雙有源橋DC-DC變換器二次紋波的抑制策略研究

徐海博　花磊

摘 要：三級式電力電子變壓器在傳輸過程中，輸入/輸出級必定會產(chǎn)生二次紋波，降低電壓質(zhì)量，影響供電可靠性?，F(xiàn)提出了一種新的二次紋波消除方法，閉環(huán)控制策略上采用PIR控制，使得雙有源橋低壓側(cè)輸出電壓紋波顯著降低。在Matlab/Simulink仿真平臺上進(jìn)行了仿真實驗，驗證了該方法在降低輸出電壓二次紋波方面的有效性和可靠性。

關(guān)鍵詞：DC-DC變換器;PIR控制;DAB

中圖分類號：TM52? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號：1671-0797（2022）11-0085-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.11.024

0? ? 引言

在電力電子領(lǐng)域，電力電子變壓器（Power Electronics Transformer，PET）的研究是至關(guān)重要的，二級式和三級式PET均含有DC-DC的中間環(huán)節(jié)[1-2]。雙有源橋（Dual Active Bridge，DAB）變換器是一種經(jīng)典的DC-DC變換器，具有雙向功率傳輸能力，動態(tài)響應(yīng)性能十分優(yōu)異[3]。DAB由對稱的逆變橋和整流橋組成，結(jié)構(gòu)上模塊化對稱[4];功率密度高，并且可以輕易實現(xiàn)軟開關(guān)，在中、大功率高頻隔離功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛[5]。

DAB作為DC-DC變換器夾在整流側(cè)和逆變側(cè)之間，高壓直流側(cè)和低壓直流側(cè)不可避免地都會有整流和逆變帶來的二次紋波，降低輸出電壓質(zhì)量[6]。降低輸出電壓二次紋波最簡單的手段是增大高壓和低壓側(cè)濾波電容，但這樣會增加硬件體積，不符合電力電子變換器小型化、輕量化的發(fā)展方向。拓?fù)湟种坪涂刂撇呗砸种剖墙鉀Q該問題的主流手段，但無論是怎樣的拓?fù)湟种?，都會增大硬件體積，成本也會隨之增加[7-8]。文獻(xiàn)[9]通過拓?fù)湟种频姆绞浇档图y波，有的增加了電感支路，有的增加了有源濾波器，都使得硬件體積增大。所以，本文選擇控制策略抑制手段來降低輸出電壓二次紋波。

DAB閉環(huán)控制中，控制器多采取PI控制，但是PI控制由于帶寬限制，對交流部分不能實現(xiàn)無靜差跟蹤，PIR控制相較于PI控制，彌補(bǔ)了PI控制在交流信號追蹤上的不足。本文采用PIR控制實現(xiàn)二次紋波從高壓側(cè)到低壓側(cè)的穩(wěn)定傳輸，并通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)推導(dǎo)和合理的仿真驗證，證明了本文所提方法的可行性和合理性。

1? ? DAB工作的一般機(jī)理

1.1? ? DAB工作原理

三級式PET結(jié)構(gòu)拓?fù)淙鐖D1所示。整流側(cè)接工頻交流電壓并將其轉(zhuǎn)化為要求的直流電壓，中間級DC-DC變換器起到電氣隔離和變換電壓等級的作用，逆變側(cè)將直流電壓轉(zhuǎn)換為交流電壓送至用戶。

三級式PET中間級DAB拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。原副邊開關(guān)管的開關(guān)頻率相同，遵循對角導(dǎo)通原則[4]，副邊移相比為d，周期為Ts。Udc1和Udc2為中間級DAB變換器的兩側(cè)電壓，為便于分析，此處Udc1和Udc2視為直流電壓。高頻變壓器變比為m：1。DAB在SPS控制下的工作波形如圖3所示。

考慮高頻變壓器的漏抗Lt，將高頻變壓器作為理想變壓器處理，漏抗Lt等效為原邊電感，DAB的輸入功率為：

DAB輸入功率在移相比d取0.5時最大，d的取值范圍一般為[-0.5，0.5]。

1.2? ? DAB二次諧波產(chǎn)生機(jī)理

圖4為三級式PET整流側(cè)部分，輸入電壓為：

vin=Vinsin（ωt）

輸入電流為：

iin=Iinsin（ωt）

其中Vin為輸入電壓峰值，Iin為輸入電流峰值，ω為基波角頻率。

整流側(cè)輸入功率為：

輸入功率可以分為直流部分和二次紋波部分，二次紋波部分為：

式（3）說明，只要經(jīng)過整流側(cè)，二次紋波就一定存在。

2? ? 二次紋波抑制策略

根據(jù)文獻(xiàn)[5]，在實際操作環(huán)境中，傳感器中的數(shù)據(jù)采集、計算都不可避免地存在相當(dāng)?shù)难舆t，因此需要引入一個延遲環(huán)節(jié)Gd，表示為Gd=e。

DAB的傳統(tǒng)閉環(huán)控制策略如圖5所示，控制器代表多種控制方式的其中一種，Vref是輸出電壓參考值，根據(jù)式（3），Vref主要包含基頻分量和二倍頻分量。

圖5中的控制器，一般為PI控制。本文使用的控制器為PIR控制器。PIR的傳遞函數(shù)表達(dá)式如下：

為補(bǔ)償二倍頻，即100 Hz的功率波動，在二倍頻處應(yīng)具有高增益。諧振控制器R（resonant）可用于對二倍頻交流信號的跟蹤，比例積分控制器PI可用于對直流信號的跟蹤，兩者結(jié)合形成的PIR控制器可以實現(xiàn)同時對直流信號和二倍頻信號的無差跟蹤。其中，Kp、Ki、Kr分別是比例控制器、積分控制器、諧振控制器的系數(shù)。控制器部分使用PI控制器和PIR控制器的閉環(huán)整體伯德圖如圖6所示。

比較圖6（a）和圖6（b）可以看出，兩者對高頻分量都有抑制作用。不同的是，PIR控制在二倍頻附近的增益是比較高的，比起PI控制，可以更好地跟蹤和補(bǔ)償二次諧波電流。

3? ? 仿真結(jié)果

本文所提出的建模方法和控制策略均在Matlab/

Simulink仿真平臺下實現(xiàn)，在Simulink環(huán)境中搭建了圖2所示的系統(tǒng)模型。仿真根據(jù)圖5的控制策略，分別使用了PI控制器和PIR控制器進(jìn)行對比。圖7（a）是DAB使用傳統(tǒng)閉環(huán)控制，且控制器為PI控制時的輸出電壓波形圖和移相比變化圖，輸出電壓幅值可以穩(wěn)定在200 V，上下波動大小為±3.8 V;圖7（b）是采用PIR控制器時的輸出電壓波形圖和移相比變化圖，輸出電壓幅值可以穩(wěn)定在200 V，上下波動大小為±1.6 V。

PI控制器可以實現(xiàn)對直流信號的跟蹤，但對二倍頻信號的跟蹤能力較差。從圖7可以看出，在傳統(tǒng)閉環(huán)控制方式中，對比PI控制器，采用PIR控制器可以明顯降低輸出電壓的紋波。

4? ? 結(jié)語

本文就解決中間級為DAB的三級式PET的低壓側(cè)二次輸出電壓紋波問題，提出了新型閉環(huán)控制策略。在Matlab/Simulink仿真平臺上，閉環(huán)控制器采用PIR控制，并將其與PI控制做了詳細(xì)比較，確能有效降低低壓側(cè)輸出電壓二次紋波，對比傳統(tǒng)控制方式有明顯優(yōu)勢，提高了中間級為DAB的PET的性能，為三級式PET的動態(tài)性能指標(biāo)控制提供了理論基礎(chǔ)。

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收稿日期：2022-03-16

作者簡介：徐海博（1983—），男，陜西人，工程師，研究方向：直流輸電、柔性直流輸電等電力電子技術(shù)應(yīng)用。