一种应用于CLLC直流变压器参数设计方法及系统与流程

一种应用于cllc直流变压器参数设计方法及系统
技术领域
1.本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种应用于cllc直流变压器参数设计方法及系统。


背景技术：

2.在高压直流输电系统中，电力电子变压器往往采用多模块串并联组合结构来解决高压问题。对输入串联输出并联结构的直流变压器构成的电力电子变压器，使系统正常工作的关键问题是实现模块间均压和均流问题。然而随着输入电压等级的提升，模块数量也会随之增加，相应模块的控制与检测装置也会随之增加，而应用于高压环境下所带来的强电磁环境对于设备的结构设计要求更加严格，过多的控制与检测装置无疑会增加结构设计难度，同时由此带来的电磁兼容问题也会对设备可靠性带来影响。
3.为了简化控制复杂度，将直流变压器应用于上述模块中，采用开环控制，使其工作在一种不调压模式，其易于实现软开关，有助于功率密度的提升，特别适合应用于高压大功率传输的场合。在直流变压器拓扑中，cllc谐振变换器不仅继承llc谐振变换器自然软开关和高功率密度的特点，还具有正反向电压增益一致的特点。采用cllc谐振变换器可以定频开环工作在谐振频率点，并且电压增益不会随着负载条件发生变化，所以拓扑本身就具有自动均压的特性。由于cllc谐振变换器工作在开环控制下，保证谐振变换器工作在一个恒定增益下，参数设计就显得尤为重要。然而目前已有的研究多是针对闭环控制下cllc谐振变换器参数设计方法，鲜有对cllc谐振变换器工作在开环下参数设计方法。


技术实现要素：

4.因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中鲜有对cllc谐振变换器工作在开环下参数设计的缺陷，从而提供一种应用于cllc直流变压器参数设计方法及系统。
5.本发明提出的技术方案如下：
6.本发明实施例第一方面提出了一种应用于cllc直流变压器参数设计方法，包括：获取cllc直流变压器各参数设计偏离值；基于各参数设计偏离值，获取多组参数设计初始值；根据多组所述参数设计初始值及预设函数表达式，计算得到cllc直流变压器的初始电感比；基于所述初始电感比，确定电感比选取区间；基于电感比选取区间，选取多个电感比，将多个所述电感比分别带入所述预设函数表达式中，得到多个电感比各自对应的品质因数；基于cllc直流变压器电压增益的变化趋势，选取电感比及品质因数。
7.可选地，所述基于各参数设计偏离值，获取多组参数设计初始值，包括：根据各参数设计偏离值计算得到电压增益波动范围及归一化频率的波动范围；根据所述电压增益波动范围选取多个电压增益，根据所述归一化频率的波动范围选取多个归一化频率，将多个所述电压增益及多个所述归一化频率进行排列组合，得到多组参数设计初始值。
8.可选地，所述预设函数表达式如下所示：
[0009][0010]
其中，m为cllc直流变压器电压增益；k为电感比值；ωn为归一化谐振频率。
[0011]
可选地，根据多组所述参数设计初始值及预设函数表达式，计算得到cllc直流变压器的初始电感比，包括：将多组所述参数设计初始值带入所述预设函数表达式中，计算得到品质因数与电感比之间的函数关系；联立多组品质因数方程，计算得到cllc直流变压器的初始电感比。
[0012]
可选地，应用于cllc直流变压器参数设计方法，还包括：将选取的电感比及其对应的品质因数进行软开关验证。
[0013]
可选地，通过如下公式对选取的电感比及其对应的品质因数进行软开关验证：
[0014][0015]
其中，q为品质因数；t
dead
为cllc直流变压器开关管的死区时间；c
oss
为所选取开关管的输出电容；fr为谐振频率；v0为输出电压，p0为输出功率。
[0016]
可选地，当选取的电感比及其对应的品质因数不满足软开关验证要求时，重新选取电感比及品质因数。
[0017]
本发明实施例第二方面提出了一种应用于cllc直流变压器参数设计系统，包括：第一获取模块，用于获取cllc直流变压器各参数设计偏离值；第二获取模块，用于基于各参数设计偏离值，获取多组参数设计初始值；第一计算模块，用于根据多组所述参数设计初始值及预设函数表达式，计算得到cllc直流变压器的初始电感比；第一处理模块，用于基于所述初始电感比，确定电感比选取区间；第二处理模块，用于基于电感比选取区间，选取多个电感比，将多个所述电感比分别带入所述预设函数表达式中，得到多个电感比各自对应的品质因数；第一选择模块，用于基于cllc直流变压器电压增益的变化趋势，选取电感比及品质因数。
[0018]
本发明实施例第三方面提出了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行本发明实施例第一方面所述的应用于cllc直流变压器参数设计方法。
[0019]
本发明实施例第四方面提出了一种计算机设备，包括：存储器和处理器，所述存储器和所述处理器之间互相通信连接，所述存储器存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，从而执行本发明实施例第一方面所述的应用于cllc直流变压器参数设计方法。
[0020]
本发明技术方案，具有如下优点：
[0021]
本发明提供的一种应用于cllc直流变压器参数设计方法，包括：获取cllc直流变压器各参数设计偏离值；基于各参数设计偏离值，获取多组参数设计初始值；根据多组参数
设计初始值及预设函数表达式，计算得到cllc直流变压器的初始电感比；基于初始电感比，确定电感比选取区间；基于电感比选取区间，选取多个电感比，将多个电感比分别带入预设函数表达式中，得到多个电感比各自对应的品质因数；基于cllc直流变压器电压增益的变化趋势，选取电感比及品质因数。在设计cllc直流变压器参数时，将元器件偏差作为考虑因素，得到品质因数q与电感比值k的约束条件，使得当谐振电感和谐振电容偏离设计值时，输出的电压仍在满足设计要求的范围之内。
附图说明
[0022]
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，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。
[0023]
图1为本发明实施例中sst基本结构及dc/dc高频隔离单元；
[0024]
图2为本发明实施例中cllc直流变压器拓扑结构；
[0025]
图3为本发明实施例中cllc直流变压器电压电流波形；
[0026]
图4为本发明实施例中应用于cllc直流变压器参数设计方法的一个具体示例的流程图；
[0027]
图5为本发明实施例中cllc直流变压器基波等效模型；
[0028]
图6为本发明实施例中k值的变换对增益曲线的影响趋势图；
[0029]
图7为本发明实施例中q值的变换对增益曲线的影响趋势图；
[0030]
图8为本发明实施例中应用于cllc直流变压器参数设计系统的一个具体示例的原理框图；
[0031]
图9为本发明实施例提供的计算机设备一个具体示例的组成图。
具体实施方式
[0032]
下面将结合附图对本发明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，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0033]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0034]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0035]
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构
成冲突就可以相互结合。
[0036]
随着新能源电力系统的发展与建设，采用电力电子变压器(solid state transformer，sst)实现分布式能源、新型负荷/储能的灵活接入已成为研究热点。sst是配电网中的电能转化、分配的枢纽，可实现多电压等级、交直流电源/负载的灵活接入与电能灵活分配。
[0037]
目前常用的sst的基本结构如图1所示，由于其含有dc/dc中间环节，非常方便新能源系统的接入，所以应用十分广泛。sst中dc/dc高频环节为了应对越来越高的电压等级，常采用输入串联输出并联(input-series output-parallel,isop)结构。isop直流变压器拓扑如图1所示，其由n个cllc直流变压器构成。
[0038]
在此给出cllc直流变压器的拓扑结构如图2所示。正向工作时，原边侧施加占空比为50％的互补驱动信号，实现电压逆变的功能，副边侧施加脉宽同步信号。反向工作时，副边侧施加50％的互补驱动信号，原边侧施加脉宽同步信号。图中lm为高频变压器的励磁电感，lr1、lr2利用高频变压器的原副边漏感作为谐振电感，cr1为原边侧谐振电容，cr2为副边侧谐振电容。
[0039]
正常工作时流过cllc直流变压器中电压电流波形如图3所示，从图中可以看出，cllc直流变压器中流过的电流波形呈现出良好的正弦度，与变压器特性一致，因此非常适合于应用在此场景中。
[0040]
为了使cllc直流变压器实现恒定的电压变换，需要对变换器的电压增益特性进行分析。由于cllc直流变压器工作在谐振频率点附近，此时流过高频变压器上的电流具有良好的正弦度，可以采用基波等效分析法来进行电压增益的分析。在此仅分析功率流动正方向(从左到右)，假设变换器只通过谐振网络传递基波分量，这样就可以将谐振网络等效为线形网络。uab和ucd分别为输入输出电压的基波分量。
[0041]
由于cllc谐振变换器工作在开环控制下，保证谐振变换器工作在一个恒定增益下，参数设计就显得尤为重要。然而目前已有的研究多是针对闭环控制下cllc谐振变换器参数设计方法，鲜有对cllc谐振变换器工作在开环下参数设计方法。
[0042]
为此本发明实施例提出了一种应用于cllc直流变压器参数设计方法，如图4所示，包括如下步骤：
[0043]
步骤s1：获取cllc直流变压器各参数设计偏离值。
[0044]
在一具体实施例中，cllc直流变压器采用定频开环控制，工作在谐振频率点，采用基波等效分析法对谐振变换器进行建模分析，等效模型如附图5所示。
[0045]
将副边侧参数归算到原边侧，从图5中可以得到如下中间变量：
[0046][0047]
式中：vo为输出电压，po为输出功率，其中l’r2
＝n2l
r2
，c’r2
＝c
r2
/n2，r
eq
为等效电阻。
[0048]
传递函数为：
[0049][0050]
将上式整理后得到：
[0051]
h(jωs)＝ωsl
mreq
/(a jb)(3)
[0052]
其中定义中间变量如下：
[0053][0054]
将电压增益表达式整理如下：
[0055][0056]
其中的中间参量为：其中a1＝k hk h、
[0057]
从增益表达式中可得到影响电压增益的有品质因数q、电感比值k、原副边电容匹配值g、原副边电感匹配值h以及归一化谐振频率ωn。因此如果要分析电压增益的变化，必须考虑上述参数对电压增益的影响。然而上述公式对于参数偏离对电压增益的影响并不直观。
[0058]
为此，本实施例在整理电压增益表达式时考虑各参数的设计偏离值。具体地，若原副边电感电容参数发生偏离时，电感电容参数如下所示：
[0059][0060]
其中：l
r1
、c
r1
、l
r2
、c
r2
表示电路中实际参数值，l
p1
、c
p1
、l
s2
、c
s2
代表理论设计值。β代表每个参数的波动值。其中的a、b、c、d为相对应的偏离系数。
[0061]
将带有偏离系数的电感电容值重新整理为电压增益表达式如下所示：
[0062][0063]
其中b1＝ak ck ac，
[0064]
上述电压增益表达式可以很直观的体现出谐振元器件偏差值对于电压增益的影响。
[0065]
在实际情况中，高压侧直流母线电压与低压侧直流母线电压会出现一些波动，但是母线电压的波动应该控制在一定的范围之内，如下所示：
[0066]vin
∈[(1-α％)vh,(1 α％)vh]
[0067]vout
∈[(1-α％)v
l
,(1 α％)v
l
](8)
[0068]vh
是输入侧电压的标称值，v
l
是输出侧电压的标称值，v
in
是输入电压允许的波动值，v
out
是输出电压所允许的波动值，α％是允许的波动系数。
[0069][0070]
l
x
与c
x
表示实际电感值与电容值，ln与cn是理论设计的最优值，β％是允许的波动系数。
[0071]
步骤s2：基于各参数设计偏离值，获取多组参数设计初始值。
[0072]
在一具体实施例中，通过如下方式获取多组参数设计初始值：
[0073]
步骤s21：根据各参数设计偏离值计算得到电压增益波动范围及归一化频率的波动范围。
[0074]
步骤s21：根据电压增益波动范围选取多个电压增益，根据归一化频率的波动范围选取多个归一化频率，将多个电压增益及多个归一化频率进行排列组合，得到多组参数设计初始值。
[0075]
在本发明实施例中，为便于分析，将参数偏差的变化归结到归一化频率的变化，这样有助于参数的设计。
[0076]
给出变压器变比：
[0077]
最大电压增益为：
[0078]
最小电压增益为：
[0079]
归一化频率范围：
[0080]
最小归一化频率：
[0081]
最大归一化频率：
[0082]
以上参数的给出，为下文参数设计提供设计基础。将上述数据进行整理得到多组参数设计初始值，如表1所示。
[0083]
表1
[0084][0085]
步骤s3：根据多组参数设计初始值及预设函数表达式，计算得到cllc直流变压器的初始电感比。
[0086]
在一具体实施例中，根据多组参数设计初始值及预设函数表达式，计算得到cllc直流变压器的初始电感比，包括如下步骤：
[0087]
步骤s31：将多组参数设计初始值带入预设函数表达式中，计算得到品质因数与电感比之间的函数关系；
[0088]
步骤s32：联立多组品质因数方程，计算得到cllc直流变压器的初始电感比。
[0089]
在本发明实施例中，为了便于参数的设计，将a＝b＝c＝d＝1带入到式(7)中，将电压增益表达式整理为关于品质因数q的表达式。整理之后的表达式是关于电压增益m、励磁电感与谐振电感的比值k和归一化谐振频率ωn的函数，如下所示：
[0090][0091]
在进行参数设计时，步骤s2已经将参数设计的基础给出。将表1中不同的设计值带
入到式(16)中，即可得到品质因数q与电感比值k之间的函数关系。通过联立不同q值方程，可以得到某一初始k值。其代表的含义为满足不同增益要求下，存在着某一k值使得变换器可以工作在相同的负载条件下。
[0092]
步骤s4：基于初始电感比，确定电感比选取区间。
[0093]
在一具体实施例中，根据增益表达式得到的电压增益曲线，在明确基于初始电感比后，基于最优选取原则，确定电感比选取区间。
[0094]
步骤s5：基于电感比选取区间，选取多个电感比，将多个电感比分别带入预设函数表达式中，得到多个电感比各自对应的品质因数。
[0095]
在一具体实施例中，将选取的k值带入到表1中的q值方程中，可以求解出相应的q值。
[0096]
步骤s6：基于cllc直流变压器电压增益的变化趋势，选取电感比及品质因数。
[0097]
在一具体实施例中，图6给出不同k值对电压增益的影响曲线，从图中可以看出，随着k值的增加，电压增益逐渐变得平缓，在谐振频率点附近，增益近似恒定为1，所以k值的选取偏大。图7给出不同q值对电压增益的影响曲线，从图中可以看出，随着品质因数的增加，电压增益会呈现出逐渐减小的趋势，直至不满足增益要求。所以在品质因数的选取中，其值不能选取过大。
[0098]
在一实施例中，应用于cllc直流变压器参数设计方法，还包括：
[0099]
步骤s6：将选取的电感比及其对应的品质因数进行软开关验证。
[0100]
在一具体实施例中，当k值与q值选取完成后，还需要验算软开关的条件。即励磁电感的选取也需要满足开关管的零电压开通的条件，取值范围是：
[0101][0102]
上式中t
dead
为开关管的死区时间，c
oss
为所选取开关管的输出电容，fr为谐振频率。
[0103]
若满足设计要求，即软开关验证通过，则结束参数设计流程；若不满足设计要求，可适当增减k值，重新求解q值判断软开关条件，直至软开关验证通过。
[0104]
本发明实施例还提出了一种应用于cllc直流变压器参数设计系统，如图8所示，包括：
[0105]
第一获取模块1，用于获取cllc直流变压器各参数设计偏离值。详细内容参见上述实施例中步骤s1的相关描述，在此不再赘述。
[0106]
第二获取模块2，用于基于各参数设计偏离值，获取多组参数设计初始值。详细内容参见上述实施例中步骤s2的相关描述，在此不再赘述。
[0107]
第一计算模块3，用于根据多组参数设计初始值及预设函数表达式，计算得到cllc直流变压器的初始电感比。详细内容参见上述实施例中步骤s3的相关描述，在此不再赘述。
[0108]
第一处理模块4，用于基于初始电感比，确定电感比选取区间。详细内容参见上述实施例中步骤s4的相关描述，在此不再赘述。
[0109]
第二处理模块5，用于基于电感比选取区间，选取多个电感比，将多个电感比分别带入预设函数表达式中，得到多个电感比各自对应的品质因数。详细内容参见上述实施例中步骤s5的相关描述，在此不再赘述。
[0110]
第一选择模块6，用于基于cllc直流变压器电压增益的变化趋势，选取电感比及品
质因数。详细内容参见上述实施例中步骤s6的相关描述，在此不再赘述。
[0111]
本发明实施例还提供一种计算机设备，如图9所示，该设备可以包括处理器81和存储器82，其中处理器81和存储器82可以通过总线或者其他方式连接，图9以通过总线连接为例。
[0112]
处理器81可以为中央处理器(central processing unit，cpu)。处理器81还可以为其他通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor，dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现场可编程门阵列(field-programmable gate array，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等芯片，或者上述各类芯片的组合。
[0113]
存储器82作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序、非暂态计算机可执行程序以及模块，如本发明实施例中的对应的程序指令/模块。处理器81通过运行存储在存储器82中的非暂态软件程序、指令以及模块，从而执行处理器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例中的方法。
[0114]
存储器82可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储处理器81所创建的数据等。此外，存储器82可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施例中，存储器82可选包括相对于处理器81远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至处理器81。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、企业内网、移动通信网及其组合。
[0115]
一个或者多个模块存储在存储器82中，当被处理器81执行时，执行本发明实施例的方法。
[0116]
上述计算机设备具体细节可以对应参阅图1-图7所示的实施例中对应的相关描述和效果进行理解，此处不再赘述。
[0117]
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-only memory，rom)、随机存储记忆体(random access memory，ram)、快闪存储器(flash memory)、硬盘(hard disk drive，缩写：hdd)或固态硬盘(solid-state drive，ssd)等；存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。
[0118]
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-only memory，rom)、随机存储记忆体(random access memory，ram)、快闪存储器(flash memory)、硬盘(hard disk drive，缩写：hdd)或固态硬盘(solid-state drive，ssd)等；存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。
[0119]
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。