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        基于多線圈變壓器的DC-DC變換器閉環(huán)控制策略

        2017-04-21 05:49:20梁永謝寶昌蔡旭
        電氣自動(dòng)化 2017年2期
        關(guān)鍵詞:閉環(huán)控制級(jí)聯(lián)穩(wěn)態(tài)

        梁永,謝寶昌,蔡旭

        (電子信息與電氣工程學(xué)院風(fēng)力發(fā)電研究中心,上海交通大學(xué),上海 200240)

        基于多線圈變壓器的DC-DC變換器閉環(huán)控制策略

        梁永,謝寶昌,蔡旭

        (電子信息與電氣工程學(xué)院風(fēng)力發(fā)電研究中心,上海交通大學(xué),上海 200240)

        級(jí)聯(lián)式DC-DC變換器因具備高耐壓能力的優(yōu)勢(shì),被廣泛應(yīng)用于高壓直流輸電。在級(jí)聯(lián)式變換器中,將多個(gè)模塊中的獨(dú)立變壓器整合為一個(gè)共享磁芯回路的多線圈變壓器,可自動(dòng)均衡模塊電容電壓,降低系統(tǒng)復(fù)雜程度。針對(duì)基于多線圈的級(jí)聯(lián)式DC-DC變換器提出了一種閉環(huán)控制策略,為設(shè)計(jì)移相閉環(huán)控制器,采用周期平均法及小信號(hào)動(dòng)態(tài)分析法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模,引入校正環(huán)節(jié)改善了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)性能,實(shí)現(xiàn)了級(jí)聯(lián)式DC-DC變換器輸出電壓的穩(wěn)定控制。最后,在Matlab/Simulink環(huán)境中搭建了系統(tǒng)仿真模型,驗(yàn)證了所提級(jí)聯(lián)式DC-DC變換器閉環(huán)控制方法的可行性。

        雙向直流變換;多線圈變壓器;周期平均法;小信號(hào)模型;PI控制器

        0 引 言

        高壓直流輸電是清潔能源應(yīng)用和國(guó)際可再生能源互通發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。相比于高壓交流輸電,高壓直流輸電具備電纜損耗更低的優(yōu)勢(shì),廣泛應(yīng)用于海上風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)[1-2]。然而,高壓直流輸電系統(tǒng)對(duì)開關(guān)器件耐壓能力要求較高,單個(gè)橋式變換電路難以滿足電壓等級(jí)要求,因此高壓直流變電環(huán)節(jié)多采用級(jí)聯(lián)式DC-DC變換器。

        雙向DC-DC變換器根據(jù)電路結(jié)構(gòu)不同可分為隔離式和非隔離式,隔離式變換器能有效地改善電能質(zhì)量,在輸配電系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。隔離式變換器的體積和重量主要取決于核心變壓器,由于工作于中高頻率可以降低變壓器的體積和重量,尤其在需要能量雙向流動(dòng)的場(chǎng)合,中高頻隔離式雙向DC-DC變換器可以大幅度降低制造和運(yùn)輸成本[3],因而具有很高的研究?jī)r(jià)值。

        隔離式中高功率DC-DC變換器的關(guān)鍵技術(shù)主要包括:橋式電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制方法以及隔離變壓器的設(shè)計(jì)。DC-DC變換器采用移相調(diào)制方法時(shí),通過調(diào)節(jié)變壓器原、副邊的方波移相角,可以定量調(diào)節(jié)功率雙向流動(dòng)。DC-DC變換器的控制策略的研究主要集中在減小損耗及功率回流控制[4-5]和均衡模塊電壓控制[6-7]。但均衡模塊電壓的控制環(huán)節(jié)增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度和成本,阻礙了DC-DC變換器的廣泛應(yīng)用。而當(dāng)變壓器采取多線圈設(shè)計(jì)方法時(shí),模塊電容電壓可自動(dòng)均衡,這減小了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度[8-9]。與傳統(tǒng)工頻變壓器設(shè)計(jì)方法不同,大功率中高頻變壓器的參數(shù)設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在磁芯的選材與幾何參數(shù)的確定[10],分析計(jì)算變壓器模型時(shí)要重點(diǎn)考慮變壓器在交流工況下的功率損耗[11]。

        本文針對(duì)基于多線圈變壓器的級(jí)聯(lián)式DC-DC變換器提出一種閉環(huán)控制方法。該變換器采用多線圈中頻變壓器,能有效地實(shí)現(xiàn)各模塊電容電壓的自動(dòng)均衡;單元模塊兩端采用半橋電路,降低了開關(guān)器件的數(shù)量,有效減小了系統(tǒng)的開關(guān)損耗。在采用周期平均法與小信號(hào)動(dòng)態(tài)分析方法建模的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了移相閉環(huán)控制器,實(shí)現(xiàn)輸出電壓值的穩(wěn)定控制。最后,在MATLAB/Simulink環(huán)境中搭建了該級(jí)聯(lián)式變換器系統(tǒng)的仿真模型,驗(yàn)證了所提級(jí)聯(lián)式DC-DC變換器及其閉環(huán)控制方法的可行性。

        1 變換器工作原理

        本文研究的DC-DC變換器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,原端k個(gè)模塊,副端l個(gè)模塊。該系統(tǒng)用多線圈變壓器替代多個(gè)模塊中的獨(dú)立變壓器,能有效抑制直流電容充電電流和直流電源的電流紋波,自動(dòng)實(shí)現(xiàn)各模塊電容電壓均衡。

        圖1 基于多線圈變壓器的 DC-DC變換器

        多線圈變壓器高低壓繞組分別由多個(gè)線圈組成,這些線圈共享同一個(gè)磁芯回路。多線圈變壓器的同側(cè)各線圈實(shí)際為串聯(lián)結(jié)構(gòu),其電氣參數(shù)計(jì)算方法原理與高低壓繞組圈變壓器一致,在計(jì)算漏感及損耗時(shí)要考慮多線圈結(jié)構(gòu)帶來(lái)的影響。

        基于多線圈變壓器的級(jí)聯(lián)式變換器控制電路由多個(gè)半橋控制單元串聯(lián)組成,每個(gè)半橋控制單元單獨(dú)與變壓器線圈連接。為了更直觀的分析半橋控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工作原理,下面分別取原端和副端的第一個(gè)單元進(jìn)行分析。

        圖2 DC-DC變換器 原副端單元結(jié)構(gòu)

        圖2所示為雙向半橋變換器原副端單元結(jié)構(gòu),電容C11、C12和電容C21、C22是支撐電容,分別對(duì)輸入電壓U1/k和輸出電壓U2/l分壓,電感L為變壓器漏感與串聯(lián)電感之和,參數(shù)設(shè)計(jì)階段可選取電容值使電容電壓波動(dòng)范圍最小化。

        當(dāng)輸入端的奇數(shù)序號(hào)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí),橋路電壓ua為正;偶數(shù)序號(hào)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí),橋路電壓ua為負(fù),絕對(duì)值近似為U1/k的一半。同理,輸出側(cè)在開關(guān)管輪流導(dǎo)通時(shí)呈現(xiàn)相同的規(guī)律,橋路電壓ub折算到一次側(cè)與輸入端橋路電壓ua形成的電壓差加在電感L上,使電感電流周期性變化。采用移相調(diào)制方法,定義移相比D為開關(guān)管Q11、Q12與開關(guān)管Q21、Q22的導(dǎo)通時(shí)間差與半個(gè)周期Ths的比值,電感電流在電壓的作用下周期變化,如圖3所示。

        圖3 移相調(diào)制工作原理

        由圖3可知,電感電流分段線性,經(jīng)分析四個(gè)階段里電感電流表達(dá)式分別如下:

        (1)

        (2)

        (3)

        (4)

        2 變換器小信號(hào)動(dòng)態(tài)建模

        實(shí)際運(yùn)用階段,可根據(jù)待變換的電壓等級(jí)以及變換單元可接入的電壓范圍設(shè)計(jì)變換器單元個(gè)數(shù),本文研究?jī)山M變換單元串聯(lián)系統(tǒng)的建模及控制方法,即k=l=2。將兩組變換器單元串聯(lián)并連接到多線圈變壓器得到級(jí)聯(lián)式DC-DC變換器,假設(shè)負(fù)載為純電阻,功率正向流動(dòng)。圖4和圖5分別為輸出側(cè)偶數(shù)、奇數(shù)序號(hào)開關(guān)管開通時(shí)的節(jié)點(diǎn)電流關(guān)系圖,對(duì)電路進(jìn)行分析,當(dāng)負(fù)載端偶數(shù)序號(hào)開關(guān)管開通時(shí),奇數(shù)序號(hào)開關(guān)管及其反并聯(lián)二極管等效為斷路,流過奇數(shù)序號(hào)電容電流即為負(fù)載電流,而當(dāng)奇數(shù)序號(hào)開關(guān)管開通時(shí),流過偶數(shù)電容電流為負(fù)載電流,在這兩種狀態(tài)下對(duì)電路列寫節(jié)點(diǎn)電流方程如下:

        (5)

        (6)

        當(dāng)iL1=iL2=iL,引入電容電流與變換器輸出電壓的關(guān)系式:

        (7)

        綜合式(5)、(6)、(7)可得級(jí)聯(lián)式變換器輸出電壓的狀態(tài)方程如下:

        (8)

        若C21=C22,等效電容Ceq=1/(1/C21+ 1/C22)=C21/2,負(fù)載電流iR=u2/R,即:

        (9)

        采用周期平均法,用代數(shù)式的周期平均值表示電壓u2微分值如下:

        (10)

        根據(jù)第1節(jié)的分析,將式(1)-(4)電感電流iL(t)的表達(dá)式代入式(11)得:

        (11)

        圖4 開關(guān)Q21、Q23關(guān)斷;Q22、Q24開通節(jié)點(diǎn)電流

        圖5 開關(guān)Q21、Q23開通;Q22、Q24關(guān)斷節(jié)點(diǎn)電流

        小信號(hào)模型以穩(wěn)態(tài)點(diǎn)處的擾動(dòng)與由此引起的輸出量的變化的關(guān)系為基礎(chǔ),在進(jìn)行小信號(hào)模型的仿真時(shí),系統(tǒng)應(yīng)已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),然后根據(jù)各變化量與輸出變化量之間的傳遞函數(shù)來(lái)進(jìn)行擾動(dòng)及穩(wěn)定性分析。假設(shè)輸入電壓不變,引入輸出電壓和移相比的小信號(hào)交流量:

        (12)

        將(12)代入方程(11)得穩(wěn)態(tài)輸出電壓與移相比的關(guān)系式及輸出電壓交流量的狀態(tài)方程式如下:

        (13)

        (14)

        因此,輸出電壓與移相比的傳遞函數(shù)為:

        (15)

        同時(shí),這也是級(jí)聯(lián)式DC-DC變換器模型原有部分的傳遞函數(shù),表示開環(huán)系統(tǒng)的屬性。

        3 系統(tǒng)校正及運(yùn)行分析

        直流變換器在具體投入應(yīng)用時(shí),良好的電壓穩(wěn)定能力是必不可少的。為實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)控制,同時(shí)引入校正環(huán)節(jié),改善控制系統(tǒng)的性能。

        下面通過模型仿真給出控制器的設(shè)計(jì)方法,表1是級(jí)聯(lián)式DC-DC變換器模型的電路參數(shù)。

        表1 級(jí)聯(lián)式DC-DC變換器模型電路參數(shù)

        根據(jù)式(13)中穩(wěn)態(tài)電壓與移相比的關(guān)系式可知當(dāng)移相比為0.5時(shí),該變換器可輸出的最大電壓為3 750 V,由實(shí)際輸出電壓計(jì)算得穩(wěn)態(tài)工作的移相比D1=0.158 4或D2=0.841 6,當(dāng)移相比0

        加入校正環(huán)節(jié)前的開環(huán)傳遞函數(shù)為:

        (16)

        校正環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)可以采用時(shí)域法和頻域法,在頻域法中最有影響力的方法是波特圖法,下面采用波特圖法設(shè)計(jì)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。通過第2節(jié)的分析可知,輸出電壓與移相比的傳遞函數(shù)為一階慣性環(huán)節(jié),在系統(tǒng)中引入PI控制器可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)性能的改善。一般的,PI控制器的傳遞函數(shù)可表示為式(17),其中KP和KI分別為比例系數(shù)和積分系數(shù)。

        (17)

        引入PI控制器后,回路增益函數(shù)的幅頻曲線如圖6所示,增益交接頻率處的斜率為-20 dB/dec,相角裕度為90度,滿足穩(wěn)定性要求。

        圖6 加入校正環(huán)節(jié)前后的波特圖

        系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后,電感兩端的電壓電流波形如圖7所示,從圖中可以看出,電感兩端電壓基本對(duì)稱,電容電壓的波動(dòng)對(duì)電感電壓的影響可忽略不計(jì)。

        圖7 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)下電感電壓及電流波形

        圖8 加入擾動(dòng)后閉環(huán)與開環(huán)系統(tǒng)的輸出電壓波形

        圖8所示為在t=1 s時(shí)加入0.5% 擾動(dòng)后的開環(huán)閉環(huán)系統(tǒng)輸出電壓波形對(duì)比效果圖,可見在加入閉環(huán)控制及校正環(huán)節(jié)后,輸出電壓在電路出現(xiàn)擾動(dòng)后,電壓值僅呈現(xiàn)微小的變化,基本保持穩(wěn)定,因而,針對(duì)基于多線圈變壓器的級(jí)聯(lián)式DC-DC變換器,所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)壓能力。

        4 結(jié)束語(yǔ)

        本文提出了一種基于多線圈變壓器的級(jí)聯(lián)式DC-DC變換器輸出電壓的控制方法。該級(jí)聯(lián)式DC-DC變換器采用多線圈中頻變壓器,將變換器單元串聯(lián)提高了系統(tǒng)變壓等級(jí),通過改變移相角調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。應(yīng)用周期平均法及小信號(hào)動(dòng)態(tài)分析方法對(duì)級(jí)聯(lián)式DC-DC變換器建模,為實(shí)現(xiàn)輸出電壓穩(wěn)定采取閉環(huán)控制方法,引入校正環(huán)節(jié)以改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)性能。在

        MATLAB/Simulink環(huán)境中搭建了系統(tǒng)的仿真模型,仿真結(jié)果表明,穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)在加入擾動(dòng)的情況下,輸出電壓保持恒定,驗(yàn)證了本文所提控制策略的可行性及環(huán)路設(shè)計(jì)的正確性。

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        A Closed Loop Control Strategy for the DC/DC Converter Based on the Multi-coil Transformer

        Liang Yong, Xie Baochang, Cai Xu

        (Wind Power Research Center, College of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiao tong University, Shanghai 200240, China)

        Cascaded DC-DC converters are widely applied in HVDC power transmission because of their strong voltage endurance capability. In the cascaded converter, independent transformers in several modules are integrated into a multi-coil transformer sharing the loop of the magnetic core, so that the capacitor voltages of the modules can be equalized automatically and the system is made less complex. With respect to multi-coil-based cascaded DC-DC converters, this paper presents a closed-loop control strategy. In order to design a phase shift closed loop controller, we use the periodic average method and small-signal dynamic analysis method to establish a model for the system. Furthermore, a correction link is introduced to improve steady-state and transient performance of the system, and steady control of the output voltage of the cascaded DC-DC converter is achieved. Finally, a system simulation model is built in Matlab / Simulink environment, and the feasibility of the proposed closed-loop control method for the cascaded DC-DC converter is verified.

        bi-directional direct current transfer;multi-coil transformer; periodic average method; small-signal model;PI controller

        10.3969/j.issn.1000-3886.2017.02.002

        TM432

        A

        1000-3886(2017)02-0005-04

        梁永(1991-),男,江蘇人,碩士生,上海交通大學(xué)電氣工程系,主要從事電機(jī)與電器研究。

        定稿日期: 2016-12-21

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