ISOP-DAB的均压均流控制方法综述

徐 硕，马智远，许 中，周 凯

(广东电网有限责任公司 广州供电局，广州 510620)

随着分布式能源的发展，直流电网得到众多研究[1]，下一代高压直流电网技术将成为电网发展的重要方向[2-3].相较于传统的交流电网，直流电网在建设成本、容量、传输效率等方面具有一定优势[4-6].目前有关直流电网的研究，集中在关键设备研发、电网架构、调度与控制、运行与保护等方面[7-9].其中，作为能量汇集与分配枢纽，直流变压器受到广泛关注，在拓扑和控制方面得到了系统的研究.

考虑到与交流电网相匹配，直流变压器的中压侧电压一般能达到10 kV电压等级，而功率半导体器件即使经过若干次更新换代，电压等级和容量大幅提升，但其发展跟电网的要求仍有很大差距，因此面对电力系统高压大功率应用的需求，更需要展开对电路拓扑的研究，以便直流变压器能够承受电网中的中高压[10].目前研究较为广泛的直流变压器拓扑大致可以分为三类：两端口型、多端口型和模块化组合型.其中，将多个变换器模块进行串并联组合，可以有效降低功率半导体器件的电气应力，并且所有的功率模块结构一致，可以实现模块化设计，有效减少制造时间和成本，同时提高系统可靠性，所以此类型的直流变压器更为常见[11-12].

一般来说，直流变压器需要双向传输能量，并且从功率传输和控制的角度上出发，两侧需要达到隔离要求.当前研究热点——双有源桥(Dual Active Bridge，DAB)DC-DC变换器[13]能够有效实现电气隔离和能量双向流动，同时可以使各开关器件实现软开关，降低开关损耗，并且对变压器的漏感能量也可充分利用，从而有效改善变换器性能，因此在各类型的直流变压器中应用极为广泛，也是模块化串并联组合型的理想基本单元.

实际上，模块化串并联组合有4种典型结构，但本文作者主要针对基于DAB变换器的输入串联输出并联(Input Series Output Parallel, ISOP)结构进行讨论.各模块之间的功率均衡是ISOP-DAB直流变压器正常工作的基本前提，否则就有可能产生某个模块过压等问题，造成器件损毁，甚至使得整个系统失稳，影响运行安全，因此关于各模块功率均衡的研究至关重要.针对ISOP结构，各模块之间的输入电流、输出电压恒相等，因此需要解决的问题就是输入均压(Input Voltage Sharing, IVS)与输出均流(Output Current Sharing, OCS)，而根据能量守恒，在假定各模块传输效率一致时，输入均压即可保证输出均流，输出均流亦可保证输入均压.

有关ISOP结构实现输入均压和输出均流的控制策略已经进行了广泛研究，各种方法相继被提出，然而针对众多的控制方式，目前鲜有系统性的比较，缺乏较为全面的阐述，因而当面对具体工况时，难以选择相对合适的方案.因此本文作者将众多控制方法分为自然功率均衡法和特殊的IVS或OCS控制两大类，结合PSIM仿真平台进行仿真分析，比较各均压均流方法的优缺点，对ISOP-DAB型直流变压器的均压均流控制给出参考，以便根据不同的实际需求做出更合适的选择.

1 ISOP-DAB型直流变压器介绍

为了实现高压大功率传输的要求，目前直流变压器中研究较多的拓扑即是ISOP结构.整个电路拓扑由N个隔离功率模块组成，输入侧各模块之间进行串联，保证能够承受中高压，而输出侧并联在低压母线上，从而输出大电流，ISOP结构如图1所示.

图1 ISOP结构

隔离型DAB变换器由于众多优良特性，被广泛应用，也满足作为ISOP结构基本功率模块的要求.DAB变换器拓扑结构简单，由输入侧的高频逆变器、中间的高频变压器和输出侧的高频整流器构成，结构如图2所示.

图2 双有源全桥 DC-DC 变换器

图2中Vin、Vo为输入、输出电压，Vab为AB之间电压，Vcd为CD之间电压，iL为原边电感电流，L为外加电感与变压器漏感之和，Cd、Cf为输入、输出侧电容，变压器变比为n:1，Q1～Q8为开关管.

目前针对于DAB的控制策略主要有3种：变频控制、占空比控制和移相控制.其中移相控制通过调节总电感L两端电压移相角，控制功率传输的大小和方向，实现软开关容易、动态响应快，因而更为常用.随着控制自由度数量的变化，移相控制分为单移相、双移相、三移相等[14-15].单移相控制(Single Phase Shift, SPS)[16]是最传统、最简单的移相控制方法，在非轻载、输入输出电压匹配的工况下，DAB传输效率较高，且相对于其他控制方法，大大降低了控制复杂度，且本文侧重于解决各模块间的均压均流问题，因此对单个DAB不做过多优化考虑，选择SPS作为DAB模块的控制方式.该方法唯一的控制自由度为移相比D，即输入和输出侧H桥间移相角与180°的比值.在不考虑死区时间的情况下，每支桥臂上下两个开关管互补导通，对角开关管同时导通，所有导通信号占空比均为50%.

基于ISOP-DAB的直流变压器是由N个DAB变换器进行串并联组成，结构如图3所示.

图3 ISOP-DAB直流变压器

图3中所有DAB模块都期待做到参数完全一致，然而受限于现实制作工艺，每个模块包含元器件众多，参数上难免会有差异.假设其他参数完全一致，只有总电感L1～LN大小不同，若不加控制，整个电路仍有失稳的风险，需要引入一定控制，保证输入均压与输出均流.

2 自然功率均衡法

2.1 共同占空比方案

自然功率均衡法中最简单的形式是共同占空比控制方案，在较早的文献中就已经研究使用[17-19]，控制框图如图4所示，根据输出电压参考值Voref和反馈值Vo进行控制，通过同一个比例积分(Proportional Integral，PI)调节器得到各模块占空比，即D1～DN，并保证整个系统的稳定运行.但是，变换器之间的各项参数不匹配导致均分精度差.失配程度越大，均分的准确性就越差.

图4 公共占空比控制框图

考虑到DAB采取SPS控制方式，因此可以称之为共同移相比方案.针对ISOP-DAB进行仿真，由于各DAB参数存在差异会导致模块间无法实现均压均流，若将各DAB总电感值误差设定在±5%以内，其他系统参数见表1，采取不同控制策略进行仿真后，即可探究每种控制策略的有效性，分析其是否能够保证系统稳定以及均压均流.

表1 系统参数

共同移相比控制下所有模块共用一个系统输出电压环，由此电压环产生一个共同的移相比，所有模块按此移相比产生开关管驱动信号，仿真结果如图5所示.

图5 公共移相比控制下的系统输出电压和各模块输入电压

由图5可知，在系统输出电压环的作用下，输出电压Vo能够迅速稳定在参考值，但是两模块的输入电压Vin1、Vin2并未达到平衡，表明在各模块之间参数存在差异的情况下，系统并不能实现很好的均压效果.实际上，SPS调制下的DAB功率传输表达式为

(1)

式中：P表示每个模块的传输功率；n表示变压器变比.

可以推出输入电压与输出电压以及其他电路参数的关系为

(2)

式中：R表示负载大小.

由式(2)可知，输出并联使得两模块Vo相等，共同移相比控制使得D相等，其他参数只设定L有差异，必然使得两模块的输入电压Vin1和Vin2不同.而由于现实制作工艺的影响，各个模块参数不可能做到完全一致，也将不能保证所有DAB变换器的输入均压和输出均流[20].

2.2 无互联上翘控制策略

自然功率均衡法中另一类无互联上翘控制策略原理为：将各模块输入电压以一定的比例叠加到系统输出电压参考值上，即

Vrefj=Voref+kj·Vinj

(3)

式中：Vrefj是实际的输出电压参考值；Voref是给定的电压参考值；kj是上翘系数；Vinj是DAB模块的输入电压；j=1,2,…,N.

然后通过独立的PI调节器生成各模块自身的移相比如图6所示，每个模块均采用相同的控制方式，且只需要采集系统输出电压和自身输入电压，模块间不需要进行任何控制上的联系，除控制外，功率电路也完全相同，拥有很好的系统可靠性、冗余性以及可扩展性[21-22]，完全实现了ISOP结构的模块化设计.文献[23]将上翘控制中采集的输入电压信号Vinj替换成输出电流信号Ioj，文献[24]将电压参考值Voref替换成输出电流参考值Ioref，均可在无互联情况下满足均压均流要求.

图6 输出电压上翘控制策略

对无互联上翘控制策略做进一步说明，由式(3)和图6可知，给定的输出电压参考值Voref上会迭加一个分量kj⋅Vinj，新的电压参考值Vrefj增大，最后当系统稳定时，实际输出电压会高于Voref，若kj不变，输入电压Vinj增大，迭加的分量也增大，则系统输出电压随之升高，因此本控制方案也被称为输出电压上翘控制策略.基于此控制策略的ISOP-DAB仿真结果如图7所示，仿真中上翘系数均取0.05.

图7 上翘控制策略下的系统输出电压和各模块输入电压

由图7可知，系统输出电压能够迅速稳定，但是会高于设定值，这与理论分析是一致的，因为输出电压基准值叠加了kj·Vinj，即0.05×666=33.3，所以会略有失真.而各模块间输入电压能够实现很好的均分效果，达到了均压均流的要求.

对于ISOP结构，多个功率模块同时经过PI控制器调节系统输出电压，系统是无法稳定的，这是因为各个模块的输出电压采样误差不同，导致输出电压失稳.而对于输出电压上翘控制策略，各个模块输出电压的采样误差全部由自身输入电压误差承担，即上翘控制策略能保证系统稳定，但是会影响输入侧的均压效果，不过由于各模块主电路和采样电路设计的一致性，导致采样误差影响甚微.

对于该控制策略来说，最核心的工作是上翘系数k的选取，k值大小对结果的影响如图8所示.

图8 输出电压上翘系数对均压精度的影响

图8展示了两个模块的输出电压上翘特性，可以看出上翘系数增大，输入均压效果变好，然而此时系统输出电压更失真，即输出电压调节率变差，因此这是始终矛盾的特性，在实际中需要综合考量，选择一个折中的k值.与此同时，在实际应用中，可以引入一个输出电压校正环节，通过PI调节器将电压偏移量消除掉，或者在选取k值后，通过合理的估算重新给定电压参考值Voref，也可以适当改善电压偏移的问题.

结合针对图6～图8的分析可知，输出电压上翘控制策略虽然提升了系统的可靠性，改善了模块化程度，但是在宽输入电压下不能保证输出电压调节率维持在很好的状态[25-26].

3 采用特殊的IVS或OCS控制器

采用共同占空比和无互联上翘控制，各个DAB变换器之间无需通信，控制简单，但是在均压均流效果或者输出电压调节率方面有一定缺陷，为解决此问题，一些特殊的IVS或OCS控制器的方案被陆续提出.

3.1 IVS控制方案

对于ISOP均压均流控制策略的研究，绝大部分是从输入端展开的，因此控制每个模块输入电压的信息至关重要.特殊的IVS控制策略可以总结为三环控制与双环控制，具体控制框图如图9所示.

图9 三环和双环控制框图

三环控制是指控制中包含有系统输出电压环、各变换器模块的输入均压环和电流内环.系统输出电压环旨在维持系统输出电压稳定，均压环实现模块间输入电压均分的效果，二者的输出一并作为各模块的电流内环的参考信号，电流内环的输出最终经过处理产生开关管的驱动信号.在文献[27]中，由两个全桥变换器构成ISOP结构，电流内环采取电荷控制，采集各模块的输入电流作为反馈信号.在文献[28]中，研究的是一种交错串联-并联双管正激结构，电流内环采取峰值电流控制，采集各模块的输入电流作为反馈信号.若采集各模块的输出电流作为电流内环的反馈信号，即可成为平均电流控制方案[29-31].可以看出在三环控制中，可采集各变换器的输入电流或者输出电流作为反馈信号，电流内环有多种方式可供选择.

如果去除三环控制中的各模块电流内环，即可得到双环控制策略.实际上，三环控制策略的电流环可以总结为用于改善系统的动态特性，因此双环控制策略即可实现均压均流.由于本文的侧重点即是均压均流的实现，对动态特性不做过多考量，因此采用双环控制就可验证IVS类方案的可行性，仿真结果如图10所示.

图10 双环控制下的系统输出电压和各模块输入电压

由图10可知，系统电压能很快地稳定在设定值，同时各模块输入电压也能很快达到均分状态.

双环控制策略可以达到很好的均压均流效果，并且可以通过简单的改进实现这两个环节的解耦，因此可以独立设计控制器，减少控制参数的调试难度[32-33].但其最大的缺点就是控制上需要采集系统输出电压和各模块输入电压，要满足相应的隔离要求，同时输入侧一般是高压侧，对于高电压的采集难度也会有所提升.

3.2 OCS控制方案

早期ISOP结构的均分控制是从输入端执行的，这是因为该结构的负阻抗模型意味着使用传统输出电流均分控制策略后，系统将会不稳定[34-35]，甚至一度认为不能摆脱输入端只从输出端进行控制，因此相关的OCS控制方案研究较少，目前较为成熟的OCS方案有交叉反馈输出均流控制(Cross Feedback Output Current Sharing, CFOCS)[36-37]和输出电流差分控制(Output Current Differential, OCD)[38].

文献[36-37]针对无输入电压前馈项的ISOP系统提出了一种CFOCS控制，如图11所示，可以消除输入电压传感器，只采集输出端的电压Vo和各模块电流Ioj(j=1,2,…,N)，并确保输入电压和输出电流的均分.两模块系统的交叉反馈控制方案交换了两个复合模块的占空比，使其稳定运行，然而随着模块数量的增多，每个模块需要获取的信息是剩余其他所有模块的输出电流之和，控制电路的复杂性急剧增加，这也意味着交叉反馈方案不适用于多模块系统.

图11 N模块下交叉反馈控制框图

为了适用于多模块系统，文献[38]提出了OCD控制，如图12所示，是一种划分主从结构的OCS类控制方案，方案中的所有控制和采样电路都在输出端，消除了控制和采样电路中的隔离问题，由于ISOP连接的输出端是低压端，这意味着输出电流采样比输入电压采样更容易实现.该控制方案由一个输出电压调节器环路和单独的负载均流环路组成，主模块通过公共输出电压环路调节输出电压，并向从模块提供电流参考.从模块中的单个均流环路平均调节每个模块中的电流.根据功率平衡，同时实现输入电压均分.

图12 输出电流差分控制

由图12可知，主模块N用于控制系统输出电压，从模块1～N-1负责调节输出均流，控制器便于扩展，即使增加模块数量，控制逻辑仍保持一致，没有增添复杂度，解决了交叉反馈方案多模块下控制复杂的问题.将其应用到ISOP-DAB结构中，由于DAB的输出电流是高频脉动电流，因此无法直接采样使用，需要通过滤波器滤波或者求出平均值后再代入到控制系统中，两模块的输出电流平均值分别为Io1ave和Io2ave，基于OCD方案的仿真结果如图13所示.

图13 OCD方案下的仿真结果

由图13可知，系统输出电压能够迅速稳定在设定值，模块输出电流的平均值在稳态时基本一致，说明达到了很好的输出均流效果，根据能量守恒，自然也实现了输入均压.

OCS方案最大的优势在于所有控制和采样电路都在输出端，消除了控制和采样电路中的隔离问题[36-38]，但是针对于特定的ISOP-DAB结构来说，每个模块输出电流在一个开关周期内脉动较大，难以进行采样控制.

4 结论

面对高压大功率应用的需求，ISOP-DAB直流变压器能够有效解决输入高电压、输出大电流的问题，由于DAB自身特性，能够实现电气隔离和能量双向传输，且易于实现软开关、便于进行模块化设计.该结构最主要的问题就是均压均流的实现，因此本文选择不同的控制策略针对ISOP-DAB结构进行仿真，从而比较分析，总结现有方案的优劣性，结论如下：

1)自然功率均衡法优势在于各个模块之间控制上没有任何联系，且简单易实现，模块化程度和系统可靠性较高.然而共同占空比方案均压均流效果受限于模块参数差异程度，动态性能较好，响应较快；上翘控制策略能基本实现均压均流要求，但是该效果与电压调节率呈矛盾属性，动态性能一般.

2)采用特殊的IVS或者OCS控制器，能够分别实现相当精确的IVS和OCS，但模块控制上不再完全独立，降低了模块化程度与可靠性.针对IVS控制中最典型的双环控制，控制器设计相对简单，但是输入与输出侧均要采集信号，对采样与隔离带来一定困难，动态性能一般，可通过引入电流内环，加快响应速度；而OCS控制相关成果较少，较好的OCD方案因为只采集输出侧信息，解决了IVS中隔离的问题，动态性能很好，响应迅速，但是ISOP-DAB的输出侧是高频脉动电流，要先做滤波或者求平均值的预处理，增添了一些复杂程度.

3)本文通过各种方法的比较，希望针对ISOP-DAB的均压均流控制给出参考，以便根据实际工作目标和侧重点，选择合适的方案.