DAB变换器控制系统仿真设计

北方工业大学电气与控制工程学院 王 鹏 魏耀全

本文根据DAB双有源桥变换器有关电路仿真拓扑基本结构，了解其电路工作原理，以此依据推导设计出DAB双有源桥变换器小信号模型，在Matlab/Simulink软件中，搭建了以单移相调制的DAB双有源桥变换器仿真控制算法模型，用电压闭环控制来真实观察其输出电压、负载电流以及额定输出功率等信号波形，实现了输入电压DC400V，输出电压DC48V，功率500W以及输出电压误差≤1%的技术指标要求。

1 DAB双有源桥变换器的数学模型

1.1 工作原理

DAB双有源桥变换器由前后两级构成，前后都是H全桥电路，中间由变压器连接，并在左侧全桥电路输出端串联电感，DAB双有源桥变换器拓扑结构如图1所示。

图1 DAB双有源全桥变换器原理图

图2 DAB变换器单移相控制工作原理波形

图1中：V1和V2分别为输入和输出侧电压源，C1为前级电路直流滤波电容，C2为后级直流滤波电容。DAB变换器前后两级的电路是对称全桥结构。为了控制功率传输的方向和大小，通过控制开关管S1-S8并施加适当的脉冲，可以交替打开和关闭开关，这样就可以实现双向能量传输。

1.2 数学模型

忽略电路损耗，考虑前级的瞬时功率和后级瞬时功率等同，有以下方程式：

式中：v1是V1的瞬时值；v2是V2的瞬时值。

DAB双有源变换器的输入功率得到：

式中：d = to /T为占空比；to如图2中所示。

则电流i1、i2分别为：

对电流i1、i2在施加扰动于静态工作点附近，这样就得到了DAB小信号模型：

对式（2.3）进行高等数学计算，得到：

根据上述公式即可得出DAB双有源桥变换器的等效电路图，如图3所示。

图3 DAB双有源桥变换器等效电路

从图3可知，传递函数Gvd以及Gvi分别为：

1.3 仿真参数（见表1）

表1 DAB变换器仿真模型参数

2 搭建仿真控制算法模型

2.1 闭环传递函数和控制框图

为了输出电压保持长久稳定，采用设计合适的控制器H(s)来调节动态输出控制量相移角δ的大小。本文采用如图4所示的控制框图进行控制，采用这种控制框图可以获得稳定的输出电压和输出功率。

前向输入通道的传递函数H(s)G(s)应该同时满足两个基本条件，这是为了实现单环控制器效率的提高和控制系统性能的提升，这是由经典单闭环控制系统理论的研究表明得到的：

（1）较大的截止频率（大于穿越截止频率）——并具备快速的截止暂态自动响应；

（2）低频信号的高增益，将稳态误差降至最低。

控制器模型H(s)的模型在设计过程中需要考虑一级功率电路和二级控制器G(s)的动态信号特性模型的描述方程，也就是双有源桥DC-DC变换器的小功率信号控制器模型。

图4 DAB双有源桥变换器的基本控制框图

2.2 仿真分析

2.2.1 仿真的搭建

如图5为主开环电路仿真,这一部分与整流桥开环电路仿真的模型相同。图6显示了闭环调节后的相移驱动信号。当系统检测到输出与期望值之间的错误时，它将自动比较并执行PID调整。最后，将获得相移角以继续控制转换器。对于此输出，执行相同的调整步骤，直到最终稳定在所需值。图7显示了相移后变压器一次侧和二次侧的交流电压。两个电压波形之间的角度是相移角。

2.2.2 结果分析

由图9和图10可以看出在闭环移相的控制效果下，DAB双有源桥变换器输出电压为DC48V，功率500W，输出电压误差≤1%，满足技术指标要求。

从仿真波形图8以及图9分析得出仿真模型的结果与理论分析的结果相符，验证了仿真模型的正确性。

结论：本文通过了解DAB变换器的工作原理，推导数学模型，主电路参数计算与设计控制策略及框图等前期准备工作，最后在Matlab/Simulink软件中搭建仿真模型，验证了DAB双有源全桥DC-DC变换器建模与控制策略的可行性和正确性。

随着直流配电网的发展，DAB双有源全桥变换器将存在着及其广泛的应用场景，而本文所做的工作可以为DAB双有源全桥变换器的设计以及变换器参数计算提供参考，具有良好的工程应用价值。

图5 DAB变换器SPS控制仿真

图6 移相驱动信号

图7 变压器原副边交流电压

图8 输出电压电流波形

图9 输出功率波形