基于电压跟随的模块化DAB控制策略

沈阳工程学院自动化学院 110136

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摘要：针对双有源全桥DC-DC 变换器其输入电压和输出电压不成比例以及由此引起的模块化 DAB 传输功率不平衡的现象，以单移相控制下的 DAB 为研究对象，以功率正向流动为例，提出一种电压跟随的控制策略。通过设置输入电压反馈系数和输出电压反馈系数，保证 DAB 输出电压与输入电压始终成比例，在控制输出电压的同时，稳定输入电压，并针对基于模块化直流侧电压不均衡的问题，设计加入均压环节。同时对系统存在静差、动态性能不稳定的问题，在反馈环节加入控制器，改善了系统的性能。最后搭建模型，通过实验，验证所提出方法可以在模块化前提下实现直流侧均压，输出电压与输入电压始终符合给定的比例，提高系统运行的稳定性，改善系统的动态性能。

关键词：模块化；双有源全桥 DC-DC 变换器；电压跟随；反馈系数

0、引言

双有源全桥（Dual Active Bridge，DAB）DC-DC变换器[1-2]具有电气隔离、模块化耐高压超高压、功率密度高、双向功率传输和软开关容易实现等优点，在光伏发电[3]、风电并网、电动汽车及不间断供电设备等新兴的能源变换系统中广泛应用。传统的工频变压器可以满足电气隔离与电压匹配的需要，但由于其体积巨大、质量沉重、对环境污染大、电压电流无连续调节和综合控制功能等一系列缺点，不能满足科技社会快速发展的需要。在这一发展前提下，电力电子变压器（Power Electronic Transformer，PET）凭借其具有电气隔离、电压变换、无功补偿等优势引起了国内外许多专家和学者的广泛关注。为了进一步提高功率水平和功率密度，被广泛采用的PET传动系统包括三部分：单相级联多电平整流器（cascaded H-bridge，CHB）、双有源全桥DC-DC变换器以及三相逆变器。

本文介绍了DAB的拓扑结构，详细分析了其在单相移控制下的工作方式，阐述了电压跟随控制的原理，搭建了电压跟随控制模型。以三个模块的DAB为例，针对模块参数不匹配引起的输出电压波动问题，提出了一种改进的分压方法。在此基础上，在仿真环节针对系统静态误差和动态性能不稳定的问题增加了控制器以提高系统的性能。通过仿真实验，将该方法与传统方法进行了比较，验证了该方法的有效性。

1、DAB结构及工作模态

DAB变换器的电路拓扑由两个全桥电路与一个高频变压器组成，结构上完全对称。具有带电气隔离、能量可双向流动、结构模块化、容易并联等优点。

双向DC-DC变换器拥有许多的控制方法，最基本的为使用单移相角进行控制。单移相角控制是一次侧全桥H1与二次侧全桥H2都以占空比为50%的PWM波作为开关管的控制信号，但是两个全桥的控制信号之间相差一个角度，称这个角度为移相角，通过改变这个移相角的大小，可以改变一次侧辅助电感VL上的电压与电流，进而控制能量流动的方向与二次侧电压的大小。

2、DAB控制系统

针对模块化DAB进行研究，为避免模块数量过多以及控制方法过于复杂而影响实验的快速性，故本文以3模块单移相DAB为例，采用电压跟随控制方式，采用这种控制方式可以保证DAB输出电压与输入电压始终成比例，在控制输出电压的同时，稳定输入电压，解决了传统控制模式下由于模块参数不一致导致的DAB传输功率不平衡的问题。

2.1电压跟随控制原理

本文通过调整输入电压与输出电压的反馈系数，便可以控制输入电压与输出电压的比例。同时，DAB输出级并联，各模块的输出电压相同，调整各模块的反馈系数，也可以控制输入电压均压[18-20]。

2.2 DAB闭环控制系统设计

如图 1 所示，其中 Gvo 为 PWM 调制器传递函数；H1 与 H2 为输入电压与输出电压的采样系数。带入电路参数Gm=1/400，H1=1，H2=10，等效电阻 R=480Ω，输入电容 C1=1000μF，输出电容C2=2000μF，电感 L=40μH，开关频率 f=10kHz，匝比 n=10 可得系统的传递函数为：

在后续仿真实验中发现系统存在静差，同时穿越频率过低，故设计加入 PI 控制器，提高系统动态性能。

3、实验验证

DAB电路的主要参数如表1所示。

3.1电压跟随控制实验

本文使用的DAB 控制方式为电压跟随控制，在第二节中进行了详细的介绍，按照电压跟随控制的方式，输入电压与输出电压的比值和输入电压反馈系数与输出电压的反馈系数相同。

3.2 稳定性对比实验

使用奈奎斯特稳定判据对开环传递函数进行判断同时结合伯德图，可以分析到该系统是稳定的，由伯德图可以看出系统的低频增益较低，会使系统稳定运行时出现静差，同时穿越频率过低，系统动态性能较差。

3.3输入侧均压实验

在未加上均压环节时，改变输入测负载分别为 480Ω，550Ω，400Ω，仿真得到三个模块的直流电压。3个模块的占空比一样，但负载不一样，故3个模块的输入侧电压不能都保持在给定值上。

在加上均压环节后，3个模块由于负载不同的情况下，3个模块的直流电压波形在暂态时有所不同，但是在稳定后，3个模块的电压均稳定在4000V 左右。

4、结语

本文针对电力电子变压器中的DAB 变换器，分析其在单移相控制下的工作模态，提出了电压跟随的控制方法，并设计搭建电压跟随模型控制器，该方法可以在不改变 DAB 变换器正常工作模态情况下，使其输出电压与输入电压始终以给定比例运行，同时对输入侧加入均压环节，避免了模块化 DAB 由于自身或前级整流器各个模块的主电路参数无法保证完全一致导致的传输功率不平衡现象。此外，为了改善系统的动态性能，设计了一种 DAB 闭环控制器。仿真实验结果表明：该方法可以达到无静差控制，穿越频率得到提高，系统动态性能得到较大改善。

参考文献：

[1]肖华睿.双向DC/DC变换器模块化技术研究[D].黑龙江：哈尔滨工业大学，2016.

[2]张玄.数字化移相式三相双有源桥双向DC/DC变换器的研究[D].湖北：华中科技大学，2011.

[3]黄宜平，马晓轩.微电网技术综述（英文）[J].电工技术学报，2015（S1）：9.

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