西南交通大學(xué)侯聶,宋文勝等:雙向全橋DC-DC變換器的負載電流前饋控制方法

雙向全橋DC-DC變換器的負載電流前饋控制方法

侯聶,宋文勝,,武明義

DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.2016.09.021

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項目背景
  隨著電力電子器件的發(fā)展以及智能電網(wǎng)和電力電子變壓器機車等系統(tǒng)發(fā)展的需要,,用新一代高功率隔離的變換系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)工頻變壓器成為了發(fā)展的熱點,。其中,,雙向全橋DC-DC變換器因具有電氣隔離、功率密度高,、傳輸能量高,、能量能雙向流動及模塊級聯(lián)容易等優(yōu)點,將被作為新一代隔離變換系統(tǒng)的核心電路,。在隔離變換系統(tǒng)中,,變換器需要優(yōu)良的動態(tài)響應(yīng)性能,因此提升變換器動態(tài)響應(yīng)速度,,尤其是在負載發(fā)生變化的情況,,是雙向全橋DC-DC變換器特性研究的一個關(guān)鍵點,。本文正是基于上述問題,,探討變換器在負載突變情況下的動態(tài)優(yōu)化控制?! ?/section>
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論文所解決的問題及意義
  為提高雙向全橋DC-DC變換器在負載突變情況下變換器的動態(tài)控制性能,,本文基于變換器功率守恒原則提出一種適合于雙向全橋DC-DC變換器的負載電流前饋控制方法。該電流前饋控制方法對變換器電感參數(shù)無依賴性,,提高了控制的兼容性和可移植性,,且能顯著地提高變換器在負載發(fā)生突變情況下的動態(tài)響應(yīng)性能?! ?/section>
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論文重點內(nèi)容
  論文基于傳統(tǒng)單相移控制方法,,提出了一種針對雙向全橋DC-DC變換器的負載電流前饋控制方法。傳統(tǒng)單相移控制方法是雙向全橋DC-DC變換器典型應(yīng)用的方法,,如圖1所示,。

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圖1 ?傳統(tǒng)移控制方法示意圖

該負載電流前饋控制方法結(jié)構(gòu)如圖2所示,,在每個開關(guān)周期的起始時刻,,控制系統(tǒng)同時采集輸出電壓Uo??和負載電流io?,輸出電壓給定值U*o?與其實際值Uo??的差值經(jīng)過PI控制器得到虛擬輸出電壓給定值U*p?,,考慮到U*p?與輸出電壓Uo?的正相關(guān)性,,可視之為虛擬輸出電壓給定值來保證輸出電壓的穩(wěn)定,。然后,根據(jù)輸出電壓給定值U*o?,、虛擬輸出電壓給定值U*p?,、輸出電壓Uo?以及負載電流io?得到相移控制量D,其控制模型如式(1)所示,。

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圖2 ?DAB DC-DC變換器負載電流前饋控制結(jié)構(gòu)示意圖

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為了驗證該電流前饋控制方法對變換器電感參數(shù)的無依賴性,,搭建硬件在環(huán)半實物實驗平臺,,設(shè)置負載每間隔0.1s突變一次,電阻由15Ω突變到20Ω,,再由20Ω突變到15Ω,,這樣循環(huán)切換負載。圖3(a),、(b)分別給出了電感為1.5 mH和1.75 mH時,,在電流前饋控制方法下,輸出電壓Uo?,、負載電流io?和電感電流iL的實驗波形圖,。

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圖3 ?不同電感參數(shù)下負載突變Uo?,、io??和iL?的實驗波形

為進一步驗證在負載變化時,,采用本文提出的負載電流前饋控制方法能提高雙向全橋DC-DC變換器的動態(tài)響應(yīng)性能,搭建基于TMS320F28335控制器的實物實驗平臺,,其實物照片如圖4所示,。

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圖4全橋隔離DC/DC變換器實物實驗平臺

基于圖4所示實驗平臺進行實驗,,圖5(a),、 (b)分別給出負載突增(負載電阻由20Ω變換到15Ω),負載突減(負載電阻由15Ω變換到20Ω)的實驗波形,。

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圖5 負載突變時輸出電壓、電感電流和負載電流實驗波形

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結(jié)論
  本文提出的電流前饋控制方法能夠顯著提高變換器對負載突變的動態(tài)響應(yīng)性能,,在輸出電流突變時,,輸出電壓基本保持穩(wěn)定;本文提出的電流前饋控制方法實現(xiàn)了對電感參數(shù)無依賴性,,控制系統(tǒng)無需準確的電感參數(shù),,這也提高了控制系統(tǒng)的兼容性和可移植性。 
引文信息

侯聶,,宋文勝,,武明義. 雙向全橋DC-DC變換器的負載電流前饋控制方法[J]. 中國電機工程學(xué)報,2016,,36(9): 2478-2485.

Hou Nie, Song Wensheng, Wu Mingyi. A load current feedforward control scheme of dual active bridge DC/DC converters[J]. Proceedings of the CSEE, 2016,36(9): 2478-2485(in Chinese).

團隊介紹

  西南交通大學(xué)列車控制與牽引傳動研究室建立于2000年,,以國家重點(培育)學(xué)科“電力電子與電力傳動”為依托,以軌道交通行業(yè)為背景,,重點開展“電力電子與電力傳動”,、“軌道交通自動化與電氣化”博士點方向的教學(xué)和科研工作。主要研究方向為電力牽引傳動控制,、列車運行優(yōu)化控制與仿真技術(shù),。自2000年以來,研究室針對列車牽引傳動與運行控制方面的關(guān)鍵技術(shù),,對列車牽引傳動控制與調(diào)制,、牽引傳動系統(tǒng)半實物建模與實時仿真、列車輔助駕駛與優(yōu)化操縱控制等進行深入研究,。近年來,,先后主持國家自然科學(xué)基金項目4項、國家科技支撐計劃項目子課題5項,,鐵道部重點項目以及企業(yè)技術(shù)開發(fā)項目30余項,,發(fā)表論文150余篇,其中SCI/EI檢索80余篇,;先后出版國家“十一五”規(guī)劃教材《電力牽引交流傳動及其控制系統(tǒng)》和學(xué)術(shù)專著《電力牽引交流傳動控制與調(diào)制技術(shù)》,,申請專利受理20余項,已獲取專利授權(quán)4項,,軟件著作權(quán)3項,,已培養(yǎng)畢業(yè)博士10人,,碩士80余人,。

西南交通大學(xué)侯聶,宋文勝等:雙向全橋DC-DC變換器的負載電流前饋控制方法

侯聶(1990),,男,,碩士研究生,從事電力電子變換器的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)優(yōu)化控制方面研究及其應(yīng)用,。

  宋文勝(1985),,男,工學(xué)博士,,講師,,碩士生導(dǎo)師,西南交通大學(xué)首屆“雛鷹學(xué)者”計劃入選者,。分別于2006,、2011年獲得西南交通大學(xué)電子信息工程專業(yè)學(xué)士學(xué)位,、電力電子與電力傳動專業(yè)博士學(xué)位。先后于2009,、2015年在美國加州大學(xué)歐文分校,、加拿大阿爾伯塔大學(xué)訪問學(xué)習(xí)。近年來,,主持國家自然科學(xué)(面上)基金1項,、國家自然科學(xué)(青年)基金1項、企業(yè)技術(shù)開發(fā)項目3項,;主研國家自然科學(xué)(面上)基金1項,、主研完成國家科技支撐計劃子課題3項,企業(yè)合作技術(shù)開發(fā)項目3項,。在《IEEE Trans. Power Electronics》,、《IEEE Trans. Industrial Electronics》、《IET Power Electronics》,、《中國電機工程學(xué)報》等國內(nèi)外期刊發(fā)表EI期刊論文50余篇,,其中SCI收錄10篇。申請發(fā)明專利10余項,。曾獲“2015年度《中國電機工程學(xué)報》優(yōu)秀作者”,、“2015年度《Journal of Modern Power Systems and Clean Energy》期刊優(yōu)秀審稿人”。

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