宽直流电压输入宽交流电压输出双向变换拓扑控制方法

技术领域

本发明涉及宽直流电压输入宽交流电压输出双向变换拓扑控制方法，属于电力电子变换器技术领域。

背景技术

为了提高分布式电源系统的稳定性和效率，更加充分地利用可再生能源，微电网受到国内外学者的广泛关注，其中并网双向DC/AC变换器是重要的组成部分。双向DC/AC变换器根据输入输出的状态，既要实现整流器功能又要实现逆变器功能。目前双向DC/AC变换器主要应用在多电飞机电源系统、电池储能装置、混合风光互补系统、电动汽车和混合动力汽车等领域中。

现有的隔离双向DC/AC变换器主要由双向DC/DC变换器和双向逆变器级联而成，前后级控制独立。然而在输入输出电压范围宽、负载范围宽的情况下，如何可靠地控制多级系统、减小纹波、并提高系统的效率是一大难点。

对于DC/AC多级系统的启动，通常从DC侧开始逐级软起，而该方法会使得高压母线侧的储能电容产生电压过冲，不利于电容的长期可靠运行。针对纹波抑制策略：目前抑制二次工频纹波的方法是通过优化设计DC/AC变换器的环路，提高二倍工频处的增益；但及时如此，DC侧仍会有较大的二次纹波，无法满足极低纹波的要求。减小开关纹波的方法主要为增大电感，但会增加变换器的体积，无法满足高功率密度的需求。此外，数字纹波尚无研究。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供宽直流电压输入宽交流电压输出双向变换拓扑控制方法，具有直流输入电压范围宽、交流输出电压范围宽、负载范围宽、电流纹波小、高可靠性、兼容性强等优势。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

宽直流电压输入宽交流电压输出双向变换拓扑控制方法，基于宽直流电压输入宽交流电压输出双向变换拓扑实现，所述双向变换拓扑包括控制单元以及依次连接的非隔离DC/DC变换器、隔离DC/DC变换器和DC/AC变换器，控制单元包括采样电路、DSP、隔离驱动电路和二次工频限波器；所述控制方法包括双向变换拓扑正向工作控制方案和反向工作控制方案；

双向变换拓扑正向工作控制方案包括双向变换拓扑正向工作启动控制方案和正向工作稳态控制方案，所述正向工作启动控制方案具体如下：

启动前，非隔离DC/DC变换器、隔离DC/DC变换器和DC/AC变换器均处于非工作状态，双向变换拓扑DC输入侧连接的双向直流开关断开；向双向变换拓扑发送正向工作的控制信号，并根据双向变换拓扑的输入输出电压，确定高压侧母线电压，DC/AC变换器软起建立高压侧母线电压；高压侧母线电压建压完成后，隔离DC/DC变换器高压侧开关管打开，双向变换拓扑DC输入侧连接的双向直流开关软起；DC输入侧电压建压完成后，开启非隔离DC/DC变换器开关进入闭环控制，隔离DC/DC变换器低压侧开关管打开，启动完成；

双向变换拓扑反向工作控制方案包括双向变换拓扑反向工作启动控制方案和反向工作稳态控制方案，所述反向工作启动控制方案具体如下：

启动前，非隔离DC/DC变换器、隔离DC/DC变换器和DC/AC变换器均处于非工作状态，双向变换拓扑DC输出侧连接的双向直流开关断开；向双向变换拓扑发送反向工作的控制信号，并根据双向变换拓扑的输入输出电压，确定高压侧母线电压，DC/AC变换器软起建立高压侧母线电压；高压侧母线电压建压完成后，隔离DC/DC变换器移相软起，建立低压侧母线电压；低压侧母线电压建压完成后，非隔离DC/DC变换器软起进入闭环控制，启动完成。

作为本发明的一种优选方案，所述正向工作稳态控制方案，具体如下：

非隔离DC/DC变换器工作于恒流模式状态下时，隔离DC/DC变换器工作于直流变压器状态，输入低压侧母线电压V

非隔离DC/DC变换器输入电流i

采样母线电压信号送入DSP，经过二次工频限波器滤波后，与母线电压基准值作差得到电压误差信号，电压误差信号通过PI控制器得到电流内环的给定；采样电网电流i

作为本发明的一种优选方案，所述反向工作稳态控制方案，具体如下：

非隔离DC/DC变换器工作于恒压模式状态下时，隔离DC/DC变换器工作于直流变压器状态，输入低压侧母线电压V

母线电压V

输出电压V

作为本发明的一种优选方案，在双向变换拓扑正向或反向稳态工作时，在DC侧采用PIDR控制策略抑制由于并网传导过来的二次纹波，采用高精度PWM控制抑制数字控制导致的量化纹波，以及采用相屏蔽控制策略抑制非隔离DC/DC变换器开关状态变化导致的开关纹波。

作为本发明的一种优选方案，所述采用PIDR控制策略抑制并网导致的二次纹波，具体为：在非隔离DC/DC变换器闭环控制中采用PIDR控制策略，抑制由AC侧传递到DC侧的二次工频脉动。

作为本发明的一种优选方案，所述采用高精度PWM控制抑制数字控制导致的量化纹波，具体为：选用精度高于控制单元中ADC的PWM模块或采用分频方式，减小调节步长，以减少数字离散化带来的调节累加误差。

作为本发明的一种优选方案，所述采用相屏蔽控制策略抑制非隔离DC/DC变换器开关状态变化导致的开关纹波，具体为：根据不同的工况切换非隔离DC/DC变换器工作的相数，屏蔽非工作的相数即关闭非工作相的开关管，基于电流纹波模型以及效率曲线，在效率和输入电流纹波之间进行平衡，选择最优的工作相数。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明提出的启动控制策略，采用逐级软起的方式，减小了高压情况下的电流电压尖峰，降低了对开关管及其驱动电路的要求；根据输入输出电压调整系统母线电压，满足了宽电压范围的需求，同时优化了系统效率。

2、本发明提出的纹波抑制策略，针对不同来源不同频率的纹波分别进行抑制，可以实现很高的输入电流纹波控制，使得电流纹波小于输入电流的±1％，适用于电子负载、电池等对输入电流纹波要求高的场合。

3、本发明采用的非隔离DC/DC变换器相屏蔽控制策略，适应不同的功率等级，减小了电容体积和纹波电流，满足整个拓扑双向工作的需求。根据输入电流以及输入输出电压的不同，可动态屏蔽若干路非隔离DC/DC变换器，拓宽了负载的范围并满足了宽负载范围效率提升的需求，同时优化了输入电流纹波，在宽范围工作时极具优势。

附图说明

图1是本发明宽范围双向DC/AC变换拓扑结构图；

图2是本发明方法的控制原理图；

图3是本发明正向工作的启动控制图；

图4是本发明正向工作恒流模式控制图；

图5是本发明反向工作的启动控制图；

图6是本发明反向工作恒压模式控制图；

图7是本发明PIDR环路控制图；

图8是本发明开关纹波抑制相屏蔽控制图；

图9的(a)、(b)分别是相屏蔽控制、无切相控制下输入电流开关纹波图；

图10的(a)、(b)分别是无PIDR控制、有PIRD控制下输入电流二次纹波图；

图11的(a)、(b)分别是未采用高精度PWM、采用高精度PWM控制下输入电流量化纹波图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

如图1所示，为本发明控制方法基于的双向变换拓扑结构，包括非隔离DC/DC变换器、隔离DC/DC变换器、DC/AC变换器及系统控制单元。正向工作时，直流电源或储能设备经非隔离DC/DC变换器、隔离DC/DC变换器、DC/AC变换器实现并网能量回馈。反向工作时，交流电压经DC/AC变换器、隔离DC/DC变换器、非隔离DC/DC变换器给直流负载供电或给储能装置充电。

非隔离DC/DC变换器为同步整流Cuk或Boost变换器，其具有双向工作能力，正向输入端带有滤波电感，该双向变换电路正向工作当作电子负载使用，或反向工作接电池使用时，对电流纹波的要求比较高，此时正向输入端带有滤波电感，能实现较高的输入电流纹波控制。隔离DC/DC变换器采用LLC或CLLC谐振拓扑以承担高频隔离作用，实现能量高效率传递。DC/AC变换器采用H桥型或T-type逆变器，控制单元包括采样电路和数字信号处理(DSP)数字化控制。

如图2所示，变换器正向启动时，根据输入输出电压确定母线电压值，先由逆变器软起建立高压侧母线电压，隔离DC/DC变换器高压侧移相软起，接着非隔离DC/DC变换器软起进入闭环，最后打开隔离DC/DC变换器低压侧开关管；反向启动时，根据输入输出电压确定母线电压值，隔离DC/DC变换器移相软起，最后非隔离DC/DC变换器软起进入闭环。在正/反向工作时，为减小输入DC侧的电流/电压纹波，分别采用PIDR控制策略抑制二次纹波，高精度PWM控制抑制量化纹波，以及相屏蔽控制策略抑制开关纹波。

系统正向工作控制方案包括：第一，双向变换器正向工作启动控制方案，如图3所示，启动前，每一级变换器均处于非工作状态，输入DC侧连接的双向直流开关断开。检测变换器工作方向信号及输入输出电压，从而确定母线电压，DC/AC变换器软起建立高压侧母线电压。高压侧母线电压建压完成后，隔离DC/DC变换器高压侧开关管打开，DC输入侧的双向直流开关软起。输入侧电压建压完成后，开启非隔离DC/DC变换器开关进入闭环控制，隔离DC/DC变换器低压侧开关管打开，系统启动完成。

第二，双向变换器正向工作稳态控制方案，如图4所示。非隔离DC/DC变换器工作于恒流模式状态下，隔离DC/DC变换器工作于直流变压器(DCX)状态，输入低压侧V

系统反向工作控制包括：第一，双向变换器反向工作启动控制方案，如图5所示，启动前，每一级变换器均处于非工作状态，输出DC侧连接的双向直流开关打开。检测变换器工作方向信号及输入输出电压，从而确定母线电压，DC/AC变换器软起建立高压侧母线电压。高压侧母线电压建压完成后，隔离DC/DC变换器移相软起，建立低压侧母线电压。低压侧母线电压建压完成后，非隔离DC/DC变换器软起进入闭环控制，系统启动完成。

第二，双向变换器反向工作稳态控制方案，如图6所示。非隔离DC/DC变换器工作于恒压模式状态下，隔离DC/DC变换器工作于直流变压器(DCX)状态，输入低压侧V

并网二次纹波的抑制策略为在非隔离DC/DC变换器稳态工作时，其闭环控制采用PIDR控制方法，如图7所示，从而抑制由输出AC侧传递到输入DC侧的二次工频脉动。图10的(a)、(b)分别是无PIDR控制、本发明有PIRD控制下输入电流二次纹波图。

数字化纹波抑制策略：首先为避免数字控制极限环现象带来的输入电流纹波，选择高于模拟数字转换器(analog to digital converter，ADC)精度的PWM模块；为减少数字离散化带来的调节累积误差，采用高精度PWM或分频方式减小调节步长，从而减小数字化纹波。图11的(a)、(b)分别是未采用高精度PWM、本发明采用高精度PWM控制下输入电流量化纹波图。

开关纹波的抑制策略为根据不同的工况切换非隔离DC/DC变换器工作的相数，屏蔽非工作的相数(即关闭对应相的开关管)。基于电流纹波模型以及效率曲线，在效率和输入电流纹波之间进行平衡，选择最优的工作相数，如图8所示。图9的(a)、(b)分别是本发明相屏蔽控制、无切相控制下输入电流开关纹波图。

实施例

本实施例应用的双向变换拓扑结构，包括四相交错并联Boost变换器、LLC变换器、H桥型DC/AC逆变器及系统控制单元。该变换器正向启动时，根据输入输出电压确定母线电压值，先由逆变器软起建立高压侧母线电压，LLC高压侧移相软起，后Boost软起进入闭环，最后打开LLC低压侧开关管；正向稳态工作时，直流电源或储能设备经非隔离DC/DC变换器、隔离DC/DC变换器、DC/AC逆变器实现并网能量回馈。反向启动时，根据输入输出电压确定母线电压值，LLC移相软起，最后Boost软起进入闭环；反向稳态工作时，交流电压经整流电路、隔离DC/DC变换器、非隔离DC/DC变换器给直流负载供电或给储能装置充电。

本发明的宽范围双向变换拓扑控制策略，设计实例技术指标如表1所示。

表1技术指标

如工况为输入电压80V，输出280V时。逆变器先软起，高压母线建压到370V；当检测到输入电压为80V时，逆变器重新建压使得高压母线为480V，LLC变换器高压侧移相软起。双向直流开关软起，将Boost变换器的输入端缓慢建压到80V，Boost变换器开关管打开，进入电流闭环，最后LLC变换器低压侧的开关管打开，正向启机过程完成。

开关纹波抑制方法如下：

本实施例采用四级交错并联结构，根据需要，电路工作前，先进行各级的切入切出控制。该控制采用四路交错并联Cuk变换器，Cuk输入电流i

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。