一种DAB功率与电流模型、电流应力优化调制方法及系统 |
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| 申请号 | CN202311719270.3 | 申请日 | 2023-12-14 | 公开(公告)号 | CN117955346A | 公开(公告)日 | 2024-04-30 |
| 申请人 | 东北大学; | 发明人 | 宋崇辉; 倪鸿权; 李皓; 焦正阔; 孙瑞旺; 关龙飞; 王旭东; 邱云龙; | ||||
| 摘要 | 本 发明 属于电 力 电子 技术领域，公开了一种DAB功率与 电流 模型、电流 应力 优化调制方法及系统。本发明提出的方法便于分析伴随功率，此伴随功率抛开了影响DAB功率的其他变量，仅考虑与调制有关的变量D1与D2，避免了繁琐的真实功率计算。因为所提出的伴随功率与伴随电流与EPS调制下DAB真实功率与电流有相同变化趋势。所以，DAB的电流应力优化问题转换为了：相同伴随功率pf下，通过选择合适的控制变量D1，D2，使伴随电流应力iLf最小的问题。转化后的问题在分析上更简洁。进一步的，所述伴随功率计算简单、便于分析，避免用频域分析法时需要考虑各高阶谐波的缺点与用时域分析法时需要对每段功率分别进行计算的缺点。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种DAB功率与电流模型，其特征在于，所述DAB功率与电流模型基于EPS调制，得到伴随电流与伴随功率，仅与调制时调制变量有关； |
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| 说明书全文 | 一种DAB功率与电流模型、电流应力优化调制方法及系统技术领域背景技术[0002] 单相双有源桥式(DAB)直流‑直流变换器由于其具有拓扑简单、可使功率双向流动、软开关范围广等优点，正逐渐应用于新能源汽车、储能等领域。对单相DAB来说，现有最成熟的方案是单移相(SPS)调制。在SPS调制中，变换器原边与副边都是H桥斜对管导通，每个H桥的每个桥臂上下两开关管导通时间互补。以控制DAB输出电压为例，DAB通过控制原副边开关管开关顺序控制DAB的传输功率，根据负载在不同输入功率下的电压特性，从而控制输出电压。SPS调制方式可以让DAB在电压变比为变压器变比时让DAB有极大的软开关范围，但是在电压变比失配且DAB处于轻载状态时有较大的电流应力，且软开关范围变小，这导致其效率降低。 [0003] SPS调制的这种轻载时电流应力高的缺点可以用新调制方案来解决，近年来提出的新调制大体分为三种，分别为“CN113489342A”中的双移相(DPS)调制，“CN107968571A”中的三移相(TPS)调制和“CN114499212A”中的扩展移相(EPS)调制。其中DPS是在SPS的基础上，引入内移相角，即H桥不再斜对管导通，而是互差一个延时时间，称为内移相角。TPS是原副边的内移相角不再相同，因而又引入了一个移相角。EPS在DPS的基础上，将副边的内移相角固定为零。在上述的调制方案中，EPS与DPS有两个控制变量以控制DAB传输功率，TPS有三个控制变量以控制DAB传输功率。在DAB的相同传输功率下的电流应力优化方面，每种调制方案又分别有不同的调制方式，各种调制方式以追求计算简单，降低控制复杂度与追求相同功率下电流应力低，优化效率两个目标为目标，在这两个目标的权衡中，至今还有新调制控制方案在提出。 [0004] 为解释DAB在不同调制下的功率与电流模型，近年来也有相应文献提出，大体分为两种，即基于分段积分形式的时域模型与基于傅里叶分解的频域模型。“Shi,Haochen,Huiqing Wen,Yihua Hu,and Lin Jiang."Reactive Power Minimization in Bidirectional DC‑DC Converters Using a Unified‑Phasor‑Based Particle Swarm Optimization."IEEE Transactions on Power Electronics 33.12(2018):10990‑1006.Web.”采用了频域模型并利用人工智能算法进行优化以达成期望优化结果。“Zhao,Biao,Qiang Song,Wenhua Liu,and Weixin Sun."Current‑Stress‑Optimized Switching Strategy of Isolated Bidirectional DC‑DC Converter With Dual‑Phase‑Shift Control."IEEE Transactions on Industrial Electronics(1982)60.10(2013):4458‑ 467.Web.”采用了时域模型并利用Lagrange乘数法求解得到最小电流应力运行时的控制变量的计算公式。不同模型都致力于表达形式简洁利于分析与致力于计算简单利于控制两个方面。 [0005] 在现有的调制控制方案中，相比于三控制变量的TPS，拥有两控制变量的DPS与EPS在实现与计算上通常会更简单一些。相比于DPS，EPS因其变压器副边电压没有零电平，所以不存在某一时间段变压器原副边电压都为零的情况，所以会避免此时的电流为恒定值，从而有更大的软开关范围，且因其也具有两控制变量，从而在电流应力方面也很优异。 [0006] 在模型方面，时域模型需要根据开关管驱动脉冲的上升沿下降沿顺序进行分类讨论，分类情况多，计算公式多。频域模型不需要分类讨论，然而，其电流以及功率的表达式包含不同频率成分的叠加之和，所以同样需要复杂的计算，因此，其往往使用离线的优化方法，只能实现离线控制。 发明内容[0007] 本发明的一个目的是提供一个基于EPS调制的仅与调制时控制量有关的DAB功率与电流模型，这种模型无需对DAB工作状态进行分类讨论，也无需繁琐的计算公式，从而降低DAB的分析的复杂程度，且这种模型适用于任何EPS调制。 [0008] 本发明的另一个目的是提供一个上述建模下的以优化电流应力为目标的调制方法。这种方法既能使控制复杂度更低，又能使DAB有更低的电流应力与更高的效率。 [0009] 本发明的技术方案如下：一种DAB功率与电流模型，基于EPS调制，得到伴随电流与伴随功率，仅与调制时调制变量有关； [0010] 首先对DAB原副边H桥输出的方波电压进行傅里叶分解，根据傅里叶分解后的方波电压计算电感真实电流与DAB真实传输功率，对电感真实电流与DAB真实传输功率的计算结果取基波部分，忽略与移相角α，β无关的部分，得到伴随功率pf与伴随电流iLf表达式分别为； [0011] [0012] 其中，α＝D1·2π， D1和D2分别为调制变量，V1表示DAB原边电压，V2表示DAB副边电压，N表示变压器变比。 [0013] 一种根据DAB功率与电流模型的电流应力优化调制方法，将DAB轻载时的电流应力优化问题等效为相同传输功率p下，通过选择调制变量D1，D2，使电流应力有效值irms最小，最终简化为相同伴随功率pf下，通过选择移相角α与β，使伴随电流应力iLf最小；上述问题属于非线性优化问题，本发明采用KKT方法计算其解析解。进一步简化，将伴随功率pf替代为与其具有单调关系的移相角β；根据输入的移相角β计算移相角α，再将得到的移相角α与β转化为调制变量D1和D2，最后根据得到的调制变量，利用载波调制，得出各开关管驱动脉冲。 [0014] 所述计算移相角α的计算过程如下： [0015] [0016] 其中， 在实际应用中，β可以是PI控制器的输出。 [0017] 所述调制变量D1和D2的计算过程如下： [0018] [0019] 所述载波调制方式具体为：设定载波波形为周期TS、峰值为1的向上计数的锯齿波，每桥臂两开关管设定两比较值Cmp1和Cmp2，每桥臂上开关管的驱动脉冲根据两比较值与载波比较得到，下开关管的驱动信号由上开关管信号取反得到；对于上开关管驱动信号，设定为当载波等于Cmp1时，为驱动脉冲上升沿，当载波等于Cmp2时，为驱动脉冲下降沿。 [0020] 所述每桥臂两开关管额外设置死区，用于防止直通。 [0021] 所述各桥臂上开关管的两比较值的设定如表1所示； [0022] 表1脉冲载波调制比较值 [0023]开关管 S1 S2 S5 S6 Cmp1 0 1‑D1 D2 D2+0.5 Cmp2 0.5 0.5‑D1 D2+0.5 D2 [0024] 其中，开关管S1与S3构成一个桥臂，S1为上开关管，S3为下开关管；开关管S2与S4构成一个桥臂，S2为上开关管，S4为下开关管；开关管S5与S7构成一个桥臂，S5为上开关管，S7为下开关管；开关管S6与S8构成一个桥臂，S6为上开关管，S8为下开关管。 [0025] 一种根据DAB功率与电流模型的电流应力优化调制系统，包括PI控制器、优化器、*转换模块、载波模块和单相DAB；其中，PI调节器根据反馈电压V2与给定电压V2 得到移相角β；优化器根据输入的β得到移相角α，使DAB在相同的传输功率下电流应力达到最低；转换模块与载波模块从移相角得到各个开关管的驱动脉冲；其中，转换模块根据输入的α，β得到调制变量D1，D2，载波模块由调制变量D1，D2经调制得到开关管驱动脉冲。 [0026] 本发明的有益效果：本发明提出的方法便于分析伴随功率，此伴随功率抛开了影响DAB功率的其他变量，仅考虑与调制有关的变量D1与D2，并进一步的转化为用移相角α与β表示，避免了繁琐的真实功率计算。因为所提出的伴随功率与伴随电流与EPS调制下DAB真实功率与电流有相同变化趋势。所以，DAB的电流应力优化问题转换为了：相同伴随功率pf下，通过选择合适的移相角α与β，使伴随电流应力iLf最小的问题。转化后的问题在分析上更简洁。 [0027] 本发明提出的方法，基于伴随功率以优化DAB电流应力为目标，易于实现。进一步的，所述伴随功率计算简单、便于分析，避免用频域分析法时需要考虑各高阶谐波的缺点与用时域分析法时需要对每段功率分别进行计算的缺点。附图说明 [0028] 图1是本发明中单相双有源桥式直流‑直流变换器拓扑； [0029] 图2是本发明中EPS调制下驱动信号和电感电流的典型波形； [0030] 图3是本发明中载波调制图； [0031] 图4是本发明中所设计调制与SPS调制的电流应力仿真对比图； [0032] 图5是本发明中DAB功率与电流模型的电流应力优化调制系统框图。 具体实施方式[0033] 本发明提出了一种伴随功率的计算方法，包括：伴随功率计算方法和伴随电流计算方法。 [0034] 另一方面，本发明提出了一种DAB功率与电流模型的电流应力优化调制方法，基于伴随功率实现。内容包括：根据输入伴随功率计算移相角α与β，再将得到的移相角转化为调制变量D1D2，最后根据得到的调制变量，利用载波调制，得出各开关管驱动脉冲。 [0035] 为便于介绍所述建模与调制方案，现介绍DAB拓扑及各变量含义，其拓扑图如图1所示。其中，DAB包含两个H桥H1与H2，一个储能电感La，两个直流支撑电容C1与C2，以及变压器T。V1与V2分别表示DAB原边电压与副边电压，v1与v2分别表示变压器串电感后的原副边电压，N表示变压器变比。 [0036] 下面说明EPS驱动信号与典型波形，并介绍DAB控制变量，定义图1中每开关管导通为对应开关管的值为1，例如：当S1＝1时，开关管S1导通，此时，因每桥臂开关管开关状态互补，则此时同一桥臂的开关管S2为关断。在此定义下，EPS调制如图2所示。其中，开关管的开关周期为Ts，所有开关管为50％占空比导通，定义调制变量D1为开关管S2的下降沿超前开关管S1下降沿的时间在周期TS中对应的占空比，调制变量D2为开关管S1的上升沿超前开关管S5上升沿的时间在周期Ts中对应的占空比。由开关周期Ts可得开关频率fs＝1/TS。由图2可得，EPS通过开关管S1‑8的开关状态控制原副边H桥输出电压，从而控制储能电感电流，根据加在电感上的电压与电流相位来控制输出功率大小，进而控制输出电压V2大小。 [0037] 上述描述可知，DAB轻载时的电流应力问题可等效为:解决相同传输功率p下，通过选择合适的调制变量D1,D2，使电流应力有效值irms最小的问题。实际上，DAB的精确功率p与精确电流irms的解析表达式很复杂，若能找到一种便于表述和计算的与传输功率p有相同变化趋势的伴随功率pf，和与电流应力有效值irms有相同变化趋势的if，并用更便于分析的移相角α与β替换调制变量D1，D2，则上述优化问题可以简化为：相同伴随功率pf下，通过选择合适的移相角α，β，使伴随电流应力iLf最小的问题，现提出伴随功率与伴随电流的计算方法，伴随功率与伴随电流分别为； [0038] [0039] 其中，α＝D1·2π， [0040] 需要注意的是：伴随功率可用来看功率变化趋势，但其数值与真实功率无关。本发明将DAB功率的影响因素分为两部分，即与移相角有关的控制变量和在DAB运行时不可用于控制传输功率的参数变量两部分，并由其中的控制变量得到伴随功率。影响功率的参数变量还有N，V1，V2，Fs，L。 [0041] 需要注意的是，所述DAB的每桥臂死区时间应尽可能小，因建模时忽略了死区，应避免其对功率模型与电流模型的不准确带来的影响。 [0042] 通过上述伴随功率，本发明得到一种用于优化电流应力的简化控制的方案，即[0043] 1.先由控制器给出系统需要的移相角β求出移相角α，如下式所示。 [0044] [0045] 其中 [0046] 2.再将得到的移相角转化为调制变量D1，D2，如下式所示， [0047] [0048] 3.最后根据控制变量，利用载波调制，得出各开关管驱动脉冲。脉冲载波调制部分用于根据控制变量得出各开关管驱动脉冲。载波调制方式如图3所示。设定载波波形为周期为TS，峰值为1的向上计数的锯齿波，每桥臂两开关管设定两比较值Cmp1，Cmp2，每桥臂上开关管的驱动脉冲由两比较值与载波比较得到，下开关管的驱动信号由上管信号取反得到。对于上管驱动信号，设定为当载波等于Cmp1时，为驱动脉冲上升沿，当载波等于Cmp2时，为驱动脉冲下降沿。此外，两开关管需额外设置死区以防止直通。 [0049] 上述载波调制中，各桥臂上管的比较值如表1所示。 [0050] 表1脉冲载波调制比较值 [0051] S1 S2 S5 S6Cmp1 0 1‑D1 D2 D2+0.5 Cmp2 0.5 0.5‑D1 D2+0.5 D2 [0052] 由此，调制方法完成。 [0053] 所述DAB电流应力优化调制方法对DAB轻载状态下电流应力有充分优化效果的同时，计算表达式简单，且计算量小，降低了控制复杂度。在电流应力的优化方面，图4是单相DAB在忽略损耗时本发明所设计调制与SPS调制的电流应力仿真对比图，具体是在N＝1,V2＝50,k＝1.5,Fs＝50kHZ，L＝50uH下仿真所得到的。可由图4可以明显看出本发明所提调制在DAB传输功率较低时有更低的电流应力。 [0054] 本发明的一种实施方式如图5所示。一种DAB功率与电流模型的电流应力优化调制系统，其特征在于，所述电流应力优化调制系统包括PI控制器、优化器、转换模块、载波模块*和单相DAB；其中，PI调节器根据反馈电压V2与给定电压V2得到移相角β，目的在于使反馈电压达到给定电压。优化器根据输入的β得到移相角α，目的在于使DAB在相同的传输功率下电流应力达到最低。转换模块与载波模块目的在于从移相角得到各个开关管的驱动脉冲。其中，转换模块根据输入的α，β得到调制变量D1，D2，载波模块进而由D1，D2经调制得到开关管驱动脉冲。 [0056] 1.DAB采样电路对DAB输入输出电压进行测量，得到上一周期内的电压V1，V2均值，*并计算变比k。随后，PI调节器根据给定电压V2 与实际电压V2之差输出控制量，经过限幅到[0,π/2]后得到移相角β。 [0057] 2.优化模块根据输入移相角β计算移相角α，计算公式为 [0058] [0059] 3.转换模块将得到的移相角α与β转化为调制变量D1，D2，计算公式为[0060] [0061] 4.最后载波模块利用调制变量D1，D2得到各开关管驱动脉冲。其中，DAB各桥臂上开关管比较值Cmp1,Cmp2可通过表1得到，因为在单片机中锯齿载波的计数值不会是峰值为1，是根据开关频率与自身计数速度决定的整数，本例中载波峰值为TBPRD＝7500，此时将所有Cmp1,Cmp2均扩大7500倍即可。而后根据图3所示调制得到各桥臂上开关管驱动脉冲，再根据上开关管驱动脉冲，按照上下管互补方式得到下管驱动脉冲。 [0062] 5.由此，DAB调制与控制部分完成。 |
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