引言

在電力電子領(lǐng)域,電力電子變壓器(PowerElectronicsTransformer,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)。雙有源橋(DualActiveBridge,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。DAB由對稱的逆變橋和整流橋組成,結(jié)構(gòu)上模塊化對稱: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。

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。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。拓撲抑制和控制策略抑制是解決該問題的主流手段,但無論是怎樣的拓撲抑制,都會增大硬件體積,成本也會隨之增加。文獻通過拓撲抑制的方式降低紋波,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,并通過嚴謹?shù)臄?shù)學推導和合理的仿真驗證,證明了本文所提方法的可行性和合理性。

1DDA工作的一般機理

1.1DDA工作原理

三級式PET結(jié)構(gòu)拓撲如圖1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拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。原副邊開關(guān)管的開關(guān)頻率相同,遵循對角導通原則,副邊移相比為d,周期為rs。Udcl和Udc2為中間級DAB變換器的兩側(cè)電壓,為便于分析,此處Udcl和Udc2視為直流電壓。高頻變壓器變比為m:l。DAB在sPs控制下的工作波形如圖3所示。

低壓側(cè)的穩(wěn)定傳輸,并通過嚴謹?shù)臄?shù)學推導和合理的仿真驗證,證明了本文所提方法的可行性和合理性。

1DDA工作的一般機理

1.1DDA工作原理

三級式PET結(jié)構(gòu)拓撲如圖1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。

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]。

1.2DDA二次諧波產(chǎn)生機理

圖4為三級式PET整流側(cè)部分,輸入電壓為:

輸入電流為:

其中Vin為輸入電壓峰值,Iin為輸入電流峰值,О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[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?shù)难舆t,因此需要引入一個延遲環(huán)節(jié)Gd,表示為Gd=e-sT。

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P1控制。本文使用的控制器為P1R控制器。P1R的傳遞函數(shù)表達式如下:

為補償二倍頻,即100Hz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P1可用于對直流信號的跟蹤,兩者結(jié)合形成的P1R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)?？刂破鞑糠质褂肞1控制器和P1R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,P1R控制在二倍頻附近的增益是比較高的,比起P1控制,可以更好地跟蹤和補償二次諧波電流。

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P1控制器和P1R控制器進行對比。圖7(a)是DAB使用傳統(tǒng)閉環(huán)控制,且控制器為P1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200V,上下波動大小為士3.8V:圖7(b)是采用P1R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200V,上下波動大小為±1.6V。

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)性能指標控制提供了理論基礎(chǔ)。