[发明专利]一种基于充放电并行的电容电荷平衡控制方法及变换器

说明书

本发明公开了一种基于充放电并行的电容电荷平衡控制方法及变换器，针对现有技术中多端口变换器的电容电荷平衡控制技术中电压动态性能受充、放电串联运行模式影响、动态性能难以进一步提高的问题，以输出电压动态纹波最小化、收敛时间最短化为原则，首先优化选择工作端口并分配各端口充电和放电任务，使得充电和放电过程并列进行；其次根据电感电流变化率计算各端口对应开关管在不同开关模式下的开关状态和导通关断时间，保证一次性充电和一次性放电时间最短，且充电功能端口的充电电流安秒积与放电功能端口的放电电流安秒积相等，从而使得充电和放电过程并行运行完成后，输出电压即可收敛，输出电压动态峰值最小，无超调，收敛时间最短。

技术领域

本发明涉及直流变换器控制技术领域，主要涉及一种基于充放电并行的电容电荷平衡控制方法及变换器。

背景技术

能源在人类社会的生存和发展中起到重要的作用，太阳能和风能储量丰富，是世界公认的清洁型能源，目前得到了较为广泛的开发和利用。但是同传统能源相比，新能源发电具有波动性和随机性。为了提高新能源发电的供电质量，发电系统需要加入储能装置，来改善功率波动。在带有储能装置的新能源发电系统中，经常使用多个直流变换器，分别将直流电源和储能单元升压到相同的电压等级，并连接到共同的直流母线。但是此结构存在系统结构复杂、变换器数量多、功率密度低、各个变换器需要协调控制的缺陷。多端口变换器具有很多优点,比如体积小成本低、可靠性高、功率密度高和效率高等，因此也逐渐成为目前研究的热点，在独立新能源发电系统中也有很重要并且广泛的应用。

PI控制是多端口变换器的经典控制方法，其中电压、电流调节器的存在导致系统中的任何扰动都需要传递到输出后，调节器才能对误差进行校正，系统的动态性能受到限制。

采用解耦矩阵法可以实现PI参数的优化，但是多端口变换器工作方式模式的多样性以及工作范围的宽广性导致系统难以通过一个传递函数进行精确建模，因此解耦矩阵设计困难。

文献“DongSheng Yang,Min Yang,Ruan.One-Cycle Control for a DoubleInput DC/DC Converter[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2012,27(11):4646-4655.”提出的应用于双输入Buck变换器的单周期控制作为一种非线性控制，虽然在理论上可以消除调节器，但在实际应用中还是引入电压外环来消除系统稳态误差，而电压外环的引入使其控制存在滞后。

文献“付宏伟，王宇。三端口变换器的电容电荷平衡控制技术研究，中国电机工程学报，2020，40(15)：4988-4999。”提出了针对多端口变换器的负载突变的电容电荷平衡控制(capacitive charge balance control,CBC)方案，该算法基于电容电荷平衡原理,推导出最优动态响应曲线，通过控制系统动态过程中的开关状态,使系统按照最优动态响应曲线运行，负载突变时，输出电容经过一次放电、一次充电过程，输出电压和输出电感电流即可收敛提高了负载突变下的系统动态性能。然而，上述现有技术中提出的CBC方案，在负载突增时，其输出滤波电容的放电过程与充电过程是串联执行的，即放电过程完毕后，充电过程才能开始执行；同理，在负载突卸时，其输出滤波电容的充电过程与放电过程是串联执行的，即充电过程完毕后，放电过程才能开始执行，这种放电过程与充电过程串联执行的模式限制了动态性能的进一步提高。

发明内容

发明目的：本发明提供了一种基于充放电并行的电容电荷平衡控制方法及变换器，解决了现有多端口变换器的电容电荷平衡控制技术中电压动态性能受充、放电串联运行模式影响、动态性能难以进一步提高的问题。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：