双有源全桥DC-DC变换器优化控制方法技术

本发明专利技术属于直流变换器优化控制技术领域，公开了一种双有源全桥DC

【技术实现步骤摘要】
双有源全桥DC
‑
DC变换器优化控制方法


[0001]本专利技术属于直流变换器优化控制
，涉及一种双有源全桥DC
‑
DC变换器优化控制方法。

技术介绍

[0002]随着全球能源危机与环境污染的加剧，分布式可再生能源、储能电站及电动汽车等直流装置得到了飞速的发展，这极大地促进了直流配电网的普及和发展。双有源全桥(Dual Active Bridge,DAB)DC
‑
DC变换器因其能够实现能量双向流动、易于实现软开关和具有高功率密度等特点，已逐渐成为直流配电网中应用最多的双向DC
‑
DC变换器，同时也在电动汽车充电桩等领域被广泛应用。但双有源全桥DC
‑
DC变换器在传统控制方式下，会产生较大的回流功率，降低了变换器的传输效率，并且动态特性较差，在负载发生突变时变换器的响应时间较长，不能使输出电压快速恢复到额定值。因此如何对双有源全桥DC
‑
DC变换器产生的回流功率进行抑制，同时改善其动态特性，逐渐成为了当下研究的热点。
[0003]目前，在双有源全桥DC
‑
DC变换器的控制中，移相调制是应用最广泛的控制方法，即通过控制各个开关管之间的相移量来调节变换器传输功率的大小和方向。常用的移相调制方法包括单移相(Single Phase Shift,SPS)调制、扩展移相(Extended Phase Shift,EPS)调制、双重移相(Dual Phase Shift,DPS)调制以及三重移相(Triple Phase Shift,TPS)调制。其中单移相调制仅有一个控制量，因此难以对回流功率进行有效抑制，在实际应用中存在较大的回流功率。扩展移相调制和双重移相调制有两个控制量，虽对回流功率的抑制作用显著增强，但仍存在较大的回流功率。三重移相调制有三个控制量，虽然对回流功率抑制的效果较为理想，但是控制量中间有多重组合的可能，分析过程较为复杂，在实际工程中难以应用。并且现有的移相优化方法均需要借助PI控制器来保证功率传输，所以动态特性都不理想。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的，是要提供一种双有源全桥DC
‑
DC变换器优化控制方法，以解决现有双有源全桥DC
‑
DC变换器回流功率大，导致传输效率低的问题。
[0005]本专利技术为实现上述目的，所采用的技术方案如下：
[0006]一种双有源全桥DC
‑
DC变换器优化控制方法，包括以下步骤：
[0007]S1、对拓展移相调制下的双有源全桥DC
‑
DC变换器进行工作模态分析，构建双有源全桥DC
‑
DC变换器电感电流的状态方程；
[0008]S2、根据电感电流的状态方程，推导双有源全桥DC
‑
DC变换器在拓展移相调制下，标幺化处理后的传输功率和回流功率数学模型；
[0009]S3、结合改进的拉格朗日函数和标幺化处理后的传输功率数学模型，计算得到最终的内相移量D
1.end
；
[0010]S4、在拓展移相调制下，构建双有源全桥DC
‑
DC变换器的输出电压状态空间平均方
程，对输出电压状态空间平均方程进行离散化处理，计算得到双有源全桥DC
‑
DC变换器的输出电压的预测方程，并得到输出电压的预测值；
[0011]S5、使输出电压的预测值和输出电压参考值相等，计算得到双有源全桥DC
‑
DC变换器在拓展移相调制下最终的外相移量D
2.end
。
[0012]作为限定，步骤S1中，构建双有源全桥DC
‑
DC变换器电感电流的状态方程的方法为：
[0013]电感电流具有对称性，因此在半个开关周期内，将双有源全桥DC
‑
DC变换器的工作状态分为四个阶段，分别建立电感电流的状态方程，求得各个时刻下的电感电流值；
[0014]所述四个阶段分别为t∈[t0，t1]、t∈[t1，t2]、t∈[t2，t3]和t∈[t3，t4]；
[0015]t∈[t0，t1]阶段的电感电流的状态方程为：
[0016][0017]其中，i
L
(t)为t时刻流经电感的电流值，i
L
(t0)为t0时刻流经电感的电流值，n为变压器的变比，U
o
为输出电压，L为储能电感值；
[0018]t∈[t1，t2]阶段的电感电流的状态方程为：
[0019][0020]其中，i
L
(t1)为t1时刻流经电感的电流值，U
in
为输入电压；
[0021]t∈[t2，t3]阶段的电感电流的状态方程为：
[0022][0023]其中，i
L
(t2)为t2时刻流经电感的电流值；
[0024]t∈[t3，t4]阶段的电感电流的状态方程为：
[0025][0026]其中，i
L
(t3)为t3时刻流经电感的电流值。
[0027]作为进一步限定，步骤S2中，根据电感电流的状态方程，双有源全桥DC
‑
DC变换器在拓展移相调制下，传输功率的数学模型为：
[0028][0029]其中，P
EPS
为传输功率，T
hs
为半个开关周期，u
ab
为双有源全桥DC
‑
DC变换器原边输出电压，f
s
为开关频率，D1为内相移量，D2为外相移量；
[0030]双有源全桥DC
‑
DC变换器拓展移相调制下，回流功率的数学模型为：
[0031][0032]其中，Q
EPS
为回流功率，k为双有源全桥DC
‑
DC变换器变比，k＝U
in
/nU
o
；
[0033]设双有源全桥DC
‑
DC变换器在单移相调制下的最大传输功率P
MAX
为基准值，其表达
式为：
[0034][0035]利用公式(7)对公式(5)和公式(6)进行标幺化处理，得到双有源全桥DC
‑
DC变换器在拓展移相调制下，标幺化处理后的传输功率的回流功率数学模型；
[0036][0037]其中，p
EPS
为标幺化处理后的传输功率；q
EPS
为标幺化处理后的回流功率。
[0038]作为再进一步限定，步骤S3中，拉格朗日函数表达式为：
[0039]E＝q
EPS
+λ(p
EPS
‑
p
*
)
ꢀꢀ
(9)
[0040]其中，E为拉格朗日函数，p*为给定传输功率，λ为拉格朗日乘子；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双有源全桥DC
‑
DC变换器优化控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、对拓展移相调制下的双有源全桥DC
‑
DC变换器进行工作模态分析，构建双有源全桥DC
‑
DC变换器电感电流的状态方程；S2、根据电感电流的状态方程，推导双有源全桥DC
‑
DC变换器在拓展移相调制下，标幺化处理后的传输功率和回流功率数学模型；S3、结合改进的拉格朗日函数和标幺化处理后的传输功率数学模型，计算得到最终的内相移量D
1.end
；S4、在拓展移相调制下，构建双有源全桥DC
‑
DC变换器的输出电压状态空间平均方程，对输出电压状态空间平均方程进行离散化处理，计算得到双有源全桥DC
‑
DC变换器的输出电压的预测方程，并得到输出电压的预测值；S5、使输出电压的预测值和输出电压参考值相等，计算得到双有源全桥DC
‑
DC变换器在拓展移相调制下最终的外相移量D
2.end
。2.根据权利要求1所述的双有源全桥DC
‑
DC变换器优化控制方法，其特征在于，步骤S1中，构建双有源全桥DC
‑
DC变换器电感电流的状态方程的方法为：电感电流具有对称性，因此在半个开关周期内，将双有源全桥DC
‑
DC变换器的工作状态分为四个阶段，分别建立电感电流的状态方程，求得各个时刻下的电感电流值；所述四个阶段分别为t∈[t0，t1]、t∈[t1，t2]、t∈[t2，t3]和t∈[t3，t4]；t∈[t0，t1]阶段的电感电流的状态方程为：其中，i
L
(t)为t时刻流经电感的电流值，i
L
(t0)为t0时刻流经电感的电流值，n为变压器的变比，U
o
为输出电压，L为储能电感值；t∈[t1，t2]阶段的电感电流的状态方程为：其中，i
L
(t1)为t1时刻流经电感的电流值，U
in
为输入电压；t∈[t2，t3]阶段的电感电流的状态方程为：其中，i
L
(t2)为t2时刻流经电感的电流值；t∈[t3，t4]阶段的电感电流的状态方程为：其中，i
L
(t3)为t3时刻流经电感的电流值。3.根据权利要求2所述的双有源全桥DC
‑
DC变换器优化控制方法，其特征在于，步骤S2中，根据电感电流的状态方程，双有源全桥DC
‑
DC变换器在拓展移相调制下，传输功率的数学模型为：
其中，P
EPS
为传输功率，T
hs
为半个开关周期，u
ab
为双有源全桥DC
‑
DC变换器原边输出电压，f
s
为开关频率，D1为内相移量，D2为外相移量；双有源全桥DC
‑
DC变换器拓展移相调制下，回流功率的数学模型为：其中，Q
EPS
为回流功率，k为双有源全桥DC
‑
DC变换器变比，k＝U
in
/nU
o
；设双有源全桥DC
‑
DC变换器在单移相调制...

【专利技术属性】
技术研发人员：李小腾，张艳丽，商文婧，刘瑶，王灿龙，张新闻，孙晓云，
申请(专利权)人：北方民族大学西安科技大学，
类型：发明
国别省市：