一种混合三电平DAB的电流调制方法、设备及存储介质

技术领域

本发明涉及变换器控制技术领域，特别是涉及一种混合三电平DAB的电流调制方法、设备及存储介质。

背景技术

带有隔直电容的混合三电平双有源桥变换器(DAB)最传统的控制策略为单移相控制(Single Phase Shift，SPS)，它通过控制原副边的桥间移相角来改变传输功率的方向和大小，但是它只有一个控制自由度，将单移相控制用于带有隔直电容的二极管钳位混合三电平双有源桥变换器，SPS控制在轻载时难以实现全范围的零电压开通，但在k＝V1/nV2＝1时可以实现全功率范围的零电压开通。是当变换器两侧电压不匹配时，即k不等于1时，在轻载时会失去零电压开通特性，而且存在电流应力大和变换器效率低等缺点。此时需要使用多个控制自由度，又因不同控制自由度之间存在耦合关系，使得控制量越多控制越复杂，越难以通过传统数学方法对电流有效值进行优化。

发明内容

本发明的目的是提供一种混合三电平DAB的电流调制方法、设备及存储介质，能够基于模态切换边界和离线最优控制表对变换器进行控制，增加变换器的控制自由度，提高整体运行效率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种混合三电平DAB的电流调制方法、设备及存储介质，包括：

对混合三电平DAB的电流模态进行划分，确定在所述电流模态下的电感电流和传输功率；所述电流模态包括全桥全桥模态和全桥半桥模态；

计算各模态下所述电感电流的有效值，并在对应的传输功率范围内对所述有效值进行数值离散优化，得到两种模态的离线最优控制表；

对比各所述离线最优控制表中的优化数据，确定模态切换边界；

利用所述模态切换边界和所述优化控制表，对所述混合三电平DAB进行电流调制。

可选地，所述对混合三电平DAB的电流模态进行划分，确定在所述电流模态下的电感电流和传输功率，具体包括：

根据混合三电平DAB的原边开关管占空比和桥间移相角的大小关系，划分全桥全桥模态及对应的工作模式和全桥半桥模态及对应的工作模式；所述全桥全桥模态的工作模式包括全桥全桥模态第一模式、全桥全桥模态第二模式、全桥全桥模态第三模式和全桥全桥模态第四模式；所述全桥半桥模态的工作模式包括全桥半桥模态第一模式、全桥半桥模态第二模式、全桥半桥模态第三模式和全桥半桥模态第四模式；

基于划分的所述混合三电平DAB的模态及对应的工作模式，根据等效电路模型和典型波形分别求解全桥全桥模态和全桥半桥模态下的电感电流和传输功率。

可选地，所述等效电路模型是由原边全桥、副边全桥、漏感等效电感、高频隔离变压器、隔直电容和3个旁路电容组成的；所述原边全桥是由8个开关管和4个二极管组成的；所述副边全桥是由4个开关管组成的。

可选地，计算各模态下所述电感电流的有效值，并在对应的传输功率范围内对所述有效值进行数值离散优化，得到两种模态的离线最优控制表，具体包括：

计算各模态下所述电感电流的有效值，并以所述电感电流的有效值为优化目标，以传输功率和软开关为限制条件在全功率范围内对电感电流有效值进行离散数值化寻优，建立两种模态的离线最优控制表。

可选地，所述对比各所述离线最优控制表中的优化数据，确定模态切换边界，具体包括：

利用各所述离线最优控制表中的优化数据绘制k、P

将两种模态的k、P

可选地，利用所述模态切换边界和所述优化控制表，对所述混合三电平DAB进行电流调制，具体包括：

利用所述模态切换边界和所述优化控制表，在对应模态的工作模式下令所述混合三电平DAB产生对应的直流偏置电压，以满足不同输入输出电压比值，完成电流调制。

本发明还提供了一种电子设备，包括存储器及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述电子设备执行根据上述的混合三电平DAB的电流调制方法。

本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的混合三电平DAB的电流调制方法。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明公开了一种混合三电平DAB的电流调制方法、设备及存储介质，所述方法包括对混合三电平DAB的电流模态进行划分，确定在所述电流模态下的电感电流和传输功率；电流模态包括全桥全桥模态和全桥半桥模态；计算各模态下电感电流的有效值，并在对应的传输功率范围内对所述有效值进行数值离散优化，得到两种模态的离线最优控制表；对比各所述离线最优控制表中的优化数据，确定模态切换边界；利用所述模态切换边界和所述优化控制表，对所述混合三电平DAB进行电流调制。本发明将非对称占空比调制方法运用于变换器，基于模态切换边界对变换器进行控制，可以在对应工作模式下令变换器产生对应的直流偏置电压以适应不同输入输出电压比值，大幅降低变换器的开关损耗；同时基于离线最优控制表对变换器进行控制，增加变换器的控制自由度，使变换器电流有效值减小，降低通态损耗，在确保安全运行的前提下提高整体运行效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明混合三电平DAB的电流调制方法的流程示意图；

图2为本实施例中基于隔直电容的混合三电平DAB拓扑结构图；

图3为本实施例中在图2结构基础上的电感电流有效值控制框架图；

图4为本实施例中各模态模式工作波形示意图；其中，(a)部分为全桥全桥模态第一模式的波形图，(b)部分为全桥全桥模态第二模式的波形图，(c)部分为全桥全桥模态第三模式的波形图，(d)部分为全桥全桥模态第四模式的波形图，(e)部分为全桥半桥模态第一模式的波形图，(f)部分为全桥半桥模态第二模式的波形图，(g)部分为全桥半桥模态第三模式的波形图，(h)部分为全桥半桥模态第四模式的波形图；

图5为本实施例中各模态k、P

图6为本实施例中重叠的k、P

图7为本实施例中控制器控制流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种混合三电平DAB的电流调制方法、设备及存储介质，能够基于模态切换边界和离线最优控制表对变换器进行控制，增加变换器的控制自由度，提高整体运行效率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供一种混合三电平DAB的电流调制方法，包括：

步骤100：对混合三电平DAB的电流模态进行划分，确定在所述电流模态下的电感电流和传输功率；所述电流模态包括全桥全桥模态和全桥半桥模态；具体包括：

根据混合三电平DAB的原边开关管占空比和桥间移相角的大小关系，划分全桥全桥模态及对应的工作模式和全桥半桥模态及对应的工作模式；所述全桥全桥模态的工作模式包括全桥全桥模态第一模式、全桥全桥模态第二模式、全桥全桥模态第三模式和全桥全桥模态第四模式；所述全桥半桥模态的工作模式包括全桥半桥模态第一模式、全桥半桥模态第二模式、全桥半桥模态第三模式和全桥半桥模态第四模式；基于划分的所述混合三电平DAB的模态及对应的工作模式，根据等效电路模型和典型波形分别求解全桥全桥模态和全桥半桥模态下的电感电流和传输功率。

其中，所述等效电路模型是由原边全桥、副边全桥、漏感等效电感、高频隔离变压器、隔直电容和3个旁路电容组成的；所述原边全桥是由8个开关管和4个二极管组成的；所述副边全桥是由4个开关管组成的。

步骤200：计算各模态下所述电感电流的有效值，并在对应的传输功率范围内对所述有效值进行数值离散优化，得到两种模态的离线最优控制表；具体包括：

计算各模态下所述电感电流的有效值，并以所述电感电流的有效值为优化目标，以传输功率和软开关为限制条件在全功率范围内对电感电流有效值进行离散数值化寻优，建立两种模态的离线最优控制表。

步骤300：对比各所述离线最优控制表中的优化数据，确定模态切换边界；具体包括：

利用各所述离线最优控制表中的优化数据绘制k、P

步骤400：利用所述模态切换边界和所述优化控制表，对所述混合三电平DAB进行电流调制。具体包括：

利用所述模态切换边界和所述优化控制表，在对应模态的工作模式下令所述混合三电平DAB产生对应的直流偏置电压，以满足不同输入输出电压比值，完成电流调制。

在上述技术方案的基础上，提供如下所示实施例。

基于传统移相控制下混合三电平DAB在输入输出电压不匹配时，尤其在轻载情况下，传统移相控制的电感电流应力和回流功率较大，增大了通态损耗，严重降低了变换器的效率。

因此本实施例准备解决以下问题：1、传统移相控制下混合三电平DAB在轻载时电感电流有效值较大的问题；2、传统移相控制灵活度较低的问题；3、当输入输出电压不匹配时电感电流有效值较大的问题。

本实施例公开一种降低混合三电平双有源桥变换器电感电流的调制方法。其拓扑结构由一个三电平全桥、一个两电平全桥、等效漏感、高频隔离变压器以及串联在变压器副边的隔直电容组成。其中原边侧三电平全桥由8个开关管和4个钳位二极管组成，副边侧两电平全桥由4个开关管组成。这样的拓扑结构可以降低开关管承受的电压应力并提高变换器灵活性，从而使变换器应用于更高的电压等级的场合，比如：固态变压器、电动汽车和中压直流电网等。

通常情况下，变换器常用SPS调制作为变换器的控制方法，但该调制在输入输出电压比k不匹配时会出现难以实现软开关、电流应力过大等问题，这严重增大了损耗，降低了能量传输效率。为了改善这种情况，本实施例采用一种非对称占空比的调制方法。相比于SPS等传统调制方法，本实施例的ADPWM调制在原边三电平全桥采用非对称的PWM控制信号、在副边全桥采用对称的PWM控制信号。通过副边侧的隔直电容与PWM信号配合，实现副边全桥与半桥之间的模态切换。图4是非对称占空比控制下各模态模式下带有隔直电容的三电平双有源桥式电路的典型波形，其中V1为原边输入电压，V2为副边输出电压，

在本实施例方案当中，在全桥全桥模态下Cs对副边侧端口电压不产生直流偏置，认为此时直流偏置为0,副边端口电压有正负输出母线电压和0三个电压等级；在全桥半桥模态下Cs对副边侧端口电压产生直流偏置，认为此时直流偏置为二分之一输出直流母线电压，副边端口电压有正负二分之输出直流母线电压和0三个电压等级。

首先划分全桥模态和半桥模态下的工作区域划分；然后分析不同模态模式下的电感电流有效值和传输功率，并对得到的电感电流有效值进行离散数值化优化；基于优化结果，对比半两种模态下优化后的有效值来确定模式切换边界；最后通过模态切换边界、优化控制表，配合完成三电平双有源桥的开关控制。

上述方案中，基于模态切换边界对变换器进行控制，可以在对应工作模式下令变换器产生对应的直流偏置电压以适应不同输入输出电压比值k，可以大幅降低变换器的开关损耗；同时基于优化控制表对变换器进行控制，使变换器电流有效值减小，降低通态损耗，在确保安全运行的前提下提高整体运行效率。

因此，上述算法利用非对称占空比的PWM和桥间移相角来控制能量传递的大小和方向。根据功率传输的需求，选择副边桥工作在全桥或半桥模式下，然后根据最优工作表选择最优工作点，降低电感电流有效值时，提高变换器的传输效率。同时也降低了变换器的运行成本，提高了变换器的灵活度。

此外，作为如所示的控制器控制流程，步骤分别为：

S1：通过控制信号将混合三电平双有源桥变换器划分为全桥全桥和全桥半桥模态，根据变换器拓扑和开关信号求解全桥全桥和全桥半桥模态下的电感电流和传输功率；

S2：依据S1中求解的电感电流获得电感电流有效值，并在全功率范围内对有效值进行数值优化，获取离线优化控制表；

S3：对比全桥全桥和全桥半桥模态下的有效值，确定模态切换边界；

S4：通过模态切换边界和优化控制表的协调配合对变换器进行控制。

本实例提出的控制方法在传统移相控制方法上增加了占空比这一控制自由度。在这一前提下，上述方案将变换器切换在不同模态以应对输入输出电压变比不匹配时电流有效值较大、难以实现软开关的问题；并对不同模态下的电感电流有效值进行数值离散优化，建立离线最优控制表；对比全桥全桥和全桥半桥模态下的电感电流有效值来确定模态切换边界；最后通过切换边界和离线最优控制表的协调配合控制混合三电平双有源桥。

在本实例中，基于非对称占空比的控制方法可以在极轻载或输入输出电压变比不匹配时实现全功率范围的软开关特性；并增加了控制自由度，提高了变换器的灵活度，有利于降低电流应力，提高变换器效率。此外，本实施专利中，基于模态切换边界对变换器进行控制可以通过变压器副边的隔直电容产生直流偏置来改善输入输出电压变比不匹配时电流应力大，软开关范围小的情况，实现模态切换间无电感电流冲击衔接；而基于离线最优控制表对变换器进行控制，使变换器具有良好的稳态性能，在确保变换器安全运行的前提下提高整体效率。

需要说明一点，所述混合三电平双有源桥变换器拓扑如图2所示由8个开关管(S11-S18)和4个二极管(D1-D4)组成的原边全桥、4个开关管(S21-S24)组成的副边全桥、三个旁路电容(C1、C2和C3)、漏感等效电感L、高频隔离变压器T以及与之串联的隔直电容Cs组成。输入侧直流电压源为V1,输出侧直流电压源为V2，变压器变比为n:1，C1和C2容值相同。

在本实施例当中，在全桥全桥模态下Cs对副边侧端口电压不产生电压偏置，认为此时直流偏置为0；在全桥半桥模态下Cs对副边侧端口电压产生电压偏执，认为此时直流偏置为二分之一输出直流母线电压。

混合三电平双有源桥变换器电感电流有效值优化控制框架如图3所示，具体包括以下步骤：

第一步基于划分模态下变换器的等效电路模型和控制信号波形求解混合三电平双有源桥变换器的电感电流瞬时值和传输功率。

进一步的，所述划分模态指全桥全桥和全桥半桥模态，具体为：

根据三电平全桥开关管占空比和桥间移相角的大小关系，确定所述全桥全桥模态工作模式包括全桥全桥模态第一模式、全桥全桥模态第二模式、全桥全桥模态第三模式和全桥全桥模态第四模式，所述全桥半桥模态工作模式包括全桥半桥模态第一模式、全桥半桥模态第二模式、全桥半桥模态第三模式和全桥半桥模态第四模式。

在本实例中，两种模态的控制方法为非对称占空比结合桥间移相。原边侧开关管占空比为D，桥间移相角为

上述控制量范围为对应模态模式下的全部运行范围，是优化前的自然运行范围。其中，图4为对应模态模式在非对称占空比调制方法控制下的典型波形图。结合图4和等效电路模型可以获得电感电流瞬时值和传输功率，如表1所示。

表1对应模式模态的传输功率及电感电流

第二步根据第一步所求的电感电流瞬时值，结合有效值公式求解电感电流有效值；然后以电感电流有效值为优化目标，以传输功率和软开关为限制条件在全功率范围内对电感电流有效值进行离散数值化寻优，建立两种模态的离线优化控制表。

需要说明的是，不同模态模式的电感电流有效值i

MODE A Ⅰ：

MODE A Ⅱ:

MODE A Ⅲ:

MODE A Ⅳ:

MODE BⅠ:

MODE BⅡ:

MODE BⅢ:

MODE BⅣ:

上述表达式中，参数k均表示输入输出电压变比，k＝V

第三步在离线最优控制表的基础上绘制的两种模态下的三维图并重叠在一起，然后通过顶视图确定模态切换边界。

需要说明的是，通过绘制三维图可以获得全桥全桥和全桥半桥模态的k、k、P

两种模态的边界条件为：

当传输功率和电压调制比在abcd范围内时，选择用MODE A，即全桥全桥模态；反之则选用MODE B，即全桥半桥模态。

第四步先根据k、P

最后将实现本控制方法的程序存储在上位机当中，当上位机执行程序时，所述混合三电平双有源桥电感电流有效值控制方法得以实现。

需要说明的是，通过本步骤可以在实现系统稳态控制要求的同时保证系统鲁棒性和动态响应速度。

为了进一步说明本发明的技术方案，凸显其技术效果，搭建了基于非对称占空比调制方法以及传统单移相调制方法的混合三电平双有源桥变换器仿真平台，仿真平台参数如表2所示：

表2混合三电平双有源桥变换器仿真平台参数

通过给定同样传输功率P

表3本调制方法与传统调制方法的仿真比较

根据表3的仿真结果，可以看出本实施例的调制方法相较于单移相控制在全功率范围内都能有效降低电感电流有效值和电流应力，大幅降低了导通损耗。

此外，本发明还提供了一种电子设备，包括存储器及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述电子设备执行根据上述的混合三电平DAB的电流调制方法。

本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的混合三电平DAB的电流调制方法。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。