抑制DAB变换器回流功率的双重移相调制策略

李善寿，王 浩，叶 伟，方潜生，颜 普

抑制DAB变换器回流功率的双重移相调制策略

李善寿1，王 浩1，叶 伟2，方潜生1，颜 普1

(1.安徽建筑大学智能建筑与建筑节能安徽省重点实验室，安徽 合肥 230022；2.安徽南瑞继远电网技术有限公司，安徽 合肥 230088)

双有源桥(Dual Active Bridge, DAB)变换器在传统双重移相(Dual Phase Shift, DPS)调制下，变压器两侧电压不匹配时，中小功率区域内回流功率较大。针对以上问题，提出一种抑制回流功率的双重移相(Dual Phase Shift for Reactive Power Suppression, DPS-RPS)调制策略。首先对DPS-RPS调制的工作原理进行分析并建立数学模型，基于该模型对电流应力进行优化。然后在电流应力最小化条件下分别对DPS调制和DPS-RPS调制的回流功率及电流应力大小进行对比。结果表明，相比较于DPS调制，DPS-RPS调制在中小功率区域内减小了回流功率的同时降低了电流应力。最后通过实验验证了所提DPS-RPS调制的可行性及有效性。

双有源桥变换器；双重移相；回流功率；电力应力

0 引言

储能系统是解决可再生能源发电间歇性及随机波动性的有效途径[1-4]，双向DC-DC变换器是储能系统的重要组成部分[5-8]，双有源桥(Dual Active Bridge, DAB)变换器由于具有功率密度高、电气隔离、能量双向流动等特点，是双向DC-DC变换器的基本拓扑结构之一，SPS(Single Phase Shift)调制是DAB变换器的基本控制策略[9-13]，然而SPS调制下存在较大回流功率及电流应力，整体效率偏低。

为提高DAB变换器的转换效率，相关文献对电流应力、回流功率及软开关等方面展开研究[14-17]。文献[18]对两控制变量的传统DPS(Dual Phase Shift)调制的研究表明，传统DPS调制下的变换器工作效率明显优于SPS调制，然而并没有对回流功率进一步优化。文献[19]提出了传统DPS调制下电流应力优化方法，然而并没有涉及对回流功率的分析。针对回流功率问题，文献[20]提出了一种双重双向内移相调制下最小回流功率控制策略，但仅在电压传输比为1时进行了分析，并不具备普遍性。文献[21]研究了DPS调制下全功率范围软开关的实现条件，然而通过软开关优化在中低负载区域内会使电流应力大幅增加，降低了变换器工作效率，且同样没有涉及回流功率的优化。文献[22-23]研究了具有三控制变量的三重移相(Triple Phase Shift, TPS)调制方法，然而TPS控制方法分析复杂，工程应用中难以实现。

为进一步提高DAB变换器的转化效率，本文从回流功率的角度出发进行研究，通过改变传统DPS调制的内移相方式，改变回流功率的作用时间，提出DPS-RPS(Dual Phase Shift for Reactive Power Suppression)调制策略，首先分析DPS-RPS调制的工作原理并建立数学模型，利用所建立的数学模型对电力应力进行优化，然后对比研究了不同工况下电流应力最优时DPS及DPS-RPS调制下回流功率及电感电流峰值大小。最后搭建以TMS320F28335为核心控制器的DAB变换器数字控制实验平台，对理论分析进行实验验证。

1 DAB变换器原理及回流功率特性分析

1.1 DAB变换器拓扑结构

图1 DAB变换器拓扑

1.2 SPS调制原理

下文所涉及标幺化表达式均以式(2)作为基准。

1.3 DPS调制原理及回流功率特性分析

两种模式下电感电流峰值标幺化表达式均为

2 抑制回流功率的双重移相调制策略

2.1 DPS-RPS调制基本原理

2.2 DPS-RPS调制工作原理分析

以DPS-RPS调制模式1为例，对DPS-RPS的工作原理进行分析，忽略系统损耗，并认为所有开关器件都是理想开关器件，根据伏秒原理，在一个周期内，DPS-RPS调制下变换器工作波形具有对称性，本文仅分析前半个周期的工作原理，后半周期的分析相同，具体如下。

2.3 DPS-RPS调制策略的数学模型

求得DPS-RPS调制模式1的传输功率表达式为

对式(12)、式(13)标幺化得到

DPS-RPS调制模式2的分析同模式1，得到模式2各个时刻的电感电流表达式为

同理得到模式2电流峰值及传输功率标幺化表达式为

3 电流应力优化对回流功率的影响

3.1 电流应力最优的移相比求解方法

根据文献[28]，建立电流应力最优时移相比的求解公式，如式(20)所示。

分别将式(14)、式(15)及式(6)代入式(17)和式(18)，求得DPS-RPS调制策略下模式1及模式2的电流应力最优移相比分别为

以上分析表明DPS-RPS调制只能在中小功率区域内(标幺化功率0～0.667)对电流应力进行优化。

将式(3)、式(4)代入式(20)，求得DPS调制下模式1及模式2的最优移相比分别为

3.2 电流应力最优条件下回流功率对比分析

3.2.1 DPS-RPS调制回流功率特性分析

3.2.2 DPS调制回流功率特性分析

将式(24)、式(25)代入式(5)，得到DPS调制电流应力优化后的回流功率为

3.2.3 DPS-RPS及DPS调制下回流功率对比分析

图5 优化后回流功率对比

3.3 电流应力对比分析

分别将DPS-RPS的最优移相比表达式(21)、式(22)代入式(14)、式(17)，得到DPS-RPS调制下电流应力优化后电感电流峰值为

将式(24)、式(25)代入式(4)得到DPS控制下优化后的电流峰值为

图6 优化后电流应力对比

4 实验验证

4.1 实验条件

为验证所提DPS-RPS调制策略的可行性及相关理论分析的准确性，根据文献[29]的DAB闭环控制方法，搭建了以TMS320F28335为核心控制器件的DAB变换器闭环控制实验平台进行实验验证。

表1 实验平台参数

4.2 实验结果分析

图7 输出电压为30 V、负载为10 W实验波形

图8 输出电压为40 V、负载为10 W实验波形

图9输出电压为30 V、负载为5 W实验波形

图10 输出电压为40 V、负载为5 W实验波形

5 结论

针对DAB变换器在传统DPS调制下中小功率区域内回流功率较大的问题，对传统DPS调制进行了改进，提出了一种抑制回流功率的双重移相调制策略(DPS-RPS)，通过改变传统DPS调制的内移相方式，减小了回流功率的作用时间来抑制回流功率。并通过理论分析与实验验证，证明所提DPS-RPS调制策略的有效性。本文所提方法减小回流功率的同时降低了电流应力，可推广至DAB变换器提高中小功率区域的转换效率应用中。

论文后续将进一步研究高功率区域回流功率及电流应力的优化方法。

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Dual phase shift modulation strategy for reactive power suppression of a DAB converter

LI Shanshou1, WANG Hao1, YE Wei2, FANG Qiansheng1, YAN Pu1

(1. Key Laboratory of Intelligent Building & Building Energy Saving, Anhui Jianzhu University, Hefei 230022, China; 2. Anhui Nari-Jiyuan Power Grid Technology Co., Ltd., Hefei 230088, China)

There is a problem in that reactive power is large in the medium and low power range when the voltage on two sides of the transformer is mismatched under the traditional dual phase shift (DPS) modulation of a dual active bridge (DAB) converter. Thus a dual phase shift (DPS-RPS) modulation strategy is proposed to suppress the reactive power. First, the working principle of DPS-RPS modulation strategy is analyzed and a mathematical model is established. Based on the model, the current stress is optimized. Then the reactive power and current stress of DPS and DPS-RPS modulation are compared for when the current stress is at a minimum. The results show that compared with DPS modulation, DPS-RPS modulation not only decreases the reactive power, but also reduces the current stress in the medium and low power range. Finally, the feasibility and effectiveness of the proposed DPS-RPS modulation are verified by experiment.

dual active bridge converter; dual phase shift; reactive power; current stress

10.19783/j.cnki.pspc.211503

国家自然科学基金项目资助(61901006)；博士科研启动项目资助(2020QDZ40)

This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 61901006).

2021-11-05；

2022-04-06

李善寿(1979—)，男，博士，副教授，研究方向为新能源发电及电力电子变换技术。E-mail: xlisq79@163.com

(编辑 周金梅)