本發(fā)明涉及多模塊全橋隔離dc-dc變換器(包含半橋三電平、全橋隔離dc-dc變換器)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域，具體是一種多模塊全橋隔離dc-dc變換器功率平衡控制方法及裝置。

背景技術(shù)：

全橋隔離dc-dc變換器因其具有電氣隔離、功率密度高、能量能雙向流動以及模塊級聯(lián)容易等優(yōu)點(diǎn)，隨著新能源變流技術(shù)的迅速發(fā)展已實(shí)現(xiàn)了廣泛的應(yīng)用。多模塊輸出側(cè)并聯(lián)全橋隔離dc-dc變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更是廣泛應(yīng)用于固態(tài)變壓器以及列車無工頻電力電子變壓器中。

當(dāng)并聯(lián)全橋隔離dc-dc變換器輸入側(cè)電壓幅值不相等或者各并聯(lián)模塊中變壓器匝數(shù)或者漏感不相等時(shí)，會導(dǎo)致流過各并聯(lián)模塊的功率不相等，以致于個(gè)別模塊可能出現(xiàn)過流現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會損壞變換器拓?fù)?，危及安全。為解決該問題，有學(xué)者提出了實(shí)時(shí)積分法實(shí)現(xiàn)功率平衡，但該方法需要對電感電流以及原邊h橋輸出電壓進(jìn)行積分得到實(shí)際功率，然后通過對計(jì)算得到的功率進(jìn)行控制，這大大增加了控制系統(tǒng)的運(yùn)算復(fù)雜性。此外，該方法需要在全橋隔離dc-dc變換器中使用額外的電感電流傳感器，這增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種多模塊全橋隔離dc-dc變換器功率平衡控制方法及裝置，其具有運(yùn)算量簡單、無負(fù)載電流傳感器的優(yōu)點(diǎn)；該功率平衡控制方法可以有效地減小變換器控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)成本。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種多模塊全橋隔離dc-dc變換器功率平衡控制方法，包括以下步驟：

步驟1：通過數(shù)據(jù)采集模塊獲得輸出電壓uo和并聯(lián)模塊#i輸入電壓uini，i＝1,2……n；在電壓外環(huán)pi模塊中，輸出電壓uo為外環(huán)電壓pi控制器的輸入，其pi控制器的輸出為虛擬功率給定量p^*，該功率量是過功率協(xié)同控制模塊的輸入量；

步驟2：保證各并聯(lián)模塊傳輸功率給定值pi^*相等，有

p1^*＝p2^*＝……＝pi^*＝……＝pn^*＝p^*/n

其中，pi^*為模塊i傳輸功率給定值；任意并聯(lián)模塊#i可傳輸最大功率表達(dá)式為：

式中，p^*i,max為模塊#i最大可傳輸功率，uo為輸出電壓，uini為模塊#i輸入電壓，ni為模塊#i變壓器變比，li為模塊#i等效電感；

進(jìn)行過功率協(xié)同控制，具體為：

1)由式(1)計(jì)算可傳輸功率最大值，對各模塊可傳輸功率最大值排序，得到最大值排序表，由小到大依次記為p^*1,max、p^*2,max、……、p^*n,max；

2)比較p^*/n與排序表中各值，設(shè)p^*j,，max<p^*/n<p^*j+1,，max；

3)比較[p^*-(p^*1,，max+p^*2,，max……+p^*j,，max)]/(n-j)與p^*j+1,，max大小，若前者小于后者，則轉(zhuǎn)入步驟4)，否者轉(zhuǎn)入步驟5)；

4)排序后模塊#(j+1)至模塊#n功率賦值為[p^*-(p^*1,，max+p^*2,，max……+p^*j,，max)]/(n-j)；排序后模塊#1至模塊#j功率賦值分別為其最大功率值；

5)對j賦值為j＝j(luò)+1，繼續(xù)轉(zhuǎn)入步驟3)

步驟3：由過功率協(xié)同控制模塊得到各并聯(lián)模塊應(yīng)該傳輸功率量，該傳輸功率量進(jìn)入相移控制量計(jì)算模塊；

步驟4：在相移控制量計(jì)算模塊中，根據(jù)各模塊簡化后功率量表達(dá)式得到相移控制量計(jì)算公式

求得各模塊相移控制量di；

步驟5：根據(jù)求解得相移控制量di，采用單相移控制模式，通過調(diào)制模塊獲得開關(guān)控制信號，完成全橋隔離dc-dc變換器的控制。

一種多模塊全橋隔離dc-dc變換器功率平衡控制裝置，包括數(shù)據(jù)采集模塊、電壓外環(huán)pi模塊、過功率協(xié)同控制模塊、相移控制量計(jì)算模塊和調(diào)制模塊；

所述數(shù)據(jù)采集模塊分別連接到電壓外環(huán)pi模塊、過功率協(xié)同控制模塊和相移控制量計(jì)算模塊；所述電壓外環(huán)pi模塊還連接到過功率協(xié)同控制模塊；所述過功率協(xié)同控制模塊連接到相移控制量計(jì)算模塊；所述相移控制量計(jì)算模塊連接到調(diào)制模塊；

所述過功率協(xié)同控制模塊，用于對各并聯(lián)模塊最大傳輸功率對比分析，循環(huán)補(bǔ)償運(yùn)算，得到各并聯(lián)模塊傳輸功率給定值；

所述相移控制量計(jì)算模塊，用于對輸入電壓、輸出電壓以及過功率協(xié)同控制模塊輸出的虛擬功率給定值進(jìn)行簡化運(yùn)算，得到實(shí)時(shí)的相移控制量；

所述調(diào)制模塊，用于根據(jù)計(jì)算得到的相移控制量得到全橋隔離dc-dc變換器的開關(guān)器件脈沖控制信號。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：1)不需要大量復(fù)雜的運(yùn)算，有效地降低了控制系統(tǒng)的運(yùn)算成本。2)不需要負(fù)載電流傳感器，有效地降低了全橋隔離dc-dc變換器硬件設(shè)計(jì)成本。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中多模塊全橋隔離dc-dc變換器功率平衡控制裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明中多模塊并聯(lián)全橋隔離dc-dc變換器過功率協(xié)同控制的程序框圖。

圖3是在傳統(tǒng)無功率平衡控制方法下，模塊#1電壓突增時(shí)，兩模塊并聯(lián)系統(tǒng)功率圖。

圖4是在直接功率平衡控制方法下，模塊#1電壓突增時(shí)，兩模塊并聯(lián)系統(tǒng)功率圖。

圖5是在傳統(tǒng)無功率平衡控制方法下，模塊#1電壓突增時(shí)，兩模塊輸出電壓與電流圖。

圖6是在直接功率平衡控制方法下，模塊#1電壓突增時(shí)，兩模塊輸出電壓與電流圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

本發(fā)明控制方法包括：采集各模塊輸入電壓和輸出電壓，通過基于直接功率平衡控制方法得到相移控制量的大小，生成開關(guān)控制信號，完成輸出并聯(lián)全橋隔離dc-dc變換器的控制；本發(fā)明控制裝置包含：數(shù)據(jù)采集模塊01、電壓外環(huán)pi模塊02、過功率協(xié)同控制模塊03、相移控制量計(jì)算模塊04以及調(diào)制模塊05五個(gè)部分?？刂品椒ㄔ斒鋈缦拢?/p>

步驟1：通過數(shù)據(jù)采集模塊01獲得輸出電壓uo和并聯(lián)模塊#i(i＝1,2……n)輸入電壓uini。電壓外環(huán)pi模塊02中，輸出電壓uo為外環(huán)電壓pi控制器的輸入，其pi控制器的輸出為虛擬功率給定量p^*，該功率量是過功率協(xié)同控制計(jì)算模塊03的輸入量。

步驟2：為避免參數(shù)不匹配或者輸入電壓幅值不相等導(dǎo)致過流現(xiàn)象，應(yīng)保證各并聯(lián)模塊傳輸功率給定值pi^*相等，有

p1^*＝p2^*＝……＝pi^*＝……＝pn^*＝p^*/n

其中，pi^*為模塊i傳輸功率給定值。然而，該模塊功率量僅是各并聯(lián)模塊未過功率時(shí)的表達(dá)式，當(dāng)系統(tǒng)傳輸功率過大時(shí)，需要對各并聯(lián)dc-dc變換器模塊進(jìn)行過功率協(xié)同控制，即，將已達(dá)到滿功率模塊產(chǎn)生的功率溢出部分平均補(bǔ)償傳輸?shù)缴形催_(dá)到滿功率傳輸模塊中。

過功率協(xié)同控制計(jì)算模塊03具體實(shí)現(xiàn)過程為：

任意并聯(lián)模塊#i(i＝1,2……n)可傳輸最大功率表達(dá)式為：

其中，p^*i,max為模塊#i最大可傳輸功率，uo為輸出電壓，uini為模塊#i輸入電壓，ni為模塊#i變壓器變比，li為模塊#i等效電感。

過功率協(xié)同控制方法為：

1)對各模塊可傳輸功率最大值排序，得到最大值排序表，由小到大依次記為p^*1,max、p^*2,max、……、p^*n,max(可傳輸功率最大值可由式(1)得出)。

2)比較p^*/n與排序表中各值，設(shè)p^*j,，max<p^*/n<p^*j+1,，max

3)比較[p^*-(p^*1,，max+p^*2,，max……+p^*j,，max)]/(n-j)與p^*j+1,，max大小，若前者小于后者，則轉(zhuǎn)入step4；否者轉(zhuǎn)入step5

4)排序后模塊#(j+1)至模塊#n功率賦值為[p^*-(p^*1,，max+p^*2,，max……+p^*j,，max)]/(n-j)；排序后模塊#1至模塊#j功率賦值分別為其最大功率值。

5)對j賦值為j＝j(luò)+1，繼續(xù)轉(zhuǎn)入step3

步驟3：由過功率協(xié)同控制模塊03得到各并聯(lián)模塊應(yīng)該傳輸功率量，該傳輸功率量進(jìn)入相移控制量計(jì)算模塊04。相移控制量計(jì)算模塊04中，根據(jù)各模塊簡化后功率量表達(dá)式可得到相移控制量計(jì)算公式

進(jìn)而求得各模塊相移控制量di。

步驟4：根據(jù)求解得相移控制量di，采用單相移控制模式，通過調(diào)制模塊05獲得開關(guān)控制信號，從而完成全橋隔離dc-dc變換器的控制。

本發(fā)明的一種多模塊全橋隔離dc-dc變換器功率平衡控制裝置，包括數(shù)據(jù)采集模塊01、電壓外環(huán)pi模塊02、過功率協(xié)同控制模塊03、相移控制量計(jì)算模塊04和調(diào)制模塊05；

所述數(shù)據(jù)采集模塊01分別連接到電壓外環(huán)pi模塊02、過功率協(xié)同控制模塊03和相移控制量計(jì)算模塊04；所述電壓外環(huán)pi模塊02還連接到過功率協(xié)同控制模塊03；所述過功率協(xié)同控制模塊03連接到相移控制量計(jì)算模塊04；所述相移控制量計(jì)算模塊04連接到調(diào)制模塊05；

所述過功率協(xié)同控制模塊03，用于對各并聯(lián)模塊最大傳輸功率對比分析，循環(huán)補(bǔ)償運(yùn)算，得到各并聯(lián)模塊傳輸功率給定值；

所述相移控制量計(jì)算模塊04，用于對輸入電壓、輸出電壓以及過功率協(xié)同控制模塊03輸出的虛擬功率給定值進(jìn)行簡化運(yùn)算，得到實(shí)時(shí)的相移控制量；

所述調(diào)制模塊05，用于根據(jù)計(jì)算得到的相移控制量得到全橋隔離dc-dc變換器的開關(guān)器件脈沖控制信號。

如圖1所示，本發(fā)明控制裝置分為數(shù)據(jù)采集模塊01、電壓外環(huán)pi模塊02、過功率協(xié)同控制模塊03、相移控制量計(jì)算模塊04以及調(diào)制模塊05五個(gè)部分。

1)過功率協(xié)同控制模塊03

經(jīng)過過功率協(xié)同控制計(jì)算，獲得各并聯(lián)全橋隔離dc-dc變換器模塊功率給定量p^*的表達(dá)式。如圖2所示，首先對各模塊最大功率量進(jìn)行排序，接著初步判斷平均功率量p^*/n落在某個(gè)模塊最大功率區(qū)間段，設(shè)有p^*j,，max<p^*/n<p^*j+1,，max。然后基于該判斷，向后經(jīng)過一系列循環(huán)補(bǔ)償運(yùn)算判斷，得到排序后模塊應(yīng)該傳輸功率量給定值。

2)相移控制量計(jì)算模塊04

對輸入電壓、輸出電壓以及過功率協(xié)同控制模塊給出的模塊功率給定值進(jìn)行綜合運(yùn)算，得到實(shí)時(shí)的相移控制量。過功率協(xié)同控制模塊03給出了各模塊應(yīng)該傳輸功率給定值，再帶入輸出電壓各模塊輸入電壓，由式(2)可得出各模塊相移控制量大小。