双有源桥DC-DC变换器二次纹波的抑制策略研究

时间：2022-12-19

三级式电力电子变压器在传输过程中，输入/输出级必定会产生二次纹波，降低电压质量，影响供电可靠性。现提出了一种新的二次纹波消除方法，闭环控制策略上采用PIR控制，使得双有源桥低压侧输出电压纹波显著降低。在Matlab/Simulink仿真平台上进行了仿真实验，验证了该方法在降低输出电压二次纹波方面的有效性和可靠性。
0 引言
在电力电子领域，电力电子变压器（Power Electronics Transformer，PET）的研究是至关重要的，二级式和三级式PET均含有DC-DC的中间环节[1-2]。双有源桥（Dual AcTIve Bridge，DAB）变换器是一种经典的DC-DC变换器，具有双向功率传输能力，动态响应性能十分优异[3]。DAB由对称的逆变桥和整流桥组成，结构上模块化对称[4]；功率密度高，并且可以轻易实现软开关，在中、大功率高频隔离功率转换系统中应用广泛[5]。
DAB作为DC-DC变换器夹在整流侧和逆变侧之间，高压直流侧和低压直流侧不可避免地都会有整流和逆变带来的二次纹波，降低输出电压质量[6]。降低输出电压二次纹波简单的手段是增大高压和低压侧滤波电容，但这样会增加硬件体积，不符合电力电子变换器小型化、轻量化的发展方向。拓扑抑制和控制策略抑制是解决该问题的主流手段，但无论是怎样的拓扑抑制，都会增大硬件体积，成本也会随之增加[7-8]。文献[9]通过拓扑抑制的方式降低纹波，前者增加了电感支路，后者增加了有源滤波器，都使得硬件体积增大。所以，本文选择控制策略抑制手段来降低输出电压二次纹波。
DAB闭环控制中，控制器多采取PI控制，但是PI控制由于带宽限制，对交流部分不能实现无静差跟踪，PIR控制相较于PI控制，弥补了PI控制在交流信号追踪上的不足。本文采用PIR控制实现二次纹波从高压侧到低压侧的稳定传输，并通过严谨的数学推导和合理的仿真验证，证明了本文所提方法的可行性和合理性。
1 DAB工作的一般机理
1.1 DAB工作原理
三级式PET结构拓扑如图1所示。整流侧接工频交流电压并将其转化为要求的直流电压，中间级DC-DC变换器起到电气隔离和变换电压等级的作用，逆变侧将直流电压转换为交流电压送至用户。

三级式PET中间级DAB拓扑结构如图2所示。原副边开关管的开关频率相同，遵循对角导通原则[4]，副边移相比为d，周期为Ts。Udc1和Udc2为中间级DAB变换器的两侧电压，为便于分析，此处Udc1和Udc2视为直流电压。高频变压器变比为m:1。DAB在SPS控制下的工作波形如图3所示。

考虑高频变压器的漏抗Lt，将高频变压器作为理想变压器处理，漏抗Lt等效为原边电感，DAB的输入功率为：

DAB输入功率在移相比d取0.5时，d的取值范围一般为[-0.5，0.5]。
1.2 DAB二次谐波产生机理
图4为三级式PET整流侧部分，输入电压为vin=Vinsin（ωt），输入电流为iin=Iinsin（ωt）。其中Vin为输入电压峰值，Iin为输入电流峰值，ω为基波角频率。

整流侧输入功率为：

输入功率可以分为直流部分和二次纹波部分，二次纹波部分为：

式（3）说明，只要经过整流侧，二次纹波就一定存在。
2 二次纹波抑制策略
根据文献[5]，在实际操作环境中，传感器中的数据采集、计算都不可避免地存在相当的延迟，因此需要引入一个延迟环节Gd，表示为Gd=e-sT。
DAB的传统闭环控制策略如图5所示，控制器代表多种控制方式的其中一种，Vref是输出电压参考值，根据式（3），Vref主要包含基频分量和二倍频分量。

中的控制器，一般为PI控制。本文使用的控制器为PIR控制器。PIR的传递函数表达式如下：

为补偿二倍频，即100 Hz的功率波动，在二倍频处应具有高增益。谐振控制器R（resonant）可用于对二倍频交流信号的跟踪，比例积分控制器PI可用于对直流信号的跟踪，两者结合形成的PIR控制器可以实现同时对直流信号和二倍频信号的无差跟踪。其中，Kp、Ki、Kr分别是比例控制器、积分控制器、谐振控制器的系数。控制器部分使用PI控制器和PIR控制器的闭环整体伯德图如图6所示。

比较图6（a）和图6（b）可以看出，两者对高频分量都有抑制作用。不同的是，PIR控制在二倍频附近的增益是比较高的，比起PI控制，可以更好地跟踪和补偿二次谐波电流。
3 仿真结果
本文所提出的建模方法和控制策略均在Matlab/Simulink仿真平台下实现，在Simulink环境中搭建了图2所示的系统模型。仿真根据图5的控制策略，分别使用了PI控制器和PIR控制器进行对比。图7（a）是DAB使用传统闭环控制，且控制器为PI控制时的输出电压波形图和移相比变化图，输出电压幅值可以稳定在200 V，上下波动大小为±3.8 V；图7（b）是采用PIR控制器时的输出电压波形图和移相比变化图，输出电压幅值可以稳定在200 V，上下波动大小为±1.6 V。
PI控制器可以实现对直流信号的跟踪，但对二倍频信号的跟踪能力较差。从图7可以看出，在传统闭环控制方式中，对比PI控制器，采用PIR控制器可以明显降低输出电压的纹波。
4 结语
本文就解决中间级为DAB的三级式PET的低压侧二次输出电压纹波问题，提出了新型闭环控制策略，在Matlab/Simulink仿真平台上，闭环控制器采用PIR控制，并将其与PI控制做了详细比较，确能有效降低低压侧输出电压二次纹波，对比传统控制方式有明显优势，提高了中间级为DAB的PET的性能，为三级式PET的动态性能指标控制提供了理论基础。

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