- 頭條三相雙有源橋式直流變換器建模與控制方法2021-04-10 作者：宋勝利 李卓強 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語作為一種隔離型雙向直流變換器，三相雙有源橋式直流變換器具有電氣隔離、高功率密度、寬電壓傳輸范圍和易于實現軟開關等優點。 國家電網有限公司、西安交通大學電氣工程學院、國網寧夏電科院、國網經濟技術研究院有限公司的研究人員宋勝利、李卓強、姚志、陳東、許景慧，在2019年《電工技術學報》增刊2上撰文，對三相DAB直流變換器的建模和控制方法進行研究，改善了變換器的效率及其運行特性。 實驗結果表明，當輸出電壓指令v2ref從60V突變至80V時，傳統的閉環方法需要31ms恢復穩定，所提閉環控制方法18ms就可以重新達到穩定狀態穩定運行，大大加快了系統的動態響應。
近年來，隨著科學技術的發展和工業現場的需要，越來越多的功率變換器需要實現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，因在直流系統中起到至關重要的作用而受到越來越多學者的關注和研究。
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，德國亞琛工業大學的R. W. De Doncker教授提出三相DAB直流變換器，這種拓撲結構在提出后的十幾年時間里并沒有成為電力電子領域研究的熱點，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技術的不斷發展，三相DAB直流變換器逐漸成為近年來研究的熱點。國內外學者對于三相DAB直流變換器的主要研究方向集中于電路拓撲、調制策略、建模和控制方法等方面。
為了分析變換器的動態特性和設計閉環控制器，需要建立三相DAB直流變換器精確的動態模型。狀態空間平均法（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域取得很大的成功。然而，由于在穩態運行時三相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，因此不能使用狀態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從四階降為一階，但是需要對每種可能的開關模式進行討論建模，因此無法得到統一的建模結果。
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（Zero Voltage Switching, ZVS）的實現情況，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，FHA的建模精度較低。
傳統的三相DAB直流變換器調制策略是單移相調制策略，該調制方法簡單且易于實現，但會造成其在折算后兩側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損耗，從而提高三相DAB直流變換器效率。
為此，已有相關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上，在兩側有源橋增加本身內移相控制，從而減小這段時間間隔。
根據相關學者分析可知，實際上EPS（或DPS）調制策略是TPS調制策略的一個特殊情況。但是，針對TPS控制下的最優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，所設計的閉環控制結構常采用固定限幅，當目標值發生較大突變時，系統動態特性較差。
針對以上存在的問題，國家電網有限公司、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調制策略下工作特性的基礎上，采用電流有效值優化調制策略，使用多頻分量法表示狀態變量并應用內點法來求解出最優的控制變量組；然后，運用二階廣義狀態空間平均法對三相DAB直流變換器進行建模，基于所采用的電流有效值優化調制策略，提出一種加入優化限幅模塊的閉環控制方法；最后，采用Matlab/Simulink和PLECS聯合仿真對二階廣義狀態空間平均模型與有學者提到的SVA-SSA模型進行對比，得出二階廣義狀態空間平均模型精確性更高的結論。通過搭建一個1.1kW的三相DAB直流變換器實驗平臺，驗證了所提的閉環控制方法能夠有效地加快系統的動態響應速度。
圖1 變換器的拓撲結構
圖2 電流有效值優化調制策略下的變換器閉環控制框圖
最后，研究人員將工作總結為以下幾個方面：
- 1）建立了三相DAB直流變換器的廣義狀態空間平均模型。相比于其他建模方式，二階廣義狀態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；所建立的統一小信號動態模型，適用于該變換器的所有調制策略。
- 2）提出了基于內點法優化限幅的電流有效值優化調制策略。通過仿真和實驗，驗證了該控制方法穩定運行且有效地實現所提出的優化調制策略；提高了三相DAB直流變換器在閉環控制中動態響應速度。
以上研究成果發表在2019年《電工技術學報》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。
