一种高效双向功率变换模块可靠并联控制系统及方法
文献发布时间：2023-06-19 16:04:54
技术领域
本公开属于高性能功率变换系统先进控制技术领域，具体涉及一种高效双向功率变换模块可靠并联控制系统及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
高效双向功率变换系统广泛应用于电动汽车充电、动力电池测试、电池储能等应用，是上述应用的共性关键技术。常规功率变换系统常采用AC/DC和DC/DC的两级式结构，不仅需要较多的功率开关，驱动电路设计繁杂，而且直流母线电容体积庞大，使得该方案的效率和功率密度难以进一步提升。高频链矩阵变换器是一种三相单级高频隔离型AC/DC变换器，其驱动设计简单，无需直流母线电容，具有高效率、高功率密度和高可靠性等优势，是传统两级功率变换拓扑的理想替代方案。
随着电池系统的电压和容量不断提高，功率变换系统的电压和功率等级大幅提升，进而导致功率开关器件成本指数级增长，已严重制约其市场应用。国内外学者提出诸如多电平、串并联等技术。然而，由于双向开关的存在，矩阵变换器的多电平调控技术极其复杂，不利于工程应用；在实际应用中常存在电感、电容器件参数不一致，导致串并联模块间功率不均衡，降低系统运行可靠性。
发明内容
为了解决上述问题，本公开提出了一种高效双向功率变换模块可靠并联控制系统及方法，设计了一种输入侧并联输出侧串联模块化高频链矩阵变换器(IPOS-HFLMC)，大幅降低了开关管的电流应力和电压应力，采用模块化设计，易于扩容；从能量守恒的角度分析，以各模块输出均压和输入均流作为切入点，通过功率均衡反步控制方法实现模块间功率均衡，有效提高了并联系统的安全可靠性。
根据一些实施例，本公开的第一方案提供了一种模块化高频链矩阵变换器，采用如下技术方案：
一种模块化高频链矩阵变换器，包括第一高频链矩阵变换器子模块和第二高频链矩阵变换器子模块；
所述第一高频链矩阵变换器子模块与所述第二高频链矩阵变换器子模块的三相输入端均并联接入三相电网，所述第一高频链矩阵变换器子模块输出电容的负极与所述第二高频链矩阵变换器子模块输出电容的正极相连接，所述第一高频链矩阵变换器子模块输出电容的正极连接负载电池的正极，所述第二高频链矩阵变换器子模块输出电容的负端连接电池负载的负极。
根据一些实施例，本公开的第二方案提供了一种高效双向功率变换模块可靠并联控制系统，采用了第一方案中所提供的模块化高频链矩阵变换器，采用如下技术方案：
一种高效双向功率变换模块可靠并联控制系统，包括：
双极性电流空间矢量调制模块、输入均流反步控制模块和输出均压反步控制模块；其中，所述输入均流反步控制模块包括输出电流外环反步控制器、输出电压中环反步控制单元、输入电流内环反步控制单元；所述输出均压反步控制模块包括输出电压外环反步控制单元和输入电流内环反步控制单元；
所述输出电流外环反步控制器根据接收到的给定的输出电流参考值以及模块化高频链矩阵变换器的输出电流实际值和输出电压实际值，得到每个高频链矩阵变换器子模块的输出电压参考值和输出电流误差变量；
所述输出电压中环反步控制单元根据模块化高频链矩阵变换器的输出电流实际值和输出电压实际值，以及输入电流在有功分量d轴的参考值和输出电流误差变量，得到模块化高频链矩阵变换器的输入电流在有功分量d轴的参考值和输出电压误差变量；
所述输出电压外环反步控制单元根据接收到的给定的输出电压参考值以及模块化高频链矩阵变换器的输出电流实际值和输出电压参考值，得到输入电流在有功分量d轴的参考值和输出电流误差变量；
所述输入电流内环反步控制单元根据模块化高频链矩阵变换器的三相电流、桥臂中点电压，以及所述输出电压中环反步控制单元或所述输出电压外环反步控制单元的输出量，计算得到三相电流有功分量的调制比；
所述双极性电流空间矢量调制模块根据三相电流有功分量的调制比，得到用于驱动模块化高频链矩阵变换器双向开关的控制脉冲信号。
作为进一步的技术限定，还包括锁相环模块和坐标变换模块；所述锁相环模块根据三相电压实际值得到电网电压的相位角；所述坐标变换模块根据三相电流实际值，得到电网电流有功分量和无功分量。
作为进一步的技术限定，所述输出电压中环反步控制单元用于控制输出电压，跟踪参考电压；所述输出电压中环反步控制单元包括第一输出电压中环反步控制器和第二输出电压中环反步控制器；所述第一输出电压中环反步控制器用于第一高频链矩阵变换器子模块，所述第二输出电压中环反步控制器用于第二高频链矩阵变换器子模块。
进一步的，所述输入电流内环反步控制单元用于控制输入电流有功分量和桥臂中点电压的有功分量，跟踪输入电流有功分量参考值和桥臂中点电压的有功分量参考值；所述输入电流内环反步控制单元包括第一输入电流内环反步控制器和第二输入电流内环反步控制器；所述第一输入电流内环反步控制器用于第一高频链矩阵变换器子模块，所述第二输入电流内环反步控制器用于第二高频链矩阵变换器子模块。
进一步的，所述输出电压外环反步控制单元用于控制总输出电压，跟踪给定的输出电压参考值；所述输出电压外环反步控制单元包括第一输出电压外环反步控制器和第二输出电压外环反步控制器；所述第一输出电压外环反步控制器用于第一高频链矩阵变换器子模块，所述第二输出电压外环反步控制器用于第二高频链矩阵变换器子模块。
作为进一步的技术限定，在三相电网电压平衡工况下，根据基尔霍夫定律，建立dq两相同步旋转坐标系高频链矩阵变换器网侧回路方程为：
其中，e
进一步的，在所述输入均流反步控制模块中，建立高频链矩阵变换器直流侧的微分方程为：
其中，v
进一步的，在所述输出均压反步控制模块中，建立高频链矩阵变换器直流侧的微分方程为：
其中，v
根据一些实施例，本公开的第三方案提供了一种高效双向功率变换模块可靠并联控制方法，采用如下技术方案：
一种高效双向功率变换模块可靠并联控制方法，包括均流模式和均压模式；
其中，所述均流模式的具体过程为：
根据接收到的给定的输出电流参考值以及模块化高频链矩阵变换器的输出电流实际值和输出电压实际值，得到每个高频链矩阵变换器子模块的输出电压参考值和输出电流误差变量；
根据模块化高频链矩阵变换器的输出电流实际值和输出电压实际值，以及输入电流在有功分量d轴的参考值和输出电流误差变量，得到模块化高频链矩阵变换器的输入电流在有功分量d轴的参考值和输出电压误差变量；
根据模块化高频链矩阵变换器的三相电流、桥臂中点电压、输入电流在有功分量d轴的参考值和输出电压误差变量，计算得到三相电流有功分量的调制比；
根据三相电流有功分量的调制比，得到用于驱动模块化高频链矩阵变换器双向开关的控制脉冲信号；
所述均压模式的具体过程为：
根据接收到的给定的输出电压参考值以及模块化高频链矩阵变换器的输出电流实际值和输出电压参考值，得到输入电流在有功分量d轴的参考值和输出电流误差变量；
根据模块化高频链矩阵变换器的三相电流、桥臂中点电压、输入电流在有功分量d轴的参考值和输出电流误差变量，计算得到三相电流有功分量的调制比；
根据三相电流有功分量的调制比，得到用于驱动模块化高频链矩阵变换器双向开关的控制脉冲信号。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
1.本公开所提出的模块化高频链矩阵变换器，网侧可并联或级联，直流侧可串联或并联，灵活扩容，大幅提高系统功率等级和直流输出电压、电流范围。
2.本公开提出的功率均衡反步控制方法，包括输入均流反步控制(即均流模式)和输出均压反步控制(即均压模式)，均流模式可在实现输入侧均流的同时保证输出侧均压，均压模式可在实现输出侧均压的同时保证输入侧均流，最终实现模块间功率均衡，有效提高并联系统的安全可靠性。
3.本公开可快速跟踪充放电指令，按照系统指定功率快速稳定地充放电，并可有效抵抗系统的内外扰动，使高频链矩阵变换器具有良好的动态响应性能和抗干扰性能。
4.本公开所提出的功率均衡反步控制方法，实现过程简单，可推广应用于其他矩阵型变换器。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1是本公开实施例一中的模块化高频链矩阵变换器的拓扑结构图；
图2是本公开实施例二中的高效双向功率变换模块可靠并联控制系统的整体控制框图；
图3是本公开实施例三中的功率均衡研究体系图；
图4是本公开实施例三中的基于应用开环控制和均压模式功率均衡反步控制方法的仿真结果对比图；
图5是本公开实施例三中的基于应用开环控制和均流模式功率均衡反步控制方法的仿真结果对比图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
本实施例介绍了一种模块化高频链矩阵变换器。
如图1所示，本实施例中所采用的模块化高频链矩阵变换器为输入侧并联输出侧串联模块化高频链矩阵变换器(IPOS-HFLMC)，包括第一高频链矩阵变换器子模块HFLMC-1和第二高频链矩阵变换器子模块HFLMC-2；其中，HFLMC-1和HFLMC-2的三相输入端均并联接入三相电网，HFLMC-1输出电容的负极与HFLMC-2输出电容的正极相连接，HFLMC-1输出电容的正极连接负载电池的正极，HFLMC-2输出电容的负端连接电池负载的负极。
在图1中，e
在本实施例中，模块化高频链矩阵变换器采用输入侧并联输出侧串联连接方式；在其他实施例中，模块化高频链矩阵变换器也可采用输入侧并联输出侧并联、输入侧级联输出侧并联和输入侧级联输出侧串联的连接方式，这些均在本公开的保护范围内。
实施例二
本公开实施例二介绍了一种基于实施例一中所介绍的模块化高频链矩阵变换器的高效双向功率变换模块可靠并联控制系统。
在本实施例中，功率均衡反步控制包括输入均流反步控制模块(均流模式)和输出均压反步控制模块(均压模式)。在实际电池充放电过程中，存在恒流充放电和恒压充放电两种方式。在实施例所提输入均流反步控制模块适用于恒流充放电，输出均压反步控制模块适用于恒压充放电，整体控制框图如图2所示。
均流模式
所述输入均流反步控制模块包括输出电流外环反步控制器、输出电压中环反步控制单元(包括第一输出电压中环反步控制器和第二输出电压中环反步控制器)、输入电流内环反步控制单元(包括第一输入电流内环反步控制器和第二输入电流内环反步控制器)，具体工作过程如下：
1)给定的输出电流参考值i
2)将HFLMC-1的输出电压v
3)将HFLMC-1的三相电流i
4)三相电压e
5)双极性电流空间矢量调制生成三相/单相AC-DC矩阵结构的控制脉冲信号，驱动三相/单相AC-DC矩阵结构的双向开关。
均压模式
所述输出均压反步控制模块包括输出电压外环反步控制单元(包括第一输出电压外环反步控制器和第二输出电压外环反步控制器)、输入电流内环反步控制单元(包括第一输入电流内环反步控制器和第二输入电流内环反步控制器)，具体工作过程如下：
1)给定的输出电压参考值v
2)HFLMC-1的三相电流实际值i
3)三相电压e
4)双极性电流空间矢量调制生成三相/单相AC-DC矩阵结构的控制脉冲信号，驱动三相/单相AC-DC矩阵结构的双向开关。
实施例三
本公开实施例三介绍了一种基于实施例一中所介绍的高效双向功率变换模块可靠并联控制系统的方法。
一种高效双向功率变换模块可靠并联控制方法，包括均流模式和均压模式；其中，所述均流模式的具体过程为：
根据接收到的给定的输出电流参考值以及模块化高频链矩阵变换器的输出电流实际值和输出电压实际值，得到每个HFLMC模块的输出电压参考值和输出电流误差变量；
根据模块化高频链矩阵变换器的输出电流实际值和输出电压实际值，以及输入电流在有功分量d轴的参考值和输出电流误差变量，得到模块化高频链矩阵变换器的输入电流在有功分量d轴的参考值和输出电压误差变量；
根据模块化高频链矩阵变换器的三相电流、桥臂中点电压、输入电流在有功分量d轴的参考值和输出电压误差变量，计算得到三相电流有功分量的调制比；
根据三相电流有功分量的调制比，得到用于驱动模块化高频链矩阵变换器双向开关的控制脉冲信号；
所述均压模式的具体过程为：
根据接收到的给定的输出电压参考值以及模块化高频链矩阵变换器的输出电流实际值和输出电压参考值，得到输入电流在有功分量d轴的参考值和输出电流误差变量；
根据模块化高频链矩阵变换器的三相电流、桥臂中点电压、输入电流在有功分量d轴的参考值和输出电流误差变量，计算得到三相电流有功分量的调制比；
根据三相电流有功分量的调制比，得到用于驱动模块化高频链矩阵变换器双向开关的控制脉冲信号。
作为一种或多种实施方式，在三相电网电压平衡工况下，若不考虑损耗，根据功率守恒可得
由于输出侧串联，且稳态时流入各输出分压电容的平均电流为零，则显然
i
如果采用输出均压控制，保证v
如果采用输入均流控制，保证I
两模块的拓扑结构完全一致，接下来以模块HFLMC-1为例介绍建模过程和反步控制器的设计过程。
1.建立高频链矩阵变换器的数学模型
在三相电网电压平衡工况下，根据基尔霍夫定律，建立高频链矩阵变换器网侧回路方程并转换到dq两相同步旋转坐标系：
其中，e
当网侧为单位功率因数时，e
在均压模式下，建立高频链矩阵变换器直流侧的微分方程：
其中，v
在均流模式下，建立高频链矩阵变换器直流侧的微分方程
其中，v
2.输出均压反步控制器设计
根据反步控制原理，首先将系统误差变量定义为：
系统误差变量的微分如下：
(1)输出电压外环反步控制器设计
输出电压外环反步控制器的目标是控制输出电压v
定义Lyapunov能量函数为
当
其中，sgn(·)是符号函数，K
上式中的i
将设计的输出电压外环反步控制器(12)代入式(11)，可得
根据公式(13)可以看出，当z
下一步，需设计输入电流内环反步控制器，使得z
(2)输入电流内环反步控制器设计
输入电流内环反步控制器的控制目标是：控制输入电流有功分量i
整个高频链矩阵变换器系统的Lyapunov能量函数可定义为
对公式(14)求导，可得
当
其中，K
将设计的输入电流内环反步控制器公式(16)代入公式(15)，可得
其中，系数K＝min{2K
当满足ρ
综上，模块化高频链矩阵变换器的输出均压反步控制器为
3.输入均流反步控制器设计
根据反步控制原理，首先定义系统误差变量为：
系统误差变量的微分如下：
(1)输出电流外环反步控制器设计
输出电流外环反步控制器的目标是控制输出电流i
定义Lyapunov能量函数为
当
其中，sgn(·)是符号函数，K
上式中的i
将设计的输出电流外环反步控制器(21)代入式(20)，可得
根据(22)可以看出，当z
下一步，需设计输出电压中环反步控制器，使得z
(2)输出电压中环反步控制器设计
输出电压中环反步控制器的控制目标是：控制输出电压v
定义中环Lyapunov能量函数为
当
其中K
将设计的输出电压中环反步控制器(24)代入式(23)，可得
根据(25)可以看出，当z
下一步，需设计输入电流内环反步控制器，使得z
(3)输入电流内环反步控制器设计
输入电流内环反步控制器的控制目标是：控制输入电流有功分量i
整个高频链矩阵变换器系统的Lyapunov能量函数可定义为
对上式求导，可得
当
其中，K
将设计的输入电流内环反步控制器公式(28)代入公式(27)，可得
其中，系数K＝min{2K
当满足ρ＜η，即扰动是有界的，Lyapunov能量函数的导数
综上，模块化高频链矩阵变换器的输入均流反步控制器为
下面，通过软件仿真验证本实施例中所提出的可同时实现输出侧均压和输入侧均流的功率均衡反步控制方法，仿真软件选用MATLAB/Simulink 2017b，仿真参数如表1所示，为使参数不一致现象更明显，仿真中将HFLMC-2的变压器变比改为100:110，属极端恶劣工况，其他参数均一致。
表1 仿真参数
应用本实施例所提的功率均衡反步控制方法，与开环控制对比仿真效果。图4是应用开环控制和本实施例所提输出均压反步控制方法的仿真对比结果。在应用本实施例所提方法之前，输出电流i
图5是应用开环控制和本实施例所提输入均流反步控制方法的仿真对比结果。在应用本实施例所提方法之前，两个模块的输入电流和输出电压均存在不平衡现象，即：HFLMC-1的输入电流i
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。