基于Z源的双向DC-DC变换器的控制方法

摘要

本发明公开了一种基于Z源的双向DC-DC变换器的控制方法，目的是提供一种能够控制变换器宽范围的升降压、短路保护、能量流动控制及正反向能量流动切换的方法。技术方案是改进变换器中的控制单元，使控制单元由电压计算单元、电压偏差计算单元、电压控制器、电流计算单元、电流偏差计算单元、电流控制器、故障监控单元组成，然后采用对电流、电压进行单独闭环控制的双并联闭环控制方法对变换器的能量流动进行控制。本发明实现了输出大范围的升压、降压控制；实现了电流、电压的单独控制和各变量间的解耦控制；使得变换器不停机就能实现能量流动的平滑切换；且可对输入、输出短路故障进行快速判断及故障保护。

主权项

一种基于Z源的双向DC‑DC变换器的控制方法，其特征在于包括以下步骤：第一步，改进基于Z源的双向DC‑DC变换器中的控制单元，方法是：控制单元由电压计算单元、电压偏差计算单元、电压控制器、电流计算单元、电流偏差计算单元、电流控制器、故障监控单元组成；电压计算单元计算原边有源桥的输入直流母线电压参考值，电压计算单元与电压偏差计算单元相连，从外部指令接收输出电压参考值V_{_ref}，根据V_{_ref}计算出原边有源桥直流母线电压给定参考值V_{in_ref}，并将V_{in_ref}输出至电压偏差计算单元；电压偏差计算单元与电压计算单元、电压控制器相连，电压偏差计算单元接收电压计算单元输出的V_{in_ref}，接收主电路的原边有源桥输入直流母线电压V_in，根据V_{in_ref}和V_in计算得到原边有源桥输入直流母线电压偏差值Δ_{V_in}，将Δ_{V_in}输出至电压控制器；电压控制器与电压偏差计算单元、主电路、故障监控单元相连，电压控制器从电压偏差计算单元接收Δ_{V_in}，根据Δ_{V_in}调制出控制原边有源桥通断的PWM信号pwm₁₁～pwm₁₄，将pwm₁₁～pwm₁₄传输给主电路；电压控制器根据Δ_{V_in}得到插入的直通零矢量时间T_short，并将T_short输出至故障监控单元，若从故障监控单元接收到短路故障保护信号Fault，则封锁pwm₁₁～pwm₁₄，进行短路故障保护；所述封锁是指不输出信号；电流计算单元与电流偏差计算单元相连，电流计算单元从外部指令接收输出功率参考值P_{_ref}，接收主电路的副边有源桥直流母线输出电压V_out，根据P_{_ref}、V_out计算出副边有源桥输出直流母线电流参考值I_{out_ref}，将I_{out_ref}输出给电流偏差计算单元；电流偏差计算单元计算副边有源桥直流母线输出电流偏差Δ_{I_out}，电流偏差计算单元与电流计算单元、电流控制器相连，电流偏差计算单元从电流计算单元接收I_{out_ref}，接收主电路副边有源桥直流母线输出电流I_out，根据I_{out_ref}、I_out计算得到副边有源桥直流母线输出电流偏差Δ_{I_out}，将Δ_{I_out}输出至电流控制器；电流控制器与电流偏差计算单元、主电路、故障监控单元相连，电流控制器接收电流偏差计算单元输出的Δ_{I_out}，根据Δ_{I_out}调制出控制副边有源桥通断的PWM信号pwm₂₁～pwm₂₄，将pwm₂₁～pwm₂₄输出给主电路，若电流控制器从故障监控单元接收到故障保护信号Fault，则电流控制器封锁PWM信号，进行短路故障保护；故障监控单元与主电路相连，对主电路的输入、输出过流故障进行监控，接收主电路的输入电流I_in和输出电流I_out，若I_in或I_out大于等于基于Z源的双向DC‑DC变换器的最大正常运行值且持续时间超过T_short则判定发生短路故障，向电压控制器和电流控制器输出故障信号Fault，电压控制器和电流控制器接收到故障信号Fault后立即封锁PWM脉冲信号，从而完成短路故障保护；第二步，采用对电流、电压进行单独闭环控制的双并联闭环控制方法对基于Z源的DC‑DC变换器的能量流动进行控制，包含步骤2.1～2.6,上电初始阶段执行步骤2.1，在每个PWM周期T依次执行一遍步骤2.2～步骤2.5，在控制单元的电压计算单元、电压偏差计算单元、电压控制器、电流计算单元、电流偏差计算单元、电流控制器部件循环执行步骤2.2～步骤2.5时，故障监控单元并行执行步骤2.6，具体步骤如下：步骤2.1进行系统初始化，设置插入直通零矢量时间T_short和插入关断零矢量时间T_off均为0，设置桥臂正常导通时间T_on为半个PWM周期即0.5×T，设置副边有源桥相对于原边有源桥的移相角度为0；步骤2.2根据从外部指令接收的输出副边有源桥直流电压参考值V_{_ref}，电压计算单元计算主电路的原边有源桥直流母线电压给定参考值V_{in_ref}=k₁×V_{_ref},其中k₁为选取的输入母线直流电压与输出直流母线电压比例系数，根据实际使用工况选取；同时，电流计算单元根据从外部接收的外部指令输出功率参考值P_{_ref}的绝对值和从主电路接收到的副边有源桥直流母线输出电压V_out，计算出副边有源桥直流母线输出电流参考值I_{out_ref}：$I_{out\_ref}=\frac{\left|P_{\_ref}\right|}{V_{out}};$步骤2.3电压偏差计算单元将步骤2.2得到的V_{in_ref}与从主电路接收的V_in作差值，计算原边有源桥直流母线电压差值Δ_{V_in}为：Δ_{V_in}=V_{in_ref}‑V_in；同时，电流偏差计算单元根据步骤2.2得到的I_{out_ref}与主电路的副边有源桥直流母线输出电流I_out作差值，计算副边有源桥直流母线电流差值Δ_{I_out}为：Δ_{I_out}=I_{out_ref}‑I_out；步骤2.4若电压控制器和电流控制器接收到故障监控单元发出的Fault信号，电压控制器封锁输出的PWM信号pwm₁₁～pwm₁₄，电流控制器封锁输出的PWM信号pwm₂₁～pwm₂₄，转第三步；若电压控制器和电流控制器都没有接收到Fault信号，电压控制器根据步骤2.3得到的Δ_{V_in}调制输出控制原边有源桥的PWM信号pwm₁₁～pwm₁₄，同时电流控制器根据步骤2.3得到的Δ_{I_out}向主电路的副边有源桥输出PWM信号pwm₂₁～pwm₂₄，具体方法如下：步骤2.4.1电压控制器将每一个PWM周期T按顺序分为五个时间片，即T_1on、T_1short、T_off、T_2on、T_2short；其中T_1on和T_2on时间长度均等于T_on时间长度；T_1short和T_2short时间长度相等，均为T_short时间长度；T_off的时间长度为:T_off=T‑2×T_on‑2×T_short；同时电流控制器根据Δ_{I_out}调整副边有源桥相对于原边有源桥的移相角度若Δ_{I_out}为负，则增大的值，且保证小于90°电角度；若Δ_{I_out}为正，则减小的值，且保证大于零；步骤2.4.2电压控制器依据Δ_{V_in}得出每个周期中的T_on、T_short、T_off的时间：若Δ_{V_in}为正且T_off不为零，则减小T_off增大T_on的时间，T_off的范围为0≤T_off≤T，保证T_on=0.5×T‑0.5×T_off，T_short=0；若为正且T_off已为零，则减小T_on增大T_short，T_short的范围为0≤T_short＜0.25×T，且保证T_on=0.5×T‑T_short，T_off=0；若Δ_{V_in}为负且T_short不为零，则减小T_short增大T_on，T_short的范围为0≤T_short＜0.25×T，且保证T_on=0.5×T‑T_short，T_off=0；若Δ_{V_in}为负且T_short已为零，则增大T_off的同时减小T_on，T_off的范围为0≤T_off≤T，保证T_on=0.5×T‑0.5×T_off，T_short=0；步骤2.4.3在T_1on、T_1short、T_off、T_2on、T_2short时间片，电压控制器输出PWM信号pwm₁₁～pwm₁₄，方法如下：在T_1on时间片，电压控制器输出pwm₁₁和pwm₁₄为导通信号，输出pwm₁₂和pwm₁₃为关断信号；在T_1short时间片，电压控制器输出pwm₁₁和pwm₁₂为导通信号，输出pwm₁₃和pwm₁₄为关断信号；在T_off时间片，电压控制器输出pwm₁₁～pwm₁₄均为关断信号；在T_2on时间片，电压控制器输出pwm₁₂和pwm₁₃为导通信号，输出pwm₁₁和pwm₁₄为关断信号；在T_2short时间片，电压控制器输出pwm₁₃和pwm₁₄为导通信号，输出pwm₁₁和pwm₁₂为关断信号；步骤2.4.4将从PWM周期T的时间点开始的长度等于T的一段时间按顺序分为3个时间片，T_s1on、T_soff、T_s2on，T_s1on和T_s2on的时间长度均为步骤2.4得到的T_on，T_soff的时间长度为T_soff=T‑2×T_on；步骤2.4.5电流控制器在PWM周期T的时间点开始依据T_on调制输出控制副边有源桥开关管动作的PWM信号pwm₂₁～pwm₂₄，方法如下：在T_s1on时间片，电流控制器输出副边有源桥开关管的控制信号pwm₂₁和pwm₂₄为导通信号，pwm₂₂和pwm₂₃为关断信号；接着，在T_soff时间片，电流控制器输出副边有源桥开关管的控制信号pwm₂₁、pwm₂₂、pwm₂₃、pwm₂₄为关断信号；最后，在T_s2on时间片，电流控制器输出副边有源桥开关管的控制信号pwm₂₂和pwm₂₃为导通信号，pwm₂₁和pwm₂₄为关断信号；步骤2.5若接收到故障监控单元发出的Fault信号，电流控制器和电压控制封锁PWM信号pwm₁₁～pwm₁₄、pwm₂₁～pwm₂₄，转第三步；若没有接收到Fault信号且控制单元接收到的外部指令输出功率P_{_ref}的符号发生改变即由正变为负或由负变为正，控制单元控制基于Z源的双向DC‑DC变换器完成能量正反向流动切换，含有如下步骤：步骤2.5.1电压控制器将T_short置为零，T_on保持不变，T_off的值改变为T_off=T‑2×T_on，按步骤2.4.3所述的方法电压控制器依次执行T_1on、T_1short、T_off、T_2on、T_2short时间片，输出控制原边有源桥开关管的PWM信号pwm₁₁～pwm₁₄；pwm₁₁～pwm₁₄控制主电路的原边有源桥的开关管动作；步骤2.5.2：电流控制器将移相角度置为零，按步骤2.4.5的方法依次执行T_s1on、T_soff、T_s2on时间片的控制副边有源桥开关管的PWM信号动作，输出副边有源桥的控制信号pwm₂₁～pwm₂₄；步骤2.5.3执行完步骤2.5.2后，原边和副边的能量流动将变为零，此时进行能量的反向流动控制：将正向能量流动的输入变为反向能量流动的输出、正向能量流动的输出变为反向能量流动的输入、正向能量流动的输入Z源网络变为反向能量流动的输出Z源网络、正向能量流动的输出Z源网络变为反向能量流动的输入Z源网络，正向能量流动的原边有源桥变为反向能量流动的副边有源桥、正向能量流动的副边有源桥变为反向能量流动的原边有源桥，此时即完成能量的正向流动向反向流动的切换；能量由反向流动向正向流动切换方法相同；步骤2.5.4转步骤2.2；步骤2.6故障监控单元根据I_in、I_out和T_short判定输入侧和输出侧是否发生短路故障，若输入侧发生短路故障或输出侧发生短路故障则输出短路故障信号Fault至电压控制器、电流控制器；第三步，结束。