主动电压平衡装置及其控制方法与流程

本技术涉及电力电子，尤其涉及主动电压平衡装置及其控制方法。

背景技术：

1、在高压直流母线应用场合中，单个电容器的耐压等级往往无法满足系统需求，因此通常采用两个以上电容器串联的拓扑结构来提升直流母线的整体耐压能力。然而，由于电容器在生产制造过程中不可避免地存在容值偏差（容差）和等效串联电阻（esr）差异，导致串联连接的各个电容器在直流母线电压分配上出现不均衡现象，即某一电容器承受的电压高于其额定值，而另一电容器承受的电压低于其额定值。这种电压不均衡会引发一系列问题：承受过电压的电容器加速老化、寿命缩短，严重时可能导致电容器击穿，进而引发主开关管过压损坏等连锁故障，严重影响系统的安全可靠运行。

2、针对上述串联电容均压问题，现有技术主要采用以下两种方案：其一为无源均压方案，即在每个串联电容两端并联均压电阻，通过电阻的旁路作用消耗电容电压差，使各电容电压趋于均衡。该方案电路结构简单、成本低廉，但存在显著缺陷：均压电阻长期持续消耗功率，尤其在轻载工况下损耗占比较高，导致系统整体效率降低；此外，无源均压为开环控制方式，无法应对电容参数差异（容差、esr）导致的电压失衡，动态响应能力几乎为零。其二为简单有源均压方案，即通过固定占空比控制辅助开关管对电容电压进行钳位。该方案相较于无源均压在一定程度上提升了均压效果，但仍存在以下不足：固定占空比控制无法跟踪负载突变和输入电压波动带来的电压失衡，易出现过补或欠补状态；均压电路与主变换器控制相互分离，未考虑主电路开关状态对电容电压的影响，均压响应滞后；缺少故障诊断功能，未监测电容失压故障，当某电容电压超过安全阈值时无法及时保护。

3、有鉴于此，亟需提出一种主动电压平衡装置及其控制方法，以能够解决现有buck-boost变换器直流母线串联电容均压方案存在的效率低、动态响应差、与主电路协同性差以及缺乏故障保护等缺陷，实现电容电压精准均衡，具有动态响应迅速能力，并且实现电路的故障保护功能。

技术实现思路

1、为克服相关技术中存在的问题，本技术提供一种主动电压平衡装置及其控制方法，该主动电压平衡装置及其控制方法能够解决现有buck-boost变换器直流母线串联电容均压方案存在的效率低、动态响应差、与主电路协同性差以及缺乏故障保护等缺陷，实现电容电压精准均衡，具有动态响应迅速能力，并且实现电路的故障保护功能。

2、本技术第一方面提供一种主动电压平衡装置，包括：

3、相互电连接的直流母线电容单元、主功率电路、电压采样电路、电流采样电路、控制器和驱动电路；

4、直流母线电容单元包括串联连接于直流母线正端与直流母线负端之间的第一电容和第二电容，第一电容与第二电容的连接节点为母线中点；

5、主功率电路包括第一开关管、第二开关管和储能电感；第一开关管与第二开关管通过储能电感串联连接于直流母线正端与直流母线负端之间，且储能电感与第二开关管的连接节点连接至母线中点；

6、电压采样电路包括分压电阻网络和差分运算放大器，分压电阻网络连接至直流母线正端、母线中点和直流母线负端，差分运算放大器的输入端连接分压电阻网络的输出端；

7、电流采样电路用于采集储能电感的电流并输出电流采样信号；

8、控制器的adc输入端分别连接差分运算放大器的输出端以接收电压采样信号，并且连接电流采样电路的输出端以接收电流采样信号，控制器的pwm输出端用于输出pwm控制信号；

9、驱动电路连接在pwm输出端与第一开关管的控制端、第二开关管的控制端之间，用于根据pwm控制信号驱动第一开关管和第二开关管。

10、在一种实施方式中，电压采样电路还包括：

11、分压电阻网络包括连接在直流母线正端与母线中点之间的至少一个第一分压电阻，以及连接在母线中点与直流母线负端之间的至少一个第二分压电阻；

12、差分运算放大器的同相输入端和反相输入端分别连接至第一分压电阻和第二分压电阻的相应节点，以将分压后的电压信号转换为差分采样电压信号输出至控制器。

13、在一种实施方式中，驱动电路包括：第一隔离驱动芯片、第二隔离驱动芯片和驱动电源变压器；

14、第一隔离驱动芯片的输入端连接控制器的第一pwm输出端，第一隔离驱动芯片的输出端连接第一开关管的控制端；

15、第二隔离驱动芯片的输入端连接控制器的第二pwm输出端，第二隔离驱动芯片的输出端连接第二开关管的控制端；

16、驱动电源变压器用于为第一隔离驱动芯片和第二隔离驱动芯片提供工作电源。

17、在一种实施方式中，主动电压平衡装置还包括故障保护电路，故障保护电路包括：第一电压比较器和第二电压比较器；

18、第一电压比较器的同相输入端和反相输入端分别接收第一基准电压和电流采样电路输出的正母线采样电压，第一电压比较器的输出端连接至控制器；

19、第二电压比较器的同相输入端和反相输入端分别接收第二基准电压和电压采样电路输出的负母线采样电压，第二电压比较器的输出端连接至控制器；

20、控制器用于根据第一电压比较器和/或第二电压比较器的输出信号执行保护动作。

21、本技术第二方面提供一种主动电压平衡装置的控制方法，其特征在于，用于控制如第一方面所述的主动电压平衡装置，包括：

22、通过电压采样电路采集第一电容的第一电压和第二电容的第二电压，并通过电流采样电路采集流经储能电感的电流值；

23、根据第一电压和第二电压确定正负母线电压差值；

24、将正负母线电压差值输入电压pi控制器，生成电流参考值；

25、将电流参考值与电流值进行比较后输入电流pi控制器，生成pwm调制信号；

26、根据pwm调制信号，通过驱动电路控制第一开关管和第二开关管的通断，使主功率电路在第一电容与第二电容之间双向传输能量，以实现直流母线串联电容的主动电压平衡。

27、在一种实施方式中，在通过电流采样电路采集流经储能电感的电流值之后，还包括：

28、当电流值超过第一电流阈值时，控制器将pwm控制信号置零，关断第一开关管和第二开关管。

29、在一种实施方式中，在通过电压采样电路采集第一电容的第一电压和第二电容的第二电压之后，还包括：

30、当第一电压或第二电压超过电压阈值时，控制器执行关断保护动作。

31、在一种实施方式中，电压pi控制器和电流pi控制器的参数整定步骤包括：

32、断开电压环，将电流pi控制器的电流参考值设为固定值，调节电流pi控制器的比例系数直至电流波形出现轻微超调，之后调节电流pi控制器的积分系数直至电流静态误差为零；

33、闭合电压环并设定目标母线电压，调节电压pi控制器的比例系数直至母线电压响应速度满足要求，之后调节电压pi控制器的积分系数直至母线电压静态误差为零。

34、本技术第三方面提供一种电子设备，包括：

35、处理器；以及

36、存储器，其上存储有可执行代码，当所述可执行代码被所述处理器执行时，使所述处理器执行如上所述的方法。

37、本技术第四方面提供一种非暂时性机器可读存储介质，其上存储有可执行代码，当所述可执行代码被电子设备的处理器执行时，使所述处理器执行如上所述的方法。

38、本技术提供的技术方案可以包括以下有益效果：

39、本技术提供的主动电压平衡装置及其控制方法采用主动控制策略替代传统的无源均压方案，通过控制器实时调节pwm占空比控制主功率电路在第一电容与第二电容之间双向传输能量，实现了电容电压的精准均衡，同时消除了均压电阻的持续功率损耗，显著提升了系统效率。另外，通过采用电压外环和电流内环的双闭环控制架构，结合电压前馈和电流前馈控制，能够快速响应负载突变和输入电压波动，大幅提升了均压控制的动态响应速度和稳态精度。此外，将均压控制与主变换器控制深度融合，利用主功率电路自身完成电压均衡，无需额外增加独立的均压变换器，电路结构紧凑，成本低廉。再者，装置中设置有故障保护电路，能够实时监测串联电容的电压状态，在出现过压或过流等故障时及时执行保护动作，防止器件损坏，提升了系统的安全可靠性。

40、总的来说，本技术能够解决现有buck-boost变换器直流母线串联电容均压方案存在的效率低、动态响应差、与主电路协同性差以及缺乏故障保护等缺陷，实现电容电压精准均衡，具有动态响应迅速能力，并且实现电路的故障保护功能。

41、应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本技术。