面向直流配电网的双有源全桥的PID控制

雷光

摘要：随着直流配电网的快速发展，作为其关键设备的双有源全桥也成为研究的热点。本文针对双有源全桥的输出电压误差较大，对负载阶跃变化的动态响应较慢等问题提出了采用PID调节的闭环控制的方法，为方便说明，以单移相调制的CLLC谐振型双有源全桥为例进行仿真，分别用开环和闭环控制来观察其输出电压，负载电流等波形，证明了上述方法可以对直流变压器的输出电压进行精确控制或是在某一范围内对输出电压进行控制，同时使系统动态运行较稳定，且进入稳态时间较短。为今后入研究直流配电网的变换器拓扑及控制方法打好了基础。

Abstract： With the rapid development of DC distribution network， the double active full bridge， as its key equipment， has become a research hotspot. Based on the problem of the large output voltage error of dual active bridge and the slow dynamic response to load step change， the method of the PID closed-loop control is proposed. For the convenience of description， taking CLLC-type dual active bridge in a single phase shift modulation type as an example， the simulation respectively uses open loop and closed loop control to observe its output voltage and load current waveform， which proves that the method can precisely control the output voltage of the DC transformer or control the output voltage within a certain range， at the same time make the system dynamic operation stable， and shorter time to be in a steady state. It lays a foundation for further research on distribution network topology and control methods.

关键词： PID调节的闭环控制的方法;单移相调制;CLLC谐振型双有源全桥

Key words： PID closed-loop control;single phase shift modulation;CLLC-type dual active bridge

中图分类号：TM33                                     文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）13-0176-04

0  引言

由于电网中接入的负荷多为非线性或易受电压波动干扰负荷，交流配电网不再适应城市发展的需求，所以直流配电网引起了越来越多的关注。直流配电网相较交流配电网有明显的优势，不仅传输容量更大，电能质量更高，而且系统的稳定性更好[1-2]。

双有源全桥，即隔离型双向DC-DC变换器的优点是：第一，具有了更高的可靠性，还降低了质量、节约了空间，从而提高了功率密度;第二，两端口桥臂上的器件可以实现软开关控制，继而降低了损耗。因此这种直流变换器在PET、可再生能源发电及储能等重要场合都有很大作用。按照结构，隔离型DAB可划分为非谐振和谐振型两种[3-4]。常见的调制方法主要有4种，分别是：SPS、EPS、DPS和TPS调制[5]。

CLLC型DAB分为对称型与非对称型，对称CLLC型DAB作为一个独立的功率转换器时，通过闭环控制将目标电压/功率调节到参考值。它对功率的变化和电路参数的变化具有很强的鲁棒性。CLLC型直流变压器以其高功率密度优势和良好的双向输电能力在混合交流/直流微电网中非常流行，CLLC型直流变压器采用开环控制，与双向互联变换器配合，实现交流与直流母線之间的功率和电压转换[6-9]。在传统应用中（电动车和电池充电），CLLC型直流变压器通常是一个独立的功率转换器，而混合AC/DC微电网是CLLC型直流变压器的一个新应用，CLLC型直流变压器必须与双向互连转换器（bidirectional interlinking converter，BIC）进行合作，而不是一个独立的变换器。非对称型CLLC与对称结构的双向全桥CLLC谐振变换器相比，它省略了副边谐振网络的谐振电感，降低电路设计难度，也有利于减小变换器的体积尺寸和成本。双向车载充电机的研究逐渐成为热门，对其功率密度，效率和电压增益范围等性能指标的要求也日趋严格。非对CLLC双向DC/DC谐振变换器可以实现宽范围双向DC/DC变换，并且可以实现很好的电气性能，可以应用于车载充电机领域[10-12]。

对于DAB变换器来说，一个重要性能指标是当负载阶跃变化时，它能够保持良好的输出电压并具有良好的动态性能。文献[13]提出了简单的PI单闭环控制方法，优点是容易实现，但是对负载阶跃变化的动态响应较慢，输出电压误差较大。文献[14]提出了一种PI加前馈的混合控制，同样没有解决负载阶跃响应的问题。文献[15]提出了一种优化闭环控制的DAB变换器，但是采用的移相控制方法并未明确。

基于以上问题，本文提出一种采用PID调节规律实现对DAB变换器的控制，结合单移相控制方法能够更好地对直流变压器的输出电压进行精确控制或是在某一范围内对输出电压进行控制，闭环移相控制能在较宽范围内实现软开关，减小开关损耗，提高变换器效率。

1  CLLC型DAB

谐振型DC-DC变换器可以通过谐振网络使得流过高频变压器的电流为正弦波形，相比非谐振型直流变换器，不仅减小了电流的谐波含量和变压器的涡流损耗，同时使得关断损耗更小。CLLC型DAB分为对称型与非对称型，本文采用对称CLLC型DAB来作为说明。

1.1 拓扑结构

见图1，谐振网络由Lm，Cr，Lr，Cp参与谐振，由于其不同的匝比和谐振网络的不对称结构，CLLC型DAB拓扑都呈现出不同的前向和后向功率传输模式。电压增益可调范围较窄且相对稳定。要通过合理的CLLC型直流变压器电路参数设计保证开环控制的CLLC型DAB具有良好的电能传输能力并且可以消除实际电感/电容值变化对开环控制的CLLC型DAB的负面影响。CLLC型直流变压器作为一个独立的功率转换器时，通过闭环控制将目标电压/功率调节到参考值。它对功率的变化和电路参数的变化具有很强的鲁棒性。CLLC型直流变压器始终采用开环控制，与双向互联变换器配合，可以实现交流与直流母线之间的功率和电压转换。

1.2 单移相控制

单移相（single-phase-shift，SPS）调制是应用于双向直流变换器最常用的控制方法，在这种调制方式下，可以实现其高功率传输能力。尽管有很多新的能实现更多功能的调制技术，如：扩展移相（EPS）、双重移相（DPS）、三重移相（TPS）等，但是，单移相调制具有小惯性、高动态、易实现软切换控制等优点，SPS调制方式在允许更大范围的功率传输和易于应用方面是一个进步。

该方法通过控制移相角改变了电感上的电压，从而实现了对传输功率的调节，它的功率传递的方向是将从超前向滞后的电压一端传递。在图2中，Ts为半个开关周期，D为移相比，0？燮D？燮1。Uab：a和b之间的电压;Ucd：c和d之间的电压;U1：电容C1两端电压;U2：电容C2两端电压;V1：电源电压;R：输出负载。

2  控制方式

2.1 开环系统传递函数

开环即不需要将输出电压反馈与期望值进行比较进而调节系统;定频即使开关频率等于谐振频率，此时变换器的运行效果最佳，效率较高;同步即变压器前后全桥开关管驱动信号相同。若想对直流变压器的输出电压进行精确控制或是在某一范围内对输出电压进行控制，保证变换器在较宽的电压范围内也能高效率运行，可以利用闭环移相控制来代替开环同步定频控制。所有控制策略都是为了能在较宽范围内实现软开关，减小开关损耗，提高变换器效率，其中传统单移相控制是最简单易行的。

2.2 闭环系统的传递函数

为了使输出电压保持在预定值且能够被精准测出，变换器需要加反馈环节，如图 3 所示为控制器的结构框图。

3.2 开环仿真结果

图6为原副边谐振电感电流波形，由图可以看出谐振电流波形近似正弦，利用其周期性过零实现ZCS，且波形相位关系一致，幅值大小满足2：1的关系。如图7为变压器原副边电压，原边电压幅值为760V，副边电压幅值为378.86V。其为占空比50%的方波，周期均与开关周期相同为10μs，综上，电压满足变压器变比关系。

3.3 闭环仿真模型及参数

如图8为主电路仿真，这一部分与开环仿真模型相同。不同之處在于整流桥开关管的驱动信号：利用变换器的输出进行反馈调节得出的移相角进行移相，从而得出开关管的驱动信号，每个桥臂上两只开关管均为互补导通，所有斜对角的两只开关管都同开同关。

如图9，将变换器的输出与期望控制值做比较，进行PID、限幅调节得出适合的移相角，再将此移相角给占空比为50%的驱动信号产生移相的互补的一组驱动信号，并按照同一桥臂信号互补，斜对角信号相同的原则赋给相应的开关管。

如图11为闭环调节后的移相驱动信号，系统在检测到输出与期望值有误差时便会自动比较，并进行PID调节，最终得出一个移相角继续控制变换器工作，对本次输出进行相同的调节步骤，直至最后稳定在期望值。图12为移相之后变压器原副边交流电压，两电压波形相差的角度为移相角。闭环调压的本质就是通过改变变压器原副边桥臂中点电压的移相角来进行调压的。由图10可以看出在闭环移相的控制效果下，变压器二次侧的电压幅值达到380V。

从两组实验结果可以明显看出，相比较开环控制，闭环移相可精确控制输出电压，并极大地优化了波形，提高整体效率。采用PID闭环控制的DAB可以使系统动态运行较稳定，且进入稳态时间较短。实现较宽范围内软开关的同时提高了双向直流变换器的效率。

4  总结

国内配电网的发展落后于输电网，而配电网是直接面向用户的关键环节。目前直流配电网的研究处于初级阶段，仍然有大量的问题亟待研究和解决。其中直流配电网的拓扑结构就是研究的一个方面，DAB变换器目前成为了不可或缺的设备，所以对其控制方式以及效率优化也是今后研究的重点。

参考文献：

[1]江道灼，郑欢.直流配电网研究现状与展望[J].电力系统自动化，2012，36（8）：98-104.

[2]孙谦浩，王裕，宋强，赵彪，李建国.应用于直流配电网的双向全桥直流变换器比较分析[J].电力自动化设备，2017（10）.

[3]陆治国，祝万平，刘捷丰，等.一种新型交错并联双向DC/DC變换器[J]. 中国电机工程学报， 2013， 33（12）：39-46.

[4]Alonso A R， Sebastian J， Lamar D G， et al. An overall study of a Dual Active Bridge for bidirectional DC/DC conversion[C] Energy Conversion Congress and Exposition.IEEE，2010：1129-1135.

[5]Bai H， Nie Z， Mi C C. Experimental Comparison of Traditional Phase-Shift， Dual-Phase-Shift， and Model-Based Control of Isolated Bidirectional DC-DC Converters[J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2010， 25（6）：1444-1449.

[6]Kheraluwala M H， Gascoigne R W， Divan D M， et al. Performance characterization of a high-power dual active bridge DC-to-DC converter[J]. IEEE TransIndustry Applications， 1992， 28（6）：1294-1301.

[7]武琳， 张燕枝，李子欣，等. 一种隔离式双向全桥DC/DC变换器的控制策略[J].电机与控制学报，2012，16（12）：21-27.

[8]赵彪，于庆广，孙伟欣.双重移相控制的双向全桥DC-DC变换器及其功率回流特性分析[J].中国电机工程学报，2012，32（12）：43-50.

[9]王慧馨.用于车载充电机的双向DC/DC谐振变换器的研究与设计[D].浙江大学，2018.

[10]Huang J， Zhang X， Shuai Z， et al. Robust Circuit Parameters Design for the CLLC-Type DC Transformer in the Hybrid AC/DC Microgrid[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， PP（99）：1-1.

[11]Segaran D， Holmes D G， Mcgrath B P. Enhanced Load Step Response for a Bidirectional DC–DC Converter[J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2013， 28（1）：371-379.

[12]Bai H， Mi C， Wang C， et al. The dynamic model and hybrid phase-shift control of a dual-active-bridge converter[C].Industrial Electronics， 2008. IECON 2008. Conference of IEEE. IEEE， 2008：2840-2845.

[13]Mi C， Bai H， Wang C， et al. Operation， design and control of dual H-bridge-based isolated bidirectional DC-DC converter[J]. Iet Power Electronics， 2008， 1（4）：507-517.

[14]Qin H， Kimball J W. Closed-loop control of DC-DC dual active bridge converters driving single-phase inverters[C] Energy Conversion Congress and Exposition. IEEE， 2012.

[15]黄勤，柳杨，凌睿.基于不确定参数的双重有源桥变换器优化控制[J].计算机工程与应用，2016，52（3）：247-251.