一种基于功率前馈的DAB变换器功率控制方法、介质及设备

技术领域

本发明属于直流微网技术领域，具体属于一种基于功率前馈的DAB变换器功率控制方法、介质及设备。

背景技术

随着新能源的发展，直流微网由于其高效、无无功功率需求以及无需AC-DC或DC-AC转换等优点得到了广泛的关注。储能系统因其双向功率传输能力和灵活调节特性，其与直流微网集成的系统越来越普及。为了实现直流微网中直流母线的连接、电压转换、电气隔离和双向功率传输，高频隔离双向DC-DC变换器是必不可少的设备。双有源桥(Dual ActiveBridge，DAB)直流变换器具有双向功率流动、结构简单、控制灵活、高效率等优点。此外，DAB变换器中的高频变压器还可以提供输入输出端子之间的电压隔离和电压匹配，DAB变换器已经成为双向DC-DC变换器的研究热点。但是在以DAB变换器为接口的两个带有储能系统的直流微网之间的功率传输问题研究较少，如何在上述工况下直接高效的控制DAB变换器传输功率，并在功率指令突变或突然反向时实现迅速、精确的系统响应一直是一个亟需解决的难题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于功率前馈的DAB变换器功率控制方法、介质及设备，解决目前双有源桥变换器传输功率控制效率低，在功率指令突变或突然反向时，整个双有源桥变换器响应较慢的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于功率前馈的DAB变换器功率控制方法，包括以下步骤：

给定双有源桥变换器的输出功率参考值并采样双有源桥变换器的输入电压、输出电压和输出电流；

根据双有源桥变换器的输入电压、输出电压和输出功率参考值计算双有源桥变换器的前馈移相角；

根据双有源桥变换器的输出电流、输出电压以及输出功率参考值计算双有源桥变换器的反馈移相角；

双有源桥变换器的前馈移相角和反馈移相角相加得到双有源桥变换器两个H桥之间的移相角；

双有源桥变换器内部的开关管基于单移相调制的方式，根据移相角按顺序动作，控制双有源桥变换器的功率输出。

进一步的，双有源桥变换器的前馈移相角的计算过程如下：

已知双有源桥变换器的电感值L、变压器变比n和开关周期T

根据双有源桥变换器的电感值L、变压器变比n和开关周期T

进一步的，所述双有源桥变换器的反馈移相角的计算过程如下：

输出电流i

输出功率P

将电流参考值输入PI控制器内，PI控制器输出反馈移相角D

进一步的，在电流参考值输入PI控制器前，需设定PI控制器的PI值，所述PI控制器的PI值的设定过程如下：

在离散域中建立PI控制器的离散时间模型，所述离散时间模型为：

D

Δ(D

＝K

＝k

公式中：K

解析离散时间模型，得到双有源桥变换器系统的移相角到输出电流的离散域传递函数，根据离散域传递函数和控制器的传递函数计算得到双有源桥变换器的开环传递函数，所述开环传递函数用于为PI控制器设计PI值时，提供指导。

进一步的，e(n)的具体解析公式如下：

式中：R

进一步的，所述离散域传递函数为：

所述控制器的传递函数为：

进一步的，两个H桥之间的移相角的计算过程如下：

进一步的，所述双有源桥变换器采用增量式PI控制器。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述的方法中的任一方法。

本发明还提供一种计算设备，包括：

一个或多个处理器、存储器及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行根据上述的方法中的任一方法的指令。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明提供了一种基于功率前馈的DAB变换器功率控制方法，采用相应的控制策略控制双有源桥变换器，通过输入电压、输出电压和输出功率参考值能够计算双有源桥变换器的前馈移相角，通过输出电流、输出电压以及输出功率参考值计算双有源桥变换器的反馈移相角，基于前馈移相角和反馈移相角相加得到双有源桥变换器两个H桥之间的移相角，然后根据单移相调制的方式，根据移相角按顺序动作，控制双有源桥变换器的功率输出，使其直接、高效的控制双有源桥变换器的输出效率，精确实现功率的双向传输，适用于低压直流微网、大功率的应用场合。

进一步的，前馈移相角的具体计算简单易实现。

进一步的，前馈控制是多级转换器的首选，因为它可以大大提高稳定性和动态性能。通过使用前馈控制，当输出功率参考值发生突变时，前馈路径可以立刻引起移相角信号的阶跃变化，从而大大提高了系统跟踪输出功率指定值的能力。

进一步的，只通过前馈控制会存在较大的误差，无法精确实现功率的双向传输。因此为了满足所需的输出功率要求，不可以将输入传输功率和输出功率混为一谈。在实际变换器应用中，DAB dc-dc变换器的功率损耗不可忽略，且输入功率和输出功率存在差异。因此引入输出功率PI控制器，可以补偿因功率损失而引起的功率差，从而精确的实现功率的双向传输。

进一步的，本发明的整个方法控制方便，效果突出，具有较高的实用价值与经济效益，此外在计算反馈移相角前搭建了仿真模型，对所提出的控制方法进行了仿真验证，证明了该方法的正确性和可靠性。

附图说明

图1为本发明的直流微网系统结构示意图；

图2为单移相控制DAB变换器的稳态波形与开关管导通顺序；

图3为一个开关周期内状态向量的迭代关系；

图4为移相角小信号扰动对状态变量的影响示意图；

图5为本发明的系统拓扑结构与控制框图；

图6是仿真中功率给定值突增的输出功率波形图(从300W到400W)；

图7是仿真中功率给定值突减的输出功率波形图(从400W到300W)；

图8是仿真中功率给定值从正到负的输出功率波形图(从300W到-300W)；

图9是仿真中功率给定值从负到正的输出功率波形图(从-300W到300W)；

图10为负荷突增时输出功率波形图；

图11为负荷突减时输出功率波形图；

附图中：T表示n:1的高频变压器；

L表示双有源桥变换器的变压器漏感与外部串联电感；

R

R

v

C

f

P

k

πD

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

本发明提供了一种基于功率前馈的DAB变换器功率控制方法，能够直接高效的控制DAB变换器传输功率，并在功率指令突变或突然反向时实现迅速、精确的系统响应。从而实现直流微网中高效精确的功率双向传输控制。DAB变换器的移相调制的技术主要包括单移相(SPS)，扩展移相(EPS)，双移相(DPS)和三移相(TPS)调制。在本发明中，为简单起见，将最广泛使用的单移相调制应用于DAB变换器。在每个开关周期中，磁网络两端的交流电压v

在本实施例中，对DAB变换器的控制是基于单移相控制，本控制方法只需给定输出功率参考值P

如图1所示，在直流微网中，两侧带有负荷的储能系统之间通过双有源桥变换器进行功率的传输，双有源桥直流变换器的直接功率控制技术设计过程如下所述：

步骤1：已知双有源桥变换器的电感值L、变压器变比n和开关周期T

如图5所示，将输入电压v

步骤2：在离散域中，建立反馈功率环PI控制器的离散时间模型。本方法中的数字控制DAB变换器采用的是增量式PI控制器。具有一阶数字控制延迟的增量数字PI控制器的离散时间模型表示为：

D

Δ(D

＝K

＝k

其中，k

其中，R

利用上述离散时间模型，双有源桥变换器系统的移相角到输出电流的离散域传递函数，根据离散域传递函数和控制器的传递函数计算得到双有源桥变换器的开环传递函数，所述开环传递函数用于为PI控制器设计PI值时，提供指导，设计反馈功率环的数字PI控制器(比例积分控制器)的2PI值。

具体的，下面建立双有源桥变换器的离散时间模型。根据图2所示开关管导通顺序并结合图5所示数字控制DAB变换器原理框图，可以得到DAB变换器在一个开关周期内四种电路拓扑等效电路。根据每个电路拓扑的电路结构和工作原理，可以得到第i个开关子区间的状态方程为

其中A

如图3所示为单移相控制下，DAB变换器在一个开关周期内状态向量的迭代关系的示意图。状态矢量x会在每个开关子区间内沿着固定的轨迹在状态空间中移动。根据微积分的基本定理，DAB变换器在每个开关子区间中的状态向量连续时间轨道都可以通过对每个开关子区间的状态方程进行积分运算而求得，如下面公式所示。每个开关子区间末尾的状态向量可以由子区间的初始状态向量表示。

x

其中，

在所得到的DAB变换器离散迭代模型的基础上，可以对状态变量施加小信号扰动，进而得到DAB变换器的小信号模型并为PI控制器的设计提供指导。接下来的目标是建立公式(1)形式的小信号模型。

在对单移相控制DAB变换器的第n-1个开关周期的移相角施加小信号扰动后，其对状态变量的影响示意图如图4所示。对移相角施加小信号扰动后，会在t

状态变量扰动

同样由于状态转移矩阵

对公式(1)进行适当变形，可以得到DAB变换器移相角到状态变量矢量的离散域传递函数如公式(5)所示。

由于储能电池的电压在无故障的情况下不会发生突变，因此功率环的内核即为输出电流控制，因此根据输出电流与移相角的关系设计PI控制器。根据图5所示数字控制DAB变换器系统原理框图可得输出电流与状态变量的关系为：

结合式(5)与(6)可得移相角到输出电流的离散域传递函数

此外，数字PI控制器的离散域传递函数可以表示为公式(7)的形式。k

根据公式(7)中控制到输出的传递函数以及公式(8)中控制器的传递函数，可以最终得到系统的开环传递函数，进而为PI控制器的设计提供指导。

步骤3、采样输出电流i

步骤4、将步骤1和步骤3的移相角相加，即可得到两个H桥之间的移相角为：

步骤5、接收到移相角后，双有源桥变换器的相应开关按顺序动作，从而控制功率精确高效的传输。

当功率给定值从300W突增至400W时，系统输出功率波形如图6所示，调节时间为7ms。当功率给定值从400W突然减小至300W时，系统输出功率波形如图7所示，调节时间为2.5ms。当功率指令值从正向流动变为反向流动，即从300W变为-300W时，左侧输出功率波形如图8所示，调节时间为15ms。当功率指令值从反向流动变为正向流动，即从-300W变为+300W时，左侧输出功率波形如图9所示，调节时间为15ms。

当左侧负荷突增时，左侧输出功率波形图如图10所示，调节时间为7ms。当左侧负荷突减时，左侧输出功率波形图如图11所示，可以看出当负荷突减时，输出功率几乎没有波动。

由图6-9仿真结果可知，无论是在功率突变还是在负荷突变的工况下，双有源桥变换器系统都能够精准地实现恒功率传输，实现了直接功率控制。且在上述工况下，系统具有很快的响应速度，输出功率均在20ms内达到了稳态值。综上所述，仿真结果验证了本控制方法的正确性与优越性。

本发明再一个实施例中，提供了一种终端设备，该终端设备包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器用于执行所述计算机存储介质存储的程序指令。处理器可能是中央处理单元(Central ProcessingUnit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor、DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable GateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，其是终端的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或一条以上指令，具体适于加载并执行一条或一条以上指令从而实现相应方法流程或相应功能；本发明实施例所述的处理器可以用于DAB变换器功率控制的操作，包括：给定双有源桥变换器的输出功率参考值并采样双有源桥变换器的输入电压、输出电压和输出电流；

根据双有源桥变换器的输入电压、输出电压和输出功率参考值计算双有源桥变换器的前馈移相角；

根据双有源桥变换器的输出电流、输出电压以及输出功率参考值计算双有源桥变换器的反馈移相角；

双有源桥变换器的前馈移相角和反馈移相角相加得到双有源桥变换器两个H桥之间的移相角；

双有源桥变换器内部的开关管基于单移相调制的方式，根据移相角按顺序动作，控制双有源桥变换器的功率输出。

本发明再一个实施例中，本发明还提供了一种存储介质，具体为计算机可读存储介质(Memory)，所述计算机可读存储介质是终端设备中的记忆设备，用于存放程序和数据。可以理解的是，此处的计算机可读存储介质既可以包括终端设备中的内置存储介质，当然也可以包括终端设备所支持的扩展存储介质。计算机可读存储介质提供存储空间，该存储空间存储了终端的操作系统。并且，在该存储空间中还存放了适于被处理器加载并执行的一条或一条以上的指令，这些指令可以是一个或一个以上的计算机程序(包括程序代码)。需要说明的是，此处的计算机可读存储介质可以是高速RAM存储器，也可以是非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。

可由处理器加载并执行计算机可读存储介质中存放的一条或一条以上指令，以实现上述实施例中有关DAB变换器功率控制的相应步骤；计算机可读存储介质中的一条或一条以上指令由处理器加载并执行如下步骤：

给定双有源桥变换器的输出功率参考值并采样双有源桥变换器的输入电压、输出电压和输出电流；

根据双有源桥变换器的输入电压、输出电压和输出功率参考值计算双有源桥变换器的前馈移相角；

根据双有源桥变换器的输出电流、输出电压以及输出功率参考值计算双有源桥变换器的反馈移相角；

双有源桥变换器的前馈移相角和反馈移相角相加得到双有源桥变换器两个H桥之间的移相角；

双有源桥变换器内部的开关管基于单移相调制的方式，根据移相角按顺序动作，控制双有源桥变换器的功率输出。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求所述的保护范围为准。