[發(fā)明專利]半橋型雙向DC-DC變換器控制環(huán)路補償方法

在審

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• 申請日: 2021-05-25
• 公開（公告）號: CN113179017A
• 公開（公告）日: 2021-07-27
• 發(fā)明（設計）人: 郭穎娜;成歡;馬昭;宋久旭;白思思;王淇民;孫銳;劉海峰
• 申請（專利權）人: 西安石油大學
• 主分類號: H02M3/158
• 分類號: H02M3/158;H02M1/088
• 代理公司: 西安弘理專利事務所 61214
• 代理人: 王敏強

1.半橋型雙向DC-DC變換器控制環(huán)路補償方法，其特征在于，具體按照以下步驟實施：

步驟1、建立半橋型雙向DC-DC變換器不同模式下的數(shù)學模型，分別推導出BOOST模式與BUCK模式下電感電流和輸出電壓對控制變量的傳遞函數(shù)以及輸出電壓對電感電流的傳遞函數(shù)；

步驟2、設計基于PI控制器的電壓電流雙閉環(huán)反饋控制策略，控制半橋型雙向DC-DC變換器在擾動存在的情況下依然能夠保證穩(wěn)定的輸出；

步驟3、設計半橋型雙向DC-DC變換器功率電路參數(shù)；

步驟4、結合步驟1得到的BOOST模式與BUCK模式下系統(tǒng)傳遞函數(shù)和步驟2得到的電壓電流雙閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)以及步驟3得到的功率電路參數(shù)，對半橋型雙向DC-DC變換器系統(tǒng)進行電壓電流環(huán)PI參數(shù)的設計，并將設計出的電壓電流環(huán)PI參數(shù)代入步驟2中的電壓電流雙閉環(huán)反饋控制策略中，得到加入雙環(huán)補償后的雙閉環(huán)半橋型雙向DC-DC變換器。

2.根據(jù)權利要求1所述的半橋型雙向DC-DC變換器控制環(huán)路補償方法，其特征在于，所述步驟1具體按照以下步驟實施：

步驟1.1、采取在一個開關周期內(nèi)求變量平均值的方法，即定義變量x(t)在開關周期T_s內(nèi)的平均值為：

其中：表示變量x(t)在開關周期T_s內(nèi)的平均值；T_s表示開關周期；x(t)表示開關變換器中的某個變量；t表示時間變量；τ表示積分變量；

步驟1.2、當BOOST變換器工作在連續(xù)導電模式CCM，變換器電路穩(wěn)態(tài)時分為兩個階段，設此兩階段時間間隔分別為：[t,t+d₁(t)T_s]和[t+d₁(t)T_s,t+T_s]，則變換器電路中電感電壓v_L(t)和電容電流i_C(t)分別表示為：

其中：v_L(t)表示電感電壓；L表示電感；i_L(t)表示電感電流；v_g(t)表示蓄電池側電壓；v_o(t)表示直流母線側電壓；d₁(t)表示BOOST模式占空比；

其中：i_C(t)表示電容電流；C₁表示直流母線側電容；R₁表示負載電阻；

步驟1.3、當變換器滿足低頻假設與小紋波假設時，v_g(t)、v_o(t)以及i_L(t)在整個開關周期區(qū)間的值近似采用開關周期平均值以及分別表示，此時，式(2)、式(3)表示為：

其中：表示電感電流在開關周期內(nèi)的平均值；表示蓄電池側電壓在開關周期內(nèi)的平均值；表示直流母線側電壓在開關周期內(nèi)的平均值；

步驟1.4、采用式(1)定義各變量的開關周期平均值，則電感電壓的開關周期平均值為：

其中：表示電感電壓在開關周期內(nèi)的平均值；

若進一步認為與在一個開關周期內(nèi)近似恒定，則由式(6)得：

同理，根據(jù)電容電流的分段表達式，運用相同的分析方法得到電容電流的開關周期平均值為：

其中：表示電容電流在開關周期內(nèi)的平均值；

步驟1.5、通過在變換器靜態(tài)工作點附近引入低頻小信號擾動，從而對變換器進行線性化處理，對于BOOST變換器中輸入變量v_g(t)、狀態(tài)變量i_L(t)、v_o(t)的平均變量和以及控制變量d₁(t)，將其分解為直流分量與交流小信號分量之和，即：

其中：V_g、I_L、V_o和D₁表示對應變量的直流分量；和表示對應變量的交流分量；

步驟1.6、根據(jù)式(9)將式(7)、式(8)中的平均變量分解為相應的直流分量與交流小信號分量之和，得到：

將上式合并同類項整理后，令其對應的直流項相等、交流項相等，并且略去二階微小量可得到根據(jù)電感和電容的工作特性確定的交流小信號線性狀態(tài)方程為：

步驟1.7、式(11)為CCM模式下BOOST變換器電路在時域的二階動態(tài)模型，該模型是變換器系統(tǒng)閉環(huán)反饋控制設計的基礎，將式(11)所得到的方程進行拉氏變換，將時域模型變換至S域，得BOOST變換器S域的傳遞函數(shù)：

其中：s表示虛變量；表示S域電感電流交流分量；表示S域直流母線側電壓交流分量；表示S域蓄電池側電壓交流分量；表示S域BOOST模式占空比交流分量；

式(12)中令S域蓄電池側電壓交流分量得出BOOST變換器在CCM模式下相應的傳遞函數(shù)，CCM模式下BOOST變換器輸出電壓對控制變量的傳遞函數(shù)G_vd1(s)為：

CCM模式下BOOST變換器電感電流對控制變量的傳遞函數(shù)G_id1(s)為：

CCM模式下BOOST變換器輸出電壓對電感電流的傳遞函數(shù)G_vi1(s)：

同理，得出BUCK變換器在CCM模式下相應的傳遞函數(shù)，CCM模式下BUCK變換器輸出電壓對控制變量的傳遞函數(shù)G_vd2(s)：

其中：C₂表示蓄電池側電容；R₂表示蓄電池側等效電阻；表示S域BUCK模式占空比交流分量；

CCM模式下BUCK變換器電感電流對控制變量的傳遞函數(shù)G_id2(s)：

CCM模式下BUCK變換器輸出電壓對電感電流的傳遞函數(shù)G_vi2(s)：