DAB變換器控制系統仿真設計

北方工業大學電氣與控制工程學院 王 鵬 魏耀全

本文根據DAB雙有源橋變換器有關電路仿真拓撲基本結構，了解其電路工作原理，以此依據推導設計出DAB雙有源橋變換器小信號模型，在Matlab/Simulink軟件中，搭建了以單移相調制的DAB雙有源橋變換器仿真控制算法模型，用電壓閉環控制來真實觀察其輸出電壓、負載電流以及額定輸出功率等信號波形，實現了輸入電壓DC400V，輸出電壓DC48V，功率500W以及輸出電壓誤差≤1%的技術指標要求。

1 DAB雙有源橋變換器的數學模型

1.1 工作原理

DAB雙有源橋變換器由前后兩級構成，前后都是H全橋電路，中間由變壓器連接，并在左側全橋電路輸出端串聯電感，DAB雙有源橋變換器拓撲結構如圖1所示。

圖1 DAB雙有源全橋變換器原理圖

圖2 DAB變換器單移相控制工作原理波形

圖1中：V1和V2分別為輸入和輸出側電壓源，C1為前級電路直流濾波電容，C2為后級直流濾波電容。DAB變換器前后兩級的電路是對稱全橋結構。為了控制功率傳輸的方向和大小，通過控制開關管S1-S8并施加適當的脈沖，可以交替打開和關閉開關，這樣就可以實現雙向能量傳輸。

1.2 數學模型

忽略電路損耗，考慮前級的瞬時功率和后級瞬時功率等同，有以下方程式：

式中：v1是V1的瞬時值；v2是V2的瞬時值。

DAB雙有源變換器的輸入功率得到：

式中：d = to /T為占空比；to如圖2中所示。

則電流i1、i2分別為：

對電流i1、i2在施加擾動于靜態工作點附近，這樣就得到了DAB小信號模型：

對式（2.3）進行高等數學計算，得到：

根據上述公式即可得出DAB雙有源橋變換器的等效電路圖，如圖3所示。

圖3 DAB雙有源橋變換器等效電路

從圖3可知，傳遞函數Gvd以及Gvi分別為：

1.3 仿真參數（見表1）

表1 DAB變換器仿真模型參數

2 搭建仿真控制算法模型

2.1 閉環傳遞函數和控制框圖

為了輸出電壓保持長久穩定，采用設計合適的控制器H(s)來調節動態輸出控制量相移角δ的大小。本文采用如圖4所示的控制框圖進行控制，采用這種控制框圖可以獲得穩定的輸出電壓和輸出功率。

前向輸入通道的傳遞函數H(s)G(s)應該同時滿足兩個基本條件，這是為了實現單環控制器效率的提高和控制系統性能的提升，這是由經典單閉環控制系統理論的研究表明得到的：

（1）較大的截止頻率（大于穿越截止頻率）——并具備快速的截止暫態自動響應；

（2）低頻信號的高增益，將穩態誤差降至最低。

控制器模型H(s)的模型在設計過程中需要考慮一級功率電路和二級控制器G(s)的動態信號特性模型的描述方程，也就是雙有源橋DC-DC變換器的小功率信號控制器模型。

圖4 DAB雙有源橋變換器的基本控制框圖

2.2 仿真分析

2.2.1 仿真的搭建

如圖5為主開環電路仿真,這一部分與整流橋開環電路仿真的模型相同。圖6顯示了閉環調節后的相移驅動信號。當系統檢測到輸出與期望值之間的錯誤時，它將自動比較并執行PID調整。最后，將獲得相移角以繼續控制轉換器。對于此輸出，執行相同的調整步驟，直到最終穩定在所需值。圖7顯示了相移后變壓器一次側和二次側的交流電壓。兩個電壓波形之間的角度是相移角。

2.2.2 結果分析

由圖9和圖10可以看出在閉環移相的控制效果下，DAB雙有源橋變換器輸出電壓為DC48V，功率500W，輸出電壓誤差≤1%，滿足技術指標要求。

從仿真波形圖8以及圖9分析得出仿真模型的結果與理論分析的結果相符，驗證了仿真模型的正確性。

結論：本文通過了解DAB變換器的工作原理，推導數學模型，主電路參數計算與設計控制策略及框圖等前期準備工作，最后在Matlab/Simulink軟件中搭建仿真模型，驗證了DAB雙有源全橋DC-DC變換器建模與控制策略的可行性和正確性。

隨著直流配電網的發展，DAB雙有源全橋變換器將存在著及其廣泛的應用場景，而本文所做的工作可以為DAB雙有源全橋變換器的設計以及變換器參數計算提供參考，具有良好的工程應用價值。

圖5 DAB變換器SPS控制仿真

圖6 移相驅動信號

圖7 變壓器原副邊交流電壓

圖8 輸出電壓電流波形

圖9 輸出功率波形