一种基于三有源桥的变换器及其控制方法

1.本发明属于多端口dc-dc变换器拓扑与控制技术领域，具体属于一种基于三有源桥的变换器及其控制方法


背景技术：

2.在当前资源短缺问题与环境恶化问题突出的背景下，直流配电系统由于其能更好的获取与吸收可分布式电源而备受关注。其中，直流电源转换技术已成为业界研究的热点。由多个不同电压等级直流端口集成的多端口dc-dc变换器由于其更高的功率密度及更灵活的端口能量管理被广泛研究。其中研究最多的是三端口变换器。
3.三端口变换器根据是否存在电气隔离分为非隔离型、部分隔离型和全隔离型。隔离型三端口变压器可以通过设计变压器电压比扩大变换器端口电压调节范围。其中最典型的隔离性三端口变换器拓扑是全桥结构的三端口隔离双向dc-dc变换器(又称三有源桥变换器)。
4.三有源桥变换器通过控制三个端口电压的移相角来调节能量的流动方向和大小，最常用的控制是移相控制。但移相控制下的三有源桥变换器功率环流较大，严重影响效率。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于三有源桥的变换器及其控制方法，可实现mvdc(中压直流)侧到lvdc(低压直流)侧的能量传输，增加了控制量的同时提升控制灵活性，同时能够降低电流应力，减小运行过程中产生的损耗，保障拓扑内器件的可靠性，实现稳定的功率传输，减小功率传输过程中产生的回流功率，提升整体效率。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于三有源桥的变换器的控制方法，具体步骤如下，
7.s1调节一次侧输出电压与二次侧输出电压之间相位差相等；
8.s2调节一次侧输入端dab拓扑的内移相角d1和二次侧两个输出端dab拓扑中的外移相角d2的数值，用于实现功率的稳定传输。
9.进一步的，步骤s2中，所述一次侧输入端dab拓扑中，交错的两组开关的驱动信号间均存在内移相角d1，并且两个内移相角d1相等。
10.进一步的，步骤s2中，二次侧两个输出端dab拓扑中，两个输出侧分别与输入侧间存在外移相角d2，且两个外移相角d2相等。
11.进一步的，步骤s2中，通过在一次侧引入内移相角d1使一次侧产生三电平电压。
12.进一步的，步骤s2中，降低回流功率时，使外移相角d2为一定值，增加内移相角d1的数值。
13.本发明还提供一种基于三有源桥的变换器，应用上述控制方法控制，其中包括通过高频变压器连接的一次侧和二次侧，所述一次侧包括一个输入端，所述输入端为dab拓扑用于连接高压输入端；所述二次侧为双h桥结构，包括两个输出端，所述两个输出端结构均
为dab拓扑，所述两个输出端并联连接用于连接低压输出端。
14.进一步的，所述输入端的ac/dc全桥电路通过电感l1与高频变压器一次侧绕组的连接。
15.进一步的，所述两个输出端电路均连接有电阻。
16.进一步的，所述变换器中采用的开关器件均为igbt。
17.进一步的，所述高频变压器为高频隔离变压器。
18.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
19.本发明的一种基于三有源桥变换器的控制方法，相比于传统移相控制，在增加了控制量内移相角d1的同时控制更加灵活，可以通过调节内移相角d1和外移相角d2来改善回流功率较大以及电流应力较大的缺陷，降低电流应力，减小运行过程中产生的损耗，保障拓扑内器件的可靠性，实现稳定的功率传输；同时减小功率传输过程中产生的回流功率，提升整体效率。
20.本发明中三有源桥变换器输入端与输出端均为h桥结构；在本发明所提出的控制方案中，输入端口dab拓扑内存在内移相角d1，两个输出端口与输入端口间的外移相角d2相等，通过控制内移相角d1与外移相角d2，实现功率的稳定传输。同时采取不同的内移相角d1，外移相角d2组合，还能在相等传输功率情况下尽量降低回流功率，提升整体传输效率。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1是本发明实施例的三有源桥变换器拓扑的结构示意图；
23.图2是本发明实施例的一种基于三有源桥变换器的控制方法的波形示意图；
24.图3是本发明实施例中，一种基于三有源桥变换器的控制下三有源桥变换器的功率特性随内移相角d1和外移相角d2变化的示意图；
25.图4是本发明实施例中，一种基于三有源桥变换器的控制下三有源桥变换器的电流特性随内移相角d1和外移相角d2变化的示意图。
具体实施方式
26.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
27.为使本发明实施例的目的、技术效果及技术方案更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例。基于本发明公开的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，都应属于本发明保护的范围。
28.请参阅图1，本发明实施例的三有源桥变换器拓扑结构，包括一次侧和二次侧，一次侧包括一个输入端，输入端为dab拓扑用于连接高压输入端；二次侧为双h桥结构，包括两个输出端，两个输出端结构均为dab拓扑，两个输出端并联连接用于连接低压输出端，输入端和输出端由高频隔离变压器连接。
29.优选的，输入端的ac/dc全桥电路通过电感l1与高频隔离变压器一次侧绕组的连接。
30.优选的，两个输出端电路均连接有电阻。
31.优选的，三端口dc-dc变换器拓扑结构中采用的开关器件均为igbt(绝缘栅双极型晶体管)。
32.本发明的一种基于三有源桥变换器的控制方法，具体步骤如下：
33.1.一次侧dab拓扑中存在内移相角d1，即开关s1与s4的驱动信号间及开关s2与s3的驱动信号间均存在内移相角d1，且两个内移相角d1相等；
34.2.两个输出侧dab拓扑中不存在内移相角，两个输出侧与输入侧间存在外移相角d2，即开关s5与s1的驱动信号间及开关s9与s1的驱动信号间均存在外移相角d2，且两个外移相角d2相等。
35.3.调节一次侧输出电压与二次侧输出电压之间的相位差相等，保证两个输出端口无功率交换；
36.4.调节一次侧电压的内移相角d1和二次侧电压外移相角d2的值，用于调节传输需要的功率，实现电力传输。
37.本发明的进一步改进在于，还包括：相比常用的移相控制，通过在一次侧引入内移相角d1使一次侧产生三电平电压。
38.本发明的进一步改进在于，还包括：控制更加灵活，可以通过调节内移相角d1和外移相角d2改善回流功率较大以及电流应力较大的缺陷。
39.如图1所示，其中s
1-s4代表一次侧输入端口的开关；s
5-s8和s
9-s
12
分别代表二次侧两个输出端口的开关；
40.如图2所示，在本发明的一种基于三有源桥变换器的控制下三端口dc-dc变换器各波形示意如图。q1、q2、q3和q4分别代表一次侧开关s1、s2、s3和s4的驱动信号，q5(q8)代表二次侧开关s5、s8、s9和s
12
的驱动信号，q6(q7)代表二次侧开关s6、s7、s
10
和s
11
的驱动信号。v
h1
代表一次侧产生的三电平电压，v
h2
代表二次侧产生的方波，其中，第一低压侧与第二低压侧电压波形相同。i
l
代表流经一次侧电感l1的电流。p代表瞬时功率，其中阴影a的面积表示在一个周期中产生的回流功率，传输功率的大小与阴影b与阴影a面积之差有关。
41.本发明实施例中，在matlab中设置该系统仿真参数：输入电压400v，输出电压都为200v，该拓扑两条母线上的负载均为200ω，三绕组变压器变比为1：1：1。
42.本发明实施例的仿真实验中，采用本发明的一种基于三有源桥变换器的控制方法。
43.仿真结果如图3和图4所示。图3为本发明的一种基于三有源桥变换器的控制下dab的功率特性随内移相角d1和外移相角d2变化的示意图。图4为本发明的一种基于三有源桥变换器的控制下dab的电流特性随内移相角d1和外移相角d2变化的示意图。根据对图3与图4的分析可知，当外移相角d2一定时，随着内移相角d1的增加，瞬态功率的负部分显著减小，这意味着回流功率降低，传输效率提升。同时，电流应力的峰值也逐渐减小，开关管承受电流应力变小，拓扑内器件使用更可靠。
44.根据该控制的特性，将会有许多控制方式产生，如为了降低电流应力而采取的控制、为了降低回流功率而采取的控制以及各种混合调节方式，具体哪种控制方式须与研究
目的相结合进行选择。
45.综上所述，本发明实施例的一种基于三有源桥变换器的控制方法，通过在一次侧引入内移相角使一次侧产生三电平波形，降低回流功率，同时为了保证两个输出端口没有功率的交换，使两个输出端口与输入端口的外移相角d2保持相等。通过控制两个可变的移相角d1和外移相角d2，实现功率稳定传输，同时可以在传输功率一定时，通过调节内移相角d1和外移相角d2不同的值，使得回流功率与电流应力尽量减小，以提升效率。
46.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于三有源桥的变换器的控制方法，其特征在于，具体步骤如下，s1调节一次侧输出电压与二次侧输出电压之间相位差相等；s2调节一次侧输入端dab拓扑的内移相角d1和二次侧两个输出端dab拓扑中的外移相角d2的数值，用于实现功率的稳定传输。2.根据权利要求1所述的一种基于三有源桥的变换器的控制方法，其特征在于，步骤s2中，所述一次侧输入端dab拓扑中，交错的两组开关的驱动信号间均存在内移相角d1，并且两个内移相角d1相等。3.根据权利要求1所述的一种基于三有源桥的变换器的控制方法，其特征在于，步骤s2中，二次侧两个输出端dab拓扑中，两个输出侧分别与输入侧间存在外移相角d2，且两个外移相角d2相等。4.根据权利要求1所述的一种基于三有源桥的变换器的控制方法，其特征在于，步骤s2中，通过在一次侧引入内移相角d1使一次侧产生三电平电压。5.根据权利要求1所述的一种基于三有源桥的变换器的控制方法，其特征在于，步骤s2中，降低回流功率时，使外移相角d2为一定值，增加内移相角d1的数值。6.一种基于三有源桥的变换器，其特征在于，应用权利要求1-5中任一项所述的控制方法控制，其中包括通过高频变压器连接的一次侧和二次侧，所述一次侧包括一个输入端，所述输入端为dab拓扑用于连接高压输入端；所述二次侧为双h桥结构，包括两个输出端，所述两个输出端结构均为dab拓扑，所述两个输出端并联连接用于连接低压输出端。7.根据权利要求6所述的一种基于三有源桥的变换器，其特征在于，所述输入端的ac/dc全桥电路通过电感l1与高频变压器一次侧绕组的连接。8.根据权利要求6所述的一种基于三有源桥的变换器，其特征在于，所述两个输出端电路均连接有电阻。9.根据权利要求6所述的一种基于三有源桥的变换器，其特征在于，所述变换器中采用的开关器件均为igbt。10.根据权利要求6所述的一种基于三有源桥的变换器，其特征在于，所述高频变压器为高频隔离变压器。

技术总结
本发明公开一种基于三有源桥的变换器及其控制方法，具体如下，调节一次侧输出电压与二次侧输出电压之间相位差相等；调节一次侧输入端DAB拓扑的内移相角D1和二次侧两个输出端DAB拓扑中的外移相角D2的数值，用于实现功率的稳定传输。本发明在增加了控制量D1的同时控制更加灵活，可以通过调节内移相角D1和外移相角D2来改善回流功率较大以及电流应力较大的缺陷，降低电流应力，减小运行过程中产生的损耗，保障拓扑内器件的可靠性，实现稳定的功率传输；同时减小功率传输过程中产生的回流功率，提升整体效率。提升整体效率。提升整体效率。


技术研发人员：封磊 许崇福 娄彦涛 王丰 崔新雨 许睿新 李怡初 郑执 田嘉琛
受保护的技术使用者：中国西电电气股份有限公司 西安交通大学
技术研发日：2021.12.06
技术公布日：2022/3/8