双向DC/DC变换器最小电流应力调节系统及方法

技术领域

本发明属于大功率电能变换系统技术领域，具体涉及全桥型双向DC/DC变换器最小电流应力调节系统及方法。

背景技术

双向DC/DC变换器作为新能源发电高压直流侧与储能低压侧之间使用的关键设备，可有效调节新能源发电的不稳定输出及电能质量。而全桥型双向隔离DC/DC变换器相对于传统的非隔离型变换器，在安全性、抗扰性能及跨电压等级的电能传输能力等方面具有更大的优势，且可实现在故障时将故障侧与非故障侧进行电气隔离。但是，当双向DC/DC变换器的功率逐步提升时，将造成谐振电感中的电流幅值迅速上升，同时引起高频隔离变压器的绕组电流升高，造成电感、变压器、开关器件等部分的损耗增加，进而引发部分器件发热严重，最终导致性能降低、绝缘能力下降，甚至热击穿事故的发生。

当前，有关双向DC/DC变换器中电流应力的调节方法多集中在参数选型和拓扑结构的选择等方面，对于如何通过实际参数检测和控制策略调整相结合的方式来实现双向DC/DC变换器最小电流应力，尚无十分有效的方法可供使用。因此，为进一步提升双向DC/DC变换器的工作可靠性，提高变换器控制系统的效率，需要针对其最小电流应力调节方法开展相关研究，并提出一种全桥型双向DC/DC变换器最小电流应力调节方法。

发明内容

为了克服现有技术中的问题，本发明提出了一种双向DC/DC变换器最小电流应力调节系统及方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

第一方面，本发明提供了一种双向DC/DC变换器最小电流应力调节系统，所述系统包括功率双向传输单元、信号采集单元，所述功率双向传输单元包括直流高压模块、微处理器、无线通讯单元、上位机、直流低压模块、变压器和谐振电感；所述直流高压模块通过变压器、谐振电感与所述直流低压模块连接，所述信号采集单元用于采集输入与输出参数，并将其输入与输出参数传输至微处理器，所述输入与输出参数包括直流高压模块、直流低压模块、谐振电感的电流及电压；所述微处理器通过无线通讯单元与上位机连接；

微处理器用于根据采集的输入与输出参数，计算谐振电感中电流应力的变化值，得到稳定的电流应力值；调节直流高压模块及直流低压模块中开关器件的占空比，及第一开关管与第一开关器件之间移相角，计算出运行模式下最佳电流应力；对比采集的电流应力值与最佳电流应力之间的对应关系，重新计算占空比及移相角；根据重新计算的占空比及移相角，对直流高压模块中的第一～第八开关管、直流低压模块中的第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件、第四开关器件的通断时间进行调节，根据实际调节结果，重复迭代，直至采集的电流应力值与最佳电流应力之间的差值δ满足δ≤0.1，达到稳定控制效果。

进一步地，直流高压模块包括第一～第八开关管，第一开关管的漏极连接第五开关管的漏极，第一开关管的源极连接第二开关管的漏极，第二开关管的源极连接第三开关管的漏极，第三开关管的源极连接第四开关管的漏极，第三开关管的源极连接第八开关管的源极，第八开关管的漏极连接第七开关管的源极，第七开关管的漏极连接第六开关管的源极，第六开关管的漏极连接第五开关管的源极；第二开关管的源极与第三开关管的漏极连接中点与电感的一侧相接，电感的另一侧与变压器的原边的第一端相接，变压器原边的第二端则与第七开关管的漏极与第六开关管源极连接中点处连接，第一开关管的漏极和第五开关管的漏极分别与直流正极母线相接，第四开关管的源极和第八开关管的源极分别与直流负极母线相接。

进一步地，所述直流高压模块还包括第一支撑电容、第二支撑电容、第一钳位二极管、第二钳位二极管，第一支撑电容、第二支撑电容串联后分别接在直流正/负极母线；第一钳位二极管与第二钳位二极管串联后分别接在第一开关管的源极和第二开关管的漏极连接处，及第三开关管的源极和第四开关管的漏极连接处；第三钳位二极管、第四钳位二极管串联后分别接在第五开关管的源极和第六开关管的漏极连接中点处，及第七开关管的源极和第八开关管的漏极连接中点处；第一支撑电容、第二支撑电容连接中点依次与第一钳位二极管、第二钳位二极管连接中点，及第三钳位二极管、第四钳位二极管连接中点相连接。

进一步地，所述直流低压模块包括第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件、第四开关器件及第三支撑电容，其中，第一开关器件的源极连接第二开关器件的漏极，第三开关器件的源极连接第四开关器件的漏极；第三支撑电容跨接在直流正/负极母线，变压器的副边的第一端与第一开关器件源极及第二开关器件漏极中点相接，变压器的副边的第二端与第三开关器件源极及第四开关器件漏极中点相接，第一开关器件的漏极和第三开关器件的漏极分别与直流正极母线相接，第二开关器件的源极和第四开关器件的源极分别与直流负极母线相接。

第二方面，本发明还提供了一种双向DC/DC变换器最小电流应力调节方法，依据第一方面所述的一种双向DC/DC变换器最小电流应力调节系统，包括以下步骤：

信号采集单元采集输入与输出参数，所述输入与输出参数包括第一支撑电容两端电压、第二支撑电容两端电压、直流低压模块输出电压及变压器原边端电压，及直流高压模输入电流、电感电流和直流低压模块输出电流；

根据采集的输入与输出参数，计算电感中电流应力的变化值，得到稳定的电流应力值；

通过直流高压模块及直流低压模块中开关器件的占空比，及第一开关管与第一开关器件之间移相角，计算出运行模式下最佳电流应力；

对比采集的电流应力值与最佳电流应力之间的对应关系，重新计算占空比及移相角；

根据重新计算的占空比及移相角，对直流高压模块中的第一～第八开关管、直流低压模块中的第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件、第四开关器件的通断时间进行调节，根据实际调节结果，重复迭代，直至采集的电流应力值与最佳电流应力之间的差值δ满足δ≤0.1，达到稳定控制效果。

进一步地，计算谐振电感中电流应力的变化值，具体包括：

Δi

其中，j表示电流采样的顺序值，j＝1,2,3，…，f；f表示采样频率；i

进一步地，所述稳定的电流应力值具体为：

上式中，i

进一步地，通过直流高压模块及直流低压模块中开关器件的占空比，及第一开关管与第一开关器件之间移相角，计算出运行模式下最佳电流应力，具体包括：

式中，i

进一步地，重新计算占空比d

其中，K定义为双向DC/DC变换器的等效电压比，表示为：

式中，n为变压器的变比；U

与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

本发明适用于全桥型双向DC/DC变换器最小电流应力调节，可高效、准确、实时、方便地对全桥型双向DC/DC变换器的控制系统进行在线调节，降低谐振电感中电流应力，并提升系统的总体效率。

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和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，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的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1为本发明的系统整体结构示意图；

图2为本发明全桥型双向DC/DC变换器最小电流应力调节方法的流程图。

图中：

1、第三电流传感器；2、外部机壳；3、直流高压模块；4、微处理器；5、无线通讯单元；6、上位机；7、直流低压模块；8、第一电流检测器；9、第一电压采集探头；10、第二电流传感器；11、变压器；12、谐振电感；13、第二电压采集探头；14、第三电压采集探头；15、第四电压采集探头。

具体实施方式

为了更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的技术方案的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。一个或多个实施例中的特定特征、结构或特点可由任何合适形式组合。除非另有定义，本发明所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。

图1为本发明的全桥型双向DC/DC变换器的内部结构连接图。全桥型双向DC/DC变换器最小电流应力调节系统包括功率双向传输单元、信号采集单元，根据实际需要可进行不同单元的安装。其中，功率双向传输单元包括外部机壳2、直流高压模块3、微处理器4、无线通讯单元5、上位机6、直流低压模块7、变压器11和谐振电感12，所述直流高压模块3设置于所述外部机壳2中，所述直流高压模块3通过变压器、谐振电感与所述直流低压模块7连接；信号采集单元包括低压侧第一电流检测器8、第一电压采集探头9、第二电流传感器10、第二电压采集探头13、第三电压采集探头14、第四电压采集探头15和第三电流传感器1，信号采集单元通过信号传输线将检测信息传输至微处理器4，所述微处理器4通过无线通讯单元5与上位机6连接；根据实际需求可对外接设备进行增加或减少。

微处理器用于根据采集的输入与输出参数，计算谐振电感中电流应力的变化值，得到稳定的电流应力值；调节直流高压模块及直流低压模块中开关器件的占空比，及第一开关管S1与第一开关器件Q1之间移相角，计算出运行模式下最佳电流应力；对比采集的电流应力值与最佳电流应力之间的对应关系，重新计算占空比及移相角；根据重新计算的占空比及移相角，对直流高压模块中的第一～第八开关管、直流低压模块中的第一开关器件Q1、第二开关器件Q2、第三开关器件Q2、第四开关器件Q4的通断时间进行调节，根据实际调节结果，重复迭代，直至采集的电流应力值与最佳电流应力之间的差值δ满足δ≤0.1，达到稳定控制效果。

直流高压模块3包括第一～第八开关管S1～S8，第一开关管S1的漏极连接第五开关管S5的漏极，第一开关管S1的源极连接第二开关管S2的漏极，第二开关管S2的源极连接第三开关管S3的漏极，第三开关管S3的源极连接第四开关管S4的漏极，第三开关管S3的源极连接第八开关管S8的源极，第八开关管S8的漏极连接第七开关管S7的源极，第七开关管S7的漏极连接第六开关管S6的源极，第六开关管S6的漏极连接第五开关管S5的源极；第二开关管S2的源极与第三开关管S3的漏极连接中点与电感L的一侧相接，电感L的另一侧与变压器T的a端相接，T的c端则与第七开关管S7的漏极与第六开关管S6源极连接中点连接，第一开关管S1的漏极和第五开关管S5的漏极分别与直流正极母线相接、第四开关管S4的源极和第八开关管S8的源极分别与直流负极母线相接；所述第一～第八开关管S1～S8均内置寄生二极管，寄生二极管的阳极连接相应开关管的源极，寄生二极管的阴极连接相应开关管的漏极。上述开关管均为MOSFET。

直流高压模块3还包括第一支撑电容C1、第二支撑电容C2、第一钳位二极管D1、第二钳位二极管D2，第一支撑电容C1、第二C2支撑电容串联后分别接在直流正/负极母线；第一钳位二极管D1与第二钳位二极管D2串联后分别接在第一开关管S1的源极和第二开关管S2的漏极连接处，及第三开关管S3的源极和第四开关管S4的漏极连接处；第三钳位二极管D3、第四钳位二极管D4串联后分别接在第五开关管S5的源极和第六开关管S6的漏极连接中点处，及第七开关管S7的源极和第八开关管S8的漏极连接中点处。第一支撑电容C1、第二支撑电容C2连接中点依次与第一钳位二极管D1、第二钳位二极管D2连接中点，及第三钳位二极管D3、第四钳位二极管D4连接中点相连接。

直流低压模块7包括四个开关器件Q1、Q2、Q3、Q4、第三支撑电容C3构成，其中，第一开关器件Q1的源极连接第二开关器件Q2的漏极，第三开关器件Q3的源极连接第四开关器件Q4的漏极；第三支撑电容C3跨接在直流正/负极母线，变压器T的b端与第一开关器件Q1源极及第二开关器件Q2漏极中点相接，变压器T的d端与第三开关器件Q3源极及第四开关器件Q4漏极中点相接，第一开关器件Q1的漏极和第三开关器件Q3的漏极分别与直流正极母线相接，第二开关器件Q2的源极和第四开关器件Q4的源极分别与直流负极母线相接。

图2为本发明的全桥型双向DC/DC变换器最小电流应力调节方法的流程图，用于实现在线调节全桥型双向DC/DC变换器谐振电感内电流应力，降低系统损耗的目的，其包括以下步骤：

步骤100.采集输入与输出参数，所述参数包括第一支撑电容两端电压U

具体包括以下子步骤：

步骤110.将第三电压采集探头14和第四电压采集探头15分别布设在第一支撑电容C1、第二支撑电容C2位置，测试；按照同样的方式，将第二电压采集探头13、第一电压采集探头9分别布设于桥臂中点与低压侧支撑电容C

步骤120.将第三电流传感器1、第一电流传感器8和第二电流传感器10分别布设在直流高压模块3高压侧输入母线、谐振电感L输出母线和直流低压模块7低压侧输出母线，测试输入电流i

步骤130.设定嵌入式微处理器5采集电压、电流的频率f Hz，以该频率采集所述U

式中，f

步骤200.根据采集的输入与输出参数，计算电感中电流应力的变化值，得到稳定的电流应力值，得到稳定的电流应力值；通过直流高压模块3及直流低压模块7中开关器件的占空比，及第一开关管S1与第一开关器件Q1之间移相角，计算出运行模式下最佳电流应力；对比采集的电流应力值与最佳电流应力之间的对应关系，重新计算占空比及移相角。

此步骤具体包括以下子步骤：

步骤210.根据采集的输入与输出参数，计算谐振电感中电流应力i

Δi

上式中，j代表采样的频率，即单位时间(一般为1s)内采样的次数，1s内进行1～f的计数，新的1s内重新从1开始计数，周而复始；i

通过式(2)的结果，确定出电流应力趋于稳定的数值，找出对应的电流应力，假设符合稳定要求的电流应力数值为m个，则可得到稳定的电流应力值i

上式中，i

步骤220.通过直流高压模块3及直流低压模块7中开关器件的占空比，及第一开关管S

直流高压模块3中开关管的占空比命名为d

式中，i

式中，n为变压器11的变比；U

步骤230.对比采集的电流应力值i

步骤300.将步骤100和步骤200中所得到的d

同时，将调节结果通过无线通讯单元5反馈至上位机6。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。