一种基于移相比扰动的双有源全桥变换器均流控制策略

本发明属于电力电子级联，尤其涉及一种基于移相比扰动的双有源全桥变换器均流控制策略。

背景技术：

1、近年来，电力电子系统中的变换器正朝着大功率、集成化、低成本、高功率密度以及高效率等方向发展。双有源全桥变换器具备功率双向传输、电气隔离、高变比升降压、易于实现软开关控制等诸多优点，并能通过并联组合实现多重模块化方案，已发展成为新能源发电、电动汽车、航空航天、不间断电源、直流配电系统、储能系统等场合的大功率并联开关电源的核心拓扑之一。

2、模块化并联方案可以有效提升功率容量，降低功率管应力，增强系统冗余能力。然而，在实际电路中，各子模块的串联电感等参数无法保证完全一致，会导致各子模块电流不均衡，从而引发部分模块的电流应力过高等严重问题。现有的方案多是采用电流传感器等有源器件采集各模块电流，通过调整各模块移相角实现系统均流。因此，需要大量的电流传感器和采样调理电路，不仅增加了系统的成本和体积，也降低了系统可靠性。为了解决上述问题，中国发明专利：申请号：cn202210370109.9提出了一种多相输入并联输出并联双有源全桥变换器及均流控制方法，其核心思路是通过开关频率扰动并估算各模块参数不匹配度来实现并联系统的均流。需注意的是，该专利提出的开关频率扰动估算算法仅能实现两相模块之间的扰动，在拓展到多相模块时其扰动估算逻辑是先扰动第1、2相模块，再扰动1、3相模块，以此类推扰动第1、m相模块。

3、多相并联系统是一个耦合系统，这意味在扰动两相模块时，其他模块只能被关闭或锁存，扰动估算逻辑复杂，因此在实际中该方法应用困难。ieee transactionson powerelectronics期刊202年69卷，第11期论文《a simple sensorless current sharingcontrol for input-parallel output-parallel dual active bridge converters》，该文提出了一种基于占空比扰动的无电流传感器均流方法。该参数估算算法同样仅能实现两相模块之间的扰动及参数估算。在拓展到多相模块时其扰动估算逻辑只能是先扰动第1、2相模块，再扰动1、3相模块，以此类推扰动第1、m相模块，且在扰动其中两相模块时，其他所有的模块只能被关闭运行或实施状态锁存，在实际中该方法同样应用困难。

4、为了解决上述问题，本发明提出了一种基于移相比扰动的双有源全桥变换器均流控制策略。该控制策略不同于现有的两相模块扰动估算算法，依次对第1至m相模块实施扰动，在扰动一相模块时，其他相模块无需关闭或锁存，提出的扰动算法逻辑执行简单，更加符合实际运行工况。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服上述背景技术中存在的缺陷，本发明提出了一种基于移相比扰动的双有源全桥变换器均流控制策略，不同于现有的两相模块扰动估算算法，本专利的扰动逻辑为：依次对第1至m相模块实施扰动，在扰动一相模块时，其他相模块无需关闭或锁存，提出的扰动算法逻辑执行简单，更加符合实际运行工况，在实施m次扰动后估算得到各模块的参数不匹配度，进而实现并联系统的均流。

2、本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

3、一种基于移相比扰动的双有源全桥变换器均流控制策略包括以下步骤：

4、步骤s1、分析双有源全桥变换器基于移相比补偿方法的均流实现条件；

5、步骤s2、双有源全桥变换器采用电压闭环控制，依次对第1相乃至第i相模块施加δdp的固定移相比扰动，在每次扰动后系统到达稳态时，存储电压闭环输出变化量δdi，其中i＝2,3,…,m；之后，根据扰动前后多相并联系统总输出电流不变的原则，推导和计算各模块的等效串联电感li，其中i＝1,2,…,m；

6、步骤s3、根据步骤s2计算得到的li，计算li/l1的数值；

7、步骤s4、计算补偿移相角δdi。

8、进一步的，所述双有源全桥变换器由两个及以上的双有源全桥变换器子模块并联构成；

9、所述双有源全桥变换器子模块p1，包括第一开关电路s11、第一串联电感l1、第一隔离型变压器t1、第二开关电路s12以及变换器直流端口侧电容c11、c12；

10、所述的第一串联电感l1和第一隔离变压器t1的一次侧绕组串联，所述的第一开关电路s11具有输入端口1-1和输出端口1-2，所述的第二开关电路s12具有输入端口1-3和输出端口1-4。

11、进一步的，所述步骤s1具体方法为：

12、根据双有源全桥变换器的传输功率表达式推导各子模块输出电流方程：

13、

14、其中：ioi是第i个子模块的输出电流；pi是第i个子模块的传输功率；fsi是第i个子模块的开关频率；ni是第i个子模块的匝数比；li是第i个子模块变压器漏感和辅助电感之和；d2i是第i个子模块的外移相角；vin是第i个子模块的输入电压；vo是第i个子模块的输出电压；

15、对于双有源全桥变换器，由式(1)可知，各子模块的输出电流表达式中有两个可控变量，包括：d2i和fsi；在各子模块电路参数不匹配时，在并联系统共同移相控制的基础上，d21＝d22＝…＝d2m，调整每个子模块的移相角d2i来实现并联系统均流；实现均流时，各子模块的移相角有以下关系：

16、

17、其中，d21是第一个子模块外移相角；δd1～δdm-1是以第一个子模块移相角为基准，第二个子模块至第m个子模块移相角补偿值，从而实现各子模块均流；对于双有源全桥变换器，各子模块输入电压、输出电压均相等；当系统实现均流时，各子模块的输出电流需满足：

18、io1＝io2＝…＝iom (3)

19、将式(2)代入式(1)，结合式(3)计算得到：

20、

21、根据式(4)，由li/l1计算出各子模块开关频率补偿值δd1～δdm-1，然后通过式(2)调整每个子模块的移相角，从而实现系统均流。

22、进一步的，所述步骤s2具体方法为：

23、首先由多相并联系统采用电压闭环控制，电压闭环输出产生一组共同移相角dm来同时控制m个子模块，m个子模块的外移相角关系为d21＝d22＝…＝d2m＝d；然后，对第一个子模块的输出实施δdp的移相比扰动，在δdp的扰动下，当系统达到新的稳态后，并联系统的输出电压闭环产生的共同外移相角d将调整为dp1，扰动前后电压闭环移相角有以下关系：

24、dp1＝d-δd1 (5)

25、式(5)中的δd1为扰动前后并联系统的外移相角偏移量，该数值在扰动后系统到达稳态时由数字控制系统观测并存储；扰动后每个相模块的占空比表示为：

26、

27、将式(6)代入式(1)中，在扰动后，每个模块的输出电流表示为：

28、

29、对并联系统各相模块的输出电流求和可得到总输出电流为：

30、

31、由式(1)，扰动前并联系统的总输出电流表达式为：

32、

33、根据扰动前后，并联系统的总输出电流大小不变，有：

34、io＝io′ (10)

35、联立(7)—(10)可推导计算出l1的表达式为：

36、

37、依据上述估算的步骤：依次对第2～m相模块施加δdp的固定移相比扰动，在每次扰动后系统到达稳态时，存储电压闭环输出变化量δdi，其中i＝2,3,…,m；之后，根据扰动前后多相并联系统总输出电流不变的原则，推导和计算各模块的等效串联电感li，其中i＝2,3,…,m；经过m次扰动后，各模块的等效串联电感li表示为：

38、

39、进一步的，所述步骤s3具体方法为：

40、通过将式(12)内部的第2～m项依次除以第1项，计算出li/l1的表达式为

41、

42、进一步的，所述步骤s4具体方法为：

43、得到li/l1后，由公式(4)可得每个子模块满足输出均流的移相比补偿值δd1～δdm，进一步根据公式(2)，对各子模块的移相角进行调节，便可实现系统的均流。

44、进一步的，所述均流控制策略可应用到扩展移相调制、双重移相调制以及三重移相调制策略中。

45、本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

46、(1)本发明所述均流控制策略实现了双有源全桥变换器的自动均流，使其每个子模块的功率均衡分配，从而避免了部分模块的电流应力过高的问题。

47、(2)本发明所述均流控制策略在扰动某一相模块时，其他相模块无需关闭或锁存，提出的扰动算法逻辑执行简单，更加符合实际运行工况。

48、(3)本发明所述均流控制策略可以应用到扩展移相调制、双重移相调制以及三重移相调制策略中，扩展性强。

49、(4)本发明所述均流控制策略具有实现逻辑简单、多相系统扩展容易、成本低、可靠性高等优势。