双有源桥钳位变换器的简单PWM移相控制策略

孙 玥，程新功，王鲁浩，曹立霞，丁广乾

双有源桥钳位变换器的简单PWM移相控制策略

孙 玥１，程新功１，王鲁浩１，曹立霞２，丁广乾１

(1.济南大学自动化与电气工程学院，山东 济南 250022；2.山东建筑大学信息与电气工程学院，山东 济南 250101)

针对传统移相控制方法下双有源桥变换器会产生较大电流应力和在宽电压范围下低效率运行的问题，提出一种面向双有源桥钳位变换器的简单PWM移相控制策略。首先，利用钳位开关的运行周期和占空比取代变换器内移相比，以简化原边H桥工作过程并提高控制自由度。然后，计算了副边H桥开关管的占空比。通过分析所提出的移相控制策略的工作原理和软开关特性，推导出以传输功率标幺值为控制量的线性大信号模型。最后，采用基于TMS320F2808为控制器的实验平台进行验证。实验结果展示了简单PWM移相控制降低了变换器的电压应力和电流应力，显著提升了变换器的传输效率。

双有源桥；钳位变换器；简单控制；调制方法；效率

0 引言

电池储能可以平抑风力发电、光伏发电的功率波动，提高并网风电场、光伏电站的电能质量，促进电力系统稳定运行[1-4]。搭建科学合理的能量传输系统是实现储能和新能源友好互动的关键所在。双有源桥(Dual Active Bridge, DAB)变换器具有能量双向流动、电气隔离、功率密度高以及易于实现软开关等特点[5-8]，已在直流配电网、电动汽车、分布式能源等领域广泛应用[9-12]。

电池储能环节存在电压宽范围变化情况，为提高其传输效率，控制DAB变换器在宽电压下高效运行至关重要。一般情况下，DAB的控制方式主要分为移相控制和直流变压控制。

单移相(Single Phase Shift, SPS)控制是DAB最简单的控制策略，该控制操作简单、易于实现[13]，但在输入输出电压幅值不匹配时，电流应力和回流功率会大幅提升，降低变换器的效率[14]。扩展移相(Extended Phase Shift, EPS)控制相比SPS控制减小了回流功率并扩大了零电压开通(Zero Voltage Switching, ZVS)的操作范围，提高了传输效率[14]。双重移相(Dual Phase Shift, DPS)控制相比EPS控制功率调节范围大，传输功率方向改变时切换容易，提高了调节的灵活性[15-16]。随着控制自由度增加，文献[17]提出三重移相(Triple Phase Shift, TPS)控制，TPS控制的研究主要集中在优化运行领域。由于这种控制方式存在3个控制量，增加了控制维度。但是，TPS控制具有12种工作模态，模态切换和优化问题求解困难[18]。

此外，文献[19]提出直流变压控制，该控制由于H桥逆变器的输出交流电压必须低于直流侧电压，变压器变比决定了其调压能力，所以该方式限制了变换器的调压范围。文献[20]基于移相控制提出一种调制方法提高电压增益，但该调制方法会产生较大的电压应力。在宽电压范围的应用中，DAB的性能通常不能达到最大[21]。

为提高变换器性能，文献[22]根据文献[23]提出双有源桥钳位(Dual Active Bridge Clamp, DABC)变换器的拓扑结构，由于变压器原边侧输出电压为五电平，降低了高频变压器两端的电压应力。同时，该拓扑结构在不同电压转换比下电流应力显著降低。但该控制方法复杂，操作难度大。

1 简单PWM控制的工作原理及模型分析

1.1 简单PWM控制策略的工作模态分析

图1 双有源桥钳位变换器

图2 简单PWM移相控制原理波形图

Fig. 2 Waveform of simple PWM phase shift control strategy

图3 简单PWM移相控制策略半周期的工作状态

由于电感电流前半周期和后半周期波形具有对称性，后半周期的模态分析与前半周期类似。

1.2 简单PWM移相控制策略稳态特性推导

SPS控制的额定电流为[24]

根据式(8)、式(13)、式(14)得到简单PWM移相控制的电流应力标幺值为

SPS控制的额定传输功率为[41]

根据式(8)—式(12)得到简单PWM移相控制的传输功率为

根据式(16)和式(17)对简单PWM移相控制的传输功率标幺化，则有

假定负载是固定电阻，输出功率为

Buck模式下的电压增益为

2 简单PWM控制策略的调制方法

图4 简单PWM移相控制策略和文献[22]提出的控制策略宽电压范围对比

DAB变换器减小开关损耗的重要途经是开关管实现软开关控制[25]。由于开关S0在变换器中起到电压钳位的作用，在整个负载范围内除开关S0外，所有开关的零电压开通都很容易获得，它确保了最小的开关损耗和更高的传输效率，如图5所示。

图5 V1侧H桥和V2侧H桥软开关特性

图6 双有源桥钳位变换器传输功率随移相比变化的曲线

3 基于线性化功率模型的控制方案

DABC变换器进行能量传输需要自身的开关来进行控制，开关导通与关断的过程是一个非线性过程。常规的模型以移相比作为输入变量，所建立的大信号模型存在严重的非线性，只能通过推导出相应的小信号模型来分析控制系统[26]，而小信号模型阶数高，耦合严重，会大大增加分析的复杂性和控制器的设计难度[18]。本文基于PI控制器构建一个线性化简洁的大信号模型，通过控制标幺化传输功率，DABC运行状态变化时传输功率快速地转换成输出功率，保证DABC在宽电压范围内能高效运行，实现快速精准的动态控制[27]。

图7 DABC变换器的大信号模型

在DABC变换器的闭环控制系统中采用PI控制器[29]，其控制规律为

由此可将DABC变换器的闭环控制等效为图7(c)，其中闭环传递函数的特征方程为

通过极点配置的方法可以得到

图8 简单PWM移相控制原理图

4 实验分析

图9 DABC实验平台

表1 实验平台参数

图10 控制系统结构

图12 负载R变化时输出电压和输入、输出电流瞬态实验波形

图13 效率曲线对比

5 结论

本文基于DABC变换器提出了一种简单PWM移相控制策略，并对其进行建模仿真分析和实验，可以得出以下结论：

1) 利用S0的占空比和开关周期实现变换器在一个移相比下拥有3个控制自由度，提高了变换器传输功率的可控性，增强了功率调节的灵活性。变压器原边电压为五电平，降低了电压应力。

3) 通过占空比和变压器匝数比结合，DABC变换器在BUCK模式下可以获得更宽的电压范围，提高了变换效率；在宽电压范围下，该变换器电流应力较小，较小的电流应力可以延长开关管的使用寿命，并且可以选择较低等级的开关管，从而降低开关管的成本。

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Simple PWM phase shift control strategy for a dual active bridge clamp converter

SUN Yue1, CHENG Xingong1, WANG Luhao1, CAO Lixia2, DING Guangqian1

(1. School of Electrical Engineering, University of Jinan, Jinan 250022, China;2. School of Information and Electrical Engineering, Shandong Jianzhu University, Jinan 250101, China)

A simple PWM phase shift control strategy for a dual active bridge clamp converter is proposed to address the problems of large current stress and low transmission efficiency over a wide voltage range in the conventional phase shift control method. First, the operational period and duty cycle of the clamp switch are used instead of the inter phase shift ratio of the converter to simplify the primary H-bridge operation and improve the degrees of control freedom. Then the duty cycle of the secondary H-bridge switches is calculated. By analyzing the working principle and soft switching characteristics of the proposed phase shift control strategy, a linear large-signal model is derived with the unified transmission power per-unit value as the control quantity. Finally, an experimental platform based on TMS320F2808 as the controller is used for verification. The results demonstrate that the simple PWM phase shift control reduces the voltage stress and current stress of the converter and significantly improves its transmission efficiency.

dual active bridge; clamp converter;simple control; modulation method; efficiency

10.19783/j.cnki.pspc.211433

国家自然科学基金项目资助(61803174)；山东省自然科学基金项目资助(ZR2019BF024，ZR2020ME198)

2021-10-25；

2022-01-19

孙 玥(1996—)，男，硕士研究生，研究方向为双有源桥DC-DC变换器控制技术与应用；E-mail: sunyue_996@ 163.com

程新功(1973—)，男，通信作者，博士，教授，研究方向为电力电子技术、新能源发电等；E-mail: cse_cxg@ ujn.edu.cn

王鲁浩(1987—)，男，博士，讲师，研究方向为复杂能源系统建模优化、优化理论及应用。E-mail: cse_wanglh@ ujn.edu.cn

This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 61803174).

(编辑 魏小丽)