面向直流配電網的雙有源全橋的PID控制

雷光

摘要：隨著直流配電網的快速發展，作為其關鍵設備的雙有源全橋也成為研究的熱點。本文針對雙有源全橋的輸出電壓誤差較大，對負載階躍變化的動態響應較慢等問題提出了采用PID調節的閉環控制的方法，為方便說明，以單移相調制的CLLC諧振型雙有源全橋為例進行仿真，分別用開環和閉環控制來觀察其輸出電壓，負載電流等波形，證明了上述方法可以對直流變壓器的輸出電壓進行精確控制或是在某一范圍內對輸出電壓進行控制，同時使系統動態運行較穩定，且進入穩態時間較短。為今后入研究直流配電網的變換器拓撲及控制方法打好了基礎。

Abstract： With the rapid development of DC distribution network， the double active full bridge， as its key equipment， has become a research hotspot. Based on the problem of the large output voltage error of dual active bridge and the slow dynamic response to load step change， the method of the PID closed-loop control is proposed. For the convenience of description， taking CLLC-type dual active bridge in a single phase shift modulation type as an example， the simulation respectively uses open loop and closed loop control to observe its output voltage and load current waveform， which proves that the method can precisely control the output voltage of the DC transformer or control the output voltage within a certain range， at the same time make the system dynamic operation stable， and shorter time to be in a steady state. It lays a foundation for further research on distribution network topology and control methods.

關鍵詞： PID調節的閉環控制的方法;單移相調制;CLLC諧振型雙有源全橋

Key words： PID closed-loop control;single phase shift modulation;CLLC-type dual active bridge

中圖分類號：TM33 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）13-0176-04

0 ?引言

由于電網中接入的負荷多為非線性或易受電壓波動干擾負荷，交流配電網不再適應城市發展的需求，所以直流配電網引起了越來越多的關注。直流配電網相較交流配電網有明顯的優勢，不僅傳輸容量更大，電能質量更高，而且系統的穩定性更好[1-2]。

雙有源全橋，即隔離型雙向DC-DC變換器的優點是：第一，具有了更高的可靠性，還降低了質量、節約了空間，從而提高了功率密度;第二，兩端口橋臂上的器件可以實現軟開關控制，繼而降低了損耗。因此這種直流變換器在PET、可再生能源發電及儲能等重要場合都有很大作用。按照結構，隔離型DAB可劃分為非諧振和諧振型兩種[3-4]。常見的調制方法主要有4種，分別是：SPS、EPS、DPS和TPS調制[5]。

CLLC型DAB分為對稱型與非對稱型，對稱CLLC型DAB作為一個獨立的功率轉換器時，通過閉環控制將目標電壓/功率調節到參考值。它對功率的變化和電路參數的變化具有很強的魯棒性。CLLC型直流變壓器以其高功率密度優勢和良好的雙向輸電能力在混合交流/直流微電網中非常流行，CLLC型直流變壓器采用開環控制，與雙向互聯變換器配合，實現交流與直流母線之間的功率和電壓轉換[6-9]。在傳統應用中（電動車和電池充電），CLLC型直流變壓器通常是一個獨立的功率轉換器，而混合AC/DC微電網是CLLC型直流變壓器的一個新應用，CLLC型直流變壓器必須與雙向互連轉換器（bidirectional interlinking converter，BIC）進行合作，而不是一個獨立的變換器。非對稱型CLLC與對稱結構的雙向全橋CLLC諧振變換器相比，它省略了副邊諧振網絡的諧振電感，降低電路設計難度，也有利于減小變換器的體積尺寸和成本。雙向車載充電機的研究逐漸成為熱門，對其功率密度，效率和電壓增益范圍等性能指標的要求也日趨嚴格。非對CLLC雙向DC/DC諧振變換器可以實現寬范圍雙向DC/DC變換，并且可以實現很好的電氣性能，可以應用于車載充電機領域[10-12]。

對于DAB變換器來說，一個重要性能指標是當負載階躍變化時，它能夠保持良好的輸出電壓并具有良好的動態性能。文獻[13]提出了簡單的PI單閉環控制方法，優點是容易實現，但是對負載階躍變化的動態響應較慢，輸出電壓誤差較大。文獻[14]提出了一種PI加前饋的混合控制，同樣沒有解決負載階躍響應的問題。文獻[15]提出了一種優化閉環控制的DAB變換器，但是采用的移相控制方法并未明確。

基于以上問題，本文提出一種采用PID調節規律實現對DAB變換器的控制，結合單移相控制方法能夠更好地對直流變壓器的輸出電壓進行精確控制或是在某一范圍內對輸出電壓進行控制，閉環移相控制能在較寬范圍內實現軟開關，減小開關損耗，提高變換器效率。

1 ?CLLC型DAB

諧振型DC-DC變換器可以通過諧振網絡使得流過高頻變壓器的電流為正弦波形，相比非諧振型直流變換器，不僅減小了電流的諧波含量和變壓器的渦流損耗，同時使得關斷損耗更小。CLLC型DAB分為對稱型與非對稱型，本文采用對稱CLLC型DAB來作為說明。

1.1 拓撲結構

見圖1，諧振網絡由Lm，Cr，Lr，Cp參與諧振，由于其不同的匝比和諧振網絡的不對稱結構，CLLC型DAB拓撲都呈現出不同的前向和后向功率傳輸模式。電壓增益可調范圍較窄且相對穩定。要通過合理的CLLC型直流變壓器電路參數設計保證開環控制的CLLC型DAB具有良好的電能傳輸能力并且可以消除實際電感/電容值變化對開環控制的CLLC型DAB的負面影響。CLLC型直流變壓器作為一個獨立的功率轉換器時，通過閉環控制將目標電壓/功率調節到參考值。它對功率的變化和電路參數的變化具有很強的魯棒性。CLLC型直流變壓器始終采用開環控制，與雙向互聯變換器配合，可以實現交流與直流母線之間的功率和電壓轉換。

1.2 單移相控制

單移相（single-phase-shift，SPS）調制是應用于雙向直流變換器最常用的控制方法，在這種調制方式下，可以實現其高功率傳輸能力。盡管有很多新的能實現更多功能的調制技術，如：擴展移相（EPS）、雙重移相（DPS）、三重移相（TPS）等，但是，單移相調制具有小慣性、高動態、易實現軟切換控制等優點，SPS調制方式在允許更大范圍的功率傳輸和易于應用方面是一個進步。

該方法通過控制移相角改變了電感上的電壓，從而實現了對傳輸功率的調節，它的功率傳遞的方向是將從超前向滯后的電壓一端傳遞。在圖2中，Ts為半個開關周期，D為移相比，0？燮D？燮1。Uab：a和b之間的電壓;Ucd：c和d之間的電壓;U1：電容C1兩端電壓;U2：電容C2兩端電壓;V1：電源電壓;R：輸出負載。

2 ?控制方式

2.1 開環系統傳遞函數

開環即不需要將輸出電壓反饋與期望值進行比較進而調節系統;定頻即使開關頻率等于諧振頻率，此時變換器的運行效果最佳，效率較高;同步即變壓器前后全橋開關管驅動信號相同。若想對直流變壓器的輸出電壓進行精確控制或是在某一范圍內對輸出電壓進行控制，保證變換器在較寬的電壓范圍內也能高效率運行，可以利用閉環移相控制來代替開環同步定頻控制。所有控制策略都是為了能在較寬范圍內實現軟開關，減小開關損耗，提高變換器效率，其中傳統單移相控制是最簡單易行的。

2.2 閉環系統的傳遞函數

為了使輸出電壓保持在預定值且能夠被精準測出，變換器需要加反饋環節，如圖 3 所示為控制器的結構框圖。

3.2 開環仿真結果

圖6為原副邊諧振電感電流波形，由圖可以看出諧振電流波形近似正弦，利用其周期性過零實現ZCS，且波形相位關系一致，幅值大小滿足2：1的關系。如圖7為變壓器原副邊電壓，原邊電壓幅值為760V，副邊電壓幅值為378.86V。其為占空比50%的方波，周期均與開關周期相同為10μs，綜上，電壓滿足變壓器變比關系。

3.3 閉環仿真模型及參數

如圖8為主電路仿真，這一部分與開環仿真模型相同。不同之處在于整流橋開關管的驅動信號：利用變換器的輸出進行反饋調節得出的移相角進行移相，從而得出開關管的驅動信號，每個橋臂上兩只開關管均為互補導通，所有斜對角的兩只開關管都同開同關。

如圖9，將變換器的輸出與期望控制值做比較，進行PID、限幅調節得出適合的移相角，再將此移相角給占空比為50%的驅動信號產生移相的互補的一組驅動信號，并按照同一橋臂信號互補，斜對角信號相同的原則賦給相應的開關管。

如圖11為閉環調節后的移相驅動信號，系統在檢測到輸出與期望值有誤差時便會自動比較，并進行PID調節，最終得出一個移相角繼續控制變換器工作，對本次輸出進行相同的調節步驟，直至最后穩定在期望值。圖12為移相之后變壓器原副邊交流電壓，兩電壓波形相差的角度為移相角。閉環調壓的本質就是通過改變變壓器原副邊橋臂中點電壓的移相角來進行調壓的。由圖10可以看出在閉環移相的控制效果下，變壓器二次側的電壓幅值達到380V。

從兩組實驗結果可以明顯看出，相比較開環控制，閉環移相可精確控制輸出電壓，并極大地優化了波形，提高整體效率。采用PID閉環控制的DAB可以使系統動態運行較穩定，且進入穩態時間較短。實現較寬范圍內軟開關的同時提高了雙向直流變換器的效率。

4 ?總結

國內配電網的發展落后于輸電網，而配電網是直接面向用戶的關鍵環節。目前直流配電網的研究處于初級階段，仍然有大量的問題亟待研究和解決。其中直流配電網的拓撲結構就是研究的一個方面，DAB變換器目前成為了不可或缺的設備，所以對其控制方式以及效率優化也是今后研究的重點。

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