[發明專利]基于Z源的雙向DC-DC變換器的控制方法

有效

• 申請號: 201510037888.0
• 申請日: 2015-01-26
• 公開（公告）號: CN104518659A
• 公開（公告）日: 2015-04-15
• 發明（設計）人: 張濤;劉帥;查亞兵;雷洪濤;劉亞杰;王銳
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: H02M3/00
• 分類號: H02M3/00
• 代理公司: 國防科技大學專利服務中心 43202
• 代理人: 郭敏

1.一種基于Z源的雙向DC-DC變換器的控制方法，其特征在于包括以下步驟：

第一步，改進基于Z源的雙向DC-DC變換器中的控制單元，方法是：

控制單元由電壓計算單元、電壓偏差計算單元、電壓控制器、電流計算單元、電流偏差計算單元、電流控制器、故障監控單元組成；

電壓計算單元計算原邊有源橋的輸入直流母線電壓參考值，電壓計算單元與電壓偏差計算單元相連，從外部指令接收輸出電壓參考值V_{_ref}，根據V_{_ref}計算出原邊有源橋直流母線電壓給定參考值V_{in_ref}，并將V_{in_ref}輸出至電壓偏差計算單元；

電壓偏差計算單元與電壓計算單元、電壓控制器相連，電壓偏差計算單元接收電壓計算單元輸出的V_{in_ref}，接收主電路的原邊有源橋輸入直流母線電壓V_in，根據V_{in_ref}和V_in計算得到原邊有源橋輸入直流母線電壓偏差值Δ_{V_in}，將Δ_{V_in}輸出至電壓控制器；

電壓控制器與電壓偏差計算單元、主電路、故障監控單元相連，電壓控制器從電壓偏差計算單元接收Δ_{V_in}，根據Δ_{V_in}調制出控制原邊有源橋通斷的PWM信號pwm₁₁～pwm₁₄，將pwm₁₁～pwm₁₄傳輸給主電路；電壓控制器根據Δ_{V_in}得到插入的直通零矢量時間T_short，并將T_short輸出至故障監控單元，若從故障監控單元接收到短路故障保護信號Fault，則封鎖pwm₁₁～pwm₁₄，進行短路故障保護；所述封鎖是指不輸出信號；

電流計算單元與電流偏差計算單元相連，電流計算單元從外部指令接收輸出功率參考值P_{_ref}，接收主電路的副邊有源橋直流母線輸出電壓V_out，根據P_{_ref}、V_out計算出副邊有源橋輸出直流母線電流參考值I_{out_ref}，將I_{out_ref}輸出給電流偏差計算單元；

電流偏差計算單元計算副邊有源橋直流母線輸出電流偏差Δ_{I_out}，電流偏差計算單元與電流計算單元、電流控制器相連，電流偏差計算單元從電流計算單元接收I_{out_ref}，接收主電路副邊有源橋直流母線輸出電流I_out，根據I_{out_ref}、I_out計算得到副邊有源橋直流母線輸出電流偏差Δ_{I_out}，將Δ_{I_out}輸出至電流控制器；

電流控制器與電流偏差計算單元、主電路、故障監控單元相連，電流控制器接收電流偏差計算單元輸出的Δ_{I_out}，根據Δ_{I_out}調制出控制副邊有源橋通斷的PWM信號pwm₂₁～pwm₂₄，將pwm₂₁～pwm₂₄輸出給主電路，若電流控制器從故障監控單元接收到故障保護信號Fault，則電流控制器封鎖PWM信號，進行短路故障保護；

故障監控單元與主電路相連，對主電路的輸入、輸出過流故障進行監控，接收主電路的輸入電流I_in和輸出電流I_out，若I_in或I_out大于等于基于Z源的雙向DC-DC變換器的最大正常運行值且持續時間超過T_short則判定發生短路故障，向電壓控制器和電流控制器輸出故障信號Fault，電壓控制器和電流控制器接收到故障信號Fault后立即封鎖PWM脈沖信號，從而完成短路故障保護；

第二步，采用對電流、電壓進行單獨閉環控制的雙并聯閉環控制方法對基于Z源的DC-DC變換器的能量流動進行控制，包含步驟2.1～2.6,上電初始階段執行步驟2.1，在每個PWM周期T依次執行一遍步驟2.2～步驟2.5，在控制單元的電壓計算單元、電壓偏差計算單元、電壓控制器、電流計算單元、電流偏差計算單元、電流控制器部件循環執行步驟2.2～步驟2.5時，故障監控單元并行執行步驟2.6，具體步驟如下：

步驟2.1進行系統初始化，設置插入短路零矢量時間T_short和插入關斷零矢量時間T_off均為0，設置橋臂正常導通時間T_on為半個PWM周期即0.5×T，設置副邊有源橋相對于原邊有源橋的移相角度φ為0；

步驟2.2根據從外部指令接收的輸出副邊有源橋直流電壓參考值V_{_ref}，電壓計算單元計算主電路的原邊有源橋直流母線電壓給定參考值V_{in_ref}＝k₁×V_{_ref},其中k₁為選取的輸入母線直流電壓與輸出直流母線電壓比例系數，根據實際使用工況選取；同時，電流計算單元根據從外部接收的外部指令輸出功率參考值P_{_ref}的絕對值和從主電路接收到的副邊有源橋直流母線輸出電壓V_out，計算出副邊有源橋直流母線輸出電流參考值I_{out_ref}：

Iout_ref=|P_ref|Vout;]]>

步驟2.3電壓偏差計算單元將步驟2.2得到的V_{in_ref}與從主電路接收的V_in作差值，計算原邊有源橋直流母線電壓差值Δ_{V_in}為：

Δ_{V_in}＝V_{in_ref}-V_in；

同時，電流偏差計算單元根據步驟2.2得到的I_{out_ref}與主電路的副邊有源橋直流母線輸出電流I_out作差值，計算副邊有源橋直流母線電流差值Δ_{I_out}為：

Δ_{I_out}＝I_{out_ref}-I_out；

步驟2.4若電壓控制器和電流控制器接收到故障監控單元發出的Fault信號，電壓控制器封鎖輸出的PWM信號pwm₁₁～pwm₁₄，電流控制器封鎖輸出的PWM信號pwm₂₁～pwm₂₄，轉第三步；若電壓控制器和電流控制器都沒有接收到Fault信號，電壓控制器根據步驟2.3得到的Δ_{V_in}調制輸出控制原邊有源橋的PWM信號pwm₁₁～pwm₁₄，同時電流控制器根據步驟2.3得到的Δ_{I_out}向主電路的副邊有源橋輸出PWM信號pwm₂₁～pwm₂₄，具體方法如下：

步驟2.4.1電壓控制器將每一個PWM周期T按順序分為五個時間片，即T_1on、T_1short、T_off、T_2on、T_2short；其中T_1on和T_2on時間長度均等于T_on時間長度；T_1short和T_2short時間長度相等，均為T_short時間長度；T_off的時間長度為:T_off＝T-2×T_on-2×T_short；同時電流控制器根據Δ_{I_out}調整副邊有源橋相對于原邊有源橋的移相角度：若Δ_{I_out}為負，則增大的值，且保證小于90°電角度；若Δ_{I_out}為正，則減小的值，且保證大于零；

步驟2.4.2電壓控制器依據Δ_{V_in}得出每個周期中的T_on、T_short、T_off的時間：若Δ_{V_in}為正且T_off不為零，則減小T_off增大T_on的時間，T_off的范圍為0≤T_off≤T，保證T_on＝0.5×T-0.5×T_off，T_short＝0；若Δ_Vin為正且T_off已為零，則減小T_on增大T_short，T_short的范圍為0≤T_short＜0.25×T，且保證T_on＝0.5×T-T_short，T_off＝0；若Δ_{V_in}為負且T_short不為零，則減小T_short增大T_on，T_short的范圍為0≤T_short＜0.25×T，且保證T_on＝0.5×T-T_short，T_off＝0；若Δ_{V_in}為負且T_short已為零，則增大T_off的減小T_on，T_off的范圍為0≤T_off≤T，保證T_on＝0.5×T-0.5×T_off，T_short＝0；

步驟2.4.3在T_1on、T_1short、T_off、T_2on、T_2short時間片，電壓控制器輸出PWM信號pwm₁₁～pwm₁₄，方法如下：在T_1on時間片，電壓控制器輸出pwm₁₁和pwm₁₄為導通信號，輸出pwm₁₂和pwm₁₃為關斷信號；在T_1short時間片，電壓控制器輸出pwm₁₁和pwm₁₂為導通信號，輸出pwm₁₃和pwm₁₄為關斷信號；在T_off時間片，電壓控制器輸出pwm₁₁～pwm₁₄均為關斷信號；在T_2on時間片，電壓控制器輸出pwm₁₂和pwm₁₃為導通信號，輸出pwm₁₁和pwm₁₄為關斷信號；在T_2short時間片，電壓控制器輸出pwm₁₃和pwm₁₄為導通信號，輸出pwm₁₁和pwm₁₂為關斷信號；

步驟2.4.4將從PWM周期T的時間點開始的長度等于T的一段時間按順序分為3個時間片，T_s1on、T_soff、T_s2on，T_s1on和T_s2on的時間長度均為步驟2.4得到的T_on，T_soff的時間長度為T_soff＝T-2×T_on；

步驟2.4.5電流控制器在PWM周期T的時間點開始依據T_on調制輸出控制副邊有源橋開關管動作的PWM信號pwm₂₁～pwm₂₄，方法如下：在T_s1on時間片，電流控制器輸出副邊有源橋開關管的控制信號pwm₂₁和pwm₂₄為導通信號，pwm₂₂和pwm₂₃為關斷信號；接著，在T_soff時間片，電流控制器輸出副邊有源橋開關管的控制信號pwm₂₁、pwm₂₂、pwm₂₃、pwm₂₄為關斷信號；最后，在T_s2on時間片，電流控制器輸出副邊有源橋開關管的控制信號pwm₂₂和pwm₂₃為導通信號，pwm₂₁和pwm₂₄為關斷信號；

步驟2.5若接收到故障監控單元發出的Fault信號，電流控制器和電壓控制封鎖PWM信號pwm₁₁～pwm₁₄、pwm₂₁～pwm₂₄，轉第三步；若沒有接收到Fault信號且控制單元接收到的外部指令輸出功率P_{_ref}的符號發生改變即由正變為負或由負變為正，控制單元控制基于Z源的雙向DC-DC變換器完成能量正反向流動切換，含有如下步驟：

步驟2.5.1電壓控制器將T_short置為零，T_on保持不變，T_off的值改變為T_off＝T-2×T_on，按步驟2.4.3所述的方法電壓控制器依次執行T_1on、T_1short、T_off、T_2on、T_2short時間片，輸出控制原邊有源橋開關管的PWM信號pwm₁₁～pwm₁₄；pwm₁₁～pwm₁₄控制主電路的原邊有源橋的開關管動作；步驟2.5.2：電流控制器將移相角度置為零，按步驟2.4.5的方法依次執行T_s1on、T_soff、T_s2on時間片的控制副邊有源橋開關管的PWM信號動作，輸出副邊有源橋的控制信號pwm₂₁～pwm₂₄；

步驟2.5.3執行完步驟2.5.2后，原邊和副邊的能量流動將變為零，此時進行能量的反向流動控制：將正向能量流動的輸入變為反向能量流動的輸出、正向能量流動的輸出變為反向能量流動的輸入、正向能量流動的輸入Z源網絡變為反向能量流動的輸出Z源網絡、正向能量流動的輸出Z源網絡變為反向能量流動的輸入Z源網絡，正向能量流動的原邊有源橋變為反向能量流動的副邊有源橋、正向能量流動的副邊有源橋變為反向能量流動的原邊有源橋，此時即完成能量的正向流動向反向流動的切換；能量由反向流動向正向流動切換方法相同；

步驟2.5.4轉步驟2.2；

步驟2.6故障監控單元根據I_in、I_out和T_short判定輸入側和輸出側是否發生短路故障，若輸入側發生短路故障或輸出側發生短路故障則輸出短路故障信號Fault至電壓控制器、電流控制器；

第三步，結束。