双有源桥DC-DC变换器的最小回流功率控制研究.pdf
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1、96第40 卷第6 期2023年6 月真机一+仿算文章编号:10 0 6-9348(2 0 2 3)0 6-0 0 96-0 6双有源桥DC-DC变换器的最小回流功率控制研究孙雨晴,陈卓,刘柏霖,郝正航(贵州大学电气工程学院,贵州贵阳550 0 2 5)摘要:针对DAB中存在的功率回流现象并以降低系统回流功率为目标,提出了一种基于EPS控制的回流功率优化控制策略。上述策略通过分析DAB的工作原理并运用KKT条件将约束条件转换为约束函数,然后建立拉格朗日多项式函数求极值,从而求得回流功率的最优解。同时,通过引人虚拟电压分量对变换器的传输功率进行实时估算与补偿,设计了一种直接功率补偿的控制方法,实
2、现系统在突变情况下的快速响应能力。最后,仿真结果表明了所提优化控制策略优化回流功率的同时,也降低DAB的电流应力并改善其动态响应特性。关键词:拉格朗日乘数法;移相控制;回流功率优化:动态响应中图分类号:TM46文献标识码:BResearch on Minimum Return Power Control of DualActive Bridge DC-DC ConverterSUN Yu-qing,CHEN Zhuo,LIU Bo-lin,HAO Zheng-hang(College of Electrical Engineering,Guizhou University,Guiyang Gu
3、izhou 550025,China)ABSTRACT:Aiming at the power recirculation phenomenon in DAB and aiming to reduce the system recirculationpower,this paper proposes a return power optimization control strategy based on EPS control.Based on this strategy,we analyzed the working principle of DAB and used the KKT co
4、ndition to convert the constraint condition into a con-straint function,and then established a Lagrangian polynomial function to find the extremum,so as to obtain the opti-mal solution of the reflux power.At the same time,by introducing virtual voltage components to estimate and compen-sate the tran
5、smission power of the converter in real time,a direct power compensation control method was designed torealize the rapid response capability of the system under sudden changes.Finally,the simulation results show that theproposed optimized control strategy optimizes the return power while also reduci
6、ng the DABs current stress and im-proving its dynamic response characteristics.KEYWORDS:Lagrangian multiplier method;Phase shift control;Reflux power optimization;Dynamic Response1引言随着微电网技术逐渐成为新能源系统的发展趋势1,2 为实现电网和分布式电源的协调发展,微网技术对未来分布式电源的实际应用至关重要。因双有源桥DC-DC(DAB)变换器能够实现能量双向流动,且具备了大功率容量、电气隔离和零电压导通(ZVS)
7、等特性3,受到了国内外电气研究者们的广泛关注。单重移相(SPS)4,5是DAB目前比较成熟的控制方式,但是,当输人与输出不匹配时,这种控制方式存在较大的回基金项目:国家自然科学基金项目(518 6 7 0 0 7)收稿日期:2 0 2 1-10-2 1修回日期:2 0 2 1-11-0 3流功率,从而增加了DAB的功率损耗。为改善SPS存在的缺陷,文献6 通过对比分析传统SPS控制和双重相移(DPS)控制下变换器的性能,提出了一种基于DPS控制的电流应力优化开关策略。文献7 建立了的DAB的电流应力优化数学模型,并根据卡罗需库恩塔克(KKT)条件对所有有效开关模式进行分析。文献8 提出了一种改
8、进的非对称双向调制策略以减少电感电流的系统调节时间。文献9基于三重移相(TPS)调制建立了一种预测模型,提出了一种基于模型预测控制的控制策略。为降低电流应力优化方案计算的复杂程度,文献10 提出了一种统一标准移相控制(UPS)电流应力优化方案,UPS控制模式可以简化为传统的SPS和扩展移相(EPS)、D PS模式。文献11 提出了一种简化的最优占空比的推导,给出了在不同的DAB应用场景下97最小化回流功率的全局最佳相移量。随着控制自由度的增加,DAB的传输效率得以提升,但同时也增加了系统分析与控制的复杂度,软开关范围也会受到限制。因此,找寻解决一种提升传输效率的同时简化控制方式和拓宽软开关范围
9、的控制策略具有重要意义。基于文献7 的分析,针对DAB中存在功率回流现象的问题,本文从DAB的工作原理出发,详细讨论了DAB的ZVS特性,根据KKT条件和拉格朗日乘数法构建优化函数求解回流功率的极小值,同时,设计一种直接功率补偿的控制方法提升DAB在突变情况下的动态响应能力。最后在Matlab/Simulink平台上对所提优化控制策略的可靠性和优越性进行验证。2DAB的拓扑结构及功率特性分析2.1DAB的拓扑结构图1为DAB的电路原理图。五1一SS3SsS72一1AUC十111.iCU21UAB一UcDD1BT(n:1)1-一S2S4S8图1DAB的电路原理图其中:开关管S,S4为变压器T一次
10、侧的H,桥,SsSs变压器T二次侧的H,桥,上下桥臂为18 0 互补导通,斜对角为同开、同断,开关管的脉冲信号均采用PWM调制,均工作于开关频率。CI、C为H桥的缓冲电容,L为所有漏感之和,定义,开关管的半周期为Th,电压转换比k=U,/nU,且k1。2.2DAB的功率特性分析本文对DAB的原理分析是基于EPS控制实现的,因此,定义H,桥内的内移相角,与的比值为该控制方式的内移相占空比D,取:0 D,1,桥H,与H,桥之间的外移相角2与的比值为该控制方式的桥间移相占空比Dz,取:0D,1。根据移相比D,、D,的不同组合形式,本文将EPS控制方式分为两种模式进行原理分析,即:1)模式A(0 D,
11、D,1);2)模式B(0DD,1),则DAB的工作波形如图2 所示,通过对其工作原理的全面分析,建立DAB的U,侧的功率数学模型。1)模式A如图2()所示,根据电感电流讠的正负对称性即:i(t)=-i(t+T h s),定义功率的基准值Pbase为SPS控制方式下nU,U2的最大传输功率,即:Pbase则可得传输功率的标么8Lf.UAB-T:D衣1-1-:-U-1-1-:111!1-1-1:-112福(a)模式A(0DD1)UABD,T,-1Ue-D,T,-U-1-1-1-46(b)模式B(0D,D,1)图2EPS控制方式下DAB的工作原理波形值为PAPA=2(2D,D,-D-2D-D,+2D
12、,)(1)Pbase回流功率的标么值为QAk(D,-1)+2D,-2D,+12qA(2)Pbase2(k+1)2)模式B如图2(b)所示,同理可根据讠各个时刻的值计算出此时的传输功率标么值表达式为PBPB=2(D D,-2D,D,+2D,)(3)P回流功率标么值为Q:k(D,-1)+1-2D,2qB(4)P2base2.3软开关特性分析由于DAB电路中的开关器件偏多,开关损耗是一个需要重视的问题,为了能够尽可能减小DAB的开关损耗,提高传输效率,优化回流功率的同时还需满足开关器件的ZVS特性,从而消除所有开关管的开关损耗12.13。由于是半周期正负对称,因此,当前半周期满足零电压开通时,后半周
13、期也同98样满足,根据图2(a)所示,模式A的ZVS条件为:i(t i)0,i(t z)0,结合电流波形可解得开关器件在EPS控制方式下模式A的ZVS条件为D,(k+2)-k+1D22(5)k(D,+1)-1D22k同理,根据图2(b)所示,模式B的ZVS条件为:i(t o)0,i(t)0,i(t)0,结合公电流波形可解得开关管在EPS控制方式下模式B的ZVS条件为k(D,-1)+1D22k-1D(6)D,(2-k)+k-1D2223回流功率优化控制策略3.1回流功率优化方案根据第1节分析可知,优化的目标即为考虑传输功率和ZVS特性的条件下寻求回流功率的极小值,而拉格朗日乘数法常被用来解决此类
14、最优问题。因此,运用拉格朗日乘数法建立约束条件与目标函数之间的数学关系,并借助拉格朗日乘数入和松弛变量将约束条件和目标函数合并到一起,从而求得目标函数的局部最优解,其一般形式为minf(X)S.t.g.(X)=0u=1,2,mh,(X)0V=1,2.,n其中,f(X)为目标函数,g(X)为等式约束条件,h(X)为不等式约束条件。通过这种方法可将优化问题最终转换成拉格朗日函数多项式求解,则对应的函数表达式为L(X,(A.l;(.1)=f(X)+g.(X)+Zu,h,(X)u=10=1其中,入,是g(X)对应的约束系数,,是h,(X)对应的约束系数,局部最优解X*需满足的KKT条件为dL0dxX=
15、X*入?0u=1,2,.,mg.(X*)=0,0U=1,2.,nh,(X*)0u,h,(X*)=0因此,以回流功率为优化目标函数,传输功率为等式约束条件,ZVS条件为不等式约束条件,则建立模式A情况下的拉格朗日多项式为k(D,-1)+2D,-2D,+12L=+入2k(2(k+1)2D,D,-D,-2D,-D,+2D,)-p+D,(k+2)-k+1-2D,+zk(D,+1)-1-2kD,)+s(-D,)+(-D2)+s(D,-1)+g(D,-1)+(D,-D,)(7)其中p为给定传输功率,解得模式A的局部最优解为(1+k)V(1-p)(k+2k+2)Dk2+2k+2(8)1kV(1-p)(k+2
16、k+2)D2+22(k2+2k+2)同理,可建立模式B的多项式为k(D,-1)+1-2D,2L2+入 2k(D-D,2-2D,D,+2D,)=p+,k(D,-1)+1-2D,+z(k-1-kD,)+s2D,-D,(2-k)-k+1)+(-D,)+s(-D,)(D,-1)+,(D,-1)+g(D,-D,)(9)解得模式B的局部最优解为V2p(k-1)D,=12(k-1)(10)1(k-2)/2p(k-1)D2十24(k-1)当DAB变换器运行在模式A(0D,D,1)情况时,2(k+1)此时的传输功率范围为p1,当运行在模式B(0(h+2)2D,D,1)时,此时的传输功率功率范围为:0 p2(k-
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