隨著功率半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展和直流分布式電源、儲(chǔ)能以及直流負(fù)荷日益增多，直流輸配電技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。直流固態(tài)變壓器（Direct Current Solid State Transformer, DCSST）作為在不同電壓等級(jí)直流電網(wǎng)間實(shí)現(xiàn)電壓和功率靈活控制與管理的關(guān)鍵設(shè)備，也成為眾多學(xué)者關(guān)注的對(duì)象。

鑒于移相式-雙有源橋（Phase Shift-Dual Active Bridge, PS-DAB）變換器和串聯(lián)諧振式-雙有源橋（Series Resonance-Dual Active Bridge, SR-DAB）變換器具有控制靈活和變換效率高的優(yōu)點(diǎn)，本文作者在相關(guān)文獻(xiàn)中提出一種基于PS-DAB和SR- DAB模塊采用輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)（Input Series Output Parallel, ISOP）結(jié)構(gòu)組合的混合模塊化直流固態(tài)變壓器（Hybrid Modular Direct Current Solid State Transformer, HMDCSST）。

其中SR-DAB模塊采用開(kāi)環(huán)控制工作于諧振狀態(tài)，而PS-DAB模塊采用閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)HMDCSST的電壓或功率調(diào)節(jié)功能。由于采用模塊組合，通過(guò)設(shè)置合適的SR-DAB和PS-DAB模塊數(shù)比例，則可實(shí)現(xiàn)HMDCSST在保證高效率變換的同時(shí)具備靈活可控的能力。此外，由于SR-DAB采用開(kāi)環(huán)控制，可顯著減小系統(tǒng)控制復(fù)雜度以及通信端口的數(shù)量。

建立HMDCSST的小信號(hào)模型是深入研究其動(dòng)態(tài)特性，進(jìn)行快速響應(yīng)控制的前提。

• 有學(xué)者提出一種PS-DAB全階連續(xù)時(shí)間平均模型，利用電感電流和電容電壓的直流分量和一階分量作為狀態(tài)變量，得到系統(tǒng)的狀態(tài)方程，并由此得出PS-DAB的小信號(hào)模型。
• 有學(xué)者基于分段線性化的電流方程建立了PS-DAB的平均值模型和小信號(hào)模型。
• 有學(xué)者基于分段指數(shù)積分的平均電流建立了PS-DAB的平均值模型，并利用指數(shù)函數(shù)的泰勒級(jí)數(shù)進(jìn)行近似，推導(dǎo)出PS-DAB的小信號(hào)模型。
• 對(duì)于SR-DAB的建模方法，有學(xué)者利用基波分析法，建立了SR-DAB的平均值模型。
• 有學(xué)者基于頻域分析，考慮所有諧波分量，推導(dǎo)了SR-DAB的準(zhǔn)確穩(wěn)態(tài)模型。
• 有學(xué)者采用拓展函數(shù)法建立了SR-DAB的小信號(hào)等效模型。

本文在上述研究工作的基礎(chǔ)上，建立PS-DAB與SR-DAB平均值模型，并分別推導(dǎo)出PS-DAB與SR-DAB小信號(hào)模型，進(jìn)而得到HMDCSST的小信號(hào)模型。

改善DCSST的動(dòng)態(tài)響應(yīng)有利于提高直流系統(tǒng)復(fù)雜工況下的供電質(zhì)量和運(yùn)行穩(wěn)定性，部分學(xué)者對(duì)此展開(kāi)了深入研究。在描述DC-DC變換器小信號(hào)模型中，當(dāng)輸入電壓-輸出電壓的傳遞函數(shù)A(s)為零時(shí)，可使得輸入電壓的擾動(dòng)對(duì)輸出電壓的影響幾乎為零，部分文獻(xiàn)通過(guò)輸入電壓前饋法來(lái)使A(s)接近于零。

• 有學(xué)者以Boost DC-DC變換器為研究對(duì)象，提出一種自適應(yīng)輸入電壓前饋控制策略，并采用H∞理論優(yōu)化控制，實(shí)現(xiàn)抑制輸入電壓擾動(dòng)對(duì)變換器輸出電壓的影響。
• 有學(xué)者基于PS-DAB的小信號(hào)模型討論了影響PS-DAB動(dòng)態(tài)特性的因素，在此基礎(chǔ)上，提出了一種優(yōu)化前饋系數(shù)的輸入電壓前饋控制策略。
• 為抑制負(fù)載側(cè)功率波動(dòng)對(duì)輸出電壓的影響，有學(xué)者提出了負(fù)載電流前饋控制策略，不同之處在于其研究通過(guò)增加負(fù)載電流前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)來(lái)減弱負(fù)載電流的擾動(dòng)對(duì)輸出電壓的影響。
• 而有學(xué)者通過(guò)預(yù)測(cè)負(fù)載功率，直接給定一個(gè)預(yù)期移相比，從而加快變換器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。
• 有學(xué)者基于PS-DAB的平均值模型，提出一種虛擬直接功率控制策略，考慮輸入電壓擾動(dòng)量與負(fù)載功率擾動(dòng)量，通過(guò)功率預(yù)測(cè)可以抑制輸入電壓與負(fù)載功率擾動(dòng)對(duì)PS-DAB輸出電壓的影響。由于采用ISOP結(jié)構(gòu)的HMDCSST的PS-DAB和SR-DAB模塊間存在耦合，其平均值模型比單模塊PS-DAB模型復(fù)雜，采用虛擬功率直接功率控制策略計(jì)算過(guò)于復(fù)雜，不利于硬件實(shí)現(xiàn)。

本文首先建立HMDCSST的小信號(hào)模型，并通過(guò)仿真證明其準(zhǔn)確性。基于HMDCSST的小信號(hào)模型，提出一種快速響應(yīng)控制策略，即在傳統(tǒng)輸出電壓PI控制的基礎(chǔ)上，利用輸入電壓前饋控制策略減小輸入電壓擾動(dòng)對(duì)輸出電壓的影響，并采用負(fù)載功率預(yù)測(cè)控制策略抑制負(fù)載功率擾動(dòng)對(duì)輸出電壓的影響。通過(guò)仿真對(duì)比分析了所提控制策略的穩(wěn)定性，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了HMDCSST快速響應(yīng)控制策略的有效性。

圖10 HMDCSST實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

總結(jié)

本文建立了HMDCSST的小信號(hào)模型，并通過(guò)仿真證明小信號(hào)模型的準(zhǔn)確性。提出一種綜合輸入電壓前饋與負(fù)載功率預(yù)測(cè)的快速響應(yīng)控制策略，并分析了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與響應(yīng)快速性。最后通過(guò)搭建兩模塊小功率實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將本文提出的快速響應(yīng)控制策略與傳統(tǒng)PI控制策略進(jìn)行比較，得出以下結(jié)論：

• 1）本文所建立的HMDCSST小信號(hào)模型能夠準(zhǔn)確表征系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，可以用來(lái)研究HMDCSST系統(tǒng)在輸入電壓與負(fù)載功率發(fā)生階躍擾動(dòng)下的控制策略。
• 2）穩(wěn)定性分析表明，本文提出的快速響應(yīng)控制系統(tǒng)是穩(wěn)定的，且相比于傳統(tǒng)PI控制，系統(tǒng)響應(yīng)速度明顯加快，對(duì)系統(tǒng)擾動(dòng)具有良好的抑制效果。
• 3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文提出的快速響應(yīng)控制策略的有效性。
• 4）輸入電壓突變瞬間，SR-DAB諧振電流會(huì)出現(xiàn)較大尖峰，本文下一步工作將研究輸入電壓發(fā)生突變時(shí)抑制SR-DAB諧振電流尖峰優(yōu)化控制策略。