隨著功率半導體技術的發(fā)展和直流分布式電源、儲能以及直流負荷日益增多，直流輸配電技術已經(jīng)成為當前的研究熱點。直流固態(tài)變壓器（Direct Current Solid State Transformer, DCSST）作為在不同電壓等級直流電網(wǎng)間實現(xiàn)電壓和功率靈活控制與管理的關鍵設備，也成為眾多學者關注的對象。

鑒于移相式-雙有源橋（Phase Shift-Dual Active Bridge, PS-DAB）變換器和串聯(lián)諧振式-雙有源橋（Series Resonance-Dual Active Bridge, SR-DAB）變換器具有控制靈活和變換效率高的優(yōu)點，本文作者在相關文獻中提出一種基于PS-DAB和SR- DAB模塊采用輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)（Input Series Output Parallel, ISOP）結構組合的混合模塊化直流固態(tài)變壓器（Hybrid Modular Direct Current Solid State Transformer, HMDCSST）。

其中SR-DAB模塊采用開環(huán)控制工作于諧振狀態(tài)，而PS-DAB模塊采用閉環(huán)控制實現(xiàn)HMDCSST的電壓或功率調節(jié)功能。由于采用模塊組合，通過設置合適的SR-DAB和PS-DAB模塊數(shù)比例，則可實現(xiàn)HMDCSST在保證高效率變換的同時具備靈活可控的能力。此外，由于SR-DAB采用開環(huán)控制，可顯著減小系統(tǒng)控制復雜度以及通信端口的數(shù)量。

建立HMDCSST的小信號模型是深入研究其動態(tài)特性，進行快速響應控制的前提。

• 有學者提出一種PS-DAB全階連續(xù)時間平均模型，利用電感電流和電容電壓的直流分量和一階分量作為狀態(tài)變量，得到系統(tǒng)的狀態(tài)方程，并由此得出PS-DAB的小信號模型。
• 有學者基于分段線性化的電流方程建立了PS-DAB的平均值模型和小信號模型。
• 有學者基于分段指數(shù)積分的平均電流建立了PS-DAB的平均值模型，并利用指數(shù)函數(shù)的泰勒級數(shù)進行近似，推導出PS-DAB的小信號模型。
• 對于SR-DAB的建模方法，有學者利用基波分析法，建立了SR-DAB的平均值模型。
• 有學者基于頻域分析，考慮所有諧波分量，推導了SR-DAB的準確穩(wěn)態(tài)模型。
• 有學者采用拓展函數(shù)法建立了SR-DAB的小信號等效模型。

本文在上述研究工作的基礎上，建立PS-DAB與SR-DAB平均值模型，并分別推導出PS-DAB與SR-DAB小信號模型，進而得到HMDCSST的小信號模型。

改善DCSST的動態(tài)響應有利于提高直流系統(tǒng)復雜工況下的供電質量和運行穩(wěn)定性，部分學者對此展開了深入研究。在描述DC-DC變換器小信號模型中，當輸入電壓-輸出電壓的傳遞函數(shù)A(s)為零時，可使得輸入電壓的擾動對輸出電壓的影響幾乎為零，部分文獻通過輸入電壓前饋法來使A(s)接近于零。

• 有學者以Boost DC-DC變換器為研究對象，提出一種自適應輸入電壓前饋控制策略，并采用H∞理論優(yōu)化控制，實現(xiàn)抑制輸入電壓擾動對變換器輸出電壓的影響。
• 有學者基于PS-DAB的小信號模型討論了影響PS-DAB動態(tài)特性的因素，在此基礎上，提出了一種優(yōu)化前饋系數(shù)的輸入電壓前饋控制策略。
• 為抑制負載側功率波動對輸出電壓的影響，有學者提出了負載電流前饋控制策略，不同之處在于其研究通過增加負載電流前饋補償環(huán)節(jié)來減弱負載電流的擾動對輸出電壓的影響。
• 而有學者通過預測負載功率，直接給定一個預期移相比，從而加快變換器的動態(tài)響應速度。
• 有學者基于PS-DAB的平均值模型，提出一種虛擬直接功率控制策略，考慮輸入電壓擾動量與負載功率擾動量，通過功率預測可以抑制輸入電壓與負載功率擾動對PS-DAB輸出電壓的影響。由于采用ISOP結構的HMDCSST的PS-DAB和SR-DAB模塊間存在耦合，其平均值模型比單模塊PS-DAB模型復雜，采用虛擬功率直接功率控制策略計算過于復雜，不利于硬件實現(xiàn)。

本文首先建立HMDCSST的小信號模型，并通過仿真證明其準確性?；贖MDCSST的小信號模型，提出一種快速響應控制策略，即在傳統(tǒng)輸出電壓PI控制的基礎上，利用輸入電壓前饋控制策略減小輸入電壓擾動對輸出電壓的影響，并采用負載功率預測控制策略抑制負載功率擾動對輸出電壓的影響。通過仿真對比分析了所提控制策略的穩(wěn)定性，最后通過實驗結果驗證了HMDCSST快速響應控制策略的有效性。

圖10 HMDCSST實驗平臺

總結

本文建立了HMDCSST的小信號模型，并通過仿真證明小信號模型的準確性。提出一種綜合輸入電壓前饋與負載功率預測的快速響應控制策略，并分析了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與響應快速性。最后通過搭建兩模塊小功率實驗平臺，將本文提出的快速響應控制策略與傳統(tǒng)PI控制策略進行比較，得出以下結論：

• 1）本文所建立的HMDCSST小信號模型能夠準確表征系統(tǒng)的動態(tài)響應特性，可以用來研究HMDCSST系統(tǒng)在輸入電壓與負載功率發(fā)生階躍擾動下的控制策略。
• 2）穩(wěn)定性分析表明，本文提出的快速響應控制系統(tǒng)是穩(wěn)定的，且相比于傳統(tǒng)PI控制，系統(tǒng)響應速度明顯加快，對系統(tǒng)擾動具有良好的抑制效果。
• 3）實驗結果驗證了本文提出的快速響應控制策略的有效性。
• 4）輸入電壓突變瞬間，SR-DAB諧振電流會出現(xiàn)較大尖峰，本文下一步工作將研究輸入電壓發(fā)生突變時抑制SR-DAB諧振電流尖峰優(yōu)化控制策略。