[发明专利]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Vin_ref，并将Vin_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Vin_ref，接收主电路的原边有源桥输入直流母线电压Vin，根据Vin_ref和Vin计算得到原边有源桥输入直流母线电压偏差值ΔV_in，将ΔV_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ΔV_in，根据ΔV_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ΔV_in得到插入的直通零矢量时间Tshort，并将Tshort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Vout，根据P_ref、Vout计算出副边有源桥输出直流母线电流参考值Iout_ref，将Iout_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ΔI_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Iout_ref，接收主电路副边有源桥直流母线输出电流Iout，根据Iout_ref、Iout计算得到副边有源桥直流母线输出电流偏差ΔI_out，将ΔI_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ΔI_out，根据ΔI_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Iin和输出电流Iout，若Iin或Iout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Tshort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，设置插入短路零矢量时间Tshort和插入关断零矢量时间Toff均为0，设置桥臂正常导通时间Ton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φ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Vin_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Vout，计算出副边有源桥直流母线输出电流参考值Iout_ref：Iout_ref=|P_ref|Vout;]]>步骤2.3电压偏差计算单元将步骤2.2得到的Vin_ref与从主电路接收的Vin作差值，计算原边有源桥直流母线电压差值ΔV_in为：ΔV_in＝Vin_ref‑Vin；同时，电流偏差计算单元根据步骤2.2得到的Iout_ref与主电路的副边有源桥直流母线输出电流Iout作差值，计算副边有源桥直流母线电流差值ΔI_out为：ΔI_out＝Iout_ref‑Iout；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ΔV_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ΔI_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T1on、T1short、Toff、T2on、T2short；其中T1on和T2on时间长度均等于Ton时间长度；T1short和T2short时间长度相等，均为Tshort时间长度；Toff的时间长度为:Toff＝T‑2×Ton‑2×Tshort；同时电流控制器根据ΔI_out调整副边有源桥相对于原边有源桥的移相角度：若ΔI_out为负，则增大的值，且保证小于90°电角度；若ΔI_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ΔV_in得出每个周期中的Ton、Tshort、Toff的时间：若ΔV_in为正且Toff不为零，则减小Toff增大Ton的时间，Toff的范围为0≤Toff≤T，保证Ton＝0.5×T‑0.5×Toff，Tshort＝0；若ΔVin为正且Toff已为零，则减小Ton增大Tshort，Tshort的范围为0≤Tshort＜0.25×T，且保证Ton＝0.5×T‑Tshort，Toff＝0；若ΔV_in为负且Tshort不为零，则减小Tshort增大Ton，Tshort的范围为0≤Tshort＜0.25×T，且保证Ton＝0.5×T‑Tshort，Toff＝0；若ΔV_in为负且Tshort已为零，则增大Toff的减小Ton，Toff的范围为0≤Toff≤T，保证Ton＝0.5×T‑0.5×Toff，Tshort＝0；步骤2.4.3在T1on、T1short、Toff、T2on、T2short时间片，电压控制器输出PWM信号pwm11～pwm14，方法如下：在T1on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T1short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Toff时间片，电压控制器输出pwm11～pwm14均为关断信号；在T2on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T2short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，Ts1on、Tsoff、Ts2on，Ts1on和Ts2on的时间长度均为步骤2.4得到的Ton，Tsoff的时间长度为Tsoff＝T‑2×Ton；步骤2.4.5电流控制器在PWM周期T的时间点开始依据Ton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Ts1on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Tsoff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Ts2on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Tshort置为零，Ton保持不变，Toff的值改变为Toff＝T‑2×Ton，按步骤2.4.3所述的方法电压控制器依次执行T1on、T1short、Toff、T2on、T2short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Ts1on、Tsoff、Ts2on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Iin、Iout和Tshort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。