双有源桥变换器优化控制与实验平台设计_蔡逢煌.pdf
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1、对双有源桥(DAB)变换器的扩展移相调制与三重移相调制进行了理论分析,构建电流及标幺化传输功率表达式。建立了在三重移相调制控制下 DAB 变换器的标幺化电流应力表达式以及在扩展移相调制控制下的标幺化回流功率表达式,分别求解出标幺化电流应力及回流功率最小时各移相角的解,并设计优化控制方案。介绍了 DAB 变换器实验平台的开关管选型、磁性元件设计、辅助电路设计,采样控制电路设计、软件程序设计方法,并搭建出 DAB 变换器实验平台。最后,在实验平台中验证电流应力与回流功率优化方案的可行性。关键词:双有源桥变换器;移相调制;电流应力;回流功率中图分类号:TM 46文献标志码:A文章编号:1006 71
2、67(2023)02 0041 07Optimal Control and Experimental Platform Designfor Dual-active-bridge ConvertersCAI Fenghuang1,XIE Hongbiao1,CHAI Qinqin1,2,WANG Wu1(1 School of Electrical Engineering and Automation,Fuzhou University,Fuzhou 350108,China;2 Fujian Key Laboratory of New Energy Equipment Testing(Puti
3、an University),Putian 351100,Fujian,China)Abstract:The extended phase shift modulation and the triple phase shift modulation of the double active bridge(DAB)converter are analyzed theoretically to construct the current and normalized transfer power expressions The formulas forthe DAB converters norm
4、alized current stress under triple phase shift modulation control and the normalized return powerunder extended phase shift modulation control are constructed,and the solutions for each phase shift angle when thenormalized current stress and return power are minimum are solved,followed by the creati
5、on of an optimized controlscheme The DAB converter experimental platform is constructed,and the switching tube selection,magnetic componentdesign,auxiliary circuit design,sampling control circuit design,and software program design methodologies areintroduced Lastly,the experimental platform confirms
6、 the viability of the current stress and return power optimizationschemeKey words:dual active bridge converter;phase shift modulation;current stress;return power收稿日期:2022-07-29基金项目:福建省新能源发电与电能变换重点实验室开放基金资助(XNY202103)作者简介:蔡逢煌(1976 ),男,福建莆田人,博士,教授,主要研究方向为电力电子变换及其控制、智能控制算法、故障诊断。Tel:0591-22866583;E-mail
7、:caifenghuang fzu edu cn0引言随着国家碳中和目标的提出,以太阳能发电、风力发电为代表的新能源发电的规模日益增长,装机容量逐年上升1-3,电力电子技术作为新能源发电重要的技术支撑,对其科学实验探究越来越成为高校教学的重点4-5。双有源桥(Dual-Active-Bridge,DAB)变换器第 42 卷因其模块化的对称结构、较高的功率密度、零电压开关、双向能量传输以及较为简单的移相控制等固有优势,广泛应用于新能源领域6-7。对 DAB 变换器的研究主要集中在其优化方案上,以提高变换器在不同工况下的性能。DAB 变换器最基本的控制方案是单移相(Single-Phase-Shi
8、ft,SPS)调制,SPS 只具有桥间移相角这一个控制量,控制方法较为简单8。当 DAB 变换器输入、输出电压不匹配或者工作在低功率段时,SPS调制会带来较大的电流应力及回流功率,导致变换器的效率下降。为解决 SPS 调制存在的问题,文献 9中提出了一种双重移相(Double-Phase-Shift,DPS)调制的电流应力优化方法,其具有桥间移相角和相等的原副边桥内移相角两个控制量,通过减小电流应力以提高 DAB变换器效率。文献 10中提出一种采用扩展移相(Extended-Phase-Shift,EPS)调制的电流应力优化方案,具有桥间移相角与原边桥内移相角两个控制量,实现 DAB 变换器最
9、小的电流应力。三重移相(Triple-Phase-Shift,TPS)调制具有桥间移相角、原边桥内移相角、副边桥内移相角 3 个控制量,能够使 DAB 变换器具有更好的性能。文献 11 中在 TPS 调制下,提出一种虚拟功率电流应力优化控制,能够在中低功率段实现电流应力最小并且具有优秀的动态性能。文献 12 中以减小回流功率和电流应力为目标,采用 DPS调制,扩大了 DAB 变换器传输功率的调节范围,并增强了功率调节的灵活性。目前对于 DAB 变换器教学的探究多是在仿真平台的基础上开展,文献 13 中利用等效电路模型法对DAB 变换器建模,并利用 PISM 仿真软件进行分析;文献 7 中在 D
10、PS 调制下提出了电流应力与回流功率优化方案,并在 MATLAB/Simulink 平台验证了其可行性与有效性,使学生对 DAB 变换器的优化控制有了更全面的认识。虽然仿真软件能够使学生比较全面地认识DAB 变换器的工作原理与特性,但是考虑到实物与仿真的差异性,仿真软件并不能够完全反映 DAB 变换器实物平台。本文在对 EPS 和 TPS 调制的不同工作模态进行理论分析后,在 TPS 调制基础上提出了电流应力优化方案,在 EPS 调制基础上提出了回流功率优化方案,并分别设计相对应的控制方案。提出了 DAB 变换器实验平台中开关管选型、磁性元件设计、辅助电路设计,采样控制电路设计、软件程序设计的
11、方法,指导学生搭建出 DAB 变换器的实物平台,并在该平台上进行优化控制实验。1移相调制DAB 变换器的拓扑结构如图 1 所示。图中:U1、U2分别为输入、输出端口电压;C1、C2为输入输出支撑电容;S1 S4、Q1 Q4为全桥电路功率开关管;L 为等效串联电感;变压器匝比 n 1;Uab、Ucd为变压器两端电压。图 1双有源全桥变换器的拓扑结构1.1EPS 控制DAB 变换器工作在 EPS 调制下功率正向流动时,一个开关周期内各模态的工作原理与波形如图 2 所示。DAB 变换器在 EPS 调制下有模态 a 与模态 b 两种工作模态,其中 D1、D0分别为开关管 S1和 S4、S1和Q1之间的
12、移相比,Ucd为 Ucd折算到原边的等效电压值;Ts、Th分别为一个和半个开关周期。(a)模态 a(0D1D01)(b)模态 b(0D0D11)图 2EPS 调制下各模态与工作原理与波形由于电感电流具有半波对称性,即 iLK(t)=iLK(t+Th),通过电感的电压、电流微分方程可计算半个周期内的电感电流表达式,以模态 a 为例,电流表达式为:iLK(t0)=nU04fLK k(D1 1)2D0+1iLK(t1)=nU04fLK k(D1 1)2D0+2D1+1iLK(t2)=nU04fLK k(2D0 D1 1)+1iLK(t3)=nU04fLK k(1 D1)+2D0 1(1)式中:电压比
13、 k=U1/(nU2);开关频率 f=1/Ts。DAB变换器的传输功率可以表示为P=1Tht4t0UabiLK(t)dt(2)24第 2 期蔡逢煌,等:双有源桥变换器优化控制与实验平台设计额定功率可以表示为PN=nU1U2/(8fLk)(3)将式(1)代入式(2),并相对于式(3)进行标幺化处理,得到标幺化传输功率 Pa;同理可以求解出模态 b的标幺化功率表达式 Pb。EPS 调制下 2 个模态的标幺化功率可以表示为:pa=2(2D20 D21+2D0D1+2D0 D1)pb=2(D20 D1+2D0 2D0D1)(4)1.2TPS 控制DAB 变换器在 TPS 调制下功率正向流动时,一个开关
14、周期内各模态的工作原理与波形,如图 3 所示。DAB 变换器在 TPS 调制下有 A、B、C、D、E、F 6 种工作模态,其中,D1、D2、D0分别为开关管S1和S4、Q1和(a)0D1D11,D1D0+D21(b)0D1D01,1D0+D21+D1(c)0D1D01,1+D1D0+D22(d)0D0D11,0D0+D2D1(e)0D0D11,D1D0+D21(f)0D0D11,1D0+D21+D1图 3TPS 调制下各模态的工作原理与波形Q4、S1和 Q1之间的移相比。TPS 调制下,同 EPS 调制构建电流与功率表达式的方法一致,模态 a 的电流表达式和标幺化功率表达式如下式所示:iLK(
15、t0)=nUo4fLkk(1 D1)+2D0+D21iLK(t1)=nUo4fLk k(1 D1)+2D0+D22D1 1iLK(t2)=nUo4fLkk(1 D1+2D0)D2+1iLK(t3)=nUo4fLk k(1 D1+2D0+2D2)D2+1(5)pA=2(2D20+2D0D12D0D2+2D0D21+D1D2 D1 D22+D2)(6)同理求出 TPS 调制下其他模态的标幺化功率表达式,如表 1 所示。表 1TPS 调制下 DAB 变换器的标幺化传输功率模态标幺化传输功率A2(2D20+2D0D12D0D2+2D0 D21+D1D2 D1 D22+D2)B2(2D0D1 D20+D
16、1D2 D1 D21 D2+1)C2(2D0D22D0+D223D2 D1D2+D1+2)D2(2D0 D12D0D1+D21+D2 D1D2)E2(2D0 D20 D1+D22D0D2+D1D2 D22)F2(1 D2 D1+D1D2)2DAB 变换器的优化方案2.1电流应力优化方案EPS 调制下的电流应力优化方案在 DAB 变换器处于低功率时性能较差14-15,因此,TPS 调制下的电流应力优化方案是一个更佳的选择。电流应力可以通过 TPS 调制下的电流表达式(5)的最大值获得:ip=max|iLK(t)|(7)同理可以求出其他模态的电流应力表达式,并根据iN=nUo/(8fLk)(8)给
17、出的电流基准值,可以得到标幺化后的各模态电流应力,如表 2 所示。表 2TPS 调制下 DAB 变换器的标幺化电流应力模态标幺化电流应力 ipA、D、E2k(1 D1)+2D0+D21B、C、F2k(1 D1)D2+1将标幺化电流应力作为目标函数,标幺化传输功率及移相角关系作为约束条件,通过基因遗传算法34第 42 卷(GeneticAlgorithm,GA)求解各功率段 k=3 时的最小电流应力的变化趋势,发现模态 D 与模态 E 相较于其他模态工作范围覆盖全功率段的同时具有更小电流应力。因此对模态 D 与模态 E 的标幺化电流应力及功率模型建立 KKT(Karush-Kuhn-Tucker
18、)目标函数,同时加入传输功率、移相角关系的等式及不等式约束限制条件,求解出电流应力最小时各移相角组合D0,D1,D2 的表达式11。得到各移相角的表达式为:D0=(k 2)(k2 2k+2)(1 p)2(k2 2k+2)+1/2D1=(k 1)(k2 2k+2)(1 p)k2 2k+2D2=0(2k 2)/k2 p 1D0=2p(k 1)2D1=1 2p(k 1)2k 2D2=1 k2p(k 1)2k 20 p (2k 2)/k2(9)采用直接功率控制的方法,利用 PI 控制器生成标幺化功率值,再由式(9)得出各个移相角的解。具体控制框图如图 4 所示。图 4电流应力优化方案控制框图2.2回流
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