雙有源橋DC-DC變換器虛擬仿真實驗平臺設(shè)計

李 梅，閆其路

（安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

雙有源橋（Dual Active Bridge，DAB）DC-DC 變換器具有電氣隔離、雙向能量流動、功率精準(zhǔn)調(diào)節(jié)控制與快速動態(tài)響應(yīng)等優(yōu)點[1]，因此被廣泛應(yīng)用于電力電子變壓器領(lǐng)域，如：高速列車電力牽引變壓器[2]、直流微電網(wǎng)的能量轉(zhuǎn)換和儲存系統(tǒng)、電動汽車中電能V2G 與V2H 等[3-5]。在面向DAB DC-DC 變換器的教學(xué)實驗或課程實踐中，由于受到實驗室資金投入高、設(shè)備維護維修困難、高電壓環(huán)境下的安全性及實驗結(jié)果的不確定性等客觀條件限制，實驗結(jié)果難以達到理想的教學(xué)預(yù)期目標(biāo)。本文在響應(yīng)教育部關(guān)于推進虛擬仿真實驗教學(xué)的要求下，以建設(shè)國家級一流專業(yè)為契機，使用計算機以Matlab軟件為依托，建立基于圖形用戶界面（Graphical User Interfaces，GUI）、Simulink 仿真工具箱、M 文件程序代碼為主體，設(shè)計出DAB DC-DC 變換器虛擬仿真實驗平臺，可開展變換器動態(tài)響應(yīng)測試、穩(wěn)態(tài)性能優(yōu)化等綜合性、創(chuàng)新性實驗。該平臺不僅能完成各類驗證性的基礎(chǔ)教學(xué)實驗，學(xué)生還可通過GUI實現(xiàn)人機交互編寫控制程序，實現(xiàn)各類綜合性、創(chuàng)新性實驗的訓(xùn)練，從而達到加深理解此變換器與探索創(chuàng)新控制方法的教學(xué)目的。

1 變換器建模

應(yīng)用Matlab/R2016b 軟件，在GUI 中建立虛擬仿真實驗平臺。在Simulink 開發(fā)環(huán)境下搭建變換器系統(tǒng)仿真模型，變換器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 變換器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

變換器工作原理為：運算控制器接收采集信號經(jīng)控制程序產(chǎn)生移相信號D，由移相信號調(diào)制產(chǎn)生PWM驅(qū)動脈沖。D2為變壓器原邊側(cè)與副邊側(cè)開關(guān)管驅(qū)動信號的導(dǎo)通相位差，D1為原邊側(cè)開關(guān)管驅(qū)動信號的導(dǎo)通相位差，D3為副邊側(cè)開關(guān)管驅(qū)動信號的導(dǎo)通相位差。實驗時，D2進行動態(tài)響應(yīng)測試，D1和D3進行穩(wěn)態(tài)性能優(yōu)化測試，三個移相信號的不同組合實現(xiàn)各類優(yōu)化策略。

以圖1 拓撲為基礎(chǔ)建立Simulink 仿真模型，命名為：DAB.slx，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 變換器仿真模型

為了實現(xiàn)操作者對實驗的控制，在仿真實驗平臺上可以對參數(shù)進行修改。模型參數(shù)分兩部分設(shè)置：固定不變參數(shù)直接在Simulink 模型中設(shè)置，可變參數(shù)由虛擬仿真實驗平臺給定。為了實驗在不同參數(shù)下、不同控制策略對變換器性能的影響，且為使實驗結(jié)果在可控范圍內(nèi)，表1列出了主要參數(shù)的參考分配與設(shè)置。實驗者如果對實驗過程及實驗原理清楚，可以在創(chuàng)新性實驗中提出設(shè)計表1之外的合理參數(shù)，并自行驗證。

表1 變換器參數(shù)

表1 中控制策略Mode 值代表了變換器所使用的控制策略，具體描述如表2所示。

表2 變換器控制策略

系統(tǒng)閉環(huán)控制實現(xiàn)動態(tài)響應(yīng)測試、穩(wěn)態(tài)性能優(yōu)化實驗，通過分析變換器數(shù)學(xué)模型，得到控制策略中優(yōu)化目標(biāo)與移相信號D的關(guān)系。圖2 中Control模塊使用Simulink 自定義函數(shù)塊中編寫控制程序?qū)崿F(xiàn)D的輸出，其調(diào)用控制策略方法如圖3所示。

圖3 調(diào)用控制策略

通過賦予控制策略Mode 模塊不同的值，使變換器仿真系統(tǒng)將調(diào)用不同的控制策略。如Mode值為0，系統(tǒng)則為開環(huán)運行。

除實驗平臺給定的5種控制策略外，學(xué)生還可自行編寫自己設(shè)計的控制方法，通過給定Mode 值實現(xiàn)對控制策略的切換調(diào)用。

動態(tài)響應(yīng)實驗中，需要觀測負載擾動時不同控制策略對變換器動態(tài)性能的影響。擾動負載可用圖4 所示的負載跳變模塊替代圖2 中的電阻R實現(xiàn)。通過設(shè)置Stair Generator 模塊控制Ideal Switch開通與關(guān)斷時間，切換不同阻值的R1、R2連接至主電路實現(xiàn)負載擾動的功能。

圖4 負載跳變模塊

2 變換器人機交互界面設(shè)計

虛擬仿真實驗平臺人機交互界面的設(shè)計具有兩種實現(xiàn)方式：一是完全通過底層代碼程序編寫，其復(fù)雜程度高，對開發(fā)者編程能力要求高；二是通過guide 命令創(chuàng)建GUI，直接拖拽相應(yīng)控件至設(shè)計界面，再對控件編寫程序代碼，其界面簡潔，操作簡單。因此本虛擬仿真實驗平臺的界面采用第二種方法完成設(shè)計。

本虛擬仿真實驗平臺人機交互界面主要由4個區(qū)域構(gòu)成，分別為：電路拓撲結(jié)構(gòu)顯示區(qū)、可變參數(shù)設(shè)置區(qū)、實驗命令區(qū)以及波形結(jié)果顯示區(qū)。設(shè)計時，為了讓每個區(qū)域內(nèi)的控件協(xié)調(diào)聯(lián)動，方便布局，均添加一個面板panel控件作為顯示區(qū)域的底層。通過對區(qū)域內(nèi)控件的回調(diào)函數(shù)編寫程序代碼完成人機交互界面的設(shè)計，各區(qū)域主要控件組成與程序代碼如下：

（1）電路拓撲結(jié)構(gòu)顯示，用1 個坐標(biāo)軸axes 控件實現(xiàn)，Tag 標(biāo)識為axes_picture。該控件回調(diào)函數(shù)編寫程序代碼如下：

axes（handles.axes_picture）;

picture=imread（‘DAB，jpg’）;

imshow（picture）;

（2）可變參數(shù)設(shè)置，包括9 個靜態(tài)文本text 控件，直接輸入可變參數(shù)的名稱與單位；5 個可編輯文本edit控件，將可變參數(shù)值傳遞至Simulink模型，以輸入電壓U1為例編寫程序，其Tag 標(biāo)識為edit_U1。程序代碼為：

U1=num2str（get（handles.edit_U1，‘string’））;

set_param（‘DAB/U1’，‘a(chǎn)mplitude’，U1）;

（3）實驗區(qū)域，由兩個按鈕pushbutton 控件組成，點擊按鈕可以調(diào)看Simulink模型與開始仿真實驗。調(diào)看模型按鈕的Callback函數(shù)程序代碼為：

open（‘DAB.slx’）;

開始仿真按鈕的程序代碼為：

options=simset（‘SrcWorkspace’，‘current’）;

sim（‘DAB.slx，[]，options’）;

（4）仿真波形結(jié)果，由6 個坐標(biāo)軸axes 控件用來顯示需要觀測Simulink 模型中示波器的波形。以輸出電壓Uo為例，坐標(biāo)軸axes控件Tag標(biāo)識為axes_Uo，示波器數(shù)據(jù)輸出設(shè)置為Log data to workspace，變量名為Uo，保存格式為Structure With Time，則輸出電壓Uo波形的程序代碼為：

global Uo;

axes（handles.axes_Uo）;

plot（Uo.time，Uo.signals.values）;

ylabel（‘Uo/V’）;

grid on;

當(dāng)需要清晰的顯示某一區(qū)間段波形時，可添加如下程序代碼：

axis（[xmin xmax ymin ymax]）;

人機交互界面其余控件的程序代碼可按上述方法一一完成。

3 虛擬仿真實驗

虛擬實驗平臺可完成的基礎(chǔ)實驗有負載擾動、電流應(yīng)力和回流功率優(yōu)化，其內(nèi)置5 種控制策略。人機交互界面完成表1中平臺給定參數(shù)值的寫入，變換器控制策略選擇以開環(huán)運行與閉環(huán)穩(wěn)態(tài)優(yōu)化兩種方法為例。

為對比兩種控制策略的結(jié)果，對實驗的可變參數(shù)均設(shè)為一致，圖5、圖6 左下角可變參數(shù)設(shè)置模塊，點擊“開始仿真”按鈕分別進行實驗。實驗結(jié)果分別如圖5、圖6 中右側(cè)仿真波形所示，其中Uo和io分別為輸出電壓和輸出電流波形，iL和Pbf分別為電感電流應(yīng)力和回流功率波形。

圖5 虛擬仿真實驗平臺開環(huán)運行界面

圖6 虛擬仿真實驗平臺閉環(huán)穩(wěn)態(tài)優(yōu)化界面

分析圖5 和圖6，看出不同控制策略對變換器性能影響如下：

（1）由輸出電壓、電流波形知：動態(tài)響應(yīng)方面，閉環(huán)控制相對開環(huán)控制能夠快速達到電壓穩(wěn)定輸出；當(dāng)負載在0.1s時刻發(fā)生擾動，開環(huán)控制無法穩(wěn)定輸出電壓，而閉環(huán)控制能夠快速維持輸出電壓穩(wěn)定。

（2）由電感電流應(yīng)力與回流功率波形知：穩(wěn)態(tài)性能優(yōu)化方面，開環(huán)控制變換器存在回流功率，且峰值約為1600W，電感電流應(yīng)力約為18A；采用優(yōu)化策略時，變換器回流功率基本為0，電感電流應(yīng)力約為13A，相比開環(huán)控制，變換器性能明顯改善。

4 結(jié)語

虛擬仿真實驗平臺基于Matlab 軟件中Simulink、GUI、M 語言程序代碼三者聯(lián)動，設(shè)計出雙有源橋DC-DC 變換器仿真實驗平臺。由仿真實驗，證明了所設(shè)計的虛擬仿真實驗平臺是可行的，能進行雙有源橋DC-DC 變換器的基礎(chǔ)實驗。同時，該平臺給學(xué)生提供了對變換器進行創(chuàng)新控制方法的渠道，學(xué)生在掌握該變換器知識后，可自行設(shè)計其他控制策略進行實驗驗證，克服了對于實驗設(shè)備的依賴性。