面向直流配電網(wǎng)的雙有源全橋的PID控制

雷光

摘要：隨著直流配電網(wǎng)的快速發(fā)展，作為其關(guān)鍵設(shè)備的雙有源全橋也成為研究的熱點。本文針對雙有源全橋的輸出電壓誤差較大，對負載階躍變化的動態(tài)響應(yīng)較慢等問題提出了采用PID調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制的方法，為方便說明，以單移相調(diào)制的CLLC諧振型雙有源全橋為例進行仿真，分別用開環(huán)和閉環(huán)控制來觀察其輸出電壓，負載電流等波形，證明了上述方法可以對直流變壓器的輸出電壓進行精確控制或是在某一范圍內(nèi)對輸出電壓進行控制，同時使系統(tǒng)動態(tài)運行較穩(wěn)定，且進入穩(wěn)態(tài)時間較短。為今后入研究直流配電網(wǎng)的變換器拓撲及控制方法打好了基礎(chǔ)。

Abstract： With the rapid development of DC distribution network， the double active full bridge， as its key equipment， has become a research hotspot. Based on the problem of the large output voltage error of dual active bridge and the slow dynamic response to load step change， the method of the PID closed-loop control is proposed. For the convenience of description， taking CLLC-type dual active bridge in a single phase shift modulation type as an example， the simulation respectively uses open loop and closed loop control to observe its output voltage and load current waveform， which proves that the method can precisely control the output voltage of the DC transformer or control the output voltage within a certain range， at the same time make the system dynamic operation stable， and shorter time to be in a steady state. It lays a foundation for further research on distribution network topology and control methods.

關(guān)鍵詞： PID調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制的方法;單移相調(diào)制;CLLC諧振型雙有源全橋

Key words： PID closed-loop control;single phase shift modulation;CLLC-type dual active bridge

中圖分類號：TM33 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）13-0176-04

0 ?引言

由于電網(wǎng)中接入的負荷多為非線性或易受電壓波動干擾負荷，交流配電網(wǎng)不再適應(yīng)城市發(fā)展的需求，所以直流配電網(wǎng)引起了越來越多的關(guān)注。直流配電網(wǎng)相較交流配電網(wǎng)有明顯的優(yōu)勢，不僅傳輸容量更大，電能質(zhì)量更高，而且系統(tǒng)的穩(wěn)定性更好[1-2]。

雙有源全橋，即隔離型雙向DC-DC變換器的優(yōu)點是：第一，具有了更高的可靠性，還降低了質(zhì)量、節(jié)約了空間，從而提高了功率密度;第二，兩端口橋臂上的器件可以實現(xiàn)軟開關(guān)控制，繼而降低了損耗。因此這種直流變換器在PET、可再生能源發(fā)電及儲能等重要場合都有很大作用。按照結(jié)構(gòu)，隔離型DAB可劃分為非諧振和諧振型兩種[3-4]。常見的調(diào)制方法主要有4種，分別是：SPS、EPS、DPS和TPS調(diào)制[5]。

CLLC型DAB分為對稱型與非對稱型，對稱CLLC型DAB作為一個獨立的功率轉(zhuǎn)換器時，通過閉環(huán)控制將目標電壓/功率調(diào)節(jié)到參考值。它對功率的變化和電路參數(shù)的變化具有很強的魯棒性。CLLC型直流變壓器以其高功率密度優(yōu)勢和良好的雙向輸電能力在混合交流/直流微電網(wǎng)中非常流行，CLLC型直流變壓器采用開環(huán)控制，與雙向互聯(lián)變換器配合，實現(xiàn)交流與直流母線之間的功率和電壓轉(zhuǎn)換[6-9]。在傳統(tǒng)應(yīng)用中（電動車和電池充電），CLLC型直流變壓器通常是一個獨立的功率轉(zhuǎn)換器，而混合AC/DC微電網(wǎng)是CLLC型直流變壓器的一個新應(yīng)用，CLLC型直流變壓器必須與雙向互連轉(zhuǎn)換器（bidirectional interlinking converter，BIC）進行合作，而不是一個獨立的變換器。非對稱型CLLC與對稱結(jié)構(gòu)的雙向全橋CLLC諧振變換器相比，它省略了副邊諧振網(wǎng)絡(luò)的諧振電感，降低電路設(shè)計難度，也有利于減小變換器的體積尺寸和成本。雙向車載充電機的研究逐漸成為熱門，對其功率密度，效率和電壓增益范圍等性能指標的要求也日趨嚴格。非對CLLC雙向DC/DC諧振變換器可以實現(xiàn)寬范圍雙向DC/DC變換，并且可以實現(xiàn)很好的電氣性能，可以應(yīng)用于車載充電機領(lǐng)域[10-12]。

對于DAB變換器來說，一個重要性能指標是當負載階躍變化時，它能夠保持良好的輸出電壓并具有良好的動態(tài)性能。文獻[13]提出了簡單的PI單閉環(huán)控制方法，優(yōu)點是容易實現(xiàn)，但是對負載階躍變化的動態(tài)響應(yīng)較慢，輸出電壓誤差較大。文獻[14]提出了一種PI加前饋的混合控制，同樣沒有解決負載階躍響應(yīng)的問題。文獻[15]提出了一種優(yōu)化閉環(huán)控制的DAB變換器，但是采用的移相控制方法并未明確。

基于以上問題，本文提出一種采用PID調(diào)節(jié)規(guī)律實現(xiàn)對DAB變換器的控制，結(jié)合單移相控制方法能夠更好地對直流變壓器的輸出電壓進行精確控制或是在某一范圍內(nèi)對輸出電壓進行控制，閉環(huán)移相控制能在較寬范圍內(nèi)實現(xiàn)軟開關(guān)，減小開關(guān)損耗，提高變換器效率。

1 ?CLLC型DAB

諧振型DC-DC變換器可以通過諧振網(wǎng)絡(luò)使得流過高頻變壓器的電流為正弦波形，相比非諧振型直流變換器，不僅減小了電流的諧波含量和變壓器的渦流損耗，同時使得關(guān)斷損耗更小。CLLC型DAB分為對稱型與非對稱型，本文采用對稱CLLC型DAB來作為說明。

1.1 拓撲結(jié)構(gòu)

見圖1，諧振網(wǎng)絡(luò)由Lm，Cr，Lr，Cp參與諧振，由于其不同的匝比和諧振網(wǎng)絡(luò)的不對稱結(jié)構(gòu)，CLLC型DAB拓撲都呈現(xiàn)出不同的前向和后向功率傳輸模式。電壓增益可調(diào)范圍較窄且相對穩(wěn)定。要通過合理的CLLC型直流變壓器電路參數(shù)設(shè)計保證開環(huán)控制的CLLC型DAB具有良好的電能傳輸能力并且可以消除實際電感/電容值變化對開環(huán)控制的CLLC型DAB的負面影響。CLLC型直流變壓器作為一個獨立的功率轉(zhuǎn)換器時，通過閉環(huán)控制將目標電壓/功率調(diào)節(jié)到參考值。它對功率的變化和電路參數(shù)的變化具有很強的魯棒性。CLLC型直流變壓器始終采用開環(huán)控制，與雙向互聯(lián)變換器配合，可以實現(xiàn)交流與直流母線之間的功率和電壓轉(zhuǎn)換。

1.2 單移相控制

單移相（single-phase-shift，SPS）調(diào)制是應(yīng)用于雙向直流變換器最常用的控制方法，在這種調(diào)制方式下，可以實現(xiàn)其高功率傳輸能力。盡管有很多新的能實現(xiàn)更多功能的調(diào)制技術(shù)，如：擴展移相（EPS）、雙重移相（DPS）、三重移相（TPS）等，但是，單移相調(diào)制具有小慣性、高動態(tài)、易實現(xiàn)軟切換控制等優(yōu)點，SPS調(diào)制方式在允許更大范圍的功率傳輸和易于應(yīng)用方面是一個進步。

該方法通過控制移相角改變了電感上的電壓，從而實現(xiàn)了對傳輸功率的調(diào)節(jié)，它的功率傳遞的方向是將從超前向滯后的電壓一端傳遞。在圖2中，Ts為半個開關(guān)周期，D為移相比，0？燮D？燮1。Uab：a和b之間的電壓;Ucd：c和d之間的電壓;U1：電容C1兩端電壓;U2：電容C2兩端電壓;V1：電源電壓;R：輸出負載。

2 ?控制方式

2.1 開環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)

開環(huán)即不需要將輸出電壓反饋與期望值進行比較進而調(diào)節(jié)系統(tǒng);定頻即使開關(guān)頻率等于諧振頻率，此時變換器的運行效果最佳，效率較高;同步即變壓器前后全橋開關(guān)管驅(qū)動信號相同。若想對直流變壓器的輸出電壓進行精確控制或是在某一范圍內(nèi)對輸出電壓進行控制，保證變換器在較寬的電壓范圍內(nèi)也能高效率運行，可以利用閉環(huán)移相控制來代替開環(huán)同步定頻控制。所有控制策略都是為了能在較寬范圍內(nèi)實現(xiàn)軟開關(guān)，減小開關(guān)損耗，提高變換器效率，其中傳統(tǒng)單移相控制是最簡單易行的。

2.2 閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)

為了使輸出電壓保持在預(yù)定值且能夠被精準測出，變換器需要加反饋環(huán)節(jié)，如圖 3 所示為控制器的結(jié)構(gòu)框圖。

3.2 開環(huán)仿真結(jié)果

圖6為原副邊諧振電感電流波形，由圖可以看出諧振電流波形近似正弦，利用其周期性過零實現(xiàn)ZCS，且波形相位關(guān)系一致，幅值大小滿足2：1的關(guān)系。如圖7為變壓器原副邊電壓，原邊電壓幅值為760V，副邊電壓幅值為378.86V。其為占空比50%的方波，周期均與開關(guān)周期相同為10μs，綜上，電壓滿足變壓器變比關(guān)系。

3.3 閉環(huán)仿真模型及參數(shù)

如圖8為主電路仿真，這一部分與開環(huán)仿真模型相同。不同之處在于整流橋開關(guān)管的驅(qū)動信號：利用變換器的輸出進行反饋調(diào)節(jié)得出的移相角進行移相，從而得出開關(guān)管的驅(qū)動信號，每個橋臂上兩只開關(guān)管均為互補導(dǎo)通，所有斜對角的兩只開關(guān)管都同開同關(guān)。

如圖9，將變換器的輸出與期望控制值做比較，進行PID、限幅調(diào)節(jié)得出適合的移相角，再將此移相角給占空比為50%的驅(qū)動信號產(chǎn)生移相的互補的一組驅(qū)動信號，并按照同一橋臂信號互補，斜對角信號相同的原則賦給相應(yīng)的開關(guān)管。

如圖11為閉環(huán)調(diào)節(jié)后的移相驅(qū)動信號，系統(tǒng)在檢測到輸出與期望值有誤差時便會自動比較，并進行PID調(diào)節(jié)，最終得出一個移相角繼續(xù)控制變換器工作，對本次輸出進行相同的調(diào)節(jié)步驟，直至最后穩(wěn)定在期望值。圖12為移相之后變壓器原副邊交流電壓，兩電壓波形相差的角度為移相角。閉環(huán)調(diào)壓的本質(zhì)就是通過改變變壓器原副邊橋臂中點電壓的移相角來進行調(diào)壓的。由圖10可以看出在閉環(huán)移相的控制效果下，變壓器二次側(cè)的電壓幅值達到380V。

從兩組實驗結(jié)果可以明顯看出，相比較開環(huán)控制，閉環(huán)移相可精確控制輸出電壓，并極大地優(yōu)化了波形，提高整體效率。采用PID閉環(huán)控制的DAB可以使系統(tǒng)動態(tài)運行較穩(wěn)定，且進入穩(wěn)態(tài)時間較短。實現(xiàn)較寬范圍內(nèi)軟開關(guān)的同時提高了雙向直流變換器的效率。

4 ?總結(jié)

國內(nèi)配電網(wǎng)的發(fā)展落后于輸電網(wǎng)，而配電網(wǎng)是直接面向用戶的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前直流配電網(wǎng)的研究處于初級階段，仍然有大量的問題亟待研究和解決。其中直流配電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)就是研究的一個方面，DAB變換器目前成為了不可或缺的設(shè)備，所以對其控制方式以及效率優(yōu)化也是今后研究的重點。

參考文獻：

[1]江道灼，鄭歡.直流配電網(wǎng)研究現(xiàn)狀與展望[J].電力系統(tǒng)自動化，2012，36（8）：98-104.

[2]孫謙浩，王裕，宋強，趙彪，李建國.應(yīng)用于直流配電網(wǎng)的雙向全橋直流變換器比較分析[J].電力自動化設(shè)備，2017（10）.

[3]陸治國，祝萬平，劉捷豐，等.一種新型交錯并聯(lián)雙向DC/DC變換器[J]. 中國電機工程學(xué)報， 2013， 33（12）：39-46.

[4]Alonso A R， Sebastian J， Lamar D G， et al. An overall study of a Dual Active Bridge for bidirectional DC/DC conversion[C] Energy Conversion Congress and Exposition.IEEE，2010：1129-1135.

[5]Bai H， Nie Z， Mi C C. Experimental Comparison of Traditional Phase-Shift， Dual-Phase-Shift， and Model-Based Control of Isolated Bidirectional DC-DC Converters[J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2010， 25（6）：1444-1449.

[6]Kheraluwala M H， Gascoigne R W， Divan D M， et al. Performance characterization of a high-power dual active bridge DC-to-DC converter[J]. IEEE TransIndustry Applications， 1992， 28（6）：1294-1301.

[7]武琳， 張燕枝，李子欣，等. 一種隔離式雙向全橋DC/DC變換器的控制策略[J].電機與控制學(xué)報，2012，16（12）：21-27.

[8]趙彪，于慶廣，孫偉欣.雙重移相控制的雙向全橋DC-DC變換器及其功率回流特性分析[J].中國電機工程學(xué)報，2012，32（12）：43-50.

[9]王慧馨.用于車載充電機的雙向DC/DC諧振變換器的研究與設(shè)計[D].浙江大學(xué)，2018.

[10]Huang J， Zhang X， Shuai Z， et al. Robust Circuit Parameters Design for the CLLC-Type DC Transformer in the Hybrid AC/DC Microgrid[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， PP（99）：1-1.

[11]Segaran D， Holmes D G， Mcgrath B P. Enhanced Load Step Response for a Bidirectional DC–DC Converter[J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2013， 28（1）：371-379.

[12]Bai H， Mi C， Wang C， et al. The dynamic model and hybrid phase-shift control of a dual-active-bridge converter[C].Industrial Electronics， 2008. IECON 2008. Conference of IEEE. IEEE， 2008：2840-2845.

[13]Mi C， Bai H， Wang C， et al. Operation， design and control of dual H-bridge-based isolated bidirectional DC-DC converter[J]. Iet Power Electronics， 2008， 1（4）：507-517.

[14]Qin H， Kimball J W. Closed-loop control of DC-DC dual active bridge converters driving single-phase inverters[C] Energy Conversion Congress and Exposition. IEEE， 2012.

[15]黃勤，柳楊，凌睿.基于不確定參數(shù)的雙重有源橋變換器優(yōu)化控制[J].計算機工程與應(yīng)用，2016，52（3）：247-251.