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近年來，隨著科學技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)現(xiàn)場的需要，越來越多的功率變換器需要實現(xiàn)能量雙向流動的功能。雙向直流變換器（Bidirectional DC-DC Converter, BDC）作為連接兩個直流母線的橋梁，因在直流系統(tǒng)中起到至關(guān)重要的作用而受到越來越多學者的關(guān)注和研究。

雙有源橋（Dual Active Bridge, DAB）直流變換器就是其中一種應用在大功率場合的雙向DC-DC變換器。1991年，德國亞琛工業(yè)大學的R. W. De Doncker教授提出三相DAB直流變換器，這種拓撲結(jié)構(gòu)在提出后的十幾年時間里并沒有成為電力電子領(lǐng)域研究的熱點，但是隨著大功率和高功率密度應用場合的增多以及電力電子器件和相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，三相DAB直流變換器逐漸成為近年來研究的熱點。國內(nèi)外學者對于三相DAB直流變換器的主要研究方向集中于電路拓撲、調(diào)制策略、建模和控制方法等方面。

為了分析變換器的動態(tài)特性和設(shè)計閉環(huán)控制器，需要建立三相DAB直流變換器精確的動態(tài)模型。狀態(tài)空間平均法（State Space Averaging, SSA）能夠準確反映變換器的工作過程，該方法提出以來在變換器建模領(lǐng)域取得很大的成功。然而，由于在穩(wěn)態(tài)運行時三相DAB直流變換器的三相電感電流是純交流量，不滿足小紋波假設(shè)，因此不能使用狀態(tài)空間平均法對其進行建模。

為了解決這一問題，有學者提出了狀態(tài)空間平均建模方法（State- Variable Averaging and State-Space Averaging, SVA- SSA）。這種方法可以將變換器的階數(shù)從四階降為一階，但是需要對每種可能的開關(guān)模式進行討論建模，因此無法得到統(tǒng)一的建模結(jié)果。

有學者提出的基頻近似法（First-Harmonic Approximation, FHA）只考慮了控制變量和狀態(tài)變量的基頻成分，利用相量或空間矢量對變換器的大信號變量進行表示，雖易于判斷變換器零電壓開關(guān)（Zero Voltage Switching, ZVS）的實現(xiàn)情況，但是由于忽略了其他頻次成分，所以當引入占空比作為控制變量時，F(xiàn)HA的建模精度較低。

傳統(tǒng)的三相DAB直流變換器調(diào)制策略是單移相調(diào)制策略，該調(diào)制方法簡單且易于實現(xiàn)，但會造成其在折算后兩側(cè)直流電壓比值遠離于1的情況，尤其是負載較輕時會導致DAB的效率較低。為了解決該問題，目前主要的方法是：降低由回流功率所引起的通態(tài)損耗，從而提高三相DAB直流變換器效率。

為此，已有相關(guān)文獻提出了雙重移相（Dual- Phase-Shift, DPS）控制和擴展移相（Extend- Phase-Shift, EPS）控制以及三重移相控制方式（Triple-Phase-Shift, TPS）控制策略，即在單移相控制的基礎(chǔ)上，在兩側(cè)有源橋增加本身內(nèi)移相控制，從而減小這段時間間隔。

根據(jù)相關(guān)學者分析可知，實際上EPS（或DPS）調(diào)制策略是TPS調(diào)制策略的一個特殊情況。但是，針對TPS控制下的最優(yōu)控制量計算和選取問題，以上文獻均沒有給出詳細的求解方法，而且，所設(shè)計的閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)常采用固定限幅，當目標值發(fā)生較大突變時，系統(tǒng)動態(tài)特性較差。

針對以上存在的問題，國家電網(wǎng)有限公司、西安交通大學電氣工程學院等單位的研究人員，在分析了三相DAB直流變換器TPS調(diào)制策略下工作特性的基礎(chǔ)上，采用電流有效值優(yōu)化調(diào)制策略，使用多頻分量法表示狀態(tài)變量并應用內(nèi)點法來求解出最優(yōu)的控制變量組；然后，運用二階廣義狀態(tài)空間平均法對三相DAB直流變換器進行建模，基于所采用的電流有效值優(yōu)化調(diào)制策略，提出一種加入優(yōu)化限幅模塊的閉環(huán)控制方法；最后，采用Matlab/Simulink和PLECS聯(lián)合仿真對二階廣義狀態(tài)空間平均模型與有學者提到的SVA-SSA模型進行對比，得出二階廣義狀態(tài)空間平均模型精確性更高的結(jié)論。通過搭建一個1.1kW的三相DAB直流變換器實驗平臺，驗證了所提的閉環(huán)控制方法能夠有效地加快系統(tǒng)的動態(tài)響應速度。

圖1 變換器的拓撲結(jié)構(gòu)

圖2 電流有效值優(yōu)化調(diào)制策略下的變換器閉環(huán)控制框圖

最后，研究人員將工作總結(jié)為以下幾個方面：

• 1）建立了三相DAB直流變換器的廣義狀態(tài)空間平均模型。相比于其他建模方式，二階廣義狀態(tài)空間平均模型保留了電感電流各頻次的分量，其精度相對較高；所建立的統(tǒng)一小信號動態(tài)模型，適用于該變換器的所有調(diào)制策略。
• 2）提出了基于內(nèi)點法優(yōu)化限幅的電流有效值優(yōu)化調(diào)制策略。通過仿真和實驗，驗證了該控制方法穩(wěn)定運行且有效地實現(xiàn)所提出的優(yōu)化調(diào)制策略；提高了三相DAB直流變換器在閉環(huán)控制中動態(tài)響應速度。

以上研究成果發(fā)表在2019年《電工技術(shù)學報》增刊2，論文標題為“三相雙有源橋式直流變換器建模與控制方法”，作者為宋勝利、李卓強、姚志、陳東、許景慧。