趙 龍，趙興勇，高鵬彥，李 越，任 帥

（山西大學(xué) 電力工程系，太原 030013）

隨著低壓直流微電網(wǎng)的發(fā)展，在未來(lái)智能電網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)中，各種分布式電源和儲(chǔ)能等都需要功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)PCS（power conversation system）才能接入電網(wǎng)[1]。近年來(lái)，采用隔離型雙向全橋DC-DC變換器可以使電能雙向流動(dòng)，在風(fēng)力發(fā)電、電動(dòng)汽車(chē)電源系統(tǒng)、和儲(chǔ)能系統(tǒng)等低壓直流系統(tǒng)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[2]。作為一種廣泛應(yīng)用于中低壓直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)功率變換的裝置，雙全橋變換器，或稱雙主動(dòng)全橋 DAB（dual-active-bridge）變換器，它的優(yōu)點(diǎn)很多，包括傳輸功率大、結(jié)構(gòu)對(duì)稱、雙向功率傳輸、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、軟開(kāi)關(guān)易實(shí)現(xiàn)，尤其適合中大功率應(yīng)用場(chǎng)合[3]。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)該電路的研究主要集中在其基本特性、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、軟開(kāi)關(guān)及控制方法等方面，當(dāng)前針對(duì)雙重移相DPS（dual-phase-shift）控制方式下的雙向全橋變換器的研究，諸多文獻(xiàn)只是研究了變換器的工作原理及其穩(wěn)態(tài)功率傳輸特性，與傳統(tǒng)單移相 SPS（single-phase-shift）控制方式相比，雙重移相控制能大幅度減小回流功率，從而提高變換器整機(jī)效率[4]。但對(duì)于雙向全橋變換器在傳輸相同功率時(shí)電流應(yīng)力最優(yōu)開(kāi)關(guān)策略的研究還不是特別深入。此處在DPS控制方式的基礎(chǔ)上，對(duì)于傳統(tǒng)移相控制的特定傳輸功率，提出一種電流應(yīng)力最優(yōu)開(kāi)關(guān)控制模型，使雙主動(dòng)全橋DC-DC變換器達(dá)到最優(yōu)的表現(xiàn)性能，最后基于Matlab/Simulink搭建仿真模型。

1 雙重移相控制的工作原理及電流應(yīng)力最優(yōu)開(kāi)關(guān)模型

圖 1所示為雙向全橋（DAB）DC-DC變換器的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中U1、U2分別為變換器原邊和副邊的直流端電壓，UH1、UH2分別為原邊與副邊全橋折算到原邊交流輸出端電壓，電感L兩端電壓表示為UL，電感電流表示為iL，開(kāi)關(guān)周期表示為T(mén)S。

圖1 雙向全橋 DC-DC變換器Fig.1 Bidirectional full-bridge DC-DC converter

雙移相（dual-phase-shift）控制是目前研究DAB的一種比較典型的控制方法，其控制波形如圖2所示，相比SPS控制，在DPS控制中，兩側(cè)全橋內(nèi)均存在內(nèi)移相比，并且2個(gè)內(nèi)移相比相同，上下橋臂180°互補(bǔ)導(dǎo)通，因此在變壓器兩側(cè)的交流電壓均為三電平波。

DPS控制是通過(guò)減少回流功率進(jìn)而減小電流應(yīng)力，提高工作效率。在DPS控制中，定義D1為內(nèi)移相比，D2為外移相比，其中 0≤D1≤1，0≤D2≤1。 雙重移相控制下雙向全橋DC-DC變換器的具體工作模式在文獻(xiàn)[5]中有詳細(xì)分析，在這里不再贅述。其中，0≤D1≤1，0≤D2≤1。 電感電流 iL可以表示為設(shè)：t0=t0′=0，有 t2=D2Ts/2，t1=D1Ts/2，t3=（D1+D2）Ts/2，t4=Ts/2，t1′=D2/2，t2′=D1Ts/2，t3′=（D1+D2）Ts/2，t4′=Ts/2。

圖2 DPS控制Fig.2 DPS control

當(dāng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，由伏秒平衡可知，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，流過(guò)電感的平均電流為零，表1所示為半個(gè)周期時(shí)間內(nèi)，DPS控制下電感的峰值電流取值。

表1 半個(gè)周期內(nèi)DPS控制的峰值電流Tab.1 Peak current of DPS control in half cycle

為方便計(jì)算，取傳輸功率的標(biāo)幺值，以傳統(tǒng)移相控制方式下的最大傳輸功率為基準(zhǔn)值，根據(jù)表1可以推導(dǎo)出在雙重移相控制下的功率傳輸模型為

變換器電流應(yīng)力的大小取決于電感電流的最大值，以電壓變化比k≥1為例，取為基準(zhǔn)值，GDPS定為標(biāo)幺值，得到電流應(yīng)力為

對(duì)于給定的傳輸功率P0，根據(jù)式（2）得出：

結(jié)合式（3）與式（4），可得：

根據(jù)上式及其求導(dǎo)可以得到電流應(yīng)力GDPS1和GDPS2的最小值及整體電流應(yīng)力最小值。

圖3所示為本文提出的一種電流應(yīng)力最優(yōu)開(kāi)關(guān)策略的控制模型。

圖3 DPS控制的電流應(yīng)力最優(yōu)開(kāi)關(guān)控制模型Fig.3 Current stress optimal switch control model controlled by DPS

圖3中在DPS模式中，內(nèi)移相比D1設(shè)定為固定值D1′，而D2由PI控制器根據(jù)功率和電壓計(jì)算求得，實(shí)際上，若 D1′＝0，即為傳統(tǒng)移相控制。 IDPS（improved-dual-phase-shift）表示改進(jìn) DPS控制模式，在IDPS模式中，內(nèi)移相比D1由電流應(yīng)力最優(yōu)開(kāi)關(guān)模型計(jì)算求得，而D2由PI控制器根據(jù)功率和電壓計(jì)算求得。該模式下的控制系統(tǒng)主要由功率、電壓變換比計(jì)算模塊、PI控制模塊和最優(yōu)電流應(yīng)力控制模塊組成。所提出的控制模型是以外移相比D2作為電壓和功率傳輸?shù)目刂屏?，再由PI控制模塊反饋計(jì)算得到，以滿足變壓器的運(yùn)行要求，而內(nèi)移相比D1作為電流應(yīng)力的優(yōu)化量，由最優(yōu)開(kāi)關(guān)模型求得，這樣便可使變換器優(yōu)化運(yùn)行。

2 仿真分析

為了驗(yàn)證本文所提改進(jìn)DPS控制模式下，電流應(yīng)力最優(yōu)開(kāi)關(guān)策略的合理有效性，通過(guò)Matlab/Simulink軟件搭建仿真模型，仿真波形如圖4、圖5所示。從圖中可以看出，兩種模式下的電流應(yīng)力均不相同。在IDPS模式下，電感電流的最大值相比DPS模式要小，說(shuō)明改進(jìn)DPS控制策略產(chǎn)生的電流應(yīng)力更小。

圖4 DPS控制模式實(shí)驗(yàn)波形Fig.4 DPS control mode experimental waveform

圖5 改進(jìn)DPS（IDPS）控制模式實(shí)驗(yàn)波形Fig.5 Improved DPS（IDPS）control mode experimental waveform

當(dāng)傳輸功率和電壓變換比相同的情況下，圖6給出了在傳統(tǒng)DPS模式和改進(jìn)DPS（IDPS）模式下，電流應(yīng)力隨原邊電壓V1和電壓變換比D1的變化曲線。從圖中可以得到，在兩種模式下，電流應(yīng)力均會(huì)隨著輸入電壓V1的增加而增加，針對(duì)不同的內(nèi)移相比D1，DPS模式下的電流應(yīng)力也大有不同。相比之下，改進(jìn)的DPS模式會(huì)產(chǎn)生最小的電流應(yīng)力。

圖6 電流應(yīng)力最優(yōu)開(kāi)關(guān)策略下電流應(yīng)力實(shí)驗(yàn)曲線Fig.6 Current stress experimental curve under current stress optimal switching strategy

圖7給出了在傳統(tǒng)DPS模式和改進(jìn)DPS（IDPS）模式下，變換器效率隨原邊電壓V1和電壓變換比D1的變化曲線。從圖中可以看出，IDPS模式下，雙向全橋變換器的效率要高于傳統(tǒng)DPS模式，尤其在電壓變換比較大的情境下。大部分情況下，變換器的效率在電流應(yīng)力最優(yōu)運(yùn)行點(diǎn)時(shí)均會(huì)取得最大值。

3 結(jié)語(yǔ)

圖7 電流應(yīng)力最優(yōu)開(kāi)關(guān)策略下效率曲線Fig.7 Efficiency curve of current stress optimal switching strategy

本文通過(guò)分析雙主動(dòng)全橋DC-DC變換器在雙重移相控制下的傳輸功率模型，對(duì)傳統(tǒng)的雙重移相控制進(jìn)行改進(jìn)，以內(nèi)移相比作為電流應(yīng)力的優(yōu)化量，提出一種改進(jìn)的雙重移相控制，并且設(shè)計(jì)了電流應(yīng)力最優(yōu)開(kāi)關(guān)控制策略。通過(guò)Matlab/Simulink仿真得到以下結(jié)論：①對(duì)于不同的內(nèi)移相比，電流應(yīng)力都會(huì)隨著輸入電壓的升高而升高，而改進(jìn)的DPS控制方式會(huì)產(chǎn)生最小的電流應(yīng)力；②所提優(yōu)化開(kāi)關(guān)控制策略可以進(jìn)一步的提高雙向全橋DC-DC變換器移相控制的電流應(yīng)力和效率表現(xiàn)性能，而且隨著電壓變換比的增加效果更加明顯，在輕載狀態(tài)下效果更突出。