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近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的需要，越來越多的功率變換器需要實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)的功能。雙向直流變換器（Bidirectional DC-DC Converter, BDC）作為連接兩個(gè)直流母線的橋梁，因在直流系統(tǒng)中起到至關(guān)重要的作用而受到越來越多學(xué)者的關(guān)注和研究。

雙有源橋（Dual Active Bridge, DAB）直流變換器就是其中一種應(yīng)用在大功率場(chǎng)合的雙向DC-DC變換器。1991年，德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)的R. W. De Doncker教授提出三相DAB直流變換器，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在提出后的十幾年時(shí)間里并沒有成為電力電子領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，但是隨著大功率和高功率密度應(yīng)用場(chǎng)合的增多以及電力電子器件和相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，三相DAB直流變換器逐漸成為近年來研究的熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于三相DAB直流變換器的主要研究方向集中于電路拓?fù)?、調(diào)制策略、建模和控制方法等方面。

為了分析變換器的動(dòng)態(tài)特性和設(shè)計(jì)閉環(huán)控制器，需要建立三相DAB直流變換器精確的動(dòng)態(tài)模型。狀態(tài)空間平均法（State Space Averaging, SSA）能夠準(zhǔn)確反映變換器的工作過程，該方法提出以來在變換器建模領(lǐng)域取得很大的成功。然而，由于在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)三相DAB直流變換器的三相電感電流是純交流量，不滿足小紋波假設(shè)，因此不能使用狀態(tài)空間平均法對(duì)其進(jìn)行建模。

為了解決這一問題，有學(xué)者提出了狀態(tài)空間平均建模方法（State- Variable Averaging and State-Space Averaging, SVA- SSA）。這種方法可以將變換器的階數(shù)從四階降為一階，但是需要對(duì)每種可能的開關(guān)模式進(jìn)行討論建模，因此無法得到統(tǒng)一的建模結(jié)果。

有學(xué)者提出的基頻近似法（First-Harmonic Approximation, FHA）只考慮了控制變量和狀態(tài)變量的基頻成分，利用相量或空間矢量對(duì)變換器的大信號(hào)變量進(jìn)行表示，雖易于判斷變換器零電壓開關(guān)（Zero Voltage Switching, ZVS）的實(shí)現(xiàn)情況，但是由于忽略了其他頻次成分，所以當(dāng)引入占空比作為控制變量時(shí)，F(xiàn)HA的建模精度較低。

傳統(tǒng)的三相DAB直流變換器調(diào)制策略是單移相調(diào)制策略，該調(diào)制方法簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)，但會(huì)造成其在折算后兩側(cè)直流電壓比值遠(yuǎn)離于1的情況，尤其是負(fù)載較輕時(shí)會(huì)導(dǎo)致DAB的效率較低。為了解決該問題，目前主要的方法是：降低由回流功率所引起的通態(tài)損耗，從而提高三相DAB直流變換器效率。

為此，已有相關(guān)文獻(xiàn)提出了雙重移相（Dual- Phase-Shift, DPS）控制和擴(kuò)展移相（Extend- Phase-Shift, EPS）控制以及三重移相控制方式（Triple-Phase-Shift, TPS）控制策略，即在單移相控制的基礎(chǔ)上，在兩側(cè)有源橋增加本身內(nèi)移相控制，從而減小這段時(shí)間間隔。

根據(jù)相關(guān)學(xué)者分析可知，實(shí)際上EPS（或DPS）調(diào)制策略是TPS調(diào)制策略的一個(gè)特殊情況。但是，針對(duì)TPS控制下的最優(yōu)控制量計(jì)算和選取問題，以上文獻(xiàn)均沒有給出詳細(xì)的求解方法，而且，所設(shè)計(jì)的閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)常采用固定限幅，當(dāng)目標(biāo)值發(fā)生較大突變時(shí)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性較差。

針對(duì)以上存在的問題，國(guó)家電網(wǎng)有限公司、西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院等單位的研究人員，在分析了三相DAB直流變換器TPS調(diào)制策略下工作特性的基礎(chǔ)上，采用電流有效值優(yōu)化調(diào)制策略，使用多頻分量法表示狀態(tài)變量并應(yīng)用內(nèi)點(diǎn)法來求解出最優(yōu)的控制變量組；然后，運(yùn)用二階廣義狀態(tài)空間平均法對(duì)三相DAB直流變換器進(jìn)行建模，基于所采用的電流有效值優(yōu)化調(diào)制策略，提出一種加入優(yōu)化限幅模塊的閉環(huán)控制方法；最后，采用Matlab/Simulink和PLECS聯(lián)合仿真對(duì)二階廣義狀態(tài)空間平均模型與有學(xué)者提到的SVA-SSA模型進(jìn)行對(duì)比，得出二階廣義狀態(tài)空間平均模型精確性更高的結(jié)論。通過搭建一個(gè)1.1kW的三相DAB直流變換器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證了所提的閉環(huán)控制方法能夠有效地加快系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。

圖1 變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 電流有效值優(yōu)化調(diào)制策略下的變換器閉環(huán)控制框圖

最后，研究人員將工作總結(jié)為以下幾個(gè)方面：

• 1）建立了三相DAB直流變換器的廣義狀態(tài)空間平均模型。相比于其他建模方式，二階廣義狀態(tài)空間平均模型保留了電感電流各頻次的分量，其精度相對(duì)較高；所建立的統(tǒng)一小信號(hào)動(dòng)態(tài)模型，適用于該變換器的所有調(diào)制策略。
• 2）提出了基于內(nèi)點(diǎn)法優(yōu)化限幅的電流有效值優(yōu)化調(diào)制策略。通過仿真和實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該控制方法穩(wěn)定運(yùn)行且有效地實(shí)現(xiàn)所提出的優(yōu)化調(diào)制策略；提高了三相DAB直流變換器在閉環(huán)控制中動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。

以上研究成果發(fā)表在2019年《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》增刊2，論文標(biāo)題為“三相雙有源橋式直流變換器建模與控制方法”，作者為宋勝利、李卓強(qiáng)、姚志、陳東、許景慧。