三电平双有源桥变换器移相变频控制方法、控制器及系统

本发明属于变换器控制，更具体地，涉及三电平双有源桥变换器移相变频控制方法、控制器及系统。

背景技术：

1、三电平双有源桥(dual-active-bridge，dab)变换器由两个三电平有源全桥电路经移相电感和高频变压器相连接组成，具有电压应力低、双向电能传输、电气隔离、电压匹配、控制灵活等优点，其作为中压能量互联的关键部件在智能配电网、船舶综合电力系统、分布式发电系统等场合都得到了广泛的应用。

2、三电平dab变换器存在电磁干扰(electromagnetic interference，emi)这一固有问题，变换器中功率器件的持续开关动作会发射emi噪声，严重影响电子信息和电力系统的安全稳定运行，并且会产生较大的开关损耗，影响变换器的传输效率。在常规情况下，变换器运行在固定开关频率，会在固定开关频率及其倍数次频率处产生明显的emi噪声尖峰，为解决该问题，现有方法常通过加入额外的无源emi滤波器对emi噪声进行抑制，但这大大增加了三电平dab变换器系统的成本、体积和重量。

3、因此在不额外增加硬件的基础上经济有效的抑制emi对三电平dab变换器成本、功率密度及安全可靠性有着重要意义。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了三电平双有源桥变换器移相变频控制方法、控制器及系统，其目的在于，在不额外增加硬件的情况下，基于实时控制开关频率变化及移相占空比同步匹配的方法，有效抑制emi噪声峰值，并解决开关频率变化时传输功率的波动问题。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种三电平双有源桥变换器移相变频控制方法，包括：

3、步骤s1：根据当前开关周期内三电平双有源桥变换器的传输功率指令值pref、输出电压指令值vref和输入电压采样值v获取等效负载阻抗zeq和电压变比m；

4、步骤s2：根据等效负载阻抗zeq和电压变比m，以及移相电感值l、固定开关频率值fc计算当前开关周期内随时间变化的开关频率更新值fs，使得在同时满足原、副边软开关边界条件的情况下，实际的开关频率平均值低于固定开关频率值fc；

5、步骤s3：根据功率传输时原、副边功率间的关系推导用于描述三电平双有源桥变换器的内移相占空比dps1、外移相占空比dps2以及开频率更新值fs间关系的耦合关系式，并在原、副边软开关边界条件的约束下求解耦合关系式，得到当前开关周期内三电平双有源桥变换器的内移相占空比dps1和外移相占空比dps2；

6、步骤s4：基于当前开关周期内的开关频率变化值fs、内移相占空比dps1和外移相占空比dps2生成各开关器件的驱动信号并作用于各开关器件，实现对三电平双有源桥变换器的移相变频控制。

7、进一步地，步骤s2中，当前开关周期内随时间变化的开关频率更新值fs的表达式如下：

8、

9、其中，fp为给定的开关频率变化的频率，t为当前开关周期内的时间；fu、fl分别表示开关频率变化范围的上限频率和下限频率，并且，fs∈[fl,fu]时，同时满足原、副边的软开关边界条件。

10、进一步地，开关频率变化范围的上限频率fu的表达式为：

11、

12、并且，开关频率变化范围的下限频率fl满足：20fp≤fl≤0.5fu；

13、其中，n表示三电平双有源桥变换器中隔离变压器的变比。

14、进一步地，进行正向功率传输时，步骤s3中，耦合关系式如下：

15、

16、并且，步骤s3求解得到的内移相占空比dps1和外移相占空比dps2的表达式如下：

17、若δ＝(3m2+2m+1)(1-4kfs)-2大于等于0，则：

18、

19、若δ＝(3m2+2m+1)(1-4kfs)-2小于0，则：

20、

21、按照本发明的又一个方面，提供了一种三电平双有源桥变换器移相变频控制器，包括：

22、前置处理模块，用于根据当前开关周期内三电平双有源桥变换器的传输功率指令值pref、输出电压指令值vref和输入电压采样值v获取等效负载阻抗zeq和电压变比m；

23、开关频率更新模块，用于根据等效负载阻抗zeq和电压变比m，以及移相电感值l、固定开关频率值fc计算当前开关周期内随时间变化的开关频率更新值fs，使得在同时满足原、副边软开关边界条件的情况下，实际的开关频率平均值低于固定开关频率值fc；

24、移相占空比计算模块，用于根据功率传输时原、副边功率间的关系推导用于描述三电平双有源桥变换器的内移相占空比dps1、外移相占空比dps2以及开频率更新值fs间关系的耦合关系式，并在原、副边软开关边界条件的约束下求解耦合关系式，得到当前开关周期内三电平双有源桥变换器的内移相占空比dps1和外移相占空比dps2；

25、以及驱动信号发波模块，用于基于当前开关周期内的开关频率变化值fs、内移相占空比dps1和外移相占空比dps2生成各开关器件的驱动信号并作用于各开关器件，实现对三电平双有源桥变换器的移相变频控制。

26、进一步地，当前开关周期内随时间变化的开关频率更新值fs的表达式如下：

27、

28、其中，fp为给定的开关频率变化的频率，t为当前开关周期内的时间；fu、fl分别表示开关频率变化范围的上限频率和下限频率，并且，fs∈[fl,fu]时，同时满足原、副边的软开关边界条件。

29、进一步地，开关频率变化范围的上限频率fu的表达式为：

30、

31、并且，开关频率变化范围的下限频率fl满足：20fp≤fl≤0.5fu；

32、其中，n表示三电平双有源桥变换器中隔离变压器的变比。

33、进一步地，进行正向功率传输时，耦合关系式如下：

34、

35、并且，移相占空比计算模块求解得到的内移相占空比dps1和外移相占空比dps2的表达式如下：

36、若δ＝(3m2+2m+1)(1-4kfs)-2大于等于0，则：

37、

38、若δ＝(3m2+2m+1)(1-4kfs)-2小于0，则：

39、

40、按照本发明的又一个方面，提供了一种三电平双有源桥变换器系统，包括：三电平双有源桥变换器，以及本发明提供的上述三电平双有源桥变换器移相变频控制器。

41、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

42、本发明根据传输功率指令值pref、输出电压指令值vref和输入电压采样值v获取等效负载阻抗zeq和电压变比m后，结合移相电感值l、固定开关频率值fc计算当前开关周期内随时间变化的开关频率更新值fs，本发明所确定的开关频率更新值fs在当前周期内随时间实时变化的同时，满足原、副边软开关边界条件，保证了移相控制的有效性，由于开关频率更新值fs实时变化，能够使得emi噪声不再集中在固定的频率处，具备更宽的频谱分布特性，能有效降低emi噪声峰值，同时，由于实际的开关频率平均值低于原有的固定开关频率，因此，能有效降低三电平双有源桥变换器的开关损耗。此外，本发明在运行过程中实时控制移相占空比匹配开关频率变化，能有效抑制开关频率变化时输出电压波动和输出功率波动。

43、总的来说，本发明基于实时控制开关频率变化及移相占空比同步匹配的方法，能够在不额外增加硬件的情况下，有效抑制emi噪声峰值，并降低三电平双有源桥变换器的开关损耗，同时效抑制开关频率变化时输出电压波动和输出功率波动。