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隨著環(huán)境污染、能源短缺等問題的日益嚴(yán)重，可再生能源引起了廣泛關(guān)注，基于可再生能源的微電網(wǎng)系統(tǒng)得到了快速發(fā)展。這類微電網(wǎng)系統(tǒng)通常采用如圖1所示的電路架構(gòu)，太陽(yáng)能（Photovoltaic, PV）、風(fēng)能（Wind Turbine Generator, WTG）等可再生能源輸出最大功率，蓄電池（Battery, BAT）、超級(jí)電容（Super Capacitor, SC）等儲(chǔ)能元件用以平抑輸入輸出的功率波動(dòng)。由于太陽(yáng)能、風(fēng)能的間歇性與隨機(jī)性強(qiáng)，直流母線功率波動(dòng)大，則連接在儲(chǔ)能元件與直流母線之間的雙向直流變換器需要具有良好的穩(wěn)態(tài)特性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。

圖1 基于可再生能源的微電網(wǎng)系統(tǒng)

雙有源全橋（Dual Active Bridge, DAB）DC-DC變換器因其具有功率密度高、電氣隔離易實(shí)現(xiàn)模塊化串并聯(lián)、軟開關(guān)等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為雙向直流變換器的研究熱點(diǎn)。傳統(tǒng)單移相（Single-Phase-Shift, SPS）調(diào)制策略具有控制簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)等優(yōu)點(diǎn)，但存在電流應(yīng)力大、回流功率多等問題。

為了解決這類問題，有關(guān)學(xué)者進(jìn)行了研究，但是均只針對(duì)變換器穩(wěn)態(tài)性能進(jìn)行優(yōu)化，未論述變換器的動(dòng)態(tài)性能。輸出電壓值僅通過單一PI控制器跟蹤，這使得變換器動(dòng)態(tài)性能較差。

對(duì)此，福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院、青島大學(xué)電氣工程學(xué)院的研究人員考慮EPS調(diào)制電流優(yōu)化效果與DPS、TPS相仿，同時(shí)僅增加變壓器一次側(cè)H橋內(nèi)移相角，控制實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單?；贓PS調(diào)制，他們提出了一種結(jié)合電流應(yīng)力優(yōu)化的自抗擾控制（Active Disturbance Rejection Control, ADRC）策略，實(shí)現(xiàn)了DAB變換器電流應(yīng)力全局最優(yōu)，同時(shí)結(jié)合自抗擾閉環(huán)控制，提升了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能及魯棒性。

表1 不同文獻(xiàn)的控制策略對(duì)比

研究人員首先，推導(dǎo)了EPS調(diào)制下三種工作模式的功率及電流應(yīng)力的數(shù)學(xué)模型；其次，對(duì)比分析了EPS調(diào)制下三種工作模式的電流應(yīng)力并采用條件極值法求解變換器電流應(yīng)力全局最優(yōu)解；構(gòu)建自抗擾反饋閉環(huán)，將電流應(yīng)力優(yōu)化策略導(dǎo)致的功率波動(dòng)、輸入電壓突變、負(fù)載投切等視作總擾動(dòng)，通過擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器（Extended State Observer, ESO）進(jìn)行實(shí)時(shí)估算并補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的優(yōu)化。

他們最后通過與單重移相傳統(tǒng)電壓環(huán)控制、擴(kuò)展移相直接功率控制對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，理論和實(shí)驗(yàn)一致性高，研究結(jié)果表明：

1）相比于單重移相調(diào)制，擴(kuò)展移相調(diào)制在傳輸相同功率的同時(shí)，能夠?qū)Ψ€(wěn)態(tài)目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。且變換器應(yīng)避免工作在0＜D1＜1＜D2＜1+D1/2移相模式下，該結(jié)論可推廣至雙重移相與三重移相調(diào)制。

2）該電流應(yīng)力優(yōu)化算法具有最小的電流應(yīng)力，降低了對(duì)開關(guān)器件的耐流值要求，提高了變換器的安全性與可靠性，同時(shí)有效地提高了變換器效率。

3）所提出的結(jié)合電流應(yīng)力優(yōu)化的自抗擾方案在啟動(dòng)過程、輸入電壓突變、負(fù)載突變時(shí)，均具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。構(gòu)建的自抗擾控制器無(wú)需對(duì)象精確模型，僅需采樣輸出電壓信息，具有控制簡(jiǎn)單、魯棒性與適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

本文編自2022年第12期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“結(jié)合電流應(yīng)力優(yōu)化的雙有源全橋DC-DC變換器自抗擾控制”。本課題得到了山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目和福州市科技計(jì)劃項(xiàng)目的支持。