双重移相控制下双有源桥变换器的优化控制

班国邦, 曾宝宝, 袁旭峰, 马晓红, 欧阳泽宇, 刘丽

(1.贵州电网有限公司电力科学研究院,贵州 贵阳 550002;2. 南方电网公司防冰减灾重点实验室,贵州 贵阳 550002;3. 贵州大学 电气工程学院,贵州 贵阳 550025;4. 贵州电网有限公司毕节供电局,贵州 毕节 551700)

0 引 言

双有源全桥(dual active bridge,DAB)DC-DC变换器具有能量双向流动和功率密度高等优点而广泛应用于能源变换系统［1］。DAB传统控制策略存在动态响应能力差以及电感电流应力大等问题［2］。同时,DAB传统单重移相控制(single phase shift control,SPS)只有一个移相角,优化提升空间较小。因此,需要在DAB变换器传统控制基础上提出更多具有适用性的DAB优化控制策略［3］。

文献［4］将动态矩阵控制(dynamic matrix control, DMC)引入到DAB的SPS控制策略中,改善了DAB的动态性能,但是该控制方法在线求解量较大。文献［5］提出的DAB优化控制策略,其回流功率数学模型比较复杂,不利于实际应用。文献［6］提出了DAB的直接功率优化控制,但该控制策略在负载突变工况下的有效性有待验证。

针对DAB变换器所存在的电流应力及动态性能问题,本文提出一种基于双重移相控制(dual phase shift control,DPS)、结合电流应力优化以及输出电流前馈的方法。首先,通过LMM-KKT算法得到DPS控制下DAB电流应力最优移相角;其次,引入输出电流前馈控制,进一步提高DAB变换器的动态响应能力;最后通过MATLAB/Simulink仿真验证了在输入电压突降和负载突增等工况下,所提优化控制策略的正确性及有效性。

1 DAB工作原理

DAB变换器拓扑如图1所示,主要由原副H桥、高频隔离变压器T、等效漏感L以及输入、输出电容C1和电容C2组成。其中:uab、ucd为原副边高频交流方波电压;高频变压器变比为n∶1;R为等效负载电阻。本文设定变压器n=1,电压传输比k=U1/nU2,并规定功率由原边流向副边,即k>1。

DPS控制下,变换器工作在0≤D1≤D2≤1和0≤D2≤D1≤1两种工作模式下。DAB变换器电压电流波形如图2所示。

由图2,可求得DAB变换器在DPS控制下的传输功率P和电流应力iL。表达式如式(1)、式(2)所示。

(1)

(2)

对传输功率和电流应力进行标幺化:

(3)

(4)

2 DAB传统控制策略

图3为DAB传统控制策略示意图,DAB变换器的桥内移相比D1为给定值,桥间移相比D2为PI控制输出值。由于控制策略单一。因此,传统控制策略下,DAB变换器的动态性能及电感电流应力优化效果较差。为满足系统设计要求,一般需要对DAB的动态性能及电流应力进行综合优化控制。

图3 DAB传统控制策略示意图

3 DAB变换器电流应力优化

拉格朗日乘数法通常用于寻找一个或多个等式优化问题的解决方案,当约束既包含等式也包含不等式时,则需要将该方法拓展到KKT条件［7］。KKT条件的具体数学形式为:

(5)

式中:Y为优化目标函数;x为变量;h为等式约束条件;g为不等式约束条件。

对于DAB变换器,在0≤D1≤D2≤1工作模式下,Y(x)为电流应力的优化目标函数,如式(6)所示。

(6)

等式约束条件hi(x)=0为:

(7)

不等式约束条件gj(x)≤0为:

D1≥0,D2≥0,D1≤1,D2≤1,D1≤D2

(8)

综上,KKT条件函数式为:

(9)

解得移相比D1、D2表达式:

(10)

此时对应的功率区间为:

(11)

同理,0≤D2≤D1≤1工作模式下,KKT条件函数式:

(12)

移相比D1、D2表达式:

(13)

此时对应的功率区间为:

(14)

4 输出电流前馈控制

相比于传统直接功率控制,输出电流前馈控制更为简单［6］。图4为输出电流前馈控制示意图。

图4 负载电流前馈控制示意图

引入负载电流前馈,移相比D1、D2优化表达式如表1所示。

系统总体控制策略框图如图5所示。

图5 优化控制策略下系统控制结构示意图

5 仿真验证

为验证理论分析的正确性,在Simulink仿真平台上搭建了仿真模型,参数如表2所示。

表2 Simulink仿真模型参数

5.1 输入电压突变仿真

设定DAB输出电压参考值为30 V,负载电阻为30 Ω;0.05 s时,输入电压由100 V下降至70 V。由图6(a)可知,单移相闭环控制下的输出电压稳态恢复时间约为10 ms;图6(b)为优化策略控制下输出电压、电流波形,均保持不变,动态性能得到较大提升。

图6 输入电压突降时两种控制策略下的输出电压电流波形

5.2 负载突变仿真

设定DAB输入电压为100 V,输出电压参考值为30 V;在0.05 s时,负载电阻由30 Ω跳变到15 Ω时,由图7(a)可知,单移相闭环控制下,输出电压恢复时间约为20 ms;由图7(b)可知,优化策略控制下输出电压、电流保持稳定。

图7 负载突变时两种控制策略下的输出电压电流波形

5.3 电流应力仿真

设定DAB输入电压为100 V,输出参考电压为30 V。由图8可知,在传统单移相闭环控制下,电感电流峰值为15.6 A;优化策略控制下,电感电流优化至9.2 A。

图8 两种控制策略下的电感电流波形

6 结束语

本文提出一种基于双重移相控制、结合电流应力优化方案,引入负载电流前馈的方法。在电流应力减小的同时,提高了变换器的动态响应能力。仿真结果验证了该优化控制策略的正确性和有效性。