，特别提供了一种三端口双向DC-DC变换器多模态切换建模与分析方法,适用于以“蓄电池+超级电容”作为储能装置的电动车，也可应用于太阳能、风能及光能等可再生能源系统DC-DC变换器的研发。
技术介绍
三端口双向DC-DC变换器是绿色交通工具——电动车储能装置与负载之间的连接器，是直接影响其带载能力的关键装备之一，其拓扑结构、建模与控制问题是涉及电力电子、电路、控制理论与方法、信号处理等多学科交叉研究难题，此方向的研究也可对再生能源系统储能装置与负载的接口研究提供新思路。目前，三端口双向DC-DC变换器拓扑结构的研究获得了较大发展，但其建模与控制技术还尚处于初步阶段，无法满足当前高控制性能要求，因为现存模型，如传递函数、状态空间平均模型、小信号模型等，均未能准确表征DC-DC变换器的多模态切换动力学特性。多模态切换建模方法是将一种将被控系统动力学描述为多模态切换模型，各模态模型均设有控制器，各控制器之间根据切换信号的变换而自由切换，从而实现整个闭环控制系统的渐进稳定。该方法是目前国内外控制理论研究热点，部分研究结果用于处理复杂飞行器姿态与机械臂的控制，但将其应用于DC-DC变换器的研究尚未发现。综上所述，研究三端口双向DC-DC变换器建模与分析问题，对电动车储能与负载接口技术，具有重要的理论意义和实际应用价值。本专利技术在国家自然科学基金面上项目(51374082)的资助下提出了三端口双向DC-DC变换器多模态切换建模与分析方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种三端口双向DC-DC变换器多模态切换建模与分析方法，解决现有电动车三端口双向DC-DC变换技术的控制精度低、带载能力差和电能回馈储能不理想的问题。本专利技术针对一类三端口隔离式双向DC-DC变换器，建立离散多模态切换模型，描述其多种模态并存特性，然后设计状态反馈控制器，推导出闭环系统渐进稳定性条件和控制器存在条件，仿真结果表明该方法不仅实现各模态间的无痕迹切换而且能够有效抑制电流纹波和电压波动。三端口双向DC-DC变换器的拓扑结构如图1所示，主要包括：储能电池、超级电容、抑制电流文波的输入侧电感、隔离变压器以及其他电容、开关管及电感等。具体包括如下步骤：步骤1、针对具有图1所示拓扑结构的三端口双向DC-DC变换器，建立其离散多模态切换模型。拓扑结构为如图1所示的三端口双向DC-DC变换器的主要特点在于:蓄电池和超级电容独立或共同向负载侧传送能量，且能量可双向流动；高频变压器起到电气隔离作用，且对应不同的变压器匝数比，可获相匹配的电压值；利用开关管并联结电容与变压器漏感谐振，可实现软开关；输入侧电感，能够有效减少电流纹波等。通过关断或导通上述三全桥DC/DC变换器中变压器原边侧各桥臂开关产生具有一定占空比的电压信号。调节变压器三个原副边电压信号的移相角与占空比，改变功率传送的大小与方向，从而产生四种工作模式，分别为双内部模式、内外部模式、外外部模式以及外内部模式。本专利技术以双内模式为例，给出三全桥DC/DC变换器的多模态切换建模与稳定性分析方法。在双内模式下，三全桥DC/DC变换器在一个开关周期内存在6种工作模态，如图2所示，其中D为占空比，为电压与相角差，为电压与相角差。从图中易看出与均超前于，即蓄电池与超级电容均处于放电状态。对应每种模态，S1-S12开关管的工作状态如表1所示。表1六种模态对应的S1-S12开关状态以表1中的开关状态作为切换信号，建立三端口DC-DC变换器的多模态切换模型，对应第i种模态的模型可描述为：其中，δ＝1，2，...，6分别表示6种模态，I1(t)，I2(t)分别为输入端电感L1，L2的电流，ir1(k)，ir2(t)，ir3(t)分别为变压器三端口漏感电流，Vr1(t)，Vr2(t)，Vr3(t)分别为变压器三端口电压，R0负载电阻，C0输出端电容，x(t)＝[x1(t)x2(t)]T，x1(t)＝[I1(t)I2(t)ir1(t)ir2(t)ir3(t)]T，Lr1，Lr2，Lr3分别为变压器原副边电感，Cin1，Cin2为DC-DC变换器输入侧电容，Cr1，Cr2，…，Cr12为开关电容，VBT蓄电池电压，VSC超级电容电压，Rb1，Rb2为电阻，x2(t)＝[Vr1(t)Vr2(t)Vr3(t)]T，u(t)＝[u1(t)V0(t)]T，u1(t)＝[VBT(t)VUC(t)]T，B12＝05×1，B21＝03×2，03×2表示3行2列零矩阵，05×1表示5行1列零矩阵。采用适当的采样时间，将模型(1)离散化，获得三端全桥隔离式双向DC-DC变换器的离散多模态切换模型x(k+1)＝Adδx(k)+Bdu(k),δ＝1，2，...，6(2)其中，x(k)＝[x1(k)x2(k)]T,x1(k)＝[I1(k)I2(k)ir1(k)ir2(k)ir3(k)]Tx2(k)＝[Vr1(k)Vr2(k)Vr3(K)]T，u(k)＝[u1(k)V0(k)]T，u1(k)＝[VBT(k)VUC(k)]T，根据Aδ，B的值，通过Matlab离散化命令，可获得Adδ，Bd的值。步骤2、多模态切换模型稳定性分析针对如式(2)所示的三全桥隔离式双向DC/DC变换器多模态切换模型，设计稳定控制器，并对其进行稳定分析。针对第δ模态子系统，设计如下状态反馈控制律：u(k)＝Kδx(k)，δ＝1，2，...，6(3)其中控制器增益Kδ∈R3×8。将式(3)应用于式(2)，获得如下三全桥隔离式双向DC/DC变换器的第δ模态闭环子系统离散多模态切换模型：x(k+1)＝(Adδ+BdδKδ)x(k),δ＝1，2，...，6(4)根据表1中的切换信号，各模态之间进行自由切换。步骤3、给出闭环系统渐进稳定性条件和控制器增益求解方法。采用模态切换理论、谱范数稳定性分析方法、线性矩阵不等式方法等，推导出如定理1所示的闭环系统渐进稳定性条件和控制器增益求解方法。定理1：若存在常数0＜β＜1、对称正定矩阵Xδ∈R8×8、对称矩阵Yδ∈R8×8以及矩阵Wδ∈R3×8，使得以下线性矩阵不等式成立，则控制律(3)作用于式(2)所示DC-DC变换器，使闭环系统(4)渐进稳定，通过求解式(5)获得控制器增益。步骤4、将上述多模态切换模型与控制律描述为C语言代码，植入控制器，实现三全桥隔离式双向DC/DC变换器的高性能控制。本专利技术的优点：1)、将多模态切换理论引入三端口隔离式双向DC-DC变换器的建模与控制问题，提出离散多模态切换建模与控制理论与方法，解决了现存方法较难同时处理电流纹波和电压不稳定难题，为DC-DC变换器研究提供了新思路。2)、融合模态切换理论、谱范数稳定性分析与线性矩阵不等式方法，提出了基于多模态切换模型的鲁棒控制方法，实现了各子模态间的无痕迹稳定切换与高精度控制。附图说明图1为三端口全桥隔离式双向DC-DC拓扑结构图。图2为变压器原副边电压波形图。图3闭环系统响应曲线图。具体实施方式下面将本专利技术方法应用于如图1所示结构的三全桥隔离式双向DC-DC变换器，说明其实施方法。三全桥隔离式双向DC-DC变换器参数取值分别为：D＝0.5，移相角L1＝L2＝L本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三端口双向DC‑DC变换器多模态切换建模与分析方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、针对具有拓扑结构的三端口双向DC‑DC变换器，建立其离散多模态切换模型蓄电池和超级电容独立或共同向负载侧传送能量，且能量双向流动；高频变压器起到电气隔离作用，且对应不同的变压器匝数比，获相匹配的电压值；利用开关管并联结电容与变压器漏感谐振，实现软开关；输入侧电感，能够有效减少电流纹波；通过关断或导通上述三全桥DC/DC变换器中变压器原边侧各桥臂开关产生具有一定占空比的电压信号；调节变压器三个原副边电压信号的移相角与占空比，改变功率传送的大小与方向，从而产生四种工作模式，分别为双内部模式、内外部模式、外外部模式以及外内部模式；在双内模式下，三全桥DC/DC变换器在一个开关周期内存在6种工作模态，其中D为占空比，为电压与相角差，为电压与相角差；即蓄电池与超级电容均处于放电状态；对应每种模态，S1‑S12开关管的工作状态如下：六种模态对应的S1‑S12开关状态S1‑S12(1导通，0关断)模态1 100101010110模态2 100101011001模态3 100110011001模态4 011010100110模态5 011001010110模态6 011001100110开关状态作为切换信号，建立三端口DC‑DC变换器的多模态切换模型，对应第i种模态的模型描述为：...

【技术特征摘要】
1.一种三端口双向DC-DC变换器多模态切换建模与分析方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、针对具有拓扑结构的三端口双向DC-DC变换器，建立其离散多模态切换模型蓄电池和超级电容独立或共同向负载侧传送能量，且能量双向流动；高频变压器起到电气隔离作用，且对应不同的变压器匝数比，获相匹配的电压值；利用开关管并联结电容与变压器漏感谐振，实现软开关；输入侧电感，能够有效减少电流纹波；通过关断或导通上述三全桥DC/DC变换器中变压器原边侧各桥臂开关产生具有一定占空比的电压信号；调节变压器三个原副边电压信号的移相角与占空比，改变功率传送的大小与方向，从而产生四种工作模式，分别为双内部模式、内外部模式、外外部模式以及外内部模式；在双内模式下，三全桥DC/DC变换器在一个开关周期内存在6种工作模态，其中D为占空比，为电压与相角差，为电压与相角差；即蓄电池与超级电容均处于放电状态；对应每种模态，S1-S12开关管的工作状态如下：六种模态对应的S1-S12开关状态S1-S12(1导通，0关断)模态1100101010110模态2100101011001模态3100110011001模态4011010100110模态5011001010110模态6011001100110开关状态作为切换信号，建立三端口DC-DC变换器的多模态切换模型，对应第i种模态的模型描述为：其中，δ＝1，2，...，6分别表示6种模态，I1(t)，I2(t)分别为输入端电感L1，L2的电流，ir1(t)，ir2(t)，ir3(t)分别为变压器三端口漏感电流，Vr1(t)，Vr2(t)，Vr3(t)分别为变压器三端口电压，R0负载电阻，C0输出端电容，x(t)＝[x1(t)x2(t)]T，x1(t)＝[I1(t)I2(t)ir1(t)ir2(t)ir3(t)]T，Lr1，Lr2，Lr3分别为变压器原副边电感，Cin1，Cin2为DC-DC变换器输入侧电容，Cr1，Cr2，…，Cr12为开关电容，VBT蓄电池电压，VSC超级电容电压，Rb1，Rb2为电阻，x2(t)＝[Vr1(t)Vr2(t)Vr3(t)]T，u(t)＝[u1(t)V0(t)]T，u1(t)＝[VBT(t)VUC(t)]T，

【专利技术属性】
技术研发人员：陈金香，
申请(专利权)人：冶金自动化研究设计院，
类型：发明
国别省市：北京,11