基于電壓跟隨的模塊化DAB控制策略

秦 袁，郝正航，陳 卓，滕 飛，孔德政，崔子軒

（貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550025）

0 引言

隨著現(xiàn)在社會(huì)各行業(yè)對(duì)用電需求的上升，傳統(tǒng)的火力發(fā)電使用的化石能源不斷增多，對(duì)于環(huán)境造成的影響也越來越大。在此背景下，對(duì)于風(fēng)電、光伏、核電、水電等清潔能源的研究也日漸引起國(guó)際社會(huì)的高度重視。目前，有研究者提出了以風(fēng)電、光伏等清潔能源作為分布式電源的發(fā)電模式。采用這種發(fā)電模式可以有效地降低化石能源在發(fā)電結(jié)構(gòu)中占據(jù)的比例，減少煤炭等對(duì)環(huán)境污染較大的化石能源的使用，實(shí)現(xiàn)發(fā)電的環(huán)保。但是，使用清潔能源的發(fā)電方式的發(fā)電廠多是分散、不穩(wěn)定的分布式電源，這會(huì)影響電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定，降低電能質(zhì)量。為了使清潔能源能夠大規(guī)模地并網(wǎng)，已有研究者提出了智能電網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)的概念。而新型電力電子變壓器無疑是智能電網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)中至關(guān)重要的關(guān)鍵設(shè)備。

雙有源全橋（Dual Active Bridge，DAB）DC-DC變換器自身有諸如實(shí)現(xiàn)電氣隔離、模塊化耐高壓超高壓、功率密度高、功率傳輸可以雙向流動(dòng)及軟開關(guān)易實(shí)現(xiàn)等諸多優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于光伏發(fā)電、風(fēng)電并網(wǎng)、電動(dòng)汽車及不間斷供電設(shè)備等新興的能源變換系統(tǒng)。傳統(tǒng)的工頻變壓器可以滿足電氣隔離與電壓匹配等需求，但是由于其具有體積龐大、質(zhì)量沉重、對(duì)環(huán)境的污染性大、對(duì)電壓、電流沒有連續(xù)調(diào)節(jié)和綜合控制功能等一系列缺點(diǎn)，使之漸漸不能滿足科技社會(huì)高速發(fā)展的需求。在這一發(fā)展前提下，由于電力電子變壓器（Power Electronic Transformer，PET）具有電氣隔離、電壓變換、無功補(bǔ)償?shù)葍?yōu)勢(shì)功能的特點(diǎn)，因此引起眾多國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的廣泛關(guān)注。單相級(jí)聯(lián)多電平整流器（cascaded H-bridge，CHB）、雙有源全橋DC-DC變換器以及三相逆變器這3部分組成了PET傳動(dòng)系統(tǒng)，被國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者廣泛采用。如圖1所示。

圖1 三級(jí)PET示意圖Fig.1 Three-level PET schematic diagram

本文著重于對(duì)三級(jí)式PET的中間級(jí)并聯(lián)雙有源全橋DC-DC變換器展開研究。作為三級(jí)式電力電子變壓器的中間級(jí)，DAB通過一個(gè)高頻變壓器，將輸入端的逆變電路與輸出端的整流電路連接，實(shí)現(xiàn)功率傳輸和能量傳遞的目的，而基于DAB在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上的高度對(duì)稱性，在工作狀態(tài)下則可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向傳輸。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于該級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的PET，各個(gè)模塊的主電路參數(shù)不能保證完全一致，所以傳輸功率不平衡現(xiàn)象是無法避免的，尤其是輸出電壓與輸入電壓的失調(diào)問題，對(duì)于傳輸功率偏大的模塊，相應(yīng)的電流應(yīng)力也偏大，由于較大的電流應(yīng)力就可能失去變換器的軟開關(guān)特性，導(dǎo)致器件在電壓等級(jí)變化、甚至正常工作時(shí)的故障率出現(xiàn)大幅增加［13］。

文中介紹了DAB的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對(duì)其在單移相控制下的工作模態(tài)進(jìn)行了詳細(xì)分析，對(duì)電壓跟隨控制原理進(jìn)行闡述，搭建電壓跟隨控制模型。以三模塊DAB為例，基于模塊參數(shù)不匹配導(dǎo)致的前級(jí)輸出電壓波動(dòng)問題，提出均壓改進(jìn)方法。在此基礎(chǔ)上，在仿真環(huán)節(jié)，針對(duì)系統(tǒng)存在的靜差、動(dòng)態(tài)性能不穩(wěn)定的問題，加入控制器，改善系統(tǒng)的性能。通過仿真實(shí)驗(yàn)，將所提出方法與傳統(tǒng)方法進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，驗(yàn)證了所提出方法的有效性。

1 DAB結(jié)構(gòu)及工作模態(tài)

DAB變換器的電路拓?fù)淙鐖D2所示。由圖2可知，電路由2個(gè)全橋電路與一個(gè)高頻變壓器組成，結(jié)構(gòu)上完全對(duì)稱。具有帶電氣隔離、能量可雙向流動(dòng)、結(jié)構(gòu)模塊化、容易并聯(lián)等優(yōu)點(diǎn)。

圖2 DAB拓?fù)鋱DFig.2 DAB topology graph

雙向DC／DC變換器配有許多的控制方法，最基本的則是使用單移相角來進(jìn)行控制。單移相角控制就是一次側(cè)全橋與二次側(cè)全橋都以占空比為50%的PWM波作為開關(guān)管的控制信號(hào)，但是2個(gè)全橋的控制信號(hào)之間相差一個(gè)角度，稱這個(gè)角度為移相角，通過改變這個(gè)移相角的大小，可以改變一次側(cè)輔助電感V上的電壓與電流，進(jìn)而控制能量流動(dòng)的方向與二次側(cè)電壓的大小。單移相角DAB電路的工作狀態(tài)如圖3所示。對(duì)此擬做研究分述如下。

圖3 單移相控制下DAB變換器工作狀態(tài)Fig.3 DAB converter working status under SPS

（1）階段一：階段。在時(shí)刻之前，一次側(cè)開關(guān)管和導(dǎo)通，二次側(cè)通過寄生二極管和續(xù)流，在這個(gè)階段電感電流小于零；在時(shí)刻，一次側(cè)開關(guān)管和導(dǎo)通，開關(guān)管和關(guān)斷，電感電流小于零，一次側(cè)通過二極管、續(xù)流，直到時(shí)刻，電感電流變?yōu)榱?，副邊二極管、依舊導(dǎo)通，這段時(shí)間內(nèi)變壓器兩側(cè)的電壓有V、V，施加到變壓器一次側(cè)輔助電感兩側(cè)的電壓為，并且電感電流在這段時(shí)間不斷減小。

（2）階段二：階段。在時(shí)間點(diǎn)，電感電流為零，由負(fù)值向正值變化，一次側(cè)開關(guān)管和導(dǎo)通，二次側(cè)開關(guān)管和導(dǎo)通，電流通過開關(guān)管完成回路，不再經(jīng)過二極管，這段時(shí)間內(nèi)變壓器兩側(cè)的電壓有V、V，加在變壓器一次側(cè)的輔助電感兩側(cè)的電壓仍為；電感電流在這段時(shí)間內(nèi)不斷提升。

（3）階段三：階段。在時(shí)間點(diǎn)，二次側(cè)開關(guān)管和關(guān)斷，此時(shí)因電感電流值為正，二次側(cè)通過和續(xù)流；一次側(cè)仍為開關(guān)管和導(dǎo)通，這段時(shí)間內(nèi)，V、V，加在變壓器一次側(cè)的輔助電感兩端的電壓為（假設(shè)），電感電流在這段時(shí)間內(nèi)不斷減小。

（4）階段四：階段。在時(shí)間點(diǎn)，一次側(cè)開關(guān)管和關(guān)斷，由于電感電流仍大于零，并且考慮到電感的特性，電感電流在這個(gè)時(shí)刻不能突變，所以通過和續(xù)流，直到時(shí)刻，電感電流下降到零，二次側(cè)通過和續(xù)流，這段時(shí)間內(nèi)變壓器兩側(cè)的電壓有V、V，加在變壓器一次側(cè)的輔助電感兩側(cè)的電壓為（假設(shè)），電感電流在這段時(shí)間內(nèi)不斷減小。

（5）階段五：階段。在時(shí)間點(diǎn)，電感電流值為零，變化趨勢(shì)為由正變負(fù)，一次側(cè)開關(guān)管和導(dǎo)通，電流流經(jīng)開關(guān)管，不再通過二極管續(xù)流。二次側(cè)開關(guān)管和導(dǎo)通，這段時(shí)間內(nèi)變壓器兩側(cè)的電壓有V、V，加在變壓器一次側(cè)的輔助電感兩側(cè)的電壓為。

（6）階段六：階段。在時(shí)間點(diǎn)，二次側(cè)開關(guān)管和關(guān)斷，因?yàn)榇藭r(shí)電感電流小于零，二次側(cè)電流通過和續(xù)流；一次側(cè)開關(guān)管和導(dǎo)通，這段時(shí)間內(nèi)變壓器兩側(cè)的電壓有V、V、加在變壓器一次側(cè)的輔助電感兩側(cè)的電壓為。

在時(shí)間點(diǎn)，一次側(cè)開關(guān)管和開通，電流通過和續(xù)流，此后又進(jìn)入階段一，電路的一個(gè)變換周期結(jié)束。

2 DAB控制系統(tǒng)

針對(duì)模塊化DAB進(jìn)行研究，為避免模塊數(shù)量過多以及控制方法過于復(fù)雜而影響實(shí)驗(yàn)的快速性，故文章以三模塊單移相DAB為例，提出電壓跟隨控制方式，這種控制方式可以保證DAB輸出電壓與輸入電壓始終成比例，在控制輸出電壓的同時(shí)，穩(wěn)定輸入電壓，解決了傳統(tǒng)控制模式下由于模塊參數(shù)不一致導(dǎo)致的DAB傳輸功率不平衡的問題。

2.1 電壓跟隨控制原理

DAB變換器的對(duì)稱結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向傳輸，文章以功率正向流動(dòng)時(shí)的情況進(jìn)行分析，由于3個(gè)模塊結(jié)構(gòu)相同，故用DAB模塊1的控制來進(jìn)行描述。電壓跟隨控制的控制模型如圖4所示。

圖4 電壓跟隨控制模型圖Fig.4 Voltage following control model diagram

由圖4能夠推得該模型的原理公式可寫為：

其中，V是輸出電壓；是輸入電壓；H是輸入電壓反饋系數(shù)；H是輸出電壓反饋系數(shù)；K＝100。

輸入電壓與輸出電壓的比例需要通過調(diào)整輸入電壓與輸出電壓的反饋系數(shù)進(jìn)行控制。同時(shí)，DAB輸出級(jí)并聯(lián)，各模塊的輸出電壓相同，調(diào)整各模塊的反饋系數(shù)，也可以控制輸入電壓為均壓。

2.2 DAB閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

DAB閉環(huán)控制框架如圖5所示。圖5中，G表示PWM調(diào)制器傳遞函數(shù)；與表示輸入電壓與輸出電壓的采樣系數(shù)。 帶入電路參數(shù)G＝1400，1，10，等效電阻480 Ω，輸入電容1000 μF，輸出電容2000 μF，電感40 μH，開關(guān)頻率10 kHz，匝比10，進(jìn)而可得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：

圖5 DAB閉環(huán)控制框圖Fig.5 DAB closed-loop control block diagram

在后續(xù)仿真實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在靜差，同時(shí)穿越頻率過低，故設(shè)計(jì)加入控制器，提高統(tǒng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。

2.3 輸入側(cè)均壓

文獻(xiàn)［24］采用了共同占空比控制的方法對(duì)級(jí)聯(lián)橋整流級(jí)進(jìn)行了控制，但是這種方法只能控制第一個(gè)模塊的電壓為給定值，當(dāng)其余模塊的負(fù)載與第一個(gè)模塊不同時(shí)，會(huì)出現(xiàn)直流側(cè)電壓不均衡的情況。

當(dāng)級(jí)聯(lián)橋整流器直流側(cè)電壓不均衡時(shí)，會(huì)使某個(gè)模塊工作在過壓狀態(tài)，導(dǎo)致開關(guān)管損壞或誤動(dòng)作，影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。而作為整流級(jí)負(fù)載的DAB電路的功率不均衡是整流級(jí)電路電壓不均衡的主要原因。

通過電壓跟隨控制可以通過調(diào)控反饋系數(shù)，調(diào)節(jié)輸入電壓與輸出電壓比例，由于輸出并聯(lián)，只要使各個(gè)模塊的反饋系數(shù)相同即可使DAB級(jí)輸入電壓均衡，根據(jù)單模塊DAB傳輸功率表達(dá)式可得：

其中，是高頻變壓器變比；是輸出電壓；f是開關(guān)頻率；是移相角。

可以得到使用這種控制方法DAB級(jí)的傳輸功率也是均衡的。但是這種控制方法忽略了DAB模塊參數(shù)不匹配造成的輸入電壓不均衡。

故需要在級(jí)聯(lián)橋整流器中加入一個(gè)均壓環(huán)節(jié)。以三模塊級(jí)聯(lián)來描述均壓控制的思路，將共同占空比控制中的直流電壓反饋由第一個(gè)模塊的直流側(cè)電壓更換為所有模塊直流側(cè)電壓的平均值，通過坐標(biāo)變換得到d。再將模塊1直流側(cè)電壓V和模塊2直流側(cè)電壓V與給定值作差，在，而后通過一個(gè)調(diào)節(jié)器得到模塊1和模塊2的占空比偏差Δd和Δd，分別同d相加得到模塊1與模塊2的軸占空比，對(duì)于模塊3，由于前兩個(gè)模塊已經(jīng)經(jīng)過調(diào)整，只需要平衡前兩個(gè)模塊的調(diào)整量，即可完成均壓，故?。?/p>

再將各個(gè)模塊的調(diào)整量Δd、Δd、Δd與d相加，即可得到各個(gè)模塊的軸占空比d、d、d，此后又分別進(jìn)行坐標(biāo)逆變換得到d、d、d作為載波移相調(diào)制的調(diào)制信號(hào)，就可實(shí)現(xiàn)輸入側(cè)均壓。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

DAB電路的主要參數(shù)見表1。

表1 DAB電路參數(shù)Tab.1 DAB circuit parameters

3.1 電壓跟隨控制實(shí)驗(yàn)

文章使用的DAB控制方式為電壓跟隨控制，在第2節(jié)中進(jìn)行了詳細(xì)的論述，按照電壓跟隨控制的方式，輸入電壓與輸出電壓的比值和輸入電壓反饋系數(shù)與輸出電壓的反饋系數(shù)相同。DAB的輸入電壓與輸出電壓如圖6所示。

圖6 輸入電壓和輸出電壓波形Fig.6 Input voltage and output voltage waveform

由仿真結(jié)果可以看到，輸出電壓穩(wěn)定在400 V，輸入電壓穩(wěn)定在40 V，輸入電壓與輸出電壓比值為10∶1，與高頻變壓器匝比一致，實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)比1，使雙向DC／DC變換器獲得較好的動(dòng)態(tài)性能。

DAB電感電流仿真波形如圖7所示，由仿真結(jié)果可以看出，與理論分析基本一致。

圖7 電感電流IL波形Fig.7 Inductive current IL waveform

3.2 穩(wěn)定性對(duì)比實(shí)驗(yàn)

系統(tǒng)初始運(yùn)行伯德圖如圖8所示，使用奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)對(duì)開環(huán)傳遞函數(shù)進(jìn)行判斷，同時(shí)結(jié)合伯德圖，可以分析到該系統(tǒng)是穩(wěn)定的，由伯德圖可以看出系統(tǒng)的低頻增益較低，會(huì)使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)靜差，同時(shí)穿越頻率過低，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能較差。

圖8 系統(tǒng)初始運(yùn)行伯德圖Fig.8 System initial running Bode diagram

設(shè)計(jì)PI控制器為：

加入PI調(diào)節(jié)后，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

加入PI調(diào)節(jié)后的伯德圖如圖9所示。由圖9可知，加入PI調(diào)節(jié)后，低頻增益理論無窮大，可以達(dá)到無靜差控制，穿越頻率得到提高，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能得到較大改善。

圖9 加入PI調(diào)節(jié)后的伯德圖Fig.9 Bode diagram after adding PI adjustment

3.3 輸入側(cè)均壓實(shí)驗(yàn)

在未加上均壓環(huán)節(jié)時(shí)，改變輸入側(cè)負(fù)載分別為480 Ω、550 Ω、400 Ω，仿真得到3個(gè)模塊的直流電壓如圖10所示。3個(gè)模塊的占空比一樣，但負(fù)載不一樣，故3個(gè)模塊的輸入側(cè)電壓不能都保持在給定值上。

圖10 3種負(fù)載下輸入側(cè)電壓Fig.10 Input side voltage under three loads

加上均壓環(huán)節(jié)后，帶不同負(fù)載的情況下3個(gè)模塊的直流電壓波形變化如圖11所示。從圖11中可以看到，由于負(fù)載不同，3個(gè)模塊的直流電壓波形在暫態(tài)時(shí)有所不同，但是在穩(wěn)定后，3個(gè)模塊的電壓均穩(wěn)定在4000 V左右。

圖11 均壓后輸入側(cè)電壓Fig.11 Input side voltage after voltage equalization

4 結(jié)束語(yǔ)

文章針對(duì)電力電子變壓器中的DAB變換器，分析其在單移相控制下的工作模態(tài)，提出了電壓跟隨的控制方法，并設(shè)計(jì)搭建電壓跟隨模型控制器，該方法可以在不改變DAB變換器正常工作模態(tài)情況下，使其輸出電壓與輸入電壓始終以給定比例運(yùn)行，同時(shí)對(duì)輸入側(cè)加入均壓環(huán)節(jié)，避免了模塊化DAB由于自身或前級(jí)整流器各個(gè)模塊的主電路參數(shù)無法保證完全一致導(dǎo)致的傳輸功率不平衡現(xiàn)象。此外，為了改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，設(shè)計(jì)了一種DAB閉環(huán)控制器。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該方法可以達(dá)到無靜差控制，穿越頻率得到提高，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能得到較大改善。同時(shí)文章研究還有如下的不足亟待改進(jìn)：

（1）使用載波移相調(diào)制的方法使得所有模塊均工作在高頻PWM模式，使得開關(guān)損耗變得比較大，影響了系統(tǒng)整體的傳輸效率。

（2）由于使用的是模擬控制方式進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，沒有額外設(shè)計(jì)安全保護(hù)與啟動(dòng)保護(hù)。

（3）沒有使用軟開關(guān)技術(shù)，可能在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)沖擊電壓或沖擊電流影響系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。