双向有源直流变换器回流功率优化控制研究

杜永 张亚光 李丽宏

摘  要： 针对电力电子变压器中双有源全桥DC/DC变换器输出效率的优化控制问题，为降低变换器的回流功率，实现系统轻载时高效输出，提出基于三重移相的优化控制方法。使用傅里叶变换将周期性方波的电压源信号分解成不同频率正弦波激励源之和的形式，采用相量分析法建立系统数学模型，降低传统积分法建模过程的运算量。分析三重移相控制下端电压相量的运行区域，根据相量图构建电压三角形，得出最小回流功率下系统移相角的最优组合，以降低变换器的无功损耗，提高系统输出效率。仿真实验结果表明该控制策略的有效性，在轻载时可以大幅降低变换器的回流功率，提高变换器输出的效率。

关键词： 回流功率优化控制; 双向有源直流变换器; 电压源信号分解; 建模过程运算量; 电压相量运行区域分析; 移相角组合

中图分类号： TN876?34; TM391.9                   文献标识码： A                   文章编号： 1004?373X（2020）11?0172?04

Research on optimization control of backflow power of

bi?directional active DC/DC converter

DU Yong， ZHANG Yaguang， LI Lihong

（School of Information & Electrical Engineering， Hebei University of Engineering， Handan 056038， China）

Abstract： In view of the optimization control of output efficiency of dual active full?bridge DC/DC converters in PETs （power electronic transformers）， an optimization control method based on TPS （triple phase shift） is proposed to reduce the backflow power of the converter and realize the high?efficiency output of the system at light load. The Fourier transform is used to decompose the voltage source signal of the periodic square wave into the form of the sum of sine wave excitation sources at different frequencies. The phasor analysis method is used to establish the mathematical model of the system to reduce the computation of the modeling process with the traditional integral method and analyze the operation area of lower end voltage phasor controlled by the triple phase shift. The voltage triangle is constructed according to the phasor diagram to obtain the optimal combination of phase shift angles of the system at the minimum backflow power， so as to reduce the reactive power loss of the converter and improve the output efficiency of the system. The simulation results show that the effectiveness of the control strategy can greatly reduce the backflow power of the converter and improve the output efficiency of the converter at light load.

Keywords： backflow power optimization control; bi?directional active DC/DC converter; voltage source signal decomposition; computation of modeling process; voltage phasor operation area analysis; phase shift angle combination

0  引  言

电力电子变压器（Power Electronic Transformer，PET）概念最早是由美国GE公司提出的一种基于高频链接AC/AC的电气设备，用于替代传统的工频变压器[1]，被认为是未来电网朝着智能、灵活、互动方向发展的核心元件[2]。双有源桥（Dual Active Bridge，DAB）DC/DC变换器具有高功率密度、模块化对称结构、简易可行的移相控制和功率双向传输等优势，被广泛应用在PET的中间级[3]。

移相控制（Phase?Shift，PS）策略是变换器的主要控制方式，通过控制前桥[HB1]、后桥[HB2]之间的桥间移相角去控制功率的流动方向，由于移相控制方式单一且不能调节漏感电压波形，因此，移相控制方式会产生较大的回流功率[4]，导致变换器工作效率降低，尤其当变换器工作在轻载、端电压不匹配时，这一现象更加明显。文献[5]提出一种双重移相（Dual?Phase?Shift，DPS）控制方式，该方式在前桥中增加一个桥内移相角，通过优化两个变量去控制变换器的传输功率，在保证同等最大传输功率下，可以更加灵活地控制漏感电流的方向，但该文只讨论了前桥增加移相角的情况。文献[6]提出新的DPS控制方式，在前桥、后桥同时增加移相角，重新定义回流功率现象，指出回流功率是降低变换器效率的主要因素，但前桥、后桥两个移相角相等，因此该控制方式实际上还是两个控制变量。文献[7]提出三重移相（Triple Phase Shift，TPS）控制策略，全面论述了变换器在该控制模式下的工作状态。TPS控制变量增加到三个移相角，可以更加灵活、多样地控制电感电流的波形和方向，在轻载、端电压不匹配时，该控制方式优势明显。

针对上述问题，本文在传统TPS控制策略的基础上，使用相量分析法建立系统的数学模型，降低建模过程计算量，明确回流功率的物理意义。通过分析变换器传输功率、电感电流的相量图得出控制变量的最优解，降低系统回流功率，提高双向有源变换器功率传输的效率，并通过仿真验证该控制策略的正确性。

1  三重移相控制

1.1  TPS的工作原理

DAB直流变换器的拓扑结构如图1所示，主要由两个对称的有源全桥[HB1]，[HB2]和高频变压器[T]连接组成。其中，[Vin]和[Vout]是DAB变换器两端的直流电压源，[C1]，[C2]为电源侧的电容，起稳压作用，[Vp]，[Vs]是开关管[S1～S4]，[Q1～Q4]换向得到的交流方波，[Ls]为变压器漏感，[N]为变压器的变比，[k]为电压调节比[8]，[k=NVoutVin，0

三重移相控制下变换器的工作波形如图2所示。以功率管[S1]的上升沿触发信号[ug1]为参考时间，其中，[α2]是桥间移相角，[α1]是全桥[HB1]桥内移相角，[α3]是后桥[HB2]桥内移相角，[Ts]为一个开关周期，[ug1～ug4]，[uq1～uq4]分别是开关管的驱动信号。

如图2看出，电压[Vp]，[Vs]的波形由两电平变成三电平，漏感电压[VL]的电平数明显增多，波形变化也更加平缓。由此可知，SPS，DPS控制方式只是TPS的一种特殊情况，因此，研究TPS控制方式可以全面了解变换器的工作特性。

1.2  功率回流的现象

回流功率产生本质上是因为电感电流具有滞后性造成的，如图3阴影部分所示。

2  变换器工作特性分析

DAB变换器的电路拓扑结构原理可等效为图4的简化电路图，由两个等效的方波电压源和变压器漏感构成。

使用傅里叶变换将电压源[Vp]和[Vs]展开，得到表达式为：

由式（1）可以看出[Vp]，[Vs]是由无数不同频率的激励源构成[9]，其中，[ω=2πf]，[f]是功率管的开关频率。

由图4等效电路和式（1）可得到[Vp]，[Vs]和[VL]的相量形式：

[Vp=2Vinπ∠0°+∠（-α1）Vs=2NVoutπ∠2（-α2）+∠（-α3）VL=Vp-Vs] （2）

由式（2）可知，电压[Vp]有效值的大小由端电压[Vin]和桥内移向角[α1]决定，相量图如图5所示。

同理，可得电压[Vs]的相量图如图6所示。与相量[Vp]不同的是，[Vs]受控变量更多，它的变化更加灵活多样，运行轨迹范围也更大。

由图5，图6可以看出，随着移相角[α1]和[α3]的增大，输出电压[Vp]，[Vs]有效值在减小，因此，在大负荷、满功率运行时，传统SPS控制将会有一定的优势，文献[9]的结论也因此得出。由式（2）可得，电感电流[IL]表达式为：

3  最小回流功率控制策略

TPS移相控制下，相量[Vp]，[Vs]，[VL]构成一个电压相量三角形，如图7所示。

定义相量[Vp]，[Vs]的夹角为[φ]，由相量图可得[φ]的表达式为：

[φ=α2+α3-α12] （4）

由式（4）可以看出，当夹角[φ]一定时，存在无穷多对（[α1]，[α2]，[α3]）满足条件[8，10]。由图4等效电路图可得系统有功功率和无功功率分别为：

[P=V2inksin φωLsQ=V2inkcos φωLs] （5）

图8a），图8b）分别是SPS，DPS控制下电压三角形的运行区域。

由电压三角形几何关系得：

[cos φ=NVoutVin=kcos（α12）=cos（α2+α32）IL=Vink2-2kcos φ+1kωLs] （6）

由式（6）可以看出，[IL]和夹角[φ]成正比，夹角[φ]越小，[IL]越小。结合式（4）～式（6）可得，当DAB变换器输出一定时，移相角[α1]，[α2]，[α3]满足以上条件可以得到最优解，此时变换器的回流功率最小，可提高变换器的功率因数。

4  仿真结果与分析

为验证上述控制策略的有效性和可行性，在Matlab/Simulink软件中构建双有源桥直流变换器仿真模型。图9为三种策略下回流功率随输入电压变化的结果，图10为系统效率随着输出电压变化的结果。

由以上结果可知，随着输出电压的增加，三种控制方式下系统回流功率随之增加，无论在轻载和额定负载下，TPS控制策略对回流功率具有较好的抑制作用，此时系统的传输效率更高，最高达到90.25%，平均传输效率在87.67%以上。

5  结  论

本文以双向有源全桥直流变换器为研究对象，分析传统控制方式下功率回流的现象。使用相量分析法建立系统回流功率、有功功率、无功功率的数学模型，减小传统方法建模的运算量，通过分析双向直流变换器相量图的实际运行区域，提出一种基于三重移相的控制方法。通过分析仿真结果可得如下结论：

1） TPS控制策略可以有效减小系统回流功率的现象，提高系统的输出效率和动态性能。

2） 基于相量分析法建立的数学模型，可以直观看出TPS控制下双向有源变换器的工作状态，该方法有明确的物理意义。

参考文献

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