三有源橋DC-DC變換器的建模與控制技術(shù)

汪驍

（方大特鋼科技股份有限公司 江西省南昌市 330000）

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，全球氣候隨著碳排量的不斷上升日趨嚴(yán)峻，低碳甚至是無(wú)碳已經(jīng)逐漸成為各國(guó)研究的目標(biāo)。2020年，在這一大環(huán)境下，我國(guó)基于可持續(xù)發(fā)展的內(nèi)在要求和推動(dòng)人類命運(yùn)共同體的大國(guó)擔(dān)當(dāng)，宣布了碳達(dá)峰和碳中和的目標(biāo)愿景[1-2]。這一目標(biāo)一經(jīng)提出就引起全世界各個(gè)國(guó)家的關(guān)注，這一舉措將引領(lǐng)我國(guó)按步驟、有計(jì)劃的實(shí)施低碳轉(zhuǎn)型，推動(dòng)減污降碳協(xié)同增效，改善生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展。在當(dāng)下疫情肆虐，全球經(jīng)濟(jì)衰退，能源供應(yīng)日趨緊張的大環(huán)境下，大力發(fā)展新能源無(wú)疑是這一場(chǎng)戰(zhàn)役的關(guān)鍵破局點(diǎn)之一[3-4]。目前，已有不少國(guó)家在大電網(wǎng)中接入了新能源發(fā)電系統(tǒng)。截止到2020年底，全球累計(jì)可再生能源的裝機(jī)容量接近2800GW，其中水電機(jī)組累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到1210GW，占比43.21%，風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量分別達(dá)733GW、714GW，約占全部裝機(jī)容量26%。本文需要在多種控制方式中確定可以拓展到三有源橋DC-DC 變換器的控制方式[5]，通過(guò)建立三有源橋DC-DC 變換器的功率方程，實(shí)現(xiàn)三有源橋DC-DC 變換器傳輸功率的控制，以下詳細(xì)對(duì)三有源橋DC-DC 變換器的建模與控制技術(shù)進(jìn)行分析。

1 基于單重移相控制的雙有源橋DC-DC變換器建模

雙有源橋DC-DC 變換器具有電壓轉(zhuǎn)換比大、能夠?qū)崿F(xiàn)電氣隔離、易于實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)、功率流動(dòng)方向靈活等優(yōu)勢(shì)，但也存在控制非線性、存在回流功率影響電源利用率等問(wèn)題。針對(duì)雙有源橋DC-DC 變換器的控制方法主要可以劃分為對(duì)稱占空比移相控制與對(duì)稱占空比移相控制，其中后者又可以根據(jù)移相角的數(shù)量劃分為單重移相與多重移相[6-7]。下文主要針對(duì)單移相控制下雙有源橋DC-DC 變換器的工作原理、工作模式、數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析和推導(dǎo)。

雙有源橋DC-DC 變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示，其主要由兩個(gè)全橋變換器（S1-S4、S5-S8）、兩個(gè)直流電容、一個(gè)高頻隔離變壓器和一個(gè)輔助電感L 組成，變換器工作頻率為f。圖1 中，U1，U2分別是雙有源橋DC-DC變換器的輸入側(cè)和輸出側(cè)電壓；輸入側(cè)全橋逆變的輸出電壓用UH1表示；輸出側(cè)全橋逆變輸出電壓用UH2表示。

圖1：雙有源橋DC-DC 變換器拓?fù)?/p>

單移相控制為雙有源橋DC-DC 變換器的最基本的控制方式，當(dāng)變換器運(yùn)行于單移相控制時(shí)，變換器兩側(cè)的H 橋輸出均為占空比50%的兩電平電壓，通過(guò)改變兩電平電壓間的移相角實(shí)現(xiàn)對(duì)傳輸功率的控制。

2 基于單移相控制的三有源橋DC-DC變換器建模

2.1 單移相控制基本原理

三有源橋DC-DC 變換器在SPS 控制下各端口均可實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)，此時(shí)變換器的功率傳輸方向可以分為單輸入雙輸出和雙輸入單輸出兩類，如圖2 所示。由圖可知，同時(shí)作為輸入或輸出的端口間存在功率流動(dòng)[8-9]。由于三有源橋DC-DC 變換器具有對(duì)稱性，本文以單輸入雙輸出工況為例對(duì)變換器內(nèi)部能量流動(dòng)進(jìn)行分析，雙輸入單輸出同理。

圖2：三有源橋DC-DC 變換器工作模式

如圖3 所示，移相比D 表示兩個(gè)端口電壓的相位差，當(dāng)端口電壓V1的相位超前于V2時(shí)，0

圖3：移相控制原理圖

2.2 基于單移相控制的三有源橋DC-DC變換器模態(tài)分析

三有源橋DC-DC 變換器的各端口開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)如圖4 所示，位于同一橋臂的開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)始終互補(bǔ)導(dǎo)通，防止變換器直通短路。

圖4：SPS 控制下三有源橋DC-DC 變換器工作波形圖

圖4 中（t0～t6）為一個(gè)開(kāi)關(guān)周期，根據(jù)電感電流在一個(gè)周期內(nèi)流經(jīng)變換器路徑的不同，將三有源橋DC-DC 變換器劃分出十二個(gè)工作模態(tài)。考慮到三有源橋DC-DC變換器前后半個(gè)周期的工作過(guò)程具有對(duì)稱性，本文以前半個(gè)周期的工作模態(tài)為例，詳細(xì)分析單移相控制下三有源橋DC-DC 變換器的工作過(guò)程。

2.1 模態(tài)I：t0～t10時(shí)段

t0時(shí)刻前，端口一開(kāi)關(guān)管S12、S13導(dǎo)通，電源電流流出iL1<0，發(fā)出功率；端口二S22、S23導(dǎo)通，電源電流流出iL2<0，發(fā)出功率；端口三D32、D33導(dǎo)通，電源電流流入iL3>0，吸收功率。

t0時(shí)刻，S12和S13關(guān)斷信號(hào)到來(lái)，此時(shí)iL1<0 方向?yàn)樨?fù)，所以S11、S14觸發(fā)信號(hào)到來(lái)時(shí)，其反并聯(lián)二極管自然導(dǎo)通續(xù)流。端口一D11、D14導(dǎo)通，電源電流流入iL1<0，吸收功率；端口二S22、S23導(dǎo)通，電源電流流出iL2<0，發(fā)出功率；端口三D32、D33導(dǎo)通，電源電流流入iL3>0，吸收功率。

2.2 模態(tài)II：t10～t1時(shí)段

t10時(shí)刻，電感電流iL1由負(fù)變零到正。端口一S11、S14自然換流導(dǎo)通，電源電流流出iL1>0，發(fā)出功率；端口二S22、S23導(dǎo)通，電源電流流出iL2<0，發(fā)出功率；端口三D32、D33導(dǎo)通，電源電流流入iL3>0，吸收功率。

2.3 模態(tài)III：t1～t30時(shí)段

t1時(shí)刻，S22、S23關(guān)斷信號(hào)到來(lái)，此時(shí)iL2<0 方向?yàn)樨?fù)，所以S21、S24觸發(fā)信號(hào)到來(lái)時(shí)，其反并聯(lián)二極管自然導(dǎo)通續(xù)流。端口一S11、S14導(dǎo)通，電源電流流出iL1>0，發(fā)出功率；端口二D21、D24導(dǎo)通，電源電流流入iL2<0，吸收功率；端口三D32、D33導(dǎo)通，電源電流流入iL3>0，吸收功率。

2.4 模態(tài)IV：t30～t20時(shí)段

t30時(shí)刻，iL3由正變零到負(fù)，端口一S11、S14導(dǎo)通，電源電流流出iL1>0，發(fā)出功率；端口二D21、D24導(dǎo)通，電源電流流入iL2<0，吸收功率；端口三S32、S33自然換流導(dǎo)通，電源電流流出iL3<0，發(fā)出功率。

2.5 模態(tài)V：t20～t2時(shí)段

t20時(shí)刻，iL2由負(fù)變零到正，端口一S11、S14導(dǎo)通，電源電流流出iL1>0，發(fā)出功率；端口二S21、S24自然換流導(dǎo)通，電源電流流出iL2>0，發(fā)出功率；端口三S32、S33導(dǎo)通，電源電流流出iL3<0，發(fā)出功率。

2.6 模態(tài)VI：t2～t3時(shí)段

t2時(shí)刻，S32、S33關(guān)斷信號(hào)到來(lái)，此時(shí)iL3<0 方向?yàn)樨?fù)，所以S31、S34觸發(fā)信號(hào)到來(lái)時(shí)，其反并聯(lián)二極管自然導(dǎo)通續(xù)流端口一S11、S14導(dǎo)通，電源電流流出iL1>0，發(fā)出功率；端口二S21、S24導(dǎo)通，電源電流流出iL2>0，發(fā)出功率；端口三D31、D34導(dǎo)通，電源電流流入iL3<0，吸收功率。

3 仿真結(jié)果分析

為驗(yàn)證單移相控制策略的可行性和有效性，在MATLAB/Simulink 中搭建了含光伏、儲(chǔ)能的三端直流系統(tǒng)仿真模型，其中三個(gè)端口通過(guò)三有源橋DC-DC變換器進(jìn)行連接。當(dāng)各端口移相比設(shè)置為D12=0.2、D13=0.1、D23=0.25 時(shí)，端口H 橋電壓方波及電感電流仿真波形如圖5(a)所示。當(dāng)各端口移相比設(shè)置為D12=0.12、D13=0.18、D23=0.08 時(shí)，端口H 橋電壓方波及電感電流仿真波形如圖5(b)所示。

圖5：各端口H 橋電壓及電感電流波形

觀察仿真波形，發(fā)現(xiàn)通過(guò)改變?nèi)性礃駾C-DC 變換器各側(cè)開(kāi)關(guān)管之間的移相角就能夠改變各端口H 橋的輸出電壓，根據(jù)單移相控制的原理可知，改變H 橋的輸出電壓之間的相角即可改變傳輸功率的大小，即采用單移相控制可以控制三有源橋DC-DC 變換器各端口之間的功率流動(dòng)情況。

4 結(jié)論

本文主要建立了三有源橋DC-DC 變換器的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)基于單移相控制的三有源橋DC-DC 變換器進(jìn)行了分析，從雙有源橋DC-DC 變換器的現(xiàn)有成果出發(fā)，對(duì)雙有源橋DC-DC 變換器及其等效電路進(jìn)行疊加，得到了三有源橋的等效電路，進(jìn)而建立了基于單移相控制的三有源橋DC-DC 變換器的模型，最后在Matlab/Simulink 中搭建了含三有源橋DC-DC 變換器的系統(tǒng)仿真模型，通過(guò)仿真驗(yàn)證了單移相控制策略的可行性。